Датчик давленя Советский патент 1980 года по МПК G01L9/08 

1

Изобретение относится к области приборостроения, в частности, к датчикам давления.

Известны датчики давления, в которых выходной электрический сигнал с помощью обратного преобразоваа-еля преобразуется в механическое усилие, компенсирующее входное давление fl. Благодаря охвату датчика отрицательной обратной связью через высокостабильный обратный преобразователь исключается влияние нестабильности параметров датчика и элементов измерител1 ной схемы. Недостатком таких устройств является трудность изготовления точного офатного преобразователя на широкий диапазон давлений, а также пониженное быстродействие из-за инерционности электромеханического обратного преобразователя.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является устройство, содержажее электрический датчик давления и высоковольтный источник калибровочных воздействий jjZ. Датчик содержит упругий элемент из пьезоэлектршса, выполненный в виде пластины с двумя электродами и наклеенными тензорезисторами. Деформация пластины из пьезоэлектршса преофазуется в приращение сопротивления тензорезисторов, включенных в мостовую измерительную схему с -ИСТОЧНИКОМ питания, фильтром нижних частот, усилителем и регистратором.

Калибровочное воздействие, вызывающее деформацию пластины из пьезоэлект- рика, создается подачей импульсов напряи ения на электроды пластины от высйковольтного источника. Измеримое давление и калибровочное воздействие преобразуется затем в выходное напряжение мостовой измерительной схемы. По значению приращения-выходного напряжения, соответствующего калибровочному импульсу , судят о чувствительности датчика.

Недостатком этого устройства является дополнительная погрешность от

температурной и временной нестабильности высоковольтного источника напряжения, а та1сже влияние калибровочного воздействия на выходной сигнал измерительной схемы. Непостоянство высокого напряжения датчика не позволяет достаточно полно скомпенсировать в выходном электрическом напряжении датчика дополнительную составляющую от воздействия калибровочного сигнала. Кроме того, процесс калибровки проводится цикЛ1йески, что не исключает погрешности от измерения чувствительности в периоды между калибровками.

Целью изобретения является повыше/ние точности датчиков для непрерывного контроля и регистрации давления.

Поставленная цель достигается тем, что в датчик давления, содержащий упругий элемент из пьезоэлектрической пластины с двумя электродами и наклеенными тензорезисторамн, включенными в мостовую измерительную схему с источником питания, выход которой через фильтр НШ1СНИХ частот соединен с входом дифференциального усилителя, выход которого под1слючен к регистратору, и высоковольтный источник напрягкения, соединенный через ключ с электродами пьезоэлектрической пластины, введены последовательно включенные фильтр верхних частот, фазочувствительный выпрямитель и второй дифференциальный усилитель, инвертирующий вход которого через делитель напряжения соединен с высоковольтным источником напрялсения, а выход соединен с управляющим входом регулируемого резистора, включенного в диагхэналь питания моста, и мультивибратор, выход; которого соединен с упрйвляющими входами ключа и фазочувствительного выпрямителя, выход которого под1шючен к инвертирующему входу первого и входу второго дифференциальных усилителей.

На чертеже представлена структурная схема предлагаемого устройства стабилизации чувствительности электрических датчиков давления.

Упругий Элемент датчика выполнен из пьезоэлектрической пластины 1, на которую наклеены тензорезисторы 2. Пьезоэлектрическая пластина 1 охвачена электродами 3, соединенными с источником высоковольтного напряжения 4 через ключ 5, цепь управления которого подключена к мультивибратору 6. Тен-г -эорезисторы 2 включены в мостовую

измерительную схему 7, снабженную источником питания 8 с регулируемым сопротивлешем .9 в диагонали питания моета.

К выходной диагонали моста подключены фильтр нижних частот 10 фильтр верхних частот 11, Выход фильтра нижних частот 10 соединен с входом дифференциального усилителя 12, на выходе которого включен регистратор 13.

Выход фильтра верхних частот 11 подключен к.фазочувствительному выпрямителю 14, управляющим входом подключенного к мультивибратору 6, Выход фазочувствительного выпрямителя .14 соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя 12 и входом второго дифференциального усилителя 15, вы- . ход которого под1шючен к управляющему входу регулируемого резистора 9, включённого в .диагональ источника питания моста 8. Инвертирующий вход дифференциального усилителя 15 подсоединен через делитель напряжения 16 к высоковольтному источнику напряжения 4.

Устройство работает следующим образом. Под действием давления Р пьезоэлектрическая пластина 1 с наклеенными тензорезисторами 2 деформируется. При подаче напряжения на электроды 3 от высоковольтного источника 4 возникают дополнительные деформации (обратный шьезоэффект), пропорциональные приложенному напряжению. При разомкнутом ключе 5, управляемом мультивибратором 6, дополнительные деформации отсутствуют..

Выходное напряжение мостовой схемы 7 с тензорезисторами 2, В1шюченными в плечи моста, в этом случае будет определяться только измеряемым давлением Ру

.

ii}

де К

-коэффициент, учитывающий упругие свойства пьезоэлектрической пластины 1;

-. крутизна преобразования Ру, в деформацию, определяемая геометрическими размерами пластины;

-крутизна преобразования деформации пьезоэлектрической пластины в приращения сопротивлений тензорезисторов;

S-,

-крутизна преобразования (чувствительность) мостовой измерительной схемы к при- ji.iiniiniio сопротшиншия ток- ;и)|)|.;1исторов; I - ток 1111Т/1(1Ия McxiTotioft схемы. При замкнутом ключе 5, когда на электроды 3 т.оэоэлектрической пластины подано высоко. напряжение U от высоковольтного ИСТОЧНИКИ 4, вызывающее дополнительную деформацию пластины, выходное напряжение моста становится равным uv-v s sv zVгде К л - коэффициент, отражающий обратный пьезоэффект шшсткны При питании цепи управления ключа 5 периодическим напряжением частоты и. от мультивибратора 6 выходное напряже ние моста U-T будет пульсировать по прямоугольной огибающей. Постоянная составляющая пульсирующего напряжения выделяется фильтро. нижних частот 10 и равна yUu t Чо iNo где К. - коэффициент передачи фильтра 1О. Частота .fit пульсирующего напряже ния выделяется фильтром. Переменная составляющая частот 11 выпрямляется фазочувствитеяьным выпрямителем 14, управляемым мультивибратором 6. Выпрямленное напряжение можно представить в виде . где К.. - коэффициент передачи фильтИра 11; - коэффициент выпрямления выпрямителя 14. В дифференциальном усилителе 12 из напряжения фильтра нижних частот 10 вычитается напряжение фазочувствительного выпрямителя 14. Усиленная разнос напряжений, фиксируемая регистратором 13, равна 1 13-7(1о-и.. ° (5 i2.. . где Kjg - коэффициент усиления усилителя 12. Если выполЕШть условие К К. К.д то выражение (5) примет вид 4 -NNoN2 -,s,,,-iT. Одновременно напряжение у поступает на вход второго дифференциального усилителя 15. На и 1вертнрующий вход этого усилителя 15 через дели1 ль напряжения 16 подано напряже1Шв (J от высоковольтного источника 4, т.е. (7) где К - коэффициент деления делитеЛЯ напряжения 16. Выходное иагфяжение усилителя 15 воздействует на управляющий вход регулируемого. резистора 9, включенного в диагональ питания моста 7, в направлении уменьшения разности входных напряжений усилителя 15. Приравнивая напряжения (J и U с учетом их значений (4) и (7), получаемiNoS. Г .Т 1У1w где К -К.. К ,. . -1О 1 1т Из соотношения (8) определяем значение произведения 2.1fe Подставляя произведение (9) в выражение (6), получим - g -iKia 1г. Kok. Таким образом, электрическое напряжение, фиксируемое регистратором 13, связано с измеряемым давлением Р,/ 1ФЯМОЙ зависимостью и не содержит составляющей пропорциональной калибрующим воздействиям. Из выражения (10) также следует, что измерения крутизны преобразования элементов датчика (S, Sg. ), измерительного моста 7 ( S 7 ) и непостоянство тока 3 питания моста 7 не вызывают погрешности при регистрации Р. По сравнению с Ефототипом исключено влияние нестабильности нагфяжения Ц/ высоковольтного источника питания 4 на чувствительность датчика давления, а также дрейф электрического нуля за счет полного подавления колебаний выходного напряжения от калибровочных импульсов. Указанные преимущества позволяют осуществить непрерывную регистрацию давления контролируемой среды с повышенной точностью. Формула изобретения Датчик давления, содержащий упругий элемент из пьезоэлектрической плас