Пневмоэлектрический аналоговый преобразователь

 

Изобретение относится к пневмоэлектрическим аналоговым средствам автоматики и может быть использовано для преобразования пневматических сигналов вэлектрические. Цель изобретения - повышение точности преобразователя. Пневмоэлектрический аналоговый преобра1зователь содержит корпус 1, в котором установлены вялая мембрана 2 и пьезокерамический элемент 7, подключенный к прямому входу пер- 'вогоэлектронного усилителя 15, связанного выходом с выходным каналом 17, первый клапан 8, выход которого соединен с входной камерой 6 в корпусе 1 и входом второго клапана 9, соединенного выходом с атмосферой. Преобразователь также снабжен дискретным электропневмопреобразователем 11с двумя взаимно инверсными выходами, подключенными к управляющим входам первого 8 и второго 9 клапанов, формирователем импульсов 13, вторым электронным усилителем 16, транзисторнымсоС^ (JSbiK.4i!^ Ю СО

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51) s F 15 С 3/04

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4821365/24 (22) 02.04.90 (46) 23.02.92. Бюл. М 7 (71) Воронежское опытно-конструкторское бюро автоматики Научно-производственного объединения "Химавтоматика" (72) Ю.Д.Амоль, А.И.Бугаенко и 6,И.Пинус (53) 621.327 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 752060, кл. F 15 С 3/04, 1980.

Авторское свидетельство СССР

М 1087709, кл. F 15 С 3/04, 1983 (прототип). (54) ПНЕВМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АНАЛОГОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЪ (57) Изобретение относится к пневмоэлектрическим аналоговым средствам автоматики и может быть использовано для преобразования пневматических сигналов в

72 11

„„ Ы„„1714231 А1 электрические. Цель изобретения — повышение точности преобразователя. Пневмоэлектрический аналогoBblA преобразователь содержит корпус 1, в котором установлены вялая мембрана 2 и пьезокерамический элемент 7, подключенный к прямому входу первого электронного усилителя 15, связанного выходом с выходным каналом 17, первый клапан 8, выход которого соединен с входной камерой 6 в корпусе 1 и входом второго клапана 9, соединенного выходом с атмосферой. Преобразователь также снабжен дискретным электропневмопреобразователем 11 с двумя взаимно инверсными выходами, подключенными к управляющим входам первого 8 и второго 9 клапанов, формирователем импульсов 13, вторым электронным усилителем 16, транзисторным

1714231

10

35 ключом 14 и резистором 18. Б корпусе дополнительно установлена упругая мембрана 3, на которой закреплен пьезокерамичвский элемент 7, расположенный в герметичной камере 4 между двумя мембранами. Камера 5, находящаяся между корпусом 1 и вялой мембраной 2, соединена с атмосферой, а входная камера 6 расположена между корпусом 1 и упругой мембраной 3. Вход первого клапана соединен с входным каналом

10. Выход генератора импульсов 12 соединен с входами дискретного электропневИзобретение относится к пневмоэлектрическим аналоговым средствам автоматики и может быть использовано для преобразования пневматических- сигналов в электрические, Известен пневмоэлектрический преобразователь, содержащий генератор импульсов, корпус с двумя камерами, пьезоэлектрическую мембрану и упор. В одну камеру подается сигнал от генератора, а в другую, где расположен упор, входной сигнал. В зависимости от знака разницы сигналов генератора и измеряемого мембрана будет либо изгибаться и тогда на ней возникнет потенциал, либо ложиться на упор и разряжаться до нуля

Недостатком указанного преобразователя является невысокая точность из-за того, что пьезокерамическая мембрана имеет значительный гистерезис, длительно изменяющийся во времени, невысокую надежность, так как происходит механический контакт мембраны и упора, что ведет к разрушению мембраны в точке контакта.

Наиболее близким к предлагаемому является пневмоэлектрический преобразователь аналоговых сигналов, содержащий корпус, в котором установлены вялая мембрана и пьезокерамический элемент, подключенный к прямому входу электронного усилителя, связаннЬго своим выходом с выходным каналом, первый клапан, выход которого соединен с входной камерой в корпусе и с входом второго клапана, соединенного своим выходом с атмосферой, и генератор импульсов, Недостатком известного устройства является невысокая точность и стабильность преобразования. Ухудшение стабильности работы преобразователя снижает его точностные характеристики. Точность работы устройства не может быть выше точности поддержания опорного сигнала. Прилегамопреобразователя 11 и формирователя им- . пульсов 13, выход которого связан с управляющим входом транзисторного ключа 14, информационный вход которого соединен с выходом второго электронного усилителя 16, а выход — с пьезокервмическим элементом 7 и прямым входом первого электронного усилителя 15, выход которого через резистор 18 связан с инверсными входеии первого 15 и второго 16 электронных усилителей. Прямой вход усилителя 16 и корпус 1 преобразователя соединен с общей шиной. 1 ия. ние мембраны к пьеэокерамнческому эвементу есть процесс случай44ый, влияющими на точность преобразования. Пьезокерамический элемент находится в среде воздуха, влажность которого может меняться со временем, это ведет к изменению сопротивления утечки электрического заряда элемента, что влияет на стабильность работы п1вво5разователя, и ведет к снижению точности.

Целью изобретения является повыыение точности преобразователя.

Поставленная цель достигается тем, что устройство, содержащее входной канал, корпус, в котором установлены вялая мембрана и пьезокерамический элемент, подключенный к прямому входу первого электронного усилителя, связанного своимвыходом с выходным каналом, первый клапан, выход которого соединен с входной камерой в корпусе и с входом второго клапана, соединенного своим выходом с атмосферой, и генератор импульсов. снабжено дискретным электропневмопреобраэоввтелем с двумя взаимно инверсными выходами, подключенными к управляющим входам

Il8pBom и .Второго клапанов, формироватв лем импульсов, вторым электронным усилителем, транзисторным ключом и резистором, а в корпусе дополнительно установлена упругая мембрана, на которой закреплен пьезокерамический элемент, расположенный в герметичной камере между двумя мембранами. При этом камера, находящаяся между корпусом и вялой мембраной, соединена с атмосферой, а входная камера расположена между корпусом и упругой мембраной, вход первого клапана соединен с входным каналом, выход генератора импульсов соединен с входами дискретного электропневмопре40 обраэователя и формирователя импульсов, выход которого связан с управляющим входом транзисторного ключа, информационный вход которого соединен с выходом

1714231 ключа 14 и пьезокерамический элемент 7 30 связаны с прямым входом первого электронного усилителя 15, а информационный

50 второго электронного усилителя; а выход— с пьезокерамическим элементом и с прямым входом первого электронного усилителя, выход которого через резистор связан с инверсными входами первого и второго электронных усилителей, прямой вход которого и корпус преобразователя соединены с общей шиной. . На чертеже представлена принципиальная схема преобразователя.

В корпусе 1 установлена вялая мембрана 2 и упругая мембрана 3, образующие три камеры: первую герметичную камеру 4, вторую камеру 5, соединенную с атмосферой, и входную камеру 6. На мембране 3 закреплен пьезокерамический элемент 7. Преобразователь содержит также первый клапан

8 и второй клапан 9, причем вход клапана 8 соединен с входным каналом 10, выход клапана 8 связан с входом клапана 9 и с входной камерой 6. а выход клапана 9 сообщен с атмосферой. Управляющие входы клапанов 8 и 9 соединены с взаимно инверсными выходами дискретного электропневмопреобразоватепя 11, входом связанного с выходом электронного генератора 12 импульсов и входом формирователя 13 импульсов, управлвощим транзисторным ключом 14, вылолненным на полевом транзисторе. Выход вход ключа 14 — с выходом второго электронного усилителя 16.

Вход усилителя 15 соединен с выходным каналом 17. и через резистор 18 с инверсными входами усилителей 15 и 16.

Прямой вход усилителя 15 и корпус 1 соединены с общей шиной.

Преобразователь работает следующим образом.

С генератора 12 с заданной частотой подаются импульсы, Эти импульсы преобразователем 11 преобразуются в пневматические. взаимоинверсные сигналы. В один полупериод работы генератора. клапан 8 открыт, а клапан 9 закрыт, В этот полупериод сигнал Рэ< поступает в камеру 6 и воздействует на упругую мембрану 3. Камера 5 всегда сообщена с атмосферой и давление в ней через вялую мембрану 2 передается в камеру 4. При этом вялая мембрана никогда не дотрагивается до пьезокерамического элемента 7. Учитывая, что в камере 4 всегда атмосферное давление, то на мембрану 3 действует перепад давлений, равный Р» (измерение в избыточном давлении), и мембрана 3 прогибается, изгибая элемент 7.

Величина прогиба, пропорциональная Р», а так как возникающий на пьезокристалле

25 потенциал пропорционален изгибу, то снимаемое с элемента 7 напряжение пропорционально давлению Р». Это напряжение усиливается по мощности усилителем 15 (ключ 13 в этот момент разомкнут) и поступает на выход 17 преобразователя. Усилитель 15 имеет высокоомный вход, что уменьшает утечки заряда с элемента 7, Но полностью исключить утечки практически нельзя и поэтому нужно снова подать изгибающий элемент 7 сигнал, Поэтому во втором полупериоде работы генератора клапан

9 открывается, а 8 — закрывается, в камере.

6 давление становится атмосферным и мембрана 3 (и элемент 7) распрямляется. Потенциал на элементе 7 становится близким к нулю. Его величина случайна, зависит от ряда внешних факторов и соизмерима с погрешностью преобразования. Поэтому в этот полупериод срабатывает формирователь импульсов 13 и включает ключ 14. Выход усилителя 16 соединяется с элементом

7 и входом усилителя 15. Так как потенциал на элементе 7.отличен от нуля, то его значение, пройдя через усилитель, поступает на инвертирующий вход усилителя 16 и на выходе последнего появляется сигнал, противоположный по знаку потенциалу на элементе 7. Начинается разрядка элемента

7 на выход усилителя 16. Этот процесс продолжается до тех пор, пока потенциал на элементе 7 не станет равен нулю (земле).

Теперь в новом полупериоде работы преобразователя изменение потенциала при изгибе элемента 7 начнется от нуля.

Таким образом, точность преобразователя повышается за счет того, что уровень изменения потенциала всегда начинается от нуля за счет принудительной разрядки элемента 7 на выход усилителя 15. Этот усилитель вырабатывает сигнал, равный по величине сигналу заряда на элементе 7, но противоположный по знаку. Такое включение усилителя 15 ускоряет процесс стока заряда с элемента 7 и всегда приводит процесс к нулю независимо от наличия помех. Применение упругой мембраны, характеристика которой. практически не име-, ет гистерезиса, позволило существенно уменьшить гистерезис изгиба, присутствующий в пьезокерамике.

В предлагаемом устройстве нет опорного сигнала, а величина входного сигнала отсчитывается от уровня атмосферного давления и колебания последнего не сказываются на результатах преобразования.

Мембрана не касается элемента 7, так как она служит для передачи атмосферного давления, т.е. является разделительной.

1714231 им ульсов, вторым электронным усилителем, транзисторным ключом и резистором, Корпус, усилители и одна из обкладок пьезокерамики заземлены. Поэтому электрические наводки не влияют на результаты показаний.

Результаты эксперимента показали, что возможно получить точность преобразования в пределах 0,2%.

35

50

Составитель Ю. Амоль

Редактор M. Ликович Техред М.Моргентал Корректор И, Муска

Заказ 676 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Формула изобретения

Пневмоэлектрический аналоговый преобразователь, содержащий входной канал, корпус, в котором установлены вялая мембрана и пьезокерамический элемент, подключенный к прямому входу первого электронного усилителя, связанного своим выходом с выходным каналом, первый клапан, выход которого соединен с входной камерой в корпусе и с входом второго клапана, соединенного своим выходом с атмосферой, и генератор импульсов, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения точности, преобразователь снабжен дискретным электропневмопреобразователем с двумя взаимно инверсными выходами, подключенными к управляющим входам первого и второго клапанов, формирователем а в орпусе дополнительно установлена упругая мембрана, на которой закреплен пье5 зокерамический элемент, расположенный в герметичной первой камере между двумя мембранами, причем вторая камера, находящаяся между корпусом и вялой мембраной, соединена с атмосферой, а входная

10, камера расположена между корпусом и упругой мембраной, вход первого клапана соединен с входным каналом, выход генератора импульсов соединен с входами дискретного электропневмопреобразователя и

15 формирователя импульсов, выход которого связан с управляющим входом транзисторного ключа, информационный вход которого соединен с выходом второго электронного усилителя, а выход — с пьезокерамическим

20 элементом и с прямым входом первого электронного усилителя, выход которого через резистор связан с инверсными входами первого и второго электронных усилителей; прямой вход второго усилителя и корпус

25 преобразователя соединены с общей шиной.