Устройство для измерения давлений

 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к частотным датчикам давления со струнными резонаторами. Цель изобретения - повышение точности путем уменьшения температурной погрешности . Цель достигается за счет того, что датчик содержит мембрану с утолщенным периферийным участком и с установленными на ней основными и дополнительными стойками, в которых закреплены опорная и измерительная струны, четыре терморезистора , расположенные на боковых планарных поверхностях стоек, включенные попарно для каждой струны в противоположные плечи мостовой схемы, которая с дополнительным генератором и формирователем временных импуль - сов образует термокомпенсационную цепь. 3 ил. ч fe

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з G 01 L 11/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4837108/10 (22) 11.06.90 (46) 30.06.92. Бюл.№24 (71) Научно-исследовательский институт физических измерений (72) В.А,Зиновьев, А,И,Русских и Н.Г.Жегалин (53) 531.787 (088.8) (56) Проектирование датчиков для измерения механических величин./ Под ред.

Е.П.Осадчело, M., 1979, с.318.

Авторское свидетельство СССР

¹ 1675705, кл. G 01 L 11/00, 1990. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЙ (57) Изобретение относится к измерительной технике, в частности к частотным датчиИзобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения давления со струнными резонаторами, и может быть использовано для измерения давления с высокой точностью в устройствах контроля и управления, работающих в условиях переменных температур.

Известен датчик давления, содержащий корпус, мембрану и три выступа, на которых с помощью прижимных планок и винтов крепятся плоские стальные предварительно натянутые струны. Средний выступ расположен на мембране несимметрично и при воздействии измеряемого давления поворачивается на некоторый угол, в результате чего натяжение одной струны уменьшается, а натяжение другой струны

„„ „„1744542 А1 кам давления со струнными резонаторами, Цель изобретения — повышение точности путем уменьшения температурной погрешности. Цель достигается за счет того, что датчик содержит мембрану с утолщенным периферийным участком и с установленными на ней основными и дополнительными стойками, в которых закреплены опорная и измерительная струны, четыре терморезистора, расположенные на боковых планарных поверхностях стоек, включенные попарно для каждой струны в противоположные плечи мостовой схемы, которая с дополнительным генератором и формирователем временных импуль— сов образует термокомпенсационную цепь. 3 ил. увеличивается. Под струнами расположены приемочные датчики и датчики-возбудители. Приемочные датчики подключены на вход двух идентичных усилителей, а датчики-возбудители — на выход этих усилителей.

С выходов усилителей напряжения с частотами поступают на смеситель и фильтр, на выходе которого получается разностная частота.

Недостатком указанного датчика является высокая температурная погрешность в динамическом температурном режиме от измеряемой среды, вызванная тем, что первый выступ, закрепляющий измерительную струну, расположен над каналом, где проходит среда, а третий выступ, закрепляющий опорную струну — над массивной частью корпуса и, следовательно, прогревается (ох1744542 лаждается) са значительным запаздывани@I Ва ВРЕМЕНИ, Разница температур на выступах, а следовательно, и на струнах вызывает лажную раЗHÈöó СабстВЕННЫХ ЧаСтат, ТаКИМ образам, чем больше скорость изменения температуры измеряемой среды, тем больше погрешность указанного датчика.

Наиболее близким к предлагаемому па технической сушности является частотный датчик давления, содержащий мембрану с уталще,ным периферийным участком и уста-.гавленными на ней основными и дополнительными стойками с отверстиями, в которых закреплены на одинаковом расстоянии от центра мембраны измерительная и опорная струны, расположенные между полюсами магнитов.

Недостатком известного датчика является низкая точность измерения при быст,Оменяющемся тепловом воздействии измеряемой среды на мембрану, вызванная тем, что конструктивно основные стойки расположены на тонкой мембране, а дополнительные — на массивной утолщенной части и, кроме тога, их размеры не одинаковы, что в результате приводит к различному

npol-pe y (охлаждению) струн в отдельные моменты времени. Разница температур струн приводит к разнице собственных частот, несмотря на идентичность размеров и материала струн, В результате чего с увеличением измерения температуры на мембране прагарцианально уменьшается точность измерения.

Целью изобретения является повышение точности путем уменьшения температурной погрешности, Поставленная цель достигается тем, что

В устройство для измерения давления, содержащее мембрану с утолщенным периферийным участком и с установленными на ней основными и дополнительными стойками, в которых закреплены опорная и измерительная струны, к которым подключены генераторы, смеситель, фильтр и индика.:-ор, введены четыре терморезистора, распала>кенные HB боковых планарных поверхностях стоек и включенные попарно для каждой струны в противоположные плечи мостовой схемы, которая с дополнительным генератором, формирователем временных импульсов и электронным клю«oui образует термокомпенсационную цепь, Введение четырех терморезисторов, размещение их на боковых планарных поверхностях стоек и включение в противопоEIO>KHblG PлеHN мостовой CXBt4bt OO3BORRIOT формировать ",îððåêòèðóþùèé сигнал, фун5

50 кционально зависящий от разницы температур на опорной и измерительной струнах, а включение в мостовую схему дополнительного генератора и формирователя временных импульсов позволяет выделить термозависимый времязадающий сигнал, в результате чего считывание импульсов с основной цепи производится с интервалами, изменяющимися в зависимости ат разницы температур на струнах, а следовательно, повысить точность измерения, Таким образом, в предлагаемое устройство введены дополнительный генератор, формирователь временных импульсов, электронный ключ и подключенный к выходу фильтра формирователь импульсов. Инликатар Выполнен 8 Виде счетчика. При этом в датчик давления введены четыре терморезистора, которые закреплены на боковых поверхностях стоек напротив места закрепления струн, причем термарезистары попарно для каждой струны Включены в протиВОпалажные плечи мостовой схемы, выходная диагональ которой подключена к дополнительному генератору, Вход ключа соединен са счетчикам, а управляющий

Вход ключа подсоединен к выходу формирователя временных импульсов, который подкл:ачен к дополнительному генератору.

На фи",1 изобра>кена конструкция датчика давления; на фиг.2 — структурная схема устройстВа для измерения давления:, на фиг.3 — характер формирования Выходного параметра устройства для измерения давления с учетом температурной коррекции, устройство для измерения давления ñoдержитизгатовленныеза одно целое корпус

1 с мембраной 2 и стайками 3 и 4. Между основными стойками 3 жестко закреплена измерительная струна 5, а между дополнительными стойками L — опорная струна 6, пропущенная сквозь отверстия в основных стойках 3. Струны 5 и 6 расположены между полюсами магнитов ":. На боковых планарных поверхностях стоек 3 расположены два термарезистара 8, а на поверхностях стоек

L4 — два терморезистара 9, катооые соединены в мостовую схему, Электронная цепь преобразования

Вкгючает измерительный генератор 10, опорный генератор 11, смеситель 12, полосовой фильтр 13, формирователь 14 импульсов, электронный ключ 15 и счетчик 16 импульсов, Кроме того, электронная цель содержит корректирующую цепь, состоящую из дополнительного генератора 17 и формирователя 18 временных импульOOÂ, Устройство для измерения давления работает следующим образом.

1744542

Измеряемое давление, воздействуя на мембрану 2, вызывает поворот основных стоек 3, в результате происходит изменение натяжения измерительной струны 5, закрепленной между стойками и расположенной в магнитном поле, образованном постоянными магнитами 7. Изменение натяжения струны 5 вызывает изменение ее собственной частоты колебаний. Возбуждение и снятие сигнала осуществляются на основе магнитоэлектрического способа возбуждения в автоколебательном режиме.

Аналогично работает опорная струна 6, собственная (резонансная) частота которой не изменяется отдавления, так как она закреплена в дополнительных стойках 4, которые расположены на недеформируемом участке мембраны 2. Струна 5 возбуждается измерительным генератором 10, и с его выхода собственная частота (F<») поступает на первый вход смесителя 12, а струна 6 возбуждается опорным генератором 11 и с его выхода собственная частота (Fop) поступает на второй вход смесителя 12 и далее на полосовой фильтр 13 и формирователь 14 импульсов, где происходит выделение разности частот в виде Fv» - Fon = Л Fg(P), где

Л F>(P) — разностная частота, функционально зависимая от изменения давления, С выхода формирователя 14 импульсов прямоугольные импульсы заданной длительности и частоты AFgP) поступают на первый вход электронного ключа 15. Одновременно в дополнительном генераторе 17 формируется сигнал с частотой fo, который поступает на вход формирователя 18 временных импульсов, который формирует времязадающий интервал длительностью

К/1д = Тд, где К вЂ” постоянный коэффициент формирователя 18.

С выхода формирователя 18 времязадающий импульс поступает на второй вход ключа 15, который открывается и пропускает в течение Тд пачку импульсов с часготой

Л F<(P) на счетчик 16. При этом в счетчике 16 записывается число импульсов

N(P) = Ta Ë F (P) которое функционально зависит от изменения входного параметра и регистрируется на индикации.

При изменении температуры измеряемой среды происходят температурные деформации мембраны 2, которые вызывают дополнительные перемещения стоек 3 относительно перемещений от давления, а следовательно, дополнительные изменения натяжения струны 5 и изменение ее собстгде Л F<(t) — составляющая приращения частоты от разницы температур на опорной и измерительной струнах.

С выхода формирователя 14 импульсов прямоугольные импульсы заданной дли35 тельности и частотой Л F>(P) — Ь F>(t) поступают на первый вход ключа 15.

Одновременно на второй вход ключа 15 с дополнительного генератора 17 через формирователь 18 поступает времязадающий

40 импульс.

При быстроменяющемся тепловом режиме терморезисторы 8 воспринимают среднеинтегральную температуру на измерительной струне 5, а терморезисторы 9—

45 среднеинтегральную температуру на опорной струне 6. Разница температур, воспринимающаяся парами терморезисторов, соединенных в мостовую схему, в которой терморезисторы 9, размещенные на дополнительных стойках 4, включены в противоположные плечи моста, а терморезисторы 8, размещенные на основных стойках 3, также включены в противоположные плечи моста этой же мостовой схемы, вызывает изменение сопротивлений терморезисторов мостовой схемы. Таким образом, при подаче питания на вход терморезистивной мостовой схемы с выхода схемы на вход генератора 17 подается управляемый тер5

25 венной частоты. Несмотря на то, что измерительная 5 и опорная 6 струны закреплены на одинаковом расстоянии от центра мембраны и имеют одинаковые размеры, при изменении температуры измеряемой среды, особенно в быстроменяющемся тепловом режиме, происходит различный прогрев мест крепления опорной струны 6 по сравнению с местом крепления измерительной струны 5. При этом приращение собственной частоты опорной струны при изменяющихся тепловых условиях Foo и д F(t ) отличается от приращения собственной частоты измеряемой струны деизм + д F(t"), где д F(t ), д F(t") — составляющие приращения частоты опорной и измерительной струн, зависимые от изменения температуры на струнах;

t, t" — температура на опорной и измерительной струнах соответственно.

В результате в смесителе 12 и далее в полосовом фильтре 13 и формирователе 14 импульсов происходит выделение разности частот в виде

h,Ð. (Р) ЛГ. (т) =(Г„,„дг(т-))— — (Fpn+(5F (t )), 1744542 мозависимый сигнал, зависящий от разницы температур на опорной и измерительной струнах:

Au(t) = ЛК(с) — ЛR(t"), где A R(t ), Л R(t") — разность измерения 5 сопротивлений от температуры на парах терморезисторов 8 и 9, расположенных на стойках 3 и 4.

Л U(t) функционально влияет на частоту выхода генератора 17, которая поступает на 10 вход формирователя 18, где формируется времяэадающий интервал длительностью

Тд ЛТ (t) Л () 1 где Л f(t) — составляющая изменения частоты от оазницы температуры t — t" на опорной и измерительной струнах;

AT(t) — изменение времязадающего ин- 20 тервала, функционально зависящее от разности температуры;

К вЂ” постоянный коэффициент формирователя 18 временных импульсов.

С выхода формирователя 18 времязада- 25 ющий интервал поступает на второй вход ключа 15, который открывается и пропускает пачку импульсов с частотой Ри(Р) +. Л F<(t) на счетчик 16 с интервалом Тд.+ AT(t), В счетчик 16 заносится число импуль- 30 сов

N =(Тд ЛT(t))(ЛРи(Р) + ЛFg(t)) =

=Тд Л Ри(Р) - Тд Л Fp(t) + A T(t) Л Fg(P)

+ ЛТ(с) ЛFg(t), (2) которое функционально зависит от изменения входного параметра и регистрируется на индикации.

В приведенной зависимости составляющиее произведения Л T(t) . Л F (t) — мал ые величины и они практически не влияют на выходной параметр N. Поэтому, если настроить схему так, что приращение ЛТ(т), 45 которое управляется терморезистивной мостовой схемой, имеет противоположный знак составляющей Л F>(t) и выполнитьусловие Тд" ЛFи(t) =AT(t) Л Ри(Р), будет полностью скомпенсирована температурная погрешность. Таким образом, выходной параметр N в выражении (2), где рассматривается влияние быстроменяющихся тепловых потоков (неравномерный прогрев основных и дополнительных стоек), практически будет 55 равен N(P) выражения (1), где измеряется давление в нормальных тепловых условиях.

Таким образом, ложное приращение частоты от разницы температур на опорной и измерительной струнах компенсируется термозависимым изменением временного интервала индикации в корректирующей цепи.

На фиг.3 показан характер осуществления коррекции выходного параметра в предлагаемом устройстве, где а — выходной сигнал с измерительного генератора 10; б — выходной сигнал с опорного генератора 11; в — выходной сигнал с полосового фильтра 13; г — выходной сигнал с формирователя 14 импул ьсов; д — выходной сигнал с мостовой схемы из термореэисторов 8 и 9; е — выходной сигнал с дополнительного генератора 17; ж — выходной сигнал с формирователя

18 временных импульсов; э — выходной сигнал с электронного ключа 15.

Следовательно, на счетчике 16 формируется численное значение давления М = f(P) и этот сигнал практически не зависит от изменения температуры.

Предлагаемое устройство характеризуется высокой точностью измерения вследствие практически полного исключения температурной погрешности в быстроменяющихся тепловых режимах при достаточно высоком градиенте изменения температуры.

Точность измерения предлагаемого устройства по сравнению с прототипом при изменяющихся тепловых условиях в диапазоне от минус 200 до 150 С с температурным градиентом, не превышающим 200—

250 С, увеличена в 3 -4 раза, Формула изобретения

Устройство для измерения давлений, включающее датчик давления, содержащий мембрану с утолщенным периферийным участком и с установленными на ней основными стойками с отверстиями, в которых закреплена измерительная струна, и дополнительными стойками с отверстиями, в которых закреплена опорная струна, идентичная измерительной, причем обе струны расположены между полюсами магнитов, а точки их закрепления расположены на одинаковом расстоянии от центра мембраны в одной диаметральной плоскости, измерительный генератор, к которому подключена измерительная струна датчика, опорный генератор, к которому подключена опорная струна датчика, смеситель, соединенный с выходами генераторов, фильтр, подключенный к смесителю, и индикатор, 1744542

10 о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности путем уменьшения температурной погрешности, в него введены дополнительный генератор, формирователь временных импульсов, электронный ключ и подключенный к выходу фильтра формирователь импульсов, а индикатор выполнен в виде счетчика, при этом в датчик давления введены четыре терморезистора, которые закреплены на боковых поверхностях стоек напротив места закрепления струн, причем терморезисторы попарно для каждой струны включены в противоположные плечи мостовой схемы, выходная диагональ которой подключена к дополни5 тельному генератору, при этом вход ключа соединен с выходом формирователя импульсов, его выход соединен со счетчиком, а управляющий вход ключа подсоединен к выходу формирователя временных импуль10 сов, который подключен к дополнительному генератору.

1744542

Фиг.2 фиг. Р

Составитель В. Зиновьев

Техред М. Мор гентал Корректор М. Максимишинец

Редактор А. Лежнина

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. 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