Устройство для измерения давления

(ю5 6 01 1 9/08, 11/О ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИРИ ГКНТ СССР Ъ(71) Киевский технологический институт легкой промышленности и Киевский политехнический институт им. 50-летия Великой Октябрьской социалистической революции (72) Ю.А,Скрипник, В,А.Поддубный, В,И.Скрипник и В.И.Мондрус(56) ТИИЭР, 1976, т.64, М 5, с.226 - 228,Зарубежная электронная техника, 1985, М 19, с.3-16.Речицкий В.И. Акустоэлектронные радиокомпоненты. Схемы, топология, конструкция. - М.: Радио и связь, 1987. с.179, (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ(57) Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерителям давления на поверхностных акустических волнах (ПАВ), и позволяет повысить точность измерения за счет исключения аддитивной и мультипликативной составляющих погрешности преобразования давления в изменение частоты. Это достигается тем, что в устройство для измерения давления, содержащее звукопровод консольного типа с двумя линиями 3, 4 задержки на ПАВ, введены последовательно соединенные частотный детектор 9, усилитель 10 с регулируемым коэффициентом усиления, усилитель 11 низкой частоты и синхронный детектор 12, а также источник 16 опорного напряжения, дифференциальный усилитель 15, интегратор 17, генератор 18 низкой частоты и автоматический переключатель 7.Определенное включение этих блоков в схе му устройства позволяет регистрировать выходное напряжение, пропорциональное измеряемому давлению, не зависящее от начальной частоты эвтогенератора. 1 ил.ЬвИзобретение относится к измерению постоянного или медленно изменяющегося давления с помощью акустических средств и может быть использовано для контроля давления газообразных или жидких веществ в широком динамическом диапазоне.Известно устройство для измерения давления на поверхностных акустических волнах (ПАВ), содержащее воспринимающую мембрану, выполненную иэ пьезочувствительного материала (кварца, ниобитв лития и т.д.), в которой распространяются ПАВ со скоростью, зависящей от измеряемого давления.Известно устройство для измерения давления на ПАВ, содержащее приемный механический узел, редуцирующий измеряемое давление в линейное перемещение консоли, электроакустическая часть которой включена в цепь положительной обратной связи высокочастотного усилителя и измеритель частоты.Общим недостатком обоих типов устройств для измерения давления является невысокая точность, так как скорость распространения ПАВ зависит не только от деформации чувствительного элемента, которая пропорциональна измеряемому давлению, но и от температуры, изменяющей скорость распространения ПАВ в чувствительном элементе. Поэтому частота автогенератора, в цепь обратной связи которого включена линия задержки на ПАВ, размещенная на консоли или мембране, имеет большой температурный дрейф.Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для измерения давления, содержащее мембранную коробку, механически связанную со звукопроводом консольного типа, нэ противоположных сторонах которого размещены две линии задержки на поверхностных акустических волнах, входные и выходные злектроакустические преобразователи которых включены в цепь обратной связи. двух высокочастотных усилителей, смеситель, входы которого соединены с выходами усилителей, а выход через фильтр нижних частот соединен с частотомером.Недостатком известного устройства является также невысокая точность ввиду сильного влияния на результат измерения неравенства и нестабильностей начальных частот двух независимых автогенераторов. Частота каждого автогенератора даже при одинаковых линиях задержки определяется в значительной мере параметрами своего высокочастотного усилителя, его внутренними фазовыми сдвигами и величиной фазового шума. Неизбежный разброс параметров ак 5 1015 20 25 30 3540 45 50 ренциальный усилитель, интегратор;генератор низкой частоты и автоматический переключатель;один вход автоматического переключателя соединен с выходным преобразователем одной линии задержки, другой вход- с выходным преобразователем второй линии задержки, выход- с параллельносоединенными входными преобразователями линий55задержек и входом частотного детектора;выход усилителя с регулируемым коэффициентом усиления соединен с одним входом диффе рен циал ь ного усилителя, второй вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, выход дифферентивных элементов (транзисторов) и их временная и температурная нестабильность приводят к тому, что начальные частоты двух независимых автогенераторов неравны, в их дрейфы некоррелированы. В результате этого разностная частота двух автогенераторов отлична от нуля и изменяется случайным образом, что обуславливает аддитивную погрешность (погрешность нуля) измерителя давления.Зависимость относительных изменений частоты, как от приложенного давления, тэк и от абсолютного значения начальной частоты автогенератора, создает зависимость чувствительности измерителя от начальной частоты. Поскольку частота автогенератора непостоянна, то возникает мультипликэтивная погрешность (погрешность чувствительности) измерителя давления.Целью изобретения является повышение точности измерения за счет исключения аддитивной и мультипликативной составляющих погрешности преобразования давления в изменение частоты, вызываемых нестабильностью начальной частоты авто- генератора.Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения давления, содержащее мембранную коробку, механически связанную со звукопроводом консольноготипа, на противоположных сторонах которого размещены две линии задержки на поверхностных акустических волнах с входными ивыходными электроакустическими преобразователями высокочастотный усилитель, фильтр нижних частот и регистратор, введены:последовательно соединенные частотный детектор, усилитель с автоматически регулируемым коэффициентом усиления, усилитель низкой частоты и синхронный детектор;источник опорного напряжения, диффе 170399710 15 20 25 30 35 40 45 50 55 циального усилителя через интегратор соединен с управляющим входом усилителя с регулируемым коэффициентом усиления;выход синхронного детектора соединен через фильтр нижних частот с регистратором;управляющий вход синхронного детектора соединен с управляющим входом автоматического переключателя и выходом генератора низкой частоты На чертеже изображена блок-схема устройства для измерения давления.Устройство содержит мембранную коробку 1, звукопровод 2 консольного типа, две линии 3 и 4 задержки на поверхностных акустических волнах (ПАВ), размещенные на противоположных сторонах эвукопровода, входные преобразователи 5 и выходные преобразователи 6 линий задержек, автоматический переключатель 7, высокочастотный усилитель 8, частотный детектор 9, усилитель 10 с регулируемым коэффициентом усиления, усилитель 11 низкой частоты, синхронный детектоо 12, фильтр 13 нижних частот, регистратор 14, дифференциальный усилитель 15, источник 16 опорного напряжения, интегратор 17 и генератор 18 низкой частоты.Усилие, развиваемое мембранной коробкой 1, преобразуется в деформацию консольного эвукопровода 2, которая вызывает изменение скорости распространения ПАВ в линии 3 и 4 задержки, Входные преобразователи линий 5 задержек и их выходные преобразователи 6 через автоматический переключатель 7 включены в цепь обратной связи высокочастотного усилителя 8. К вы. ходу усилителя 8 подключены последовательно соединенные частотный детектор 9,усилитель 10 с регулируемым коэффициентом усиления, усилитель 11 низкой частоты, синхронный детектор 12, фильтр 13 нижних частот и регистратор 14. Выход усилителя 10 соединен с одним входом дифференциального усилителя 15, второй вход которого соединен с выходом источника 16 опорного напряжения, выход усилителя 10 через интегратор 18 соединен с управляющим входом регулируемого усилителя 10. Управляющий вход синхронного детектора 12 соединен с управляющим входом автоматического переключателя 7 и выходом генератора 18 низкой частоты.Устройство работает следующим обра. зом.Измеряемое давление Р вызывает прогиб воспринимающей мембраны коробки 1, которая посредством штока соединена со эвукопроводом 2 консольного типа с расположенными на нем линиями 3 и 4 задержки на ПАВ. Деформация эвукопровода вызывает изменение времени задержки ПАВ в линиях 3 и 4, которые поочередно с помощью автоматического переключателя 7 включаются в цепь обратной связи высокочастотного усилителя 8, образуя автогенератор ка ПАВ, При распространении ПАВ с фаэовой скоростью ч между электроакустическими преобразователями 5 и 6, расположенными на расстояниидруг от друга, возникает фазовый набегр =ит =2 и 1 Ыг (1) где ш- круговая частота автогенераторв;г, - время задержки (г Оч).Деформация звукопровода 2, выполняющего функцию чувствительного элемента (ЧЭ), в результате воздействия давления Р на мембранную коробку 1 приводит к изменению скорости распространения ПАВ Ьч и расстояния Ь . между электроакустическими преобразователями ЧЭ. Изменения фазы Ьо/р вызывают пропорциональные изменения частоты Ьв/йЬ, где аь - начальная частота автогенератора.Расстояния между входными и выходными преобразователями обеих линий ЧЭ выбираются равными, Поэтому сдвиг фазы сигнала в цепи автогенератора при переключении линий задержек в отсутствии давления не изменяется. При наличии давления, вызывающего деформацию ЧЭ, фазовый сдвиг одной линии задержки увеличивается, э другой уменьшается. В результате этого частота эвтогенераторв при двух положениях автоматического переключателя 7 изменяется с частотой коммутации, задаваемой колебаниями генератора 18.Относительное изменение частоты ввтогенератораЬи(Р,Т)/аъ =угу(Р)+у,Я, (2) где у и ут - деформационная и температурная чувствительность материала звуко- провода;е(Р) и е(Т) - относительные деформации ЧЭ под действием усилия Г, развиваемого мембранной коробкой и температуры Т. Начальная частота в эвтогенераторв определяется акустической длиной линии задержки , длиной поверхностной акустической волны , возбуждаемой в материале звукопровода, фазовыми набегами Ьуъ в переходных элементах цепи обратнной связи и самом усилителе, э также зависит от уровня фазовых шумов.Деформационная и температурная чувствительности имеют видк +.З р 1(4)2 чр 2где К - коэффициент физической нелинейности материала ЧЭ;ч, р, 4 - скорость распространения ПАВ, плотность и коэффициент Пуассона материала ЧЭ.Относительная линейная деформация поверхностного слоя ЧЭ в направлении распространения ПАВ определяется соотношениемЕ(Р) = + (21 - 211 - 1.), (5)ЗРЕ,Ьйгде Е - Кг Р - воздействующее усилие, пропорциональное измеряемому давлению Р,1, 11, 1, Ь и й - конструктивные параметры ЧЭ.Температурная деформация ЧЭ е(Т) = ат т, (6) где ат - коэффициент теплового расширения материала ЧЭ.При одном положении автоматического переключателя 7 в цепи автогенератора возбуждается частотао(Е,Т) = ОЬ + Ф ел м (Р) + уг е(1)ш, (7) а при другом положении переключателя са(р,т) = соь +( - уг кюа(Г) + ут е(Т)Ь(8) где индексы ЛЗ 1 и ЛЗ 2 относятся к линиям задержки, расположенным на противоположных поверхностях ЧЭ,В результате непрерывной работы переключателя 7 с низкой частотой Она частотный детектор 9 поочередно воздействуют радиоимпульсы с частотами заполнения со 1 и са . Выходные видеоимпульсы частотного детектора усиливаются усилителем 10 с регулируемым коэффициентом усиления и поступают нэ вход дифференциального усилителя 15, где они сравниваются с опорным напряжением источника 16.Амплитуды видеоимпульсов пропорциональны частотам заполнения соответствующих радиоимпульсов: О - К 1 80 п ас (Р,Т); (9)Ог- К 1 ЗО. са(Р,Т), (1 О) где Ов - амплитуда колебаний автогенератора;8 - крутизна преобразования частотного детектора 9;К 1 - коэффициент усиления регулируемого усилителя 10. Постоянная интегрирования т в интеграторе 17 выбирается в несколько раз больше периода коммутации автогенератора (т ) ) 2 л/И). В результате этого интегра тор 17 заряжается раэностным напряжени- ем 10гдв Кг - коэффициент усиления дифференциального усилителя 15;(01+ 02)/2 - постоянная составляющаявидеоимпульсов;15 Оо- опорное напряжение источника 16.Разностное напряжение Оз воздействует нэ управляющий вход регулируемого усилителя 10, изменяя его коэффициентусиления, Процесс автоматического регули рования коэффициента усиления заканчивается, когда заканчивается зарядинтегратора и устанавливается равенство Из равенства (12) с учетом значений напряжений 01 и 02 из выражений (9), (10) следует, что коэффициент усиления регули руемого усилителя 10 принимает значение Переменная составляющая видеоим- пульсов 40 (14)усиливается усилителем 11 низкой частоты и выпрямляется синхронным детектором 12. Выпрямленное напряжение сглаживается фильтром 13 нижних частот и регистриру ется выходным регистратором 14,Регистрируемое напряжение пропорционально переменной составляющей напряжения (14) и с учетом коэффициента усиления К 1 иэ (13) имеет вид50 05 = Кз + Оо, (15) где Кз- коэффициент пропорциональности, 55 определяемый коэффициентом усиленияусилителя 11.Подставляя значение частот автогенератора иэ выражений (7) и (8) в (15) и учитывая, что ез 1(Р ) = юг (Р ) получают05=КзОо. (16) 5 10 15 20 Относительные чзменения частоты автогенераторв от изменения температуры Т одного порядка с относительными изменениями частоты от развиваемого усилия Р, т,е. давления Р Уг е ( Е )ьУт е ( Т ), (17) но они многим меньше единицы Ут( Т )1, (1 8)С учетом неравенства (18) окончательно получают О 5 = Кзе ( КГ Р ) Оо. (19) Таким образом, регистрируемое напряжение пропорционально измеряемому давлению Р и не зависит от начальной частоты автогенератора аЬ, а следовательно, и от ее непостоянства, Кроме того, на регистрируемое напряжение не влияют нестабильности амплитуды Оо колебаний автогенератора, крутизны преобразования 3 частотного детектора, коэффициентов усиления К 1 и К 2 усилителей.Исключение влияния временной и температурной нестабильности начальной частоты автогенератора позволяет расширить динамический диапазон измерения давления в область малых давлений и снизить его пороговую чувствительность. Влияние кратковременной нестабильности частоты автогенератора устраняется выбором постоянной времени фильтра 13 нижних частот, которым сглаживается регистрируемое напряжение.В качестве чувствительного элемента частотного преобразователя давления используют пластину иэ кварца ЗТ-среза с размерами 30 х 5 х 0,5 мм, на противоположных сторонах которой выполнены линии задержки на ПАВ методом фотолитографии. Начальная частота автогенератора в зависимости от количества электродов и их расположения в зле ктроакустических преобразователях находится в пределах 78-82 МГц. Разработанные ЧЭ имеют линейную зависимость выходной частоты от приложенного давления в иследуемом диапазоне давлений (01,610 Па). При этом относительная деформация ЧЭ составляет (0.4,13/104), коэффициент деформационной чувствительности у - -0,938, темпера-,25 30 35 40 45 50 55 турной чувствительнос 1 и ут - 0,14, коэффи. циент физической нелинейности К - -1,91010 кг/м с, чувствительность преобразователя Яр - 314 Гц/КПа.Экспериментальные исследования предлагаемого устройства для измерения давления показывают, что по сравнению с известным оно обеспечивает более надежный контроль давления высокотемпературных расплавов полимера в технологическом оборудовании для получения окрашенных химических волокон. Пороговую чувствительность удалось снизить до 0,5 Пв при рашйрении динамического диапазона до 10 - 10, основная погрешность измерения5при этом составляет 0,3, а суммарная погрешность с учетом действия влияющих величин (температуры и т.п.) не превышает 1. Формула изобретения Устройство для измерения давления, содержащее мембранную коробку, механически связанную со звукопроводом в виде консольно-закрепленной пластины, на противоположных сторонах которой размещены две линии задержки на поверхностных акустических волнах с входными и выходными электроакустическими преобразователями, высокочастотный усилитель, фильтр нижних частот и регистратор, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью повышения точности, в него введены последовательно соединенные частотный детектор, усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, усилитель низкой частоты и синхронный детектор, а также источник опорного напряжения, дифференциальный усилитель, интегратор, генератор низкой частоты и автоматический переключатель, один вход которого соединен с выходным преобразователем одной линии задержки, другой вход - с выходным преобразователем второй линии задержки, при этом выход автоматического переключателя подключен к входу высокочастотного усилителя, выход которого соединен с параллельно соединенными входными преобразователями линий задержек и входом частотного детектора, причем выход усилителя с регулируемым коэффициентом усиления соединен с одним входом дифференциального усилителя, второй вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, а выход дифференциального усилителя через интегратор подключен к управляющему входу усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, выход синхронного детектора соединен через фильтр нижних частот с реги12 1703997 Составитель О,ПолевРедактор М.Бланар Техред М,Моргентал Корректор С.Черни Заказ 56 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Рвушская наб., 4/5 Производственно-издательскиЯ комбинат "Натент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101 стрвтором, при этом управляющий вход синхронного детектора соединен с управляющим еходом автоматического переключателя и выходом генератора низкоР чвсоты,