Устройство для измерения давления
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ, содержащее датчик давления е упругим элементом из пьезоэлектрической пластины с электродами и на клеенными тензорезисторами, включенными в мостовую измерительную схему систочником питания, выход которой через усили-тель соединен с входом регистратора, мультивибратор, подключенный к входам управления фазочувствительного выпрямителя и первого ключа, соединенного с потенциальным электродом пьезоэлектрической пластины , и фильтры низкой и высокой частоты , отличающееся тем. что, с целью повышения чувствительности и точности измерения давления за счет введения положительной обрат ной связи и самокалибровки датчика, в него дополнительно введены второй фазочувствительный выпрямитель, связанный с источником питания, второй управляемый мультивибратором ключ, зашунтированный резистором и соединенный с первым ключом и выходом второго фазочувствительного выпрямителя , разделительный конденсатор между потенциальным электродом и первым ключом, зашунтированный емкостью, и избирательный усилитель, причем после i довательно соединенные второй фазочувствительный выпрямитель и второй ключ подключены между выходом усилителя , выполненного управляемым, и входом регистратора, связанного также через последовательно соединенные фильтр высокой частоты, избирательный усилитель, фазочувствительный о со о выпрямитель и фильтр низкой частоты с управляющим входом усилителя, а управляющие входы ключей подключены О5 кпротивофазным выходам мультивибраоо тора.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ . РЕСПУБЛИК
„„Я0„„1030681
С 01 L 9/08
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ!
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР
ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ
H ABTOPCH0MV СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3430707/18-10
1 (22) 27. 04. 82 (46) 23.07.83. Бюл. Н 27 (72) Ю.д. Скрипник, Л.А. Галкин, В.И. Скрипник и B.È, Водотовка (53) 531.787(088 8) (56) 1. Электрические измерения.
Под ред. Г.Б. Шрамкова, И ., "Высшая школа" 1972 с. 433.
2. Авторское свидетельство СССР
N 711393, кл. G- 01 L 9/08, 12 ° 12.77
{прототип) . (54) (57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ
ДАВЛЕНИЯ, содержащее датчик давления с упругим элементом из пьезоэлектри. ческой пластины с электродами и наклеенными тензорезисторами, включенными в мостовую измерительную схему с источником питания, выход которой через усилитель соединен с входом регистратора, мультивибратор, подключенный к входам управления фазочувствительного выпрямителя и первого ключа, соединенного с потенциальным электродом пьезоэлектрической пластины, и фильтры низкой и высокой частоты, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с цел ью повышения чувст ви тельности и точности измерения давления за счет введения положительной обратной связи и самокалибровки датчика, в него дополнительно введены второй фазочувствительный выпрямитель, свя занный с источником питания, второй управляемый мультивибратором ключ, зашунтированный резистором и соединенный с первым ключом и выходом второго фазочувствительного выпрями.теля, разделительный конденсатор меж-! ду потенциальным электродом и первым ключом, зашунтированный емкостью, и избирательный усилитель, причем после- . довательно соединенные второй фазоCQ чувствительный выпрямитель и второй ключ подключены между выходом усилителя, выполненного управляемым, и входом регистратора, связанного также через последовательно соединенные фильтр высокой частоты, избирательный усилитель, фазочувствительный выпрямитель и фильтр низкой частоты с управляющим входом усилителя, а управляющие входы ключей подключены 4 к противофазным выходам мультивибратора. Qo
1.
1 10
Изобретение относится к приборостроению, в частности к устройствам, измерения давления, и может быть использовано для .непрерывного контроля механических усилий с повышенной точностью. !
Известны датчики давления, в которых выходной электрический сигнал с помощью обратного преобразователя преобра зует ся в механ ичес кое усилие, компенсирующее входное давление. Благодаря охвату датчика отрицательной обратной связью через высокостабильный обратный преобразователь исключается влияние нестабильности параметров датчика и элементов измерительной схемы t 1 g.
Недостатком таких устройств является низкая чувствительность из-за противодействия отрицательной обратной связи, что ограничивает возможность измерения малых давлений.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устI ройство для измерения давления, содержащее датчик давления с упругим элементом из пьезоэлектрической пластины с электродами и наклееннь>ми тензорезисторами, включенными в мостовую измерительную схему с источником питания, вь>ход которой через усилитель соединен с входом регистратора, мультивибратор, подключенный к входам управления фазочувствительного выпрямителя и первого ключа, соединенного с потенциальным электродом пьезоэлектрической пластины, фильтры низкой и высоко", частоты (2 1.
Недостатком известного устройства является низкая чувствительность датчика в области малых давлений вспедствие незначительных деформаций пьезоэлектрической пластины.
Целью изобретения является повышение чувствительности и точности измерения давления за счет введения поло>нительной обратной связи и самокалибровки датчика.
Указанная цель достигается тем, что в устройство для измерения давления, содержащее датчик -давления с упругим элементом из пьезоэлектрической пластины с электродами и наклеенными тензорезисторами, включенными в мостовую измерительную схему с источником питания, выход которой через усилитель соединен с входом регистратора, мультивибратор, под30681 2 ключенный к входам управления фазочувствительного выпрямителя и первого ключа, соединенного с потенциальным электродом пьезоэлектрической пластины, и фил ьтры низкой и высокой частоты, дополнительно введены второй фазочувствительный выпрямитель, связанный с источником питания, вто, рой управляемый мультивибратором
10 ключ, зашунтированный резисторами и соединенный с первым ключом и выходом второго фазочувствительного выпрямителя, разделительный конденсатор между потенциальным электродом и первым ключом, зашунтированный емкостью, и избирательный усилитель, причем последовательно соединенные второй фазочувствительный выпрямитель и второй ключ подключены между выходом усилителя, выполненного управпяемым, и входом регистратора, связанного также через последовательно соединенные фильтр высоко" частоты, избирательный усилитель, фазо чувствительный выпрямитель и фильтр низкой частоты с управляющим входом усилителя, а управляющие входы ключей подключены к противофазным выхо.дам мультивибратора.
ЗО
На чертеже представлена структурная схема предлагаемого устройства для измерения давления.
Упругий элемент датчика выполнен из пьезоэлектрической пластины на которой нанесены пленочные тензо35 резисторы R „ R2, образующие с внешними резисторами РЗ и Р,„ схему измерительного моста 2. Пьезоэлектрическая пластина 1 охвачена электродами
3, из которых один - потенциальный, а другой — заземлен. Мостовая схема 2 питается от источника 4 переменного напря>кения частоты оз(1-5 кГц) . К выходу мостовой схемы. подключены последоват ел ьно соединенный регулируе45 мый усилитель g и фазочувствительныи выпрямитель 6, управляемый источником 4 переменного напряжения ° Выход фазочувствительного выпрямителя 6 через добавочный конденсатор С<, и конденсатор С2 положительной обратной связи соединен с потенциальным электродом пьезоэлектрической пластины 1, К выходу фазочувствительйого выпрями теля 6 через добавочный резистор Р подключен регистратор .
Добавочный конденсатор С„ и резистор Р зашунтированы ключами 8 и Я, управляющие входы которых подключены
3 10306, к противоположным плечам мультивибраI тора 10, переключающегося с низкой частотой Я (20-30 Гц) °
К входу регистратора 7 через . фил ьт р 11 верхних ча стот под ключе ны последовательно соединенные избирательный усилитель 12, настроенный на частоту переключения Q, и второй фазочувствительный выпрямитель 13, управляемый мультивибратором 10. Вы- 10 ход фазочувствительного выпрямителя
13 через фильтр 14 нижних частот соединен с управляющим входом регулируе. мого усилителя 5.
Устройство работает следующим об- 15 разом, Под действием давления Р пьезоэлектрическая пластина 1 с нанесенными на нее тензорезисторами R u
R деформируется. Напряжение разба- 20 ланса моста 2 частоты ы усиливается регулируемым усилителем 5 и выпрямляется фазочувст вительным выпрямителем б . Пьезоэлектрическая пластина
1 с электродами 3 представляет собой 25 конденсатор СЗ, который совместно с конденсаторами С2 и С„ образует элеткрическую цепь обратнцй связи (емкостный делитель -напряжения) . Под действием части выпрямленного напряжения, которое поступает на электроды 3 через емкостной делитель напряжения С> -С, возникают дополнительные деформации (обратный пьезоэффект),, суммирующиеся с деформациями от измеряемого давления Р . В результате действия положительной обратной,,связи возрастает напряжение небаланса моста 2, что приводит к увеличению чувствительности датчика ° 4
Напряжение, фиксируемое регистрирующим прибором 7, определяется измеряемым давлением Рх, коэффициентом прямого преобразованйя давления в выходное электрическое напряжение cL, коэффициентом передачи цепи положительной обратной связи (3 и коэффициентом передачи входной цепи. регистратора у
1 oL
Коэффициент прямого преобразования с K1S1S253U К K3У где К„ - коэффицйент, учитывающий упругие свойства пьезоэлектрической пластины; крутизна преобразования Р в деформацию, определяемая геометрическими размерами пластины; крутизна преобразования де2 формации пьезоэлектрической пластины s приращении сопротивлений тензорезисторов
R1и R2
S - чувствительность мостовой измерительной схемы, зависящая от соотношения резисторов Rzу R2þ R þ R f
Uð - напряжение питания моста;
К вЂ” коэффициент усиления регу2 лируемого усилителя;
К - коэффициент выпрямления фазочувствительного выпрямителя.
Коэффициент передачи цепи положительной обратной связи
К. где С, С2, С вЂ” емкости соответственно конденсаторов
С„, С2 и пьезоэлектрической пластины;
К - коэффициент, учитыФ вающий обратный пьезоэффект пластины;
Коэффициент передачи входной цепи регистрирующего прибора
Ro
О 5 где 8 — входное сопротивление региО ра тора;
R - сопротивление добавочного резистора R .
Добавочные конденсатор С и резистор R+ поочередно шунтируются ключами
8 и 9 с частотой переключения Я мультивибратора 10. которая выбирается в 50-100 раз меньше частоты мз напра" . жения питани4 моста 2. B результате этого через регулируемый усилитель 5 проходят пакеты переменных напряжений, амплитуды которых определяются соотношением (1) и положениями ключей 8 и 9. При этом напряжение на регистратор 7 поступает соответственно то через резистор R то непосредственно с выхода фазочувствительного выпрямителя 6 . Когда шунтируется конденсатор С (ключ 9 замкнут), увеличивается напряжение, приложенное к пьезоэлектрической пластине. Соответственно возрастает выходное напряжение на выходе фазочувствительного выпрямителя 6, но одновременно уменьшается напряжение, фиксируемое реги81 6 появляется переменная составляющая напряжения частоты переключения с амплитудой
5 10306 ,стратором 7 за счет введения резисто)ра R (кл)рч 8 разомкнут) . Коэффициенты передачи датчика при этом принимают значения С2 5
С2+С 4
О 22 ,При размыкании ключа 9 уменьшается напряжение, приложенное к пьезоэлект- 10 рической пластине 1, но при этом возрастает напряжение, подаваемое на регистратор 7 за счет замыкания резистора R ключом 8, Соответственно коэффициенты передачи цепей датчика принимают новые значения
С С2
С. С н2+С С.1+Сй С2
32=1.
Соответственно этому регистрируемое 20 напряжение при непрерывной работе ключей 8 и 9 изменяется,от значения
1- дср1 до значения 25
V1-, «((У,-22) сс(Т1Р2 2 2I„))
Д 2 2()-с / . ).(1 Переменное напряжение частоты .Я пропускается фильтром 11 верхних частот, усиливается избирательным усилителем 12 и выпрямляется фазочувствительным выпрямителем 13, управляемым мультивибратором 10. Выпрямленное напряжение через фильтр 14 нижних частот воздействует на управляющий вход регулируемого усилителя 5 в качестве калибрующего напряжения. Процесс калибровки длится до исчезновения пеоеменного напряжения U (без учета статизма системы самокалибровки) . В результате самокалибровки восстанавливается номинальное значение коэффициента преобразования с н. Приравнивая (4} и (5), получаем — — (10) ) ) 4 >2 () -1 Регистрируемое напряжение (Й} или (5) с учетом самокалибровки в соответствии с соотношениями (7) и (10) равно Р2 Из противофазной работы ключей 8 и 9 следует, что изменения глубины положительной обратной связи в датчи- ЗО ке автоматически компенсируются изменениями коэффициента передачи входной цепи регистратора 7 ° Если выбрать. значения добавочного резистора R из условия 35 Ч = 2 " Р„° (11) 5 /ъ.)-Р2 Подставляя в (11) значения коэффициентов передач из (2} и (3), окончательно получаем И (С +С )(С,С нС„С +С С ) (6) Ч- и 2 Ь cf. +(: С„С+С„С+С С ) к а а+ (12 ) Я й, коэффициенты, 0 ыбираемые ус иа сообран(е- НО, б (2 иия устой и- 2 вости замкну- 2 j. Ъ той схемы, где то выполняетЯ ся режим пол- 45 ной компенсации, т.е, 4 3 (7) параметров K3 V0) мейяется кои на входе постоянной результирующая чувствительность преобразования давления в электрическое напряжение, Из полученного выражения (12) сле" дует, что непостоянство крутизны преобразования датчика (S и S2), изме55 р1тельного моста (S>), коэффициент (К(2} усиления регулйруемого усилителя, коэффициент (К ) выпрямления Фазочувствительного выпрямителя, напря((Т;22) "(ат 2 н 2 1)2 р 2 2 1(1 саят)(1 +(2) (g и "— т т о(К п Сз 4 с, где )и = и и = С2 Ч1 .При изменении любого из датчика (S< S, S>, К номинального значейия йз эффициент преобразования регистратора 7 наряду с составляющей (C+C)(C„C +C C+C С ) Р .2-Р Составитель Н. Кизилов Техре И. Коштура Корректор:. 1и гор Ре актор Л. Гратилло Заказ 5201/ 3 Тираж 73 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035 Москва Ж- 5 Раушская наб. . 4/5 филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 7 1030681 В жение, (Q ) питания моста не влияют лений. Возрастание лри этом .роли дес-; О на результат измерения давления, хо- табилизирующего фактора на результат тя датчик и охвачен положительной об" измерения устраняется си темой саморатной связью, В то же время поло- калибровки коэффициента усиления жительная обратная связь способствует 5 регулируемого усилителя, входящего значительному- повышению чувствитель" в прямую цепь преобразования ности датчика, что позволяет исполь- - давления в электрическое напрязовать его для измерения малых дав-. жение.
