Устройство для измерения давления

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ, содержап1ее емкостный дат чик давленияс двумя электрическими вьшодами, источник опорного напряжения , подключенный к входу генератора импульсов-, выход которого через опорный конденсатор соединен с первым входом первого операционного усилителя с емкостной обратной связью и первым электрическим выводом емкостного датчика давления, причем второй вход первого операционного усилителя соединен с общей шиной, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения., в него введены масштабный преобразователь , первый и второй-двухпозиционные переключатели, переходный конденсатор и второй операционный усилитель с емкостной обратной связью , при этом вход масштабного преобразователя соединен с выходом источника опорного напряжения, а его выход - с первым контактом первого двухпозиционного перекл10чателя, выход которого подключен к второму электрическому выводу емкостного датчика давления, а второй контакт первого двухпозиционного переключателя соединен с вькодом второго one :- . рационного усилителя, выход первого (Л операционного усилителя соединен через переходный конденсатор с входом второго двухпозиционного переключателя , первый контакт которого подсоединен к входу второго операционного усилителя, а второй контакт - к общей шине., причем управляющие входы первого и второго 4 двухпозиционных переключателей соN (ik единены с выходом генератора импульсов .

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУВЛИН

„„SU, 114401

e(si> G 01 L 9/12

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТБУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬГТИЙ

:(21) 3632336/24-10 . (22) 04.08.83 (46) 07.03.85, Бюл. № 9 (72) А.И.Чередов, А.В.Клементьев, В.С.Гутников, Д.B.Ëåáåäåâ и В.Н-.0рлов (53) 531.787 (088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР ,¹ 345347, кл. (j 01 В 7/08, 1972.

2. Карандеев К.Б. Быстродействующие электронные компенсационно-мос товые приборы. И., "Энергия", 1970, с. !01 (прототип). (54) (57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

ДАВЛЕНИЯ, содержащее емкостный датчик давления- с двумя электрическими выводами, источник опорного напряжения, подключенный к входу генератора импульсов., выход которого через опорный конденсатор.соединен с первым входом первого операционного усилителя с емкостной обратной связью и первым электрическим выводом емкостного датчика давления, причем второй вход первого операционного усилителя соединен с общей шиной, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения., в него введены масштабный преобразователь, первый и второй двухпозиционные переключатели, переходный конденсатор и второй операционный усилитель с емкостной обратной связью, при этом вход масштабного преобразователя соединен с выходом источника опорного напряжения, à его выход — с первым контактом первого двухпозиционного переключателя, выход которого подключен к второму электрическому выводу емкостного датчика давления, а второй контакт первого двухпозиционного переключателя соединен с выходом второго операционного усилителя, выход первого операционного усилителя соединен через переходный конденсатор с входом второго двухпозиционного переключателя, первый контакт которого подсоединен к входу второго операционного усилителя, а второй контакт — к общей шине, причем управляющие входы первого и второго двухпозиционных переключателей соединены с выходом генератора импульсов.

11440

15

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство, содержащее емкостный датчик давления с двумя электрическими выводами, источник опорного на20 пряжения, подключенный к входу генератора импульсов, выход которого через опорный конденсатор соединен с первым входом первого операционного

25 усилителя с емкостной обратной связью и первым электрическим выво,цом емкостного датчика pGBJIPHHp причем второй вход первого операционного усилителя соединен с общей шиной (2J .

Целью изобретения является повышение точности измерения.

Цель достигается тем, что в устройство введены масштабный пре- 35 образователь, первый и второй,цвухпозиционные переключатели, переходный конденсатор и второй операционный усилитель с емкостной обратной связью,.при этом вход масштабного 40 преобразователя соединен с выходом источника опорного напряжения, а его выход — с первым контактом первого двухпозиционного переключа"-еля, выход которого подключен к 45 второму электрическому выводу емкостного датчика давления, а второй контакт первого двухпозиционного переключателя соединен с выходом второго операционного усилителя, 50 выход первого операционного усилителя соединен через переходный конденсатор с входом второго двухпозиционного переключателя, первый контакт которого подсоединен к входу второго 55 операционного усилителя, а второй контакт — к общей шине, причем управляющие входы первого и второго двухИзобретенйе относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения давления с помощью емкостных датчиков.

Известен измерительный преобразо5 ватель для емкостного датчика, содержащий два конденсатора, подключенных через диодные ключевые элементы к генератору переменного напряжепия (1) .

Устройство имеет низкую точность .преобразования, обусловленную нестабильностью элементов зарядноразрядной цепи и существенным влиянием паразитных емкостей )1) .

10 3 позиционных переключателей соединены с выходом генератора импульсов.

На чертеже представлена функциональная схема емкостного преобразователя давления.

Преобразователь содержит емкостный датчик 1, источник 2 опорного напряжения постоянного тока, генератор 3 импульсов, опорный конденсатор 4, первый операционный усилитель

5 с конденсатором 6 в цепи обратной связи, д"скретный интегратор 7, масштабный преобразователь 8, первый двухпозиционный переключатель 9.

Дискретный интегратор содержит второй операционный усилитель 10 с накопительным конденсатором 11 в цепи обратной связи, второй двухпозиционный переключатель 12, переходной конденсатор 13, линии 14 и 15 связи.

От источника 2 опорного напряжения задается амплитуда выходных импульсов генератора 3, выход которого соединен с управляющими входами переклю.ателей 9 и 12 и через опорный конденсатор 4 - с входом первого операционного усилителя 5, который через емкостный датчик 1 соединен с выходом первого переключателя 9.

Входы первого переключателя 9 соединены соответственно с выходом дискретного интегратора 7 и выходом масштабного преобразователя 8, вход которого соединен с источником 2 опорного напряжения. Выходом дискретного интегратора 7 является выход второго операционного усилителя 10; в цепь обратной связи которого включен накопительный конденсатор 11.

Выходы второго переключателя 12 соединены соответственно с входом второго операционного усилителя 10 и общим проводом. Вход переключателя

12 через переходный конденсатор 13 соединен с выходом первого операционного усилителя 5.

Принцип действия преобразователя основан на уравновешивании токов, протекающих через емкостный датчик

1 и опорный конденсатор 4. Импульсы напряжения амплитудой Цо с выхода генератора 3 поступают на опорный конденсатор 4. Синхронно с этими импульсами срабатывают переключатели

9 и 12, причем при наличии нулевого потенциала на выходе генератора 3 переключатели 8 и 10 занимают положение, показанное на чертеже, а при

"Яо х

1 С(1+8) KB

CX =4, Бх

Е 5

3 114 высоком пбтенциале — положение противоположное. При этом изменение заряда на опорном конденсаторе определяется его емкостью (С ) и напр ением "î, T.e. 9о = leap Со

Изменение заряда на емкостном датчике 1 определяется его емкостью. (С„) и разностью напряжений на входах пеРеключателя 9, т.е. 66х=Ц 8ых Хцо)8x Э где,ц Qblx — выходное напряжение дискретного интегратора 7, К вЂ” коэффициент преобразования масштабного преобразователя 8. Изменение зарядов иа конденсаторах 1 и 4 приводит к изменению напряжения на выходе усилителя 5 где С вЂ” емкость конденсатора 6 в цепи обратной связи усилителя 5, о — статическая погрешность усилителя 5.

В момент изменения выходного - 25 напряжения генератора 3 до 0 соответствующее.изменение напряжения йа выходе усилителя 5 преобразуется в приращение напряжения на выходе диск;ретного интегратора 7. Происходит ЗО это следующим образом. При подключе-

;нии переходного конденсатора 13 через второй переключатель 12 к входу

:операционного усилителя 10 происхо- .. ! дящее при этом изменение напряжения

Э5 .,на выходе усилителя 5 приводит к изменению напряжения на переходном конденсаторе 13, что, в свою оче1 редь, приводит к приращению заряда на накопительном конденсаторе 11. 4 . 40

Изменение напряжения на выходе дискретного интегратора 7 происходит до тех пор, пока изменение напряжения на выходе усилителя 5 не станет равным значению напряжения на входе one-4> рационного усилителя 10. Тогда при подключении переходного .конденсатора 13 к входу. операционного усилителя 10 передача заряда в накопительный конденсатор 11 не происходит и, О следовательно, напряжение на выходе дискретного интегратора 7 не изменяется.

Таким образом, в установившемся режиме выполняется соотношение

4010 1 где Ко — коэффициент усйления операционного усилителя 10. (8ых

Выражение — — определяет поK oil тенциал входа операционного усилите» ля 10. Знак минус в этом выражении определяется инвертирующей схемой включения операционного усилителя 10.

С учетом значений 89< и aQ» равенство (1) преобразуется к виду откуда

0 0

"выл "D(E„J g(gy Р (2) ! 1+ с„ко3

При выполнении условия CXK() >> C которое обеспечивается большим значением Ко„, статическое уравнение преобразования устройства имеет вид

Широко .используемый датчик давления мембранного типа с изменяемым под действием измеряемого давления

РХ; зазором между электродами имеет уравнение преобразования вида. или с учетом зависимости х " 1x где 5 — площадь перекрытия электродов датчика, Š— диэлектрическая проницаемость среды между электродами;

4 — начальный зазор между электродами, ах — перемещение мембраны под действием давления, Kg — коэффициент, определяемый конструкцией датчика.

С учетом уравнения преобразования датчика зависимость выходного напряжения устройства от измеряемого давления имеет вид

Ь(о (Х 8blX

C(1t5 1 "о д, К

sblx о Оу о

=0 ((-с — + с

1 144010 (5) "выл= !о о

C. $

Если обеспечить выполнение равен3 ства К = С вЂ” то о о б

Часто опорный конденсатор 4 выполняют в одной конструкции с датчиЕб ком 1 таким образом, что Co = < к<., В этом случае

Это определяет большую статическую погрешность в известном устройстве по сравнению с предлагаемым. К статической погрешности относится и по5 грешность из-за влияния емкости линии связи, значение которой может на несколько порядков превышать емкость датчика !. С учетом емкости линии 14 связи (С ) выражение для

1О, статической погрешности имеет вид !

О,,„= "o

Как -видно из уравнений (5) и (6) выходное напряжение преобразователя прямо пропорционально измеряемому давлению и не зависит от параметров усилителя 5 и .дискретного интегратора 7. Соединение первого входа первого переключателя 9 через масштабный преобразователь 8 с источником

2,опорного напряжения позволяет 25 скомпенсировать составляющую выход ного напряжения, соответствующую начальному значению емкости датчика 1. Это приводит к расширению диапазона изменения выходного напряже- О ния и, следовательно, к повышению точности измерения.

Статическая погрешность преобра1 зования, определяемая .выражением

С (1+ 8) (C„i<0> ), уменьшается с уве- as личением коэффйциентов передачи усилителя 5 и операционного усилителя 10. В данном устройстве коэффициент усиления операционного усилителя 10 для статических измерений 4О берется на постоянном токе, поскольку в .установившемся режиме напряжение на входе и выходе операционного усилителя 10 не изменяется. Так как с увеличением частоты изменения вход 4> ного сигнала Ко уменьшается, то в предлагаемом устройстве этот коэффициент принимает максимальное значение, а статическая погрешность минимальна. В аналогичных устройствах, например, в известном усилители находящиеся,в цепи прямого преобразования, работают в режиме усиления переменного напряжения высокой относительно изменения входного 55 давления несущей частоты и, следовательно, имеют меньший коэффициент усиления при прочих равных условиях. (7) 1

С< <К „ где К вЂ” коэффициент передачи усили3 теля 5 без обратной связи.

Выражение для погрешности из-за влияния емкости линии 14 может быть получено из равенства (7) в виде

gr-"сл/(cr у ко ) . () Таким образом, погрешность из-за влияния .емкости линии 14 связи в предлагаемом устройстве определяется произведением коэффициентов передачи усилителей, находящихся в прямой цепи преобразования. Причем К определяется на частоте следования импуль-, сов генератора 2, а К „ берется на постоянном токе в случае статических измерений. Аналогичная погрешность для известного устройства определяется только коэффициентом передачи усилителя переменного напряжения и будет существенно больше, чем в предлагаемом устройстве. Простое увеличение каскадов усиления (например, последовательное включение двух и более операционных усилителей) существенного выигрыша не дает, так как подобный усилитель будет неустойчив, и для повышения устойчивости необходимо введение частотной коррекции, которая приводит к уменьшению коэффициента усиления.

Влияние емкости линии 15 связи, подключенной к второму выводу емкостного датчика 1 будет незначительно, что обеспечивается малым выходным сопротивлением дискретного интегратора 7 и переключателя 9.. При этом постоянная времени заряда емкости линии 15 связи будет существенно меньше периода следования импульсов с выхода генератора 3. Слеf0

Составитель А.Зосимов

Редактор Т.Кугрышева Техред А.Бабинец Корректор Е.Рошко б Заказ 896/35 Тираж 897 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35,. Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4

7 11440 дбвательно, изменение заряда на емкостном датчике практически не зависит от емкости линии 15 связи.

Влияние этой емкости в предлагаемом устройстве имеет один порядок с известным.

Таким образом, в предлагаемом устройстве обеспечивается высокая точность измерения за счет расширения диапазона изменения выходного напряжения и уменьшения влияния параметров прямой цепи преобразования и емкости линии связи. Это позволяет производить дистанционные измерения давления при значительном удалении емкостного датчика, имеющего малое значение рабочей емкости.