Датчик давленя

 

Союз Советскик

Социалистическими

Республик

On ИСЛНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

11393.1© . (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 12.12.77(21) 2552706/18-10 с присоединением заявки РЙ (23) Приоритет

Опубликовано 25.01 80. Бюллетень йе3

Дата опубликовании описания 28.01.80

2 . Кл.

01 1 9/08

Йеударстлеллый комитет

СССР ао делам изобретений и лтлрыткй

ДК 531.787

088.8) В. И. Скрипник, EO. А. Скрипник и И. EO. Скрипник (72) Авторы изобретения

Киевский ордена Ленина политехнический институт им. 50-летия Великой Октябрьской социалистической революции и Киевский технологический институт легкой промышленности (71) Заявители (54) ДАТЧИК ЙАВЛЕНИ 1

Изобретение относится к области при боростроения, в частности, к датчикам давления.

Известны датчики давления, в которых выходной электрический сигнал с

5 помощью обратного преобразователя преобразуется в механическое усилие, компенсирующее входное давление (lj. Благодаря охвату датчика отрицательной обратной связью через высокостабильный

10 обратный преобразователь исключается влияние нестабильности параметров датчика и элементов измерительной схемы.

Недостатком таких устройств является трудность изготовления точного обрат!

5 ного преобразователя на широкий диапазон давлений, а также пониженное быстродействие из-за инерционности электромеханического обратного преобразователя.

Наиболее .близким по технической сущности и достигаемому эффекту является устройство, содержащее электрический датчик давления и высоковольтный ис2 точник калибровочных воздействий (2).

Датчик содержит упругий элемент из пьезоэлектрика, выполненный в виде пластины с двумя электродами и наклеенными тензорезисторами. Деформация пластины из пьезоэлектрика преобразуется в приращение сопротивления тензорезисторов, включенных в мостовую измерительную схему с источником питания, фильтром нижних частот, усилителем и регистратором.

Калибровочное воздействие, вызывающее деформацию TIBBcTBHhl из пьезоэлектрика, создается подачей импульсов напряжения на электроды пластины от высоковольтного источника. Измеряемое давление и калибровочное воздействие преобразуется затем в выходное напряжение мостовой измерительной схемы. По значению приращения выходного напряжения, соответствующего калибровочному импульсу, судят о чувствительности датчика. . Недостатком этого устройства является дополнительная погрешность от

71 температурной и временной нестабильности высоковольтного источника напряжения, а также влияние калибровочного воздействия на выходной сигнал измерительной схемы. Непостоянство высокого напряжения датчика не позволяет достаточно полно скомпенсировать в выходном электрическом напряжении датчика дополнительную составляющую от воздействия калибровочного сигнала. Кроме того, процесс калибровки проводится циклически, что не исключает погрешности от измерения чувствительности в периоды между калибровками.

Целью изобретения является повышегние точности датчиков для непрерывного контроля и регистрации давления.

Поставленная цель достигается тем, что в датчик давления, содержащий упругий элемент из пьезоэлектрической пластины с двумя эпектродами и наклеенными тензорезисторами, включенными в мостовую измерительную схему с источником питания, выход которой через фильтр нижних частот соединен с входом дифференциального усилителя, выход которого подключен к регистратору, и высоковольтный источник напряжения, соединенный через ключ с электродами пьезоэлектрической пластины, введены последовательно включенные фильтр верхних частот, фазочувствительный выпрямитель и второй дифференциальный усилитель, инвертирующий вход которого через делитель напряжения соединен с высоковольтным источником напряжения, а выход соединен с управляющим входом регулируемого резистора, включенного в диагональ питания моста, и мультивибратор, выход; которого соединен с управляющими входами ключа и фазочувствительного выпрямителя, выход которого подключен к инвертирующему входу первого и входу второго дифференциальных усилителей.

На чертеже представлена структурная схема предлагаемого устройства стабилизации чувствительности электрических датчиков давления.

Упругий элемент датчика выполнен из пьезоэлектрической пластины 1, на которую наклеены тензорезисторы 2. Пьезоэлектрическая пластина 1 охвачена электродами 3, соединенными с источником высоковольтного напряжения 4 через ключ 5, цепь управления которого подключена к мультивибратору 6. Тенчорезисторы 2 включены в мостовую

1393

4 измерительную схему 7, снабженну1о ис точником питания 8 с регулируемым сопротивлением,9 в диагонали питания моста.

К Выходной диагонали мОста пОдключены фильтр нижних частот 10 фильтр верхних частот 11. Выход фильтра нижних частот 10 соединен с входом дифференциального усилителя 12, на выходе

1О которого включен регистратор 13.

Выход фильтра верхних частот 11 подключен к фазочувствительному выпрямителю 14, управляющим входом подключенного к мультивибратору 6. Выход

>5 фазочувствительного выпрямителя 14 соединен с инвертируюшим входом дифференциального усилителя 12 и входом второго дифференциального усилителя 15, вы- . ход которого подключен к управляющему

20 входу регулируемого резистора 9, включенного в .диагональ источника питания моста 8. Инвертируюший вход дифференциального усилителя 15 подсоединен через делитель напряжения 16 к высоковольтному источнику напряжения 4.

Устройство работает следующим образом. Под действием давления Р< пьезоэлектрическая пластина 1 с наклеен30 ными тензорезисторами 2 деформируется.

При подаче напряжения на электроды 3 от высоковольтного источника 4 возникают дополнительные деформации (обратный пьезоэффект), пропорциональные приложенному напряжению. При разомкну35 том ключе 5, управляемом мультивибратором 6, дополнительные деформации отсутствуютют.

Выходное напряжение мостовой схемы

7 с тензорезисторами 2, включенными в плечи моста, в этом случае будет определяться только измеряемым давлением Рх

45 где К, — коэффициент, учитывающий упругие свойства пьезоэлектрической пластины 1; †. крутизна преобразования Р в деформацию, определяемая

$0 геометрическими размерами пластины; — крутизна преобразования де2 формации пьезоэлектрической пластины в приращения сопротивлений тензорезисторов;

Sq — крутизна преобразования (чувствительность) мостовой измерительной схемы к при711З9З

Одновременно напряжение Ц4 поступает на вход второго дифференциального усилителя 15. На инвертируюший вход этого усилителя 15 через делитель напряжения 16 подано напряжение Ц от высоковольтного источника 4, т.е.

1 4 16 (7) где K„- коэффициент деления делителя напряжения 16.

Выходное напряжение IJ4 усилителя

15 воздействует на управляющий вход регулируемого резистора 9, включенного в диагональ питания моста 7, и направлении уменьшения разности входных напряжений усилителя 15.

Приравнивая напряжения О.ц, и U с учетом их значений (4) и (7), получаем

2 4О 1 257К21 К (8)

1Ь где К =К„„К„

Из соотношения (8) определяем значение произведения

1О 1 а K+K„< (9)

Подставляя произведение (9) в выражение (6), получим

1р (10) 35 р;»и >цш.> сонротивлеifwH тон;><>(>(. :цк торов; — ток питания мостовой схемы.

14ри замкнутом ключе 5, когда на электроды 3 пь< зоэлектрической пластины подано высокое напряжение U< от высоковольтного HGToчпика 4, Bbf&blBQK>шее дополнительную деформацию пластины, выходное напряжение моста становится равным

0 666 Х(КР к u) где К 2 — коэффициент, отражающий обратный пьезоэффект пластины.

При питании цепи управления ключа 5 15 периодическим напряжением частоты Q. от мультивибратора 6 выходное напряжение моста U будет пульсировать по прямоугольной огибающей.

Постоянная составляющая пульсирую- 2( щего напряжения выделяется фильтро.. нижних частот 10 и равна

> Ф Р) 1+(7

Р

1О 10 2 я. 1 1 и 1 х 24)

О

25 где К вЂ” коэффициент передачи фильт40 ра 10.

Частота Я. пульсирующего напряжения выделяется фильтром.

Переменная составляющая частот 11 выпрямляется фазочувствительным выпрямителем 14, управляемым мультивибратором 6.

Выпрямленное напряжение можно представить в виде

>I

07- 07

0Д-К К44 > - > k<S>TK2U< (

И ра 11

К вЂ” коэффициент выпрямления, выпрямителя 14.

В дифференциальном усилителе 12 из напряжения фильтра нижних частот 10 45 вычитается напряжение фазочувствительного выпрямителя 14. Усиленная разность напряжений, фиксируемая регистратором

13, равна

1о 1ф <>= z(u„-и (5)

=> > У> ЙБ > танкq >4(K< -> << < > J где К вЂ” коэффициент усиления усилителя 12.

Если выполнить условие К =К„К

<о И то выражение (5) примет вид

U =К К K

4Ъ 1 1О 42 1 2 7, (6) Таким образом, электрическое напряжение, фиксируемое регистратором 1 Э, связано с измеряемым давлением Р,( прямой зависимостью и не содержит составляющей пропорциональной калибрующим воздействиям.

Из выражения (10) также следует, что измерения крутизны преобразования элементов датчика (g 4, 5 g ), измерительного моста 7 (9-7 ) и непостоянство тока «J питания моста 7 не вызывают погрешности при регистрации Рк.

По сравнению с прототипом исключено влияние нестабильности напряжения О, высоковольтного источника питания 4 на чувствительность датчика давления, а также дрейф электрического нуля за счет полного подавления колебаний выходного напряжения от калибровочных импульсов.

Указанные преимушества позволяют осуществить непрерывную регистрацию давления контролируемой среды с повышенной точностью.

Формула изобретения

Датчик давления, содержащий упру>-ий элемент из пьезоэлектрической плас711393 точником напряжения, а выход соединен с управляющим входом регулирующего резистора, включенного в диагональ питания моста, причем вЫход мультивифа5 тора соединен с управляющими входами ключа и фазочувствительного выпрямитет- ля, выход которого подключен к инвертируюшему входу первого и входу второго дифференциальных усилителей. тины;с электродами и наклеенными тензорезисторами, включенными в мостовую измерительную схему с источником питания, выход которой через фильтр нижних частот соединен с входом дифференциального усилителя, выход которого подключен к регистратору, и высоковоль ный источник напряжения, соединенный через ключ с электродами пьезоэлектрической пластины, о т л и ч а ю ш и й- с я тем, что, с целью повышения точности измерения давления, в него введены мультивибратор и последовательно включенные фильтр верхних частот., фазочувствительный выпрямитель и второй дифференциальный усилитель, инвертируюший вход которого через делитель напряжения соединен с высоковольтным исИсточники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Под редакцией Е. Г. Шрамкова

Электрические измерения, Высшая школа", М., 1972, с. 433.. 2. Авторское свидетельство СССР № 323682, кл. Cj01 L 9/12, 1970 (прототип) .

ЦНИИЛИ Заказ 8998/28 Тираж 1019 Цодписное

Филиал ППП "Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4