Устройство для измерения давления

 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерителям давления на поверхностных акустических волнах (ПАВ), и позволяет повысить точность измерения за счет исключения аддитивной и мультипликативной составляющих погрешности преобразования давления в изменение частоты. Это достигается тем, что в устройство для измерения давления, содержащее звукопровод консольного типа с двумя линиями 3, 4 задержки на ПАВ, введены последовательно соединенные частотный детектор 9, усилитель 10 с регулируемым коэффициентом усиления, усилитель 11 низкой частоты и синхронный детектор 12, а также источник 16 опорного напряжения, дифференциальный усилитель 15. интегратор 17, генератор 18 низкой частоты и автоматический переключатель 7. Определенное включение этих блоков в схему устройства позволяет регистрировать выходное напряжение, пропорциональное измеряемому давлению, не зависящее от начальной частоты автогенератора. 1 ил. S Ё

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 L 9/08, 11/00

ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ 3

О (лЭ

О

О 3

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4797973/10 (22) 05.03.90 (46) 07,01,92, Бюл, М 1 (71) Киевский технологический институт легкой промышленности и Киевский политехнический институт им. 50-летия Великой

Октябрьской социалистической революции (72) Ю.А.Скрипник, В,А.Поддубный, В.И.Скрипник и В.И.Мондрус (53) 531.787(088.8) (56) ТИИЭР, 1976, т.64, N. 5, с.226 — 228.

Зарубежная электронная техника, 1985, М 19, с.3-16.

Речицкий В.И. Акустоэлектронные радиокомпоненты. Схемы, топология, конструкция. — М.: Радио и связь. 1987. с.179. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерителям давления на поверхностных акустических

5U, 1703997 А1 волнах (ПАВ), и позволяет повысить точность измерения за счет исключения аддитивной и мультипликативной составляющих погрешности преобразования давления в изменение частоты. Это достигается тем, что в устройство для измерения давления, содержащее звукопровод консольного типа с двумя линиями 3, 4 задержки на ПАВ, введены последовательно соединенные частотный детектор 9, усилитель 10 с регулируемым коэффициентом усиления, усилитель 11 низкой частоты и синхронный детектор 12, а также источник 16 опорного напряжения, дифференциальный усилитель

15, интегратор 17, генератор 18 низкой частоты и автоматический переключатель 7.

Определенное включение этих блоков в схе- 3 му устройства позволяет регистрировать выходное напряжение, пропорциональное измеряемому давлению, не зависящее от начальной частоты эвтогенератора. 1 ил.

1703997

10

50

Изобретение относится к измерению постоянного или медленно изменяющегося давления с помощью акустических средств и может быть использовано для контроля давления газообразных или жидких веществ в широком динамическом диапазоне.

Известно устройство для измерения давления на поверхностных акустических волнах (ПАВ), содержащее воспринимающую мембрану, выполненную иэ пьезочувствительного материала (кварца, ниобита лития и т.д.), в которой распространяются

ПАВ со скоростью, зависящей от измеряемого давления.

Известно устройство для измерения давления на ПАВ, содержащее приемный механический узел, редуцирующий измеряемое давление в линейное перемещение консоли, электроакустическая часть которой включена в цепь положительной обратной связи высокочастотного усилителя и измеритель частоты.

Общим недостатком обоих типов устройств для измерения давления является невысокая точность, так как скорость распространения ПАВ зависит не только от деформации чувствительного элемента, которая пропорциональна измеряемому давлению, но и от температуры, изменяющей скорость распространения ПАВ в чувствительном элементе. Поэтому частота автогенератора, в цепь обратной связи которого включена линия задержки на ПАВ, размещенная на консоли или мембране, имеет большой температурный дрейф.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для измерения давления, содержащее мембранную коробку, механически связанную со звукопроводом консольного типа, на противоположных сторонах которого размещены две линии задержки на поверхностных акустических волнах, входные и выходные злектроакустические преобразователи которых включены в цепь обратной связи. двух высокочастотных усилителей, смеситель, входы которого соединены с выходами усилителей, а выход через фильтр нижних частот соединен с частотомером.

Недостатком известного устройства является также невысокая точность ввиду сильного влияния на результат измерения неравенства и нестабильностей начальных частот двух независимых автогенераторов.

Частота каждого автогенератора даже при одинаковых линиях задержки определяется в значительной мере параметрами своего высокочастотного усилителя, его внутренними фазовыми сдвигами и величиной фазового шума. Неизбежный разброс параметров активных элементов (транзисторов) и их временная и температурная нестабильность приводят к тому, что начальные частоты двух независимых автогенераторов неравны, а их дрейфы некоррелированы. В результате этого разностная частота двух автогенераторов отлична от нуля и изменяется случайным образом, что обуславливает аддитивную погрешность (погрешность нуля) измерителя давления.

Зависимость относительных изменений частоты, как от приложенного давления, так и от абсолютного значения начальной частоты автогенератора, создает зависимость чувствительности измерителя от начальной частоты. Поскольку частота автогенератора непостоянна, то возникает мультипликативная погрешность (погрешность чувствительности) измерителя давления.

Целью изобретения является повышение точности измерения за счет исключения аддитивной и мультипликативной составляющих погрешности преобразования давления в изменение частоты, вызываемых нестабильностью начальной частоты автогенератора.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения давления, содержащее мембранную коробку, механически связанную со звукопроводом консольноготипа, на противоположных сторонах которого размещены две линии задержки на поверхностных акустических волнах с входными и выходными электроакустическими преобразователями высокочастотный усилитель, фильтр нижних частот и регистратор, введены: последовательно соединенные частотный детектор, усилитель с автоматически регулируемым коэффициентом усиления, усилитель низкой частоты и синхронный детектор; источник опорного напряжения, дифференциальный усилитель, интегратор; генератор низкой частоты и автоматический переключатель; один вход автоматического переключателя соединен с выходным преобразователем одной линии задержки, другой вход- с выходным преобразователем второй линии задержки, выход- с параллельносоединенными входными преобразователями линий задержек и входом частотного детектора; выход усилителя с регулируемым коэффициентом усиления соединен с одним входом диффе рен циал ь ного усилителя, второй вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, выход дифферен1703997

15

25

35

45

55 циального усилителя через интегратор соединен с управляющим входом усилителя с регулируемым коэффициентом усиления; выход синхронного детектора соединен через фильтр нижних частот с регистратором; управляющий вход синхронного детектора соединен с управляющим входом автоматического переключателя и выходом генератора низкой частоты

На чертеже изображена блок-схема устройства для измерения давления.

Устройство содержит мембранную коробку 1, звукопровод 2 консольного типа, две линии 3 и 4 задержки на поверхностных акустических волнах (ПАВ), размещенные на противоположных сторонах эвукопровода, входные преобразователи 5 и выходные преобразователи 6 линий задержек, автоматический переключатель 7, высокочастотный усилитель 8, частотный детектор 9, усилитель 10 с регулируемым коэффициентом усиления, усилитель 11 низкой частоты, синхронный детектоо 12, фильтр 13 нижних частот, регистратор 14, дифференциальный усилитель 15, источник 16 опорного напряжения, интегратор 17 и генератор 18 низкой частоты.

Усилие, развиваемое мембранной коробкой 1, преобразуется в деформацию консольного эвукопровода 2, которая вызывает изменение скорости распространения ПАВ в линии 3 и 4 задержки, Входные преобразователи линий 5 задержек и их выходные преобразователи 6 через автоматический переключатель 7 включены в цепь обратной связи высокочастотного усилителя 8. К выходу усилителя 8 подключены последовательно соединенные частотный детектор 9, усилитель 10 с регулируемым коэффициентом усиления, усилитель 11 низкой частоты, синхронный детектор 12, фильтр 13 нижних частот и регистратор 14. Выход усилителя

10 соединен с одним входом дифференциального усилителя 15, второй вход которого соединен с выходом источника 16 опорного напряжения, выход усилителя 10 через интегратор 18 соединен с управляющим входом регулируемого усилителя 10.

Управляющий вход синхронного детектора

12 соединен с управляющим входом автоматического переключателя 7 и выходом генератора 18 низкой частоты.

Устройство работает следующим обра. зом.

Измеряемое давление P вызывает прогиб воспринимающей мембраны коробки 1, которая посредством штока соединена со эвукопроводом 2 консольного типа с расположенными на нем линиями 3 и 4 задержки на ПАВ. Деформация эвукопровода вызывает изменение времени задержки ПАВ в линиях 3 и 4, которые поочередно с помощью автоматического переключателя 7 включаются в цепь обратной связи высокочастотного усилителя 8, образуя автогенератор ка

ПАВ. При распространении ПАВ с фаэовой скоростью ч между электроакустическими преобразователями 5 и 6, расположенными на расстоянии L друг от друга, возникает фазовый набег

Р =air =2rtf L/v (1) где ш- круговая частота автогенераторв; г.— время задержки (г L/v).

Деформация звукопровода 2, выполняющего функцию чувствительного элемента (ЧЭ), в результате воздействия давления P на мембранную коробку 1 приводит к изменению скорости распространения ПАВ A v и расстояния Л L между электроакустическими преобразователями ЧЭ. Изменения фазы Лрlр вызывают пропорциональные изменения частоты Ьв/аЬ, где щ, — начальная частота автогенератора.

Расстояния между входными и выходными преобразователями обеих линий ЧЭ выбираются равными. Поэтому сдвиг фазы сигнала в цепи автогенератора при переключении линий задержек в отсутствии давления не изменяется. При наличии давления, вызывающего деформацию ЧЭ, фазовый сдвиг одной линии задержки увеличивается, э другой уменьшается. В результате этого частота эвтогенераторв при двух положениях автоматического переключателя 7 изменяется с частотой коммутации, задаваемой колебаниями генератора 18.

Относительное изменение частоты ввтогенератора

Ль(Р,Т)/аъ = уг к(Г) + у Я(т) (2) где ур и ут — деформационная и температурная чувствительность материала звукопровода;

e(F) и к(Т) — относительные деформации ЧЭ под действием усилия F, развиваемого мембранной коробкой и температуры

Т.

Начальная частота а автогенераторв определяется акустической длиной линии задержки L, длиной поверхностной акустической волны, возбуждаемой в материале звукопровода, фазовыми набегами

ЛуЪ в переходных элементах цепи обратнной связи и самом усилителе, э также зависит от уровня фазовых шумов.

Деформационная и температурная чувствительности имеют вид у — " + ; (з)

2v р

1703997

01+ UZ и. =—

2 (12) 25 го, (13) Ki

yr = — + — °

К 1 (4)

2ч р 2 где К вЂ” коэффициент физической нелинейности материала ЧЭ; ч, p, p — скорость распространения

ПАВ, плотность и коэффициент Пуассона материала ЧЭ.

Относительная линейная деформация поверхностного слоя ЧЭ в направлении распространения ПАВ определяется соотношением

E(F) = «+ (21 — 211 — L), (5)

3F

Е.bh где F - KF Р— воздействующее усилие, пропорциональное измеряемому давлению Р, 1, lt, L, Ь и h — конструктивные параметры ЧЭ.

Температурная деформация ЧЭ е(т) = аг т, (6) где ат — коэффициент теплового расширения материала ЧЭ.

При одном положении автоматического переключателя 7 в цепи автогенератора возбуждается частота и1(Е,Т) = й)о + (yF елм (F) + yr EP)+ (7) а при другом положении переключателя

w(F,Т) = cu. + (— уг к э(Г) + ут е(Т))м., (8) где индексы ЛЗ1 и ЛЗ2 относятся к линиям задержки, расположенным íà flpoTHBOflQложных поверхностях ЧЭ, В результате непрерывной работы переключателя 7 с низкой частотой Она частотный детектор 9 поочередно воздействуют радиоимпульсы с частотами заполнения аи и са . Выходные видеоимпульсы частотного детектора усиливаются усилителем 10 с регулируемым коэффициентом усиления и поступают нэ вход дифференциального усилителя 15, где они сравниваются с опорным напряжением источника 16.

Амплитуды видеоимпульсов пропорциональны частотам заполнения соответствующих радиоимпульсов:

0 - K1 SUm а (Е, Т); (9)

Ог-К1 Sum (F,T), (1 О) где Um — амплитуда колебаний автогенератора;

S — крутизна преобразования частотного детектора 9;

Kl — коэффициент усиления регулируемого усилителя 10.

Постоянная интегрирования г в интеграторе 17 выбирается в несколько раз больше периода коммутации автогенератора (т ) ) 2лбИ). В результате этого интегра5 тор 17 заряжается раэностным напряжением

10 гдв Кг — коэффициент усиления дифференциального усилителя 15; (U1+ Оз)/2 — постоянная составляющая видеоимпульсов;

Uo- опорное напряжение источника 16.

Разностное напряжение Оз воздействует на управляющий вход регулируемого усилителя 10, изменяя его коэффициент усиления, Процесс автоматического регули20 рования коэффициента усиления заканчивается, когда заканчивается заряд интегратора и устанавливается равенство

Из равенства (12) с учетом значений напряжений Ui u Uz из выражений (9). (10) следует, что коэффициент усиления регули30 руемого усилителя 10 принимает значение

Переменная составляющая видеоимпульсов

40 (14) усиливается усилителем 11 низкой частоты и выпрямляется синхронным детектором

12. Выпрямленное напряжение сглаживается фильтром 13 нижних частот и регистриру45 ется выходным регистратором 14.

Регистрируемое напряжение пропорционально переменной составляющей напряжения (14) и с учетом коэффициента усиления К1 иэ (13) имеет вид

0в = K3 + Оо, (15) где Кз- коэффициент пропорциональности, 55 определяемый коэффициентом усиления усилителя 11.

Подставляя значение частот автогенератора иэ выражений (7) и (8) в (15) и учитывая, что к з1 (F ) =en(F ) получают

1703997

Us =Кз 0о ° (16) 5

Относительные чзменения частоты asтогенератора от изменения температуры Т одного порядка с относительными изменениями частоты от развиваемого усилия Р, т,е. давления P

УУ Е (F ) ъУТ Е (Т ), (17) но они многим меньше единицы

yò е (Т ) < < 1, (18)

С учетом неравенства (18) окончательно получают

05 =Кз p е(Кр P)Uo. (19) Таким образом, регистрируемое напряжение пропорционально измеряемому давлению P и не зависит от начальной частоты автогенератора а, а следовательно, и от ее непостоянства. Кроме того, на регистрируемое напряжение не влияют нестабильности амплитуды Um колебаний автогенератора, крутизны преобразования

$ частотного детектора, коэффициентов усиления К1 и Kz усилителей.

Исключение влияния временной и температурной нестабильности начальной частоты автогенератора позволяет расширить динамический диапазон измерения давления в область малых давлений и снизить его пороговую чувствительность. Влияние кратковременной нестабильности частоты автогенератора устраняется выбором постоянной времени фильтра 13 нижних частот, которым сглаживается регистрируемое напряжение.

8 качестве чувствительного элемента частотного преобразователя давления используют пластину иэ кварца $Т-среза с размерами 30х5х0,5 мм, на противоположных сторонах которой выполнены линии задержки на 0АВ методом фотолитографии.

Начальная частота автогенератора в зависимости от количества электродов и их расположения в электроакустических преобразователях находится в пределах

78-82 МГц. Разработанные ЧЭ имеют линейную зависимость выходной частоты от приложенного давления в исследуемом диапазоне давлений (0...1,6 ° 10 Па). При этом относительная деформация ЧЭ составляет (0„.4,13/10 4), коэффициент деформационной чувствительности у - -0,938, темпера-;

55 турной чувствительнос и ут - 0,14, коэффициент физической нелинейности К - -1,910 о кг/м с, чувствительность преобразователя $р - 314 Гц/кПа.

Экспериментальные исследования предлагаемого устройства для измерения давления показывают, что по сравнению с известным оно обеспечивает более надежный контроль давления высокотемпературных расплавов полимера в технологическом оборудовании для получения окрашенных химических волокон. Пороговую чувствительность удалось снизить до 0,5 Па при расшйрении динамического диапазона до

10 — 10, осйовная погрешность измерения

5 при этом составляет 0,3, а суммарная погрешность с учетом действия влияющих величин (температуры и т.п.) не превышает

1 .

Формула изобретения

Устройство для измерения давления, содержащее мембранную коробку, механически связанную со эвукопроводом в виде консольно-закрепленной пластины, на противоположных сторонах которой размещены две линии задержки на поверхностных акустических волнах с входными и выходными электроакустическими преобразователями, высокочастотный усилитель, фильтр нижних частот и регистратор, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью повышения точности, в него введены последовательно соединенные частотный детектор, усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, усилитель низкой частоты и синхронный детектор, а также источник опорного напряжения, дифференциальный усилитель, интегратор, генератор низкой частоты и автоматический переключатель, один вход которого соединен с выходным преобразователем одной линии задержки, другой вход — с выходным преобразователем второй линии задержки, при этом выход автоматического переключателя подключен к входу высокочастотного усилителя, выход которого соединен с параллельно соединенными входными преобразователями линий задержек и входом частотного детектора, причем выход усилителя с регулируемым коэффициентом усиления соединен с одним входом дифференциального усилителя, второй вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, а выход дифференциального усилителя через интегратор подключен к управляющему входу усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, выход синхронного детектора соединен через фильтр нижних частот с реги12

1703997

Составитель О.Полев

Редактор M.бланар Техред M.Ìîðlåíòàë Корректор С Черни

Заказ 56 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Рвушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Натент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 стрвтором, при этом управляющий вход синхронного детектора соединен с управляющим еходом автоматического переключателя и выходом генератора низкой чвс оты,