Устройство для измерения давления

 

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и позволяет повысить чувствительность. Устройство содержит два емкостных преобразователя 3 и4, два пьезоэлектрических преобразовате ля 6 и 7, прикрепленных к консольной балке 5, которая штоком 8 соединена с мембраной 2 При воздействии давления на мембрану 2 сигналы с преобразователей 3 и 4 поступают на вхог, схемы 14 преобразования. Сигналы с пьезоэлектрических преобразователей 6 и 7 подаются на вход генераторов 10 и 11, с выхода которых через смеситель и компаратор они поступают на вход схемы 14 В схеме преобразования посредством двух переклюателей, усилителя заряда, синхронного детектора , дискретного интегратора, компаратора и блока синхронизации происходит перемножение разностного сигнала пьезоэлектрических преобразователей и отношения емкостных преобразователей 4 и 3, что обеспечивает повышение чувствитольности.2 ил. С/ С о 3 о со

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 6 Oi 9/12

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4367254/10 (22) 27.01.88 (46) 07.01.91. Бюл. N 1 (71) Центральный научно-исследовательский и опытно-конструкторский институт робототехники и технической кибернетики при Ленинградском политехническом институте им. M.È.Êàëèíèíý

{72) Л,В,Малейко, В.А.Маглыш, T.Á.Èáðàãèмов, В.С,Гутников и А.Л,Соловьев (53) 531.787 (088,8) (56) Авторское свидетельство СССР

N593674,,кл,,G 01 L9/12,,1974. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и позволяет повысить чувстьительность. Устройство содержит два емкостных преобразователя 3

„, Ы„„1б19881 Al и 4, два пьезоэлектрических преобразователя 6 и 7, прикрепленных к консольной балке

5, которая штоком 8 соединена с мембраной

2. При воздействии давления на мембрану 2 сигналы с преобразователей 3 и 4 поступают на вхо,;, схемы 14 преобразования. Сигналы с пьезоэлектрических преобразователей 6 и 7 подаются на вход генераторов 10 и 11, с выхода которых через смеситель и компаратор они поступа от на вход схемы 14. В схеме преобразования посредством двух переключателей, усилителя заряда, синхронного детектора, дискретного интегратора, компаратора и блока синхронизации происходит перемножение разностного сигнала пьезоэлектрических преобразователей и отношения емкостных преобразователей 4 и

3, что обеспечивает повышение чувствительности. 2 ил, 1619081

10

20

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике, в частности к датчикам давления с емкостными преобразователями.

Цель изобретения — повышение чувствительности, На фиг,1 представлена конструкция устройства; на фиг.2 — схема вторичного преобразователя устройства.

Устройство для измерения давления состоит из корпуса 1 (фиг.1), мембраны 2, герметично соединенных между собой. На зеркально-симметрично расположенных поверхностях мембраны 2 и корпуса 1 нанесены электропроводящие покрытия 3 и 4.

Покрытия 3 образуют конденсатор С>, а покрытия 4 — конденсатор С, В корпусе выполнена консольная гибкая балка 5, к которой прикреплены силочувствительные пьезорезонаторы 6 и 7. Свободный конец балки штоком 8 жестко прикреплен к мембране 2.

Внутренняя полость корпуса вакуумирована; Электрические выводы от емкостей

С, С, и пьезорезонаторов 6 и 7 подключены к гермовводам 9. Сигнал от пьезорезонатора 6 подается на вход генератора 10, а от пьезорезонатора 7 — на вход генератора 11.

Выходы генераторов 10 и 11 подключены к входам смесителя 12, выход которого подключен к входу компаратора 13. Общая обработка электрических сигналов производится схемой 14 преобразования, причем С подключен к входам 2 и 3 схемы

14 преобразования, С вЂ” к входам 1 и 2 схемы 14, а выход компаратора 13 — к, входу

4 схемы 14.

Общая обработка электрических сигналов производится устройством 14 преобразования (фиг.2). Измеряемый конденсатор датчика с емкостью С подключен к входам

2 и 3 устройства 14 преобразования, а конденсатор с образцовой емкостью датчика С вЂ” к входам 1 и 2 устройства 14 преобразования.

Выход компаратора 13 соединен с входом 4 схемы 14 преобразования. Выход устройства 14 преобразования является выходом уст ройства.

Устройство 14 преобразования представляет собой преобразователь емкости в частоту, который содержит источник 15 опорного напряжения, выход которого соединен с первым неподвижным контактом первого переключателя 16 и вторым неподвижным контактом второго переключателя

17, Второй неподвижный контакт первого

16 и первый неподвижный контакт второго

17 переключателей соединены с общей шиной, Подвижный контакт первого переключателя 16 является входом 3 устройства 14

55 преобразования, подвижный контакт второго переключателя 17 — входом 1 устройства

14 преобразования, Вход усилителя 18 заряда является входом 2 устройства 14 преобразования, Выход усилителя 18 заряда соединен с последовательно включенными синхронным детектором 19, дискретным интегратором 20, компаратором 21 и вторым входом блока 22 синхронизации. Первый вход блока 2 синхронизации является входом 4 устройства 14 преобразования, а первый выход блока 22 синхронизации соединен с входами управления синхронного детектора 19 и первого переключателя 16. Второй выход блока 22 синхронизации соединен с входом управления второго переключателя 17 и является выходом 5 устройства 14 преобразования.

Устройство работает следующим образом, В исходном состоянии при Р = 0 измерительная мембрана 2 находится в крайнем верхнем положении и в ненапряженном состоянии, балка 5 с резонаторами 6 и 7 также находится. в исходном состоянии. На выходе генератора 10 частота равна fop, на выходе генератора 11 — f

12 fxо = 10 20.

Схема преобразования 14 реализует сц функцию f = kp fx сэ

При подаче давления измерительная мембрана 2 прогибается, что приводит к уменьшению зазора а между электродами

4 конденсатора С и к увеличению значения этой емкости. Одновременно шток 8, перемещаясь вниз, изгибает консольную балку 5 на величину. равную прогибу мембраны 2. В пьезорезонаторе 6 возникают усилия растяжения, а в пьезорезонаторе 7 — усилие сжатия. Сигнал с выхода смесителя 12 через компаратор 13 подается на схему 14 преобразования.

Схема 14 преобразования работает в режиме управляемого делителя частоты. коэффициент деления которого определяется соотношением измеряемой С> и образцовой Сз емкостей.

На первый вход блока 22 синхронизации подается частота, величина которой пропорциональна измеряемому давлению.

Частота коммутации второго переключателя 17 является выходным сигналом устройства.

B процессе преобразования отношения емкостей в частоту первый переключатель

16 работает в течение всего цикла. При этом за каждый период дискретизации выходное

1619,081 напряжение интегратора 20 получает приращение ОоСиК. Переключатель 17 работает только при превышении выходным напряжением интегратора порогового уровня срабатывания компаратора 2 t. При этом приращения напряжения интегратора 20 составляют значение Оо (Си — C )K и при Сэ > Си имеют отрицательный знак. В установившемся режиме сумма зарядов, полученных интегратором 20 за время цикла преобразования

Тц» То, и, следовательно, изменение его выходного напряжения примерно равно нулю, т.е.

ОоСип1К ОоСэпгК = 0 (1) где п1, пг — соответственно числа срабатываний за время Тц переключателей 16 и 17 соответственно;

К вЂ” коэффициент передачи усилителя заряда и интегратора

С19.1

С18.1 Сго 1

Количества суммируемых зарядов или количество срабатываний п1 и пг можно выразить через частоты срабатываний переключателей 16 и 17 п =Тц1Х Кд, пг =-Тц т, (2)

kp=—

2 где fx — опорная частота, снимаемая с выхода смесителя первого преобразователя. блока 22 синхронизации;

f — среднее значение частоты срабатывания переключателя 17 за Тц.

С учетом соотношений (2) и равенства (1) можно получить функцию преобразования в следующем виде

Си

"2С7

Дискретный характер суммируемых зарядов является причиной приближенного выполнения равенства (1). При этом отличие от нуля суммы приращений выходного напряжения интегратора составляет значение

Л U = + ОоСиK UоСэК, (3) где знаки +. указывают на случайный характер данного отклонения.

С учетом формулы (3) функция ПЕ4 принимает вид

Си „ 1 „ С4

2 С7 Тц СэТц

С4 2Сэ 2

2СЭ 1 СиТц 1 Т„

Составляющая 1 Тц в уравнении (4) есть ни что иное как погрешность дискретности, Си а составляющая — . выражает увеличеС.-Тц

5 ние этой погрешност - при синхронизацли формирования зарядов и приращений выходного напряжения интегратора тактовой частотой. Максимальное значение погрешности дискретизации при Си = Сэ составляет

10 «-2!Тц. Физическое проявление втсрой составляющей погрешности заключается в неравномерности расстановки во времени выходных импульсов.

15 Формула изобретения

Устройство для измерения давления, содержащее герметичную . .амеру, образованную двумя диэлектричес ими элемента20 ми, имеющими стенки, являющиеся мембранами, воспринимающими давление, на которых друг против друга нанесены электроды двух емкостных преобразователей, причем электроды первого преобразо25 вателя размещены на центральных, а второго — на периферийных частях стенок, при этом электроды емкостных преобразователей подключены к входам вторичного преобразователя, выход которого является

30 выходом устройства, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения чувствительности, оно дополнительно снабжено двумя пьезоэлектрическими преобразователями, а вторичный преобразователь включает в

35 себя два генератора, смеситель, два компаратора, источник опорного напряжения, два переключателя, усилитель заряда, синхронный детектор, дискретный интегратор и блок синхронизации, при этом второй we40 мент, образующий герметичную камеру, выполнен в виде корпуса. в котором закреплены консольная балка с расположенными на ней двумя пьезоэлементами с возможностью их деформации с противопо45 ложными знаками при изгибе балки, причем свободный конец балки посредством штока соединен с центром стенки первого элемента камеры, при этом первый электрод первого емкостного преобразователя подключен к

50 входу первого переключателя, era второй электрод вместе с первым электродом второго преобразователя — r. входу усилителя заряда. а второй электрод второго преобразователя подключен к первому вхо55 ду второго переключателя, причем к вторым входам переключателей подсоединен источник опорного напряжения. а управляющие входы первого и второго переключателей соединены соответственно с первым и вторым

1619081

10.5

Составитель В,Ульянов

Техред М.Моргентал - Корректор Л..Бескид

Редактор В.Данко

Заказ 39 Тираж Подписное

ВНИИХИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Г1атент". r. Ужгород, ул.Гагарина, 101 выходами блока синхронизации, при этом выход усилителя заряда через синхронный детектор, управляющий вход которого соединен с первым выходом блока синхронизации, через дискретный интегратор и первый компаратор подключен к первому входу блока синхронизации, при этом электроды пьезоэлементов соединены с первыми и вторыми входами соответственно первого и второго генераторов, выходы которых через смеситель и второй компаратар подключе5 ны к второму входу блока синхранизаци, третий выход которого является выходомустройства,