Устройство для измерения давления

 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам дистанционного измерения давления, и может быть использовано для измерения давления с повышенной точностью жидких и газообразных сред в широком диапазоне температур . Устройство для измерения давления включает датчик давления, содержащий корпус, мембрану, на которой сформированы мостовая измерительная цепь из тензорезисторов и два терморезистора. Компенсация изменений сопротивлений терморезисторов от давления обусловлена тем, что в зоне между окружностями с радиусом г до 0,6г радиально расположенный терморезистор воспринимает сжимающие деформации, а окружной - растягивающие. В управляемом делителе формируется корректирующий сигнал, предназначенный для компенсации ухода начального уровня основного сигнала от температуры. Корректирующий сигнал с управляемого делителя регулирует напряжение питания первой мостовой измерительной схемы таким образом , что чувствительность датчика к измеряемому давлению остается неизменной во всем температурном диапазоне. 2 ил (Л С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 (9/04

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4825616/10 (22) 15.05.90 (46) 30.06.92. Бюл.%24 (71) Научно-исследовательский институт физических измерений (72) B.À.ÇèíoâüåB, А.В.Кузекмаев и А.И.Ворожбитов (53) 531.787 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 1515081, кл. G 011 9/04, 1987.

Авторское свидетельство СССР

N 1663460, кл. G 011 9/04, 1989. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам дистанционного измерения давления, и может быть использовано для измерения давления с повышенной точностью жидких и газообразных сред в широком диапазоне темпераИзобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам дистанционного измерения давления, и может быть использовано для измерения давления жидких и газообразных сред в широком диапазоне температур.

Известно устройство для измерения давления, включающее датчик давления, содержащий корпус, мембрану, соединенную со стержневым упругим элементом, на противоположных плоских гранях которого сформированы первая и вторая мостовые измерительные цепи, причем каждая цепь содержит по одному терморезистору в форме меандра, при этом входы мостовых це.. Ы,, 1744533 А1 тур. Устройство для измерения давления включает датчик давления, содержащий корпус, мембрану, на которой сформированы мостовая измерительная цепь из тензорезисторов и два терморезистора.

Компенсация изменений сопротивлений терморезисторов от давления обусловлена тем, что в зоне между окружностями с радиусом r до 0,6r радиально расположенный терморезистор воспринимает сжимающие деформации, а окружной — растягивающие.

В управляемом делителе формируется корректирующий сигнал, предназначенный для компенсации ухода начального уровня основного сигнала от температуры. Корректирующий сигнал с управляемого делителя регулирует напряжение питания первой мостовой измерительной схемы таким образом, что чувствительность датчика к измеряемому давлению остается неизменной во всем температурном диапазоне. 2 ил. пей подключены к источнику питания, а выходы — к входам идентичных усилителей, выходы которых соединены с входами сумматора, выход которого подключен к измерительному прибору.

Недостатком данного устройства является невысокая точность измерения, обусловленная неполной температурной компенсацией, особенно в широком температурном диапазоне. Это связано с нелинейной температурной зависимостью терморезисторов, в результате чего температурную погрешность удается компенсировать на определенном узком участке, в то время как на других участках, наоборот.

1744533 происходит иногда увеличение температурной погрешности. Кроме того, недостаточная точность измерения обусловлена также требованием формирования терморезистора из материала, отличающегося от матеоиалов тензорезисторов и контактных площадок.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является датчик давления, содержащий корпус с закреп ленной в нем мембраной. на которой сформированы тензорезисторы, соединенные в два измерительных моста, причем тензорезисторы одного моста расположены попарно симметрично с тензорезисторами другого моста относительно центра мембраны, температурные коэффициенты сопротивления и тензочувствительности тензорезисторов одного моста на порядок больше соответствующих коэффициентов тензорезисторов другого моста, коэффициенты тензочувствительности резисторов обоих мостов имеют один и тот же порядок.

Недостатком известного датчика является то, что в широком температурном диапазоне функции изменения выходных сигналов от температуры обоих мостов имеют нелинейный характер и обычным сложением или вычитанием этих двух сигналов точность коррекции температурной погрешности не обеспечивается. Кроме того, формирование топологии из двух тензоматериалов приводит к различной временной стабильности тензорезисторов одного моста по сравнению с тензорезисторами другого из-за неодинаковой структуры тензорезисторов, в результате чего точность измерения снижается.

Цель изобретения — повышение точности измерения за счет уменьшения температурной погрешности.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения давления, включающее датчик давления, содержащий корпус с закрепленной в нем мембраной, на которой сформированы контактные площадки и четыре тензорезистора, соединенные в первую мостовую измерительную схему, а также включающее первый, второй, третий и четвертый резисторы, соединенные во вторую мостовую схему, причем первый и второй из них сформированы на мембране и включены в противоположные плечи второй мостовой схемы, источник питания, регистрирующий прибор, первый и второй усилители, сумматор, выход которого соединен с регистрирующим прибором, при этом выход первой мостовой измерительной схемы соединен с входом первого усилителя, соединенного своим выходом с первым входом сумматора, выход второй мостовой схемы подключен к входу второго усилителя, а вход — к источнику питания, 5 введены блок компараторов, первый и второй управляемые делители и регулятор напряжения, при этом первый и второй резисторы второй мостовой схемы выполнены из того же материала, что и контактные

10 площадки, в виде терморезисторов в форме меандров, длинные стороны меандра первого резистора расположены по радиусам мембраны, а короткие — соответственно одни по окружности радиусом r мембраны, а

15 другие по окружности радиусом 0,6г, длинные стороны меандра второго резистора расположены по окружностям мембраны, а короткие — по радиусам мембраны, при этом выход второго усилителя подключен к входу

20 блока компараторов, выходы которого соединены соответственно с входами первого и второго управляемых делителей, выход первого из которых подключен к второму входу сумматора, а выход второго — к перво25 му входу регулятора напряжения, второй . вход которого подсоединен к источнику питания, а выход — к входу первой мостовой измерительной схемы, На фиг.1 показаны конструкция датчика

30 давления и размещение тензорезисторов и терморезисторов на мембране (топология); на фиг,2 — структурная схема устройства, Устройство включает датчик 1 давления (фиг.1) и измерительный блок 2 (фиг.2).

35 Датчик давления содержит мембрану 3, выполненную за одно целое с опорным основанием 4. На мембране сформированы мостовая измерительная цепь из тензорезисторов 5 — 8 и два терморезистора 9 и

40 10. Терморезисторы выполнены в форме меандров и расположены между окружностями с радиусами r и 0,6г, причем длинные стороны меандра первого резистора расположены по радиусам мембраны, а длинные

45 стороны меандра второго резистора — по окружностям мембраны. Терморезисторы 9 и 10 включены в противоположные плечи дополнительной мостовой схемы, два других плеча которой образованы резисторами

50 16 17, расположенными в измерительном блоке. Контактные площадки 11 служат для подключения измерительного моста и терморезисторов и к измерительному блоку.

Измерительная схема защищена от влияния

55 окружностей среды корпусом 12. К входной диагонали мостовой измерительной цепи через регулирующий элемент 22 подводится напряжение Unvr источника питания. К входной диагонали дополнительной мостовой схемы также поводится напряжение Un T ис1744533 точника питания. Выход мостовой измерительной цепи из тензорезисторов 5 — 8 соединен с входом усилителя 13, Выход усилителя 13 соединен с входом сумматора

14, выход некоторого подключен к измерительному прибору 15. Выход дополнительной мостовой схемы соединен с входом усилителя 18, выход которого подключен к входу блока 19 компараторов, выходы которого соединены с входами управляемых делителей 20 и 21, выход управляемого делителя 20 соединен с входом сумматора

14, а выход управляемого делителя 21 — с регулирующим элементом 22.

Устройство работает следующим образом, При подаче измеряемого давления на мембрану 3 последняя прогибается. Тензорезисторы 5 — 8 испытывают деформацию.

Вследствие этого на выходе мостовой измерительной цепи появляется сигнал, пропорциональный измеряемому давлению, который усиливается усилителем 13 и через сумматор 14 поступает на измерительный прибор 15.

B общем виде выходной сигнал определяется .выражением

Uocn = kxUn AR(P) (1) где Un — напряжение питания;

kT — коэффициент тензочувствительности;

Л R(P) — относительное изменение сопротивления измерительного моста от давления.

Изменение температурных условий работы датчика вызывает изменение его выходного сигнала, и выражение (1) приобретает следующий вид:

Uocn = ktk Un(A R(P) + A R(t)), (2) где kt — коэффициент термопреобразования измерительного моста;

Л R(t) — относительное изменение сопротивления измерительного моста от температуры.

Изменение температуры вызывает также изменение сопротивления терморезисторов 9 и 10, в результате чего на выходе дополнительной мостовой схемы появляется сигнал, пропорциональный изменению температуры на мембране и имеющий в общем виде следующий вид:

0кор = k IUn h,R (t) (3) где k .t — коэффициент термопреобразования дополнительного моста;

Л R (t) — относительное изменение сопротивления дополнительного моста от температуры, Выходной сигнал дополнительной мостовой схемы не зависит от измеряемого дав55 датчика к измеряемому давлению остается неизменной во всем температурном диапазоне.

Функциональная зависимость выходного сигнала в общем виде с учетом коррекции в каждом интервале температуры приобретает следующий вид; ления, поскольку терморезисторы включены в противоположные плечи и размещены на мембране так, что первый терморезистор воспринимает сжимающие деформации от

5 давления, а второй — растягивающие.

Функции изменения выходных сигналов измерительной и дополнительной мостовых схем от температуры имеют нелинейный характер в широком темпера10 турном диапазоне, что не позволяет осуществлять коррекцию температурной погрешности с достаточной точностью во всем диапазоне температур простым алгебраическим сложением основного и термоза15 висимого сигналов. Поэтому усиленный усилителем 18 термозависимый сигнал подается на вход блока 19 компараторов, где происходит деление его на отдельные участки, имеющие достаточно линейный харак20 тер, в зависимости от интервала изменения температуры с последующим формированием корректирующего термозависимого сигнала в управляемых делителях 20 и 21, Блок компараторов и управляемые делители на25 страивают так, чтобы величина и наклон каждого участка корректирующего сигнала обеспечивали коррекцию температурной погрешности соответствующего участка основного сигнала.

30 В управляемом делителе 20 формируется корректирующий сигнал, предназначенный для компенсации ухода начального уровня основного сигнала от температуры и имеющий вид

35 U "кор= Оп(1 — Л R (t)). (4)

В управляемом делителе 21 формируется корректирующий сигнал, предназначенный для компенсации изменения чувствительности от температуры:

40 н Uп

U"кор (5) 1

Корректирующий сигнал с выхода управляемого делителя 20 поступает на второй вход сумматора 14, где алгебраически

45 складывается с выходным сигналом измерителbHQI моста и обеспечивает коррекцию начального уровня выходного сигнала, Корректирующий сигнал с управляемого делителя 21, воздействуя на эле50 мент 22, регулирует напряжение питания мостовой измерительной цепи из тензорезисторов 5 — 8 так, что чувствительность

1744533

50

UB x = UocH+ U sop+ U"sop = ktk Un(AR(P)+

+dR())+Up(1 ЛR ())+ "" =,ЩЛВ(Р)

kt (6) 5 где Оных — выходной сигнал, поступающий на измерительный прибор 15.

Таким образом, выходной сигнал устройства зависит только от измеряемого давления, а изменение температуры, даже в "0 широком диапазоне, практически не влияет на выходную характеристику, причем аддитивнзя составляющая температурной погрешности компенсируется в сумматоре 14 термозависимым сигналом, снятым с допол- 15 нительной мостовой схемы и преобразованным до необходимой величины усилителем

18, блоком 19 компараторов, управляемым делителем 20, а мультипликативная составляющая — за счет регулирования напряже- 20 ния питания элементом 22, который управляется сигналом, вырабатываемым в блоке 19 компараторов и управляемом делителе 21.

Использование предлагаемого устрой- 25 ства для измерения давления в диапазоне температур от -200 до+300 С позволит повысить точность измерения примерно на порядок за счет уменьшения температурной погрешности. 30

Формула изобретения

Устройство для измерения давления, включающее датчик давления, содержащий корпус с закрепленной в нем мембраной, íà 35 которой сформированы контактные площадки и четыре тензорезистора, соединенные в первую мостовую измерительную схему, а также включающее первый, второй, третий и четвертый резисторы, соединен- 40 ные во вторую мостовую схему, причем первый и второй из них сформированы на мембране и включены в противоположные плечи второй мостовой схемы, источник питания, регистрирующий прибор, первый и второй усилители, сумматор, выход которого соединен регистрирующим прибором, при этом выход первой мостовой измерительной схемы соединен с входом первого усилителя, соединенного своим выходом с первым входом сумматора, выход второй мостовой схемы подключен к входу второго усилителя, а вход- к источнику питания, о тл ича ющеесятем,что,сцельюповышения точности за счет уменьшения температурной погрешности в него введены в блок компараторов, первый и второй управляемые делители и регулятор напряжения, при этом первый и второй резисторы второй мостовой схемы выполнены из того же материала, что и контактные площадки, в виде терморезисторов в форме меандров, длинные стороны меандра первого резистора расположены по радиусам мембраны, а короткие — соответственно одни по окружности радиусом r мембраны, а другие по окружности радиусом 0,6г, длинные стороны меандра второго резистора расположены по окружностям мембраны, а короткие— по радиусам мембраны, при этом выход второго усилителя подключен к входу блока компараторов, выходы которого соединены соответственно с входами первого и второго управляемых делителей, выход первого из которых подключен к второму входу сумматора, а выход второго — к первому входу регулятора напряжения, второй вход которого подсоединен к источнику питания, а выход — к входу первой мостовой измерительной схемы.

1744533

1744533

Составитель А. Кузекмаев

Техред М.Моргентал Корректор М. Кучерявая

Редактор А. Огар

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

Заказ 2190 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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