Устройство формирования выходного сигнала емкостного датчика давления

 

Использование: в измерительной технике вместе с емкостными датчиками для измерения статического и динамического давления жидких и газообразных сред. Сущность изобретения: устройство состоит из управляемого генератора 1 с регулируемой амплитудой, делителя 2 частоты, ограничителя 3 напряжения, первого, второго, третьего двухпозиционных коммутационных ключей 4, 5, 6, емкостного датчика 7 давления с измерительным, зависящим от давления конденсатором 8 и опорным, зависящим от температуры и других дестабилизирующих факторов конденсатором 9, эталонного конденсатора 10, операционного усилителя 11, синхронного детектора 12, блока 13 аддивной коррекции, блока 14 мультипликативной коррекции и интегрирующего сумматора 15. Цель изобретения - уменьшение температурной погрешности и расширение функциональных возможностей измерителя давления. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано вместе с емкостными датчиками для измерения статического и динамического давления жидких и газообразных сред.

Известно устройство формирования выходного сигнала емкостного датчика, содержащее задающий генератор, усилитель и две емкости датчика [1] Наиболее близким к изобретению является устройство, содержащее задающий генератор, усилитель, к входу и в цепь обратной связи которого подключены измерительный конденсатор датчика и эталонный конденсатор [2] Недостатком известных устройство является сравнительно большая температурная погрешность измерения давления, связанная с наличием нескомпенсированных аддитивной и мультипликативной составляющих погрешности датчика вследствие невозможности с помощью данных устройств проводить коррекцию температурной погрешности датчика.

Согласно изобретению в устройство формирования выходного сигнала емкостного датчика давления, содержащего генератор напряжения и усилитель, к входу и в цепь обратной связи которого подключены измерительный и эталонный конденсаторы датчика, дополнительно введены три двухпозиционных коммутационных ключа, блоки аддитивной и мультипликативной коррекции, синхронный детектор, делитель частоты, интегрирующий сумматор и ограничитель напряжения, а генератор выполнен в виде управляемого генератора с регулируемой амплитудой, причем выводы измерительного и эталонного конденсаторов датчика подключены соответственно к второму и первому выходу первого коммутационного ключа, соединенного входом с выходом усилителя и входом синхронного детектора, выход которого соединен с входом второго коммутационного ключа, первый выход которого подключен к входам блока мультипликативной коррекции и блока аддитивной коррекции, а выход блока мультипликативной коррекции подключен к управляющему входу генератора с регулируемой амплитудой, выход которого соединен с входом делителя частоты, входом ограничителя напряжения, опорным входом синхронного детектора и вторым входом третьего коммутационного ключа, соединенного по выходу с опорным конденсатором датчика, подключенным к входу усилителя, при этом выход ограничителя напряжения соединен с первым входом третьего коммутационного ключа, выход делителя частоты соединен с управляющими входами первого, второго и третьего коммутационных ключей, а выход интегрирующего сумматора является выходом устройства.

На чертеже изображено предлагаемое устройство.

Предлагаемое устройство состоит из управляемого генератора 1 с регулируемой амплитудой, делителя 2 частоты, ограничителя 3 напряжения, первого 4, второго 5 и третьего 6 двухпозиционных ключей (К1, К2, К3); емкостного датчика 7 давления с измерительным, зависящим от давления, конденсатором 8 (C_х) и опорным, зависящим от температуры и других дестабилизирующих факторов, конденсатором 9 (C_о); эталонного конденсатора 10 (C_э), операционного усилителя 11, синхронного детектора 12, блока 13 аддитивной коррекции, блока 14 мультипликатной коррекции, интегрирующего сумматора 15. Алгоритм работы задается делителем 2 частоты сигнала с управляемого генератора и определяется двумя равномерными по несколько периодов основной частоты сигнала генератора 1 тактами, во время которых электронные двухпозиционные коммутационные ключи К1, К2, К3 находятся в положении 1 или 2.

В первом такте при положении ключей в положении 1 напряжение U_CД1на выходе синхронного детектора 12, а следовательно, и на выходе 2 ключа К2 будет определяться при K_у_→ ∞ выражением U_СД1= U_o· · K_СД, (1) где K_у коэффициент усиления операционного усилителя; U_о напряжение на выходе ограничителя, U_o=const; стабильная величина, обеспечиваемая, например, с помощью простейшего ограничителя на стабилитронах; C_o величина емкости опорного конденсатора; C_э величина емкости эталонного конденсатора; K_СД коэффициент передачи синхронного детектора.

Во втором такте U_СД2= U_уг· · K_СД, (2) где U_уг напряжение на выходе с управляемого генератора с регулируемой амплитудой.

Как видно из выражения (2) выходное напряжение синхронного детектора во втором такте U_СД2 обратно пропорционально емкости измерительного конденсатора C_x датчика 7 давления и его можно использовать в качестве выходного сигнала устройства. Для осуществления коррекции температурной погрешности датчика в устройстве используется первый такт, когда получают напряжение U_СД1, прямо пропорциональное величине емкости опорного конденсатора C_o датчика, зависящей от температуры t датчика C_o=f(t).

Коррекция аддитивной составляющей погрешности датчика осуществляется путем алгебраического суммирования на входе интегрирующего сумматора 15 сигнала U_СД2, зависящего от измеряемого давления и температуры, и сигнала U_СД1, зависящего от температуры датчика и прошедшего через блок 13 аддитивной коррекции.

Блок 13 аддитивной коррекции представляет собой функциональный делитель напряжения в простейшем случае, при линейной зависимости C_oот температуры и линейной зависимости аддитивной составляющей погрешности датчика, это будет делитель напряжения из двух резисторов, а при нелинейной зависимости или C_o, или аддитивной составляющей температурной погрешности датчика это будет нелинейный функциональный преобразователь напряжения с нелинейной функцией преобразования.

То же самое представляет собой и блок 14 мультипликативной коррекции, выходное напряжение которого, зависящее от температуры датчика, изменяет амплитуду выходного напряжения U_уг управляемого генератора 1. Учитывая сказанное выше, можно записать среднее за два такта работы устройства напряжение U_вых на выходе интегрирующего сумматора 15, выполненного на базе интегрирующего операционного усилителя U_вых= (U_СД1·K_БА+V_СД2)·K_ис= U_o· ·K_СД·K_БА+U_уг· ·KK_ис, (3) где K_ис коэффициент передачи интегрирующего сумматора;
K_БА коэффициент передачи блока аддитивной коррекции.

Учитывая, что
U_уг U_угс (1 + U_СД1 ˙ K_БМ), (4) где U_угс начальное (стабильное U_угс= const,) значение амплитуды напряжения управляемого генератора;
K_БМ коэффициент передачи блока мультипликативной коррекции,
можно записать
U_вых= U_o· ·K_СД·K_БА·K_ис+U_угс(1+U_СД1·K_БМ)· ×
× K_СД·K_ис= U_o· ·K_СД·K_БА·K_ис+U1+U_o· ·K_СД·K ·K_СД× (5)
× K_ис.

Как видно из выражения (5) при C_o=f(t) можно осуществить раздельно коррекцию мультипликативной составляющей температурной погрешности датчика, путем регулировки коэффициента K_БМ, и коррекцию аддитивной составляющей погрешности датчика путем регулировки коэффициента K_БА.

Как показали проведенные испытания предлагаемого устройства при работе его с высокотемпературным емкостным датчиком в температурном диапазоне от 0 до 700^оС по сравнению с прототипом, получено снижение температурной погрешности измерения давления в 10 раз, что является технико-экономическим преимуществом изобретения.

Кроме того, преимуществом изобретения является возможность измерения по напряжению U_СД1 температуры среды, давление которой измеряется датчиком. Это существенно расширяет функциональные возможности датчика и позволяет вместо отдельных датчиков давления и температуры использовать один, содержащий измерительную и опорную емкости.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ВЫХОДНОГО СИГНАЛА ЕМКОСТНОГО ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ, содержащее генератор напряжения и усилитель, к входу и в цепь обратной связи которого подключены измерительный и эталонный конденсаторы датчика, отличающееся тем, что в него дополнительно введены три двухпозиционных коммутационных ключа, блоки аддитивной и мультипликативной коррекции, синхронный детектор, делитель частоты, интегрирующий сумматор и ограничитель напряжения, а генератор выполнен в виде управляемого генератора с регулируемой амплитудой, причем выводы измерительного и эталонного конденсаторов датчика подключены соответственно к второму и первому выходам первого коммутационного ключа, соединенного входом с выходом усилителя и входом синхронного детектора, выход которого соединен с входом второго коммутационного ключа, первый выход которого подключен к входам блока мультипликативной коррекции и блока аддитивной коррекции, а второй выход - к первому входу интегрирующего сумматора, второй вход которого соединен с выходом блока аддитивной коррекции, выход блока мультипликативной коррекции подключен к управляющему входу генератора с регулируемой амплитудой, выход которого соединен с входом делителя частоты, входом ограничителя напряжения, опорным входом синхронного детектора и вторым входом третьего коммутационного ключа, соединенного по выходу с опорным конденсатором датчика, подключенным к входу усилителя, при этом выход ограничителя напряжения соединен с первым входом третьего коммутацинного ключа, выход делителя частоты соединен с управляющими входами первого, второго и третьего коммутационных ключей, а выход интегрирующего сумматора является выходом устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1