преобразователь давления в электрический сигнал
Классы МПК: | G01L9/04 резисторных тензометров |
Автор(ы): | Бало А.Г., Грудцинов Г.М., Ессяк С.П., Осипова С.Г., Печерских А.П. |
Патентообладатель(и): | Предприятие по транспортировке и поставке газа "Уралтрансгаз" |
Приоритеты: |
подача заявки:
1995-06-27 публикация патента:
20.06.1997 |
Использование: для измерения давления. Сущность изобретения: устройство содержит тензорезистивный мост, сформированный на мембране датчик давления, дифференциальный усилитель, сдвоенный переключатель с тремя парами сигнальных выводов, резистивный делитель, блок ослабления напряжения, сумматор, операционный усилитель, усилитель-сумматор, формирователь опорного напряжения, процессорный блок и формирователь выходного электрического сигнала. Сигнальные выводы сдвоенного переключателя подключены к выходу операционного усилителя через усилитель-сумматор, резистивному делителю, тензорезистивному мосту и точке общего потенциала схемы. Средняя точка резистивного делителя связана с инвертирующим входом операционного усилителя. Выходы сдвоенного переключателя связаны с входом формирователя выходных сигналов через последовательно подключенные дифференциальный усилитель, сумматор и процессорный блок, связанный с сдвоенным переключателем. Формирователь опорного сигнала связан с процессорным блоком и через блок ослабления напряжения - с сумматором. Резистивный делитель подключен к усилителю-сумматору, блоку ослабления напряжения, формирователю опорного сигнала и тензорезистивному мосту. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2
Формула изобретения
1. Преобразователь давления в электрический сигнал, содержащий тензорезистивный мост, сформированный на мембране датчика давления, дифференциальный усилитель, сдвоенный переключатель, резистивный делитель, блок ослабления напряжений и сумматор, сигнальные выходы тензомоста подключены к второй паре входов сдвоенного переключателя, один из концов первой пары сигнальных входов которого соединен со средней точкой резистивного делителя, первый конец диагонали питания тензомоста соединен с первой крайней точкой резистивного делителя, выход дифференциального усилителя соединен с первым входом сумматора, отличающийся тем, что в него введены операционный усилитель, усилитель-сумматор, формирователь опорного напряжения, процессорный блок и формирователь выходного электрического сигнала, сдвоенный переключатель оснащен третьей парой сигнальных входов, один из которых соединен с точкой общего потенциала схемы, а другой с выходом усилителя-сумматора, первый вход которого соединен с выходом операционного усилителя и с вторым концом диагонали питания тензомоста, первый конец которого соединен также со свободным концом первой пары сигнальных входов сдвоенного переключателя, два выхода которого соединены с входами дифференциального усилителя, инвертирующий вход операционного усилителя подключен к средней точке резистивного делителя, а его неинвертирующий вход соединен с точкой общего потенциала схемы, вторая крайняя точка резистивного делителя подключена к соединенным вместе второму входу усилителя-сумматора, входу блока ослабления напряжения и выходу формирователя опорного напряжения, вход последнего подключен к третьему управляющему выходу процессорного блока, первый и второй управляющие выходы которого соединены с управляющими входами сдвоенного переключателя, выход блока ослабления напряжения соединен с вторым входом сумматора, выход которого подключен к входу процессорного блока, информационные выходы которого соединены c входами формирователя выходного электрического сигнала, при этом выход последнего является выходом преобразователя. 2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что в нем формирователь выходного электрического сигнала выполнен в виде управляемого делителя частоты тактового сигнала процессорного блока.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в устройствах для измерения давления, например в газопроводах. Оно также может быть использовано в устройствах, использующих в качестве чувствительного элемента тензопреобразователи, к которым предъявляются высокие требования по точности преобразования в широком диапазоне воздействующих факторов, таких как изменение окружающей температуры и напряжения источника питания. Известны датчики давления [2] в которых в качестве чувствительного элемента используются тензопреобразователи, выполненные в виде моста из четырех тензорезисторов, которые сформированы на деформируемой мембране. Основными недостатками, свойственными такому типу датчиков, являются температурная зависимость коэффициента тензочувствительности и начального разбаланса тензомоста, а также влияние дестабилизирующих факторов (изменение окружающей температуры, напряжения источника питания) на схему вторичной обработки выходного сигнала тензомоста. Известны датчики давления, в которых компенсация температурной зависимости тензочувствительности осуществляется с помощью термокомпенсирующих схем, в которых используются термозависимые элементы (прямосмещенные p-n- переходы, терморезисторы и т. д.) [2, 3] Общим недостатком датчиков с термокомпенсирующими схемами является то, что они исключают (или снижают) только мультипликативную составляющую температурной погрешности (т.е. температурную зависимость тензочувствительности). При этом аддитивная составляющая, связанная с температурной зависимостью начального разбаланса, возрастает пропорционально величине начального разбаланса тензомоста. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому преобразователю является выбранный в качестве прототипа преобразователь давления в электрический сигнал [1] содержащий тензорезистивный мост, сформированный на мембране датчика давления, температура которой стабилизируется схемой термостатирования. Сигнал, пропорциональный температуре мембраны, снимается с диагонали мостовой схемы, в которой в качестве чувствительного элемента температуры используется сам тензомост, усиливается усилителем и поступает на нагреватель. Информативное (рабочее) напряжение, пропорциональное измеряемому давлению, снимается с выходной диагонали тензомоста и наряду с масштабирующим напряжением (напряжением мультипликативной коррекции), формируемым резистивным делителем, поступает на сигнальные входы переключателя, который последовательно во времени подключает эти напряжения через модулятор к входам дифференциального усилителя. Усиленные переменные составляющие этих напряжений поступают на первый вход сумматора, на второй вход которого подается переменное напряжение с выхода блока ослабления для компенсации начального разбаланса тензомоста. Выходным информационным параметром преобразователя-прототипа является отношение переменных составляющих информативного и масштабирующего напряжений. Достоинством преобразователя-прототипа является возможность снижения как мультипликативной, так и аддитивной составляющих погрешности преобразования давления за счет стабилизации температуры тензопреобразователя. Температура мембраны обычно стабилизируется на уровне, превышающем на несколько градусов максимальную рабочую температуру окружающей среды и требует определенных затрат мощности источника питания преобразователя. Причем мощность, требуемая для стабилизации температуры мембраны, возрастает при увеличении диапазона температур окружающей среды, массы мембраны, а также при уменьшении теплового сопротивления между мембраной и корпусом датчика. В некоторых случаях это может привести к практической невозможности реализации технического решения, предложенного в устройстве-прототипе, например, в массивных датчиках избыточного давления, разности давлений, применяемых в газопроводах. Кроме того, при увеличении разности температур мембраны и окружающей среды возникают погрешности преобразования давления, связанные с возрастанием градиента температурного поля мембраны. К дополнительным погрешностям преобразования давления приводит также воздействие изменения окружающей температуры на элементы схемы термостатирования и вторичной обработки сигнала тензомоста. Целью изобретения является повышение точности преобразования давления в широком диапазоне температур окружающей среды, уменьшение мощности, потребляемой преобразователем от источника питания, а также расширение его области применения. Для достижения указанной цели в преобразователь давления, содержащий тензорезистивный мост, сформированный на мембране датчика давления, дифференциальный усилитель, сдвоенный переключатель, резистивный делитель, блок ослабления напряжения и сумматор, сигнальные выходы тензомоста подключены к второй паре входов сдвоенного переключателя, один из концов первой пары сигнальных входов которого соединен со средней точкой резистивного делителя, первый конец диагонали питания тензомоста соединен с первой крайней точкой резистивного делителя, выход дифференциального усилителя соединен с первым входом сумматора, дополнительно введены операционный усилитель, усилитель-сумматор, формирователь опорного напряжения, процессорный блок и формирователь выходного электрического сигнала, сдвоенный переключатель оснащен третьей парой сигнальных входов, один из которых соединен с точкой общего потенциала схемы, а другой с выходом усилителя-сумматора, первый вход которого соединен с выходом операционного усилителя и с вторым концом диагонали питания тензомоста, первый конец которой соединен также со свободным концом первой пары сигнальных входов сдвоенного переключателя, два выхода которого соединены с входами дифференциального усилителя, инвертирующий вход операционного усилителя подключен к средней точке резистивного делителя, а его неинвертирующий вход соединен с точкой общего потенциала схемы, вторая крайняя точка резистивного делителя подключена к соединенным вместе второму входу усилителя-сумматора, входу блока ослабления напряжения и выходу формирователя опорного напряжения, выход последнего подключен к третьему управляющему выходу процессорного блока, первый и второй управляющие выходы которого соединены с управляющими входами сдвоенного переключателя, выход блока ослабления напряжения соединен с вторым входом сумматора, выход которого подключен к входу процессорного блока, информационные выходы которого соединены с входами формирователя выходного электрического сигнала, при этом выход последнего является выходом преобразователя. На фиг. 1 приведена структурная схема заявляемого преобразователя. Он содержит тензорезистивный мост 2; резистивный делитель 1, с одного плеча которого (резистор R1) снимается напряжение мультипликативной коррекции, а резистор R2, образующий второе плечо делителя, задает величину тока, протекающего через тензомост; операционный усилитель 3; усилитель-сумматор 4, предназначенный для формирования сигнала, пропорционального температуре тензомоста; трехвходовый сдвоенный переключатель 5; дифференциальный усилитель 6; блок ослабления напряжения 7; сумматор 8; формирователь опорного напряжения 10; процессорный блок 9 и формирователь выходного сигнала 11. В качестве переключателя 5 может быть использована микросхема К561КП1 - сдвоенный четырехканальный мультиплексор. Формирователь опорного напряжения 10 формирует на своем выходе знакопеременное относительно общего потенциала опорное напряжение (![преобразователь давления в электрический сигнал, патент № 2082129](/images/patents/390/2082062/177.gif)
![преобразователь давления в электрический сигнал, патент № 2082129](/images/patents/390/2082062/177.gif)
![преобразователь давления в электрический сигнал, патент № 2082129](/images/patents/390/2082129/2082129-2t.gif)
Рабочее напряжение, величина которого связана с измеряемым давлением, формируется на сигнальной диагонали тензомоста. Составляющие этого напряжения равны
![преобразователь давления в электрический сигнал, патент № 2082129](/images/patents/390/2082129/2082129-3t.gif)
где
Rтм(t) сопротивление тензомоста;
![преобразователь давления в электрический сигнал, патент № 2082129](/images/patents/390/2082020/949.gif)
![преобразователь давления в электрический сигнал, патент № 2082129](/images/patents/390/2082020/949.gif)
t температура тензомоста. Напряжение мультипликативной коррекции формируется на резисторе R1. Составляющие этого напряжения равны
![преобразователь давления в электрический сигнал, патент № 2082129](/images/patents/390/2082129/2082129-4t.gif)
![преобразователь давления в электрический сигнал, патент № 2082129](/images/patents/390/2082129/2082129-5t.gif)
Напряжение температурной коррекции формируется на выходе усилителя-сумматора 4, на первый вход которого подается напряжение с выхода операционного усилителя 3, пропорциональное температуре тензомоста, а на второй вход опорное напряжение. Составляющие напряжения температурной коррекции равны.
![преобразователь давления в электрический сигнал, патент № 2082129](/images/patents/390/2082129/2082129-6t.gif)
![преобразователь давления в электрический сигнал, патент № 2082129](/images/patents/390/2082129/2082129-7t.gif)
где
kc1 и kc2 коэффициенты передачи усилителя-сумматора по первому и второму входам соответственно. Напряжение Up, Uмк и Uтк через сдвоенный переключатель 5 последовательно подаются на входы дифференциального усилителя 6, а с его выхода на первый вход сумматора 8. На второй вход сумматора поступает ослабленное в kw раз опорное напряжение Uo. Управление переключателем 5 осуществляется управляющими сигналами с выходов процессорного блока. Напряжения на выходе сумматора при положительной полярности опорного напряжения будут равны
![преобразователь давления в электрический сигнал, патент № 2082129](/images/patents/390/2082129/2082129-8t.gif)
где
Ku коэффициент усиления дифференциального усилителя;
kw коэффициент передачи блока ослабления напряжения;
Uсм напряжение смещения дифференциального усилителя. При отрицательной полярности опорного напряжения составляющие U(p-)(
![преобразователь давления в электрический сигнал, патент № 2082129](/images/patents/390/2082003/931.gif)
![преобразователь давления в электрический сигнал, патент № 2082129](/images/patents/390/2082003/931.gif)
![преобразователь давления в электрический сигнал, патент № 2082129](/images/patents/390/2082003/931.gif)
![преобразователь давления в электрический сигнал, патент № 2082129](/images/patents/390/2082129/2082129-9t.gif)
Величина напряжения мультипликативной коррекции устанавливается путем подбора сопротивления резистора R1 примерно равной максимальной величине рабочего напряжения (при максимальном измеряемом давлении):
![преобразователь давления в электрический сигнал, патент № 2082129](/images/patents/390/2082129/2082129-10t.gif)
Напряжение температурной коррекции устанавливается путем соответствующего выбора коэффициентов передачи усилителя-сумматора (kc1 и kc2) таким образом, чтобы его изменение в диапазоне окружающей температуры от tmin до tmax происходило в пределах от
![преобразователь давления в электрический сигнал, патент № 2082129](/images/patents/390/2082129/2082129-11t.gif)
![преобразователь давления в электрический сигнал, патент № 2082129](/images/patents/390/2082129/2082129-12t.gif)
![преобразователь давления в электрический сигнал, патент № 2082129](/images/patents/390/2082129/2082129-13t.gif)
Как видно из формул (8), (9) и (10), при расчете информационных параметров Yp и Yт исключается зависимость последних как от опорного напряжения, так и от напряжения смещения дифференциального усилителя. При этом практически исключается необходимость стабилизации опорного напряжения и напряжения смещения в условиях эксплуатации преобразователя. Измеряемое давление (p) рассчитывается процессорным блоком по следующим аппроксимирующим формулам:
p=E(Yт)+L(Yт)
![преобразователь давления в электрический сигнал, патент № 2082129](/images/patents/390/2082025/183.gif)
![преобразователь давления в электрический сигнал, патент № 2082129](/images/patents/390/2082025/183.gif)
где
E(Yт), L(Yт), F(Yт) параметры, рассчитываемые по значениям Yт следующим образом:
![преобразователь давления в электрический сигнал, патент № 2082129](/images/patents/390/2082129/2082129-14t.gif)
где
J, E01, E02, E11, E12, E21, E22, E23, E32, L01, L02, L11, L12, L21, L22, L31, L32, F01, F02, F11, F12, F21, F22, F31, F32 постоянные коэффициенты, которые определяются при градуировке конкретного образца преобразователя при нескольких фиксированных значения температуры окружающей среды и заносятся в память процессорного блока. По полученным значениям измеряемого давления процессорным блоком рассчитывается величина выходного электрического параметра преобразователя (Nx) по формуле:
![преобразователь давления в электрический сигнал, патент № 2082129](/images/patents/390/2082129/2082129-15t.gif)
где
Nmxin минимальное значение выходного электрического сигнала;
![преобразователь давления в электрический сигнал, патент № 2082129](/images/patents/390/2082001/916.gif)
P измеряемое давление;
Pmin минимальное измеряемое давление;
![преобразователь давления в электрический сигнал, патент № 2082129](/images/patents/390/2082001/916.gif)
Класс G01L9/04 резисторных тензометров