Тензометрический измеритель давления

 

Использование : в измерительной технике , в тензометрических измерителях давления , при измерении постоянных и переменных давлений в широком диапазоне рабочих температур . Сущность : повышение точности измерений давления достигается наличием в составе тензометрического измерителя функционального преобразователя, позволяющего полностью компенсировать температурную погрешность при измерении давления. Функциональный преобразователь 15, содержащий (помимо термозависимого элемента и терморезистора 2) два дифференциальных усилителя 4, 5, блок 9 опорных напряжений и умножитель 10 вырабатывают два температурозависимых напряжения, которые, суммируясь в сумматорах 7, 8 с двумя выходными напряжениями мостовой измерительной схемы 1 , позволяют получить выходной сигнал , независимый от температуры , и зарегистрировать его с помощью выходного прибора 14 . 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерений постоянных и переменных давлений жидкостей и газов в широком диапазоне рабочих температур.

Известен тензометрический измеритель давления с активной схемой термокомпенсации, обеспечивающей изменение питающего напряжения в соответствии с температурной зависимостью чувствительности тензорезистора [1] Наиболее близким по количеству общих признаков и технической сущности к заявляемому представляется тензометрический измеритель давления, включающий датчик давления, содержащий корпус с закрепленной в нем мембраной, на которой сформированы контактные площадки, четыре тензорезистора, соединенные в мостовую измерительную схему, терморезистор, один конец которого заземлен, и измерительный блок, содержащий источник питания со стабилизатором напряжения, первый сумматор, первый и второй дифференциальные усилители и выходной регистрирующий прибор, при этом выход стабилизатора напряжения подключен к входу мостовой измерительной схемы [2] Данный способ принят за прототип. Недостатком прототипа является недостаточная точность измерений давления среды из-за неполной компенсации квадратичной составляющей температурной погрешности.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в полной компенсации температурной погрешности измерителя, включая квадратичную составляющую температурной погрешности.

Данный технический результат достигается тем, что в известном тензометрическом измерителе давления, содержащем корпус с закрепленной в нем мембраной, на которой сформированы контактные площадки, четыре тензорезистора, соединенные в мостовую измерительную схему, терморезистор, один конец которого заземлен, и измерительный блок, содержащий источник питания со стабилизатором напряжения, первый сумматор, первый и второй дифференциальные усилители и выходной регистрирующий прибор, в измерительный блок введены второй сумматор, третий дифференциальный усилитель, умножитель, источник опорных напряжений, звено обратной связи, выходной транзистор и выходной резистор, при этом терморезистор соединен с выходом стабилизатора напряжения и подключен к первому входу первого дифференциального усилителя, к второму входу которого подсоединен вход источника опорных напряжений, а второй его выход соединен с первым входом второго дифференциального усилителя, подключенного вторым своим входом к выходу умножителя, соединенного первым входом с первым входом первого дифференциального усилителя, а вторым своим входом с выходным резистором, который заземлен, причем положительная клемма источника питания соединена с коллектором выходного транзистора, эмиттер которого через выходной резистор подключен к заземленной отрицательной клемме источника питания, а первый выход мостовой измерительной схемы подключен к первому входу первого сумматора, второй вход которого соединен с выходом первого дифференциального усилителя, второй выход мостовой измерительной схемы подключен к первому входу второго сумматора, второй вход которого соединен с выходом второго дифференциального усилителя, а третий с выходом звена обратной связи, подключенного входом к эмиттеру выходного транзистора, выходы первого и второго сумматоров соединены соответственно с первым и вторым входами третьего дифференциального усилителя, выход которого подключен к базе выходного транзистора, при этом выходной регистрирующий прибор подключен параллельно выходному резистору.

На чертеже представлена схема тензометрического измерителя давления.

Измеритель содержит корпус с закрепленной в нем мембраной, на которой сформированы контактные площадки и четыре тензорезистора (на чертеже не показаны), соединенные в мостовую измерительную схему 1, терморезистор 2, источник питания (на чертеже не показан) с положительной клеммой +U и отрицательной -U. Имеется также стабилизатор 3 напряжения, дифференциальные усилители 4,5,6, сумматоры 7,8, блок 9 опорных напряжений, умножитель 10, звено 11 обратной связи, выходной транзистор 12, выходной резистор 13 и выходной прибор 14 в виде вольтметра. Элементы схемы 2,4,5,9,10, обведенные пунктиром, образуют функциональный преобразователь 15. Элементы схемы 1,2,4,11 подключены к стабилизатору 3 напряжения (на чертеже данное подключение показано только для термосопротивления 2 и дифференциального усилителя 6).

Входы дифференциального усилителя 4 подключены к термосопротивлению 2 и выходу блока 9 опорных напряжений. Входы дифференциального усилителя 5 подключены к блоку 9 опорных напряжений и выходу умножителя 10, входы которого соединены с термосопротивлением 2 и выходным резистором 13. Выходы дифференциальных усилителей 4 и 5 подключены к входам сумматоров 7 и 8, к другим входам которых подсоединены выходы мостовой измерительной схемы 1. К сумматору 8 подключен также выход звена 11 обратной связи, вход которой соединен с эмиттером выходного транзистора 21, соединенного базой с выходом дифференциального усилителя 6, и коллектором с положительной клеммой источника питания. Выходы сумматоров 7 и 8 подключены к входам дифференциального усилителя 6. Эмиттер выходного транзистора 12 соединен со вторым входом умножителя 10 и через выходной резистор 13 с отрицательной клеммой источника питания. Выходной прибор 14 подсоединен параллельно выходному резистору 13.

Измеритель работает следующим образом.

При подаче измеряемого давления Р на мембрану тензорезисторы испытывают деформацию. Вследствие этого на выходе мостовой измерительной схемы 1 появляется сигнал ΔU_p U_p1-U_p2, равный Δ<N>U_p=U_p1-U_p2=U₀[a₀+a₁Δt+ +(a₂Δt+a₃)P] (1) здесь U₀ напряжение питания мостовой измерительной схемы, а₀ коэффициент смещения нуля, а₁ коэффициент температурного дрейфа нуля; а₂ коэффициент температурного дрейфа чувствительности; Δt t t₀ отклонение температуры от значения t t₀, выбранной в качестве точки отсчета; а₃ тензочувствительность мостовой измерительной схемы при t t₀, Р действующее давление.

Значение выходного напряжения U_в на выходном резисторе 13 выходного транзистора 12 можно представить следующим образом U_в=K(ΔU_p+U_t1-U_t2), (2) здесь К коэффициент усиления, определяемый звеном 11 обратной связи.

Для полной компенсации температурной погрешности и смещения нуля функциональный преобразователь 15 из входных воздействий U₀, U_в должен синтезировать выходные напряжения U_t1иU_t2 вида
U_t1= U₀(a₀+a₁Δt);U_t2=β <N>U_в (3) Здесь β масштабный коэффициент с учетом (3) из (1), (2) получаем
U_в=KU₀[a₂Δt+a₃)P-β U_в (4) или
U_B(1+U_oKβ) U_oKa1 + ΔtP
(5) Из уравнения (5) следует, что для получения инвариантного к температурному воздействию выходного сигнала устройства U_в достаточно, чтобы выполнялось условие
β (6) Обеспечить такой масштаб преобразования позволяет функциональный преобразователь 15, выполненный, например, в виде, представленном в измерителе.

Изменение температуры вызывает изменение сопротивления преобразователя температуры 2. При этом на выходах дифференциальных усилителей 4 и 5 функционального преобразователя 15 появляются выходные сигналы U_t1 и U_t2, которые, складываясь в необходимой пропорции с выходными сигналами U_p1 и U_p2 мостовой измерительной схемы 1, позволяют реализовать инвариантный к температуре алгоритм работы измерителя давления, регистрируемого выходным прибором 14.

Таким образом, в измерителе не появляется дополнительная квадратичная составляющая температурной зависимости чувствительности, а происходит полная компенсация всех составляющих температурной погрешности тензорезисторной мостовой схемы. При этом питающая диагональ мостовой измерительной схемы свободна для организации подавления нелинейности выходной характеристики устройства.

Формула изобретения

ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ, включающий датчик давления, содержащий корпус с закрепленной в нем мембраной, на которой сформированы контактные площадки, четыре тензорезистора, соединенные в мостовую измерительную схему, и терморезистор, один конец которого заземлен, и измерительный блок, содержащий источник питания со стабилизатором напряжения, первый сумматор, первый и второй дифференциальные усилители и выходной регистрирующий прибор, при этом выход стабилизатора напряжения подключен к входу мостовой измерительной схемы, отличающийся тем, что в измерительный блок введены второй сумматор, третий дифференциальный усилитель, умножитель, источник опорных напряжений, звено обратной связи, выходной транзистор и выходной резистор, при этом терморезистор соединен с выходом стабилизатора напряжения и подключен к первому входу первого дифференциального усилителя, к второму входу которого подсоединен первый выход источника опорных напряжений, а второй его выход соединен с первым входом второго дифференциального усилителя, подключенного вторым входом к выходу умножителя, соединенного первым входом с первым входом первого дифференциального усилителя, а вторым входом с выходным резистором, который заземлен, причем положительная клемма источника питания соединена с коллектором выходного транзистора, эмиттер которого через выходной резистор подключен к заземленной отрицательной клемме источника питания, а первый выход мостовой измерительной схемы подключен к первому входу первого сумматора, второй вход которого соединен с выходом первого дифференциального усилителя, второй выход мостовой измерительной схемы подключен к первому входу второго сумматора, второй вход которого соединен с выходом второго дифференциального усилителя, а третий с выходом звена обратной связи, подключенного входом к эмиттеру выходного транзистора, выходы первого и второго сумматоров соединены соответственно с первым и вторым входами третьего дифференциального усилителя, выход которого подключен к базе выходного транзистора, при этом выходной регистрирующий прибор подключен параллельно выходному резистору.

РИСУНКИ

Рисунок 1