Устройство для измерения давления

(19 51)5 6 01 1 9/04 ПИСАН ИЗОБ ЕТЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВ(54) УСТРОИСТВОЛЕНИЯ(57) Изобретение оной технике, а имтанционного измербыть использованос повышенной точразных сред в широ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(71) Научно-исследовательский институт физических измерений(56) Авторское свидетельство СССРМ 1515081, кл. 6 01 3 9/04, 1987.Авторское свидетельство СССРМ. 1663460, кл, 6 011 9/04, 1989. тносится к измерительнно к устройствам дисения давления, и может для измерения давления остью жидких и газообком диапазоне темпераИзобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам дистанционного измерения давления, и может быть использовано для измерения давления жидких и газообразных сред в широком диапазоне температур.Известно устройство для измерения давления, включающее датчик давления, содержащий корпус, мембрану, соединенную со стержневым упругим элементом, на противоположных плоских гранях которого сформированы первая и вторая мостовые измерительные цепи, причем каждая цепь содержит по одному терморезистору в форме меандра, при этом входы мостовых це, 1744533 А 1 тур. Устройство для измерения давления включает датчик давления, содержащий корпус, мембрану, на которой сформированы мостовая иэмерительная цепь из тензорезисторов и два терморезистора. Компенсация изменений сопротивлений терморезисторов от давления обусловлена тем, что в зоне между окружностями с радиусом г до 0,6 г радиально расположенный терморезистор воспринимает сжимающие деформации, а окружной - растягивающие. В управляемом делителе формируется корректирующий сигнал, предназначенный для компенсации ухода начального уровня основного сигнала от температуры. Корректирующий сигнал с управляемого делителя регулирует напряжение питания первой мостовой измерительной схемы таким образом, что чувствительность датчика к измеряемому давлению остается неизменной во всем температурном диапазоне. 2 ил. пей подключены к источнику питания, а выходы - к входам идентичных усилителей, выходы которых соединены с входами сумматора, выход которого подключен к измерительному прибору.Недостатком данного устройства является невысокая точность измерения, обусловленная неполной температурной компенсацией, особенно в широком температурном диапазоне, Это связано с нелинейной температурной зависимостью терморезисторов, в результате чего температурную погрешность удается компенсировать на определенном узком участке, в то время как на других участках, наоборот.40 45 50 происходит иногда увеличение температурной погрешности. Кроме того, недостаточная точность измерения обусловлена также требованием формирования терморезистора из материала, отличающегося от матеоиалов тензорезисторов и контактных площадок.Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является датчик давления, содержащий корпус с закреп- ленной в нем мембраной. на которой сформированы тензорезисторы, соединенные в два измерительных моста, причем тензорезисторы одного моста расположены попарно симметрично с тензорезисторами другого моста относительно центра мембраны, температурные коэффициенты сопротивления и тензочувствительности тензорезисторов одного моста на порядок больше соответствующих коэффициентов тензорезисторов другого моста, коэффициенты тензочувствительности резисторов обоих мостов имеют один и тот же порядок.Недостатком известного датчика является то, что в широком температурном диапазоне функции изменения выходных сигналов от температуры обоих мостов имеют нелинейный характер и обычным сложением или вычитанием этих двух сигналов точность коррекции температурной погрешности не обеспечивается. Кроме того, формирование топологии из двух тензоматериалов приводит к различной временной стабильности тензорезисторов одного моста по сравнению с тензорезисторами другого из-за неодинаковой структуры тензорезисторов, в результате чего точность измерения снижается. Цель изобретения - повышение точности измерения за счет уменьшения температурной погрешности,Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения давления,включающее датчик давления, содержащий корпус с закрепленной в нем мембраной, на которой сформированы контактные площадки и четыре тензорезистора, соединенные в первую мостовую измерительную схему, а также включающее первый, второй, третий и четвертый резисторы, соединенные во вторую мостовую схему, причем первый и второй из них сформированы на мембране и включены в противоположные плечи второй мостовой схемы, источник питания, регистрирующий прибор, первый и второй усилители, сумматор, выход которого соединен с регистрирующим прибором, при этом выход первой мостовой измерительной схемы соединен с входом первого 5 10 15 20 25 30 35 усилителя, соединенного своим выходом с первым входом сумматора, выход второй мостовой схемы подключен к входу второго усилителя, а вход - к источнику питания, введены блок компараторов, первый и второй управляемые делители и регулятор напряжения, при этом первый и второй резисторы второй мостовой схемы выполнены из того же материала, что и контактные площадки, в виде терморезисторов в форме меандров, длинные стороны меандра первого резистора расположены по радиусам мембраны, а короткие - соответственно одни по окружности радиусом г мембраны, а другие по окружности радиусом 0,6 г, длинные стороны меандра второго резистора расположены по окружностям мембраны, а короткие - по радиусам мембраны, при этом выход второго усилителя подключен к входу блока компараторов, выходы которого соединены соответственно с входами первого и второго управляемых делителей, выход первого из которых подключен к второму входу сумматора, а выход второго - к первому входу регулятора напряжения, второй вход которого подсоединен к источнику питания, а выход - к входу первой мостовой измерительной схемы,На фиг.1 показаны конструкция датчика давления и размещение тензорезисторов и терморезисторов на мембране (топология); на фиг,2 - структурная схема устройства,Устройство включает датчик 1 давления (фиг.1) и измерительный блок 2 (фиг.2). Датчик давления содержит мембрану 3, выполненную за одно целое с опорным основанием 4. На мембране сформированы мостовая измерительная цепь из тензорезисторов 5 - 8 и два терморезистора 9 и 10. Терморезисторы выполнены в форме меандров и расположены между окружностями с радиусами г и 0,6 г, причем длинные стороны меандра первого резистора расположены по радиусам мембраны, а длинные стороны меандра второго резистора - по окружностям мембраны. Терморезисторы 9 и 10 включены в противоположные плечи дополнительной мостовой схемы, два других плеча которой образованы резисторами 16 и 17, расположенными в измерительном блоке. Контактные площадки 11 служат для подключения измерительного моста и терморезисторов и к измерительному блоку, Измерительная схема защищена от влияния окружностей среды корпусом 12. К входной диагонали мостовой измерительной цепи через регулирующий элемент 22 подводится напряжение Опит источника питания. К входной диагонали дополнительной мостовой схемы также поводится напряжение Оп источника питания, Выход мостовой измерительной цепи из тензорезисторов 5 - 8 соединен с входом усилителя 13, Выход усилителя 13 соединен с входом сумматора 14, выход некоторого подключен к измерительному прибору 15. Выход дополнительной мостовой схемы соединен с входом усилителя 18, выход которого подключен к входу блока 19 компараторов, выходы которого соединены с входами управляемых делителей 20 и 21, выход управляемого делителя 20 соединен с входом сумматора 14, а выход управляемого делителя 21 - с регулирующим элементом 22,Устройство работает следующим образом,При подаче измеряемого давления на мембрану 3 последняя прогибается. Тензорезисторы 5 - 8 испытывают деформацию. Вследствие этого на выходе мостовой измерительной цепи появляется сигнал, пропорциональный измеряемому давлению, который усиливается усилителем 13 и через сумматор 14 поступает на измерительный прибор 15,В общем виде выходной сигнал определяется. выражениемОо н = тОп ЛВ(Р), (1) где Оп - напряжение питания;1 т - коэффициент тензочувствительности;Л В(Р) - относительное изменение сопротивления измерительного моста от давления,Изменение температурных условий работы датчика вызывает изменение его выходного сигнала, и выражение (1) приобретает следующий вид:Ооон = Ц(тОп(ЬВ(Р)+ ЛВ(т, (2) где К - коэффициент термопреобразования измерительного моста;Л В(1) - относительное изменение сопротивления измерительного моста от температуры.Изменение температуры вызывает также изменение сопротивления терморезисторов 9 и 10, в результате чего на выходе дополнительной мостовой схемы появляется сигнал, пропорциональный изменению температуры на мембране и имеющий в общем виде следующий вид:Окор = К 1 ОпЛ В (1), (3) где К.т - коэффициент термопреобразования дополнительного моста;Ь В(т) - относительное изменение сопротивления дополнительного моста от температуры,Выходной сигнал дополнительной мостовой схемы не зависит от измеряемого дав 55 датчика к измеряемому давлению остается неизменной во всем температурном диапазоне.Функциональная зависимость выходного сигнала в общем виде с учетом коррекции в каждом интервале температуры приобретает следующий вид; ления, поскольку терморезисторы включены в противоположные плечи и размещены на мембране так, что первый терморезистор воспринимает сжимающие деформации от 5 давления, а второй - растягивающие.Функции изменения выходных сигналов измерительной и дополнительной мостовых схем от температуры имеют нелинейный характер в широком темпера турном диапазоне, что не позволяет осуществлять коррекцию температурной погрешности с достаточной точностью во всем диапазоне температур простым алгебраическим сложением основного и термоза висимого сигналов. Поэтому усиленныйусилителем 18 термозависимый сигнал подается на вход блока 19 компараторов, где происходит деление его на отдельные участки, имеющие достаточно линейный харак тер, в зависимости от интервала изменениятемпературы с последующим формированием корректирующего термозависимого сигнала в управляемых делителях 20 и 21, Блок компараторов и управляемые делители на страивают так, чтобы величина и наклонкаждого участка корректирующего сигнала обеспечивали коррекцию температурной погрешности соответствующего участка основного сигнала.30 В управляемом делителе 20 формируется корректирующий сигнал, предназначенный для компенсации ухода начального уровня основного сигнала от температуры и имеющий вид35 О кор= Оп 1 - Ь В(тН, (4)В управляемом делителе 21 формируется корректирующий сигнал, предназначенный для компенсации изменения чувствительности от температуры:40 ОпО корф (5)ктКорректирующий сигнал с выхода управляемого делителя 20 поступает на второй вход сумматора 14, где алгебраически 45 складывается с выходным сигналом измерительного моста и обеспечивает коррекцию начального уровня выходного сигнала, Корректирующий сигнал с управляемого делителя 21, воздействуя на эле мент 22, регулирует напряжение питаниямостовой измерительной цепи из тензорезисторов 5 - 8 так, что чувствительность(6) 5 где Овых - выходной сигнал, поступающий на измерительный прибор 15.Таким образом, выходной сигнал устройства зависит только от измеряемого давления, а изменение температуры, даже в 10 широком диапазоне, практически не влияет на выходную характеристику, причем аддитивнзя составляющая температурной погрешности компенсируется в сумматоре 14 термозависимым сигналом, снятым с допол нительной мостовой схемы и преобразованным до необходимой величины усилителем 18, блоком 19 компараторов, управляемым делителем 20, а мультипликативная составляющая - за счет регулирования напряже ния питания элементом 22, который управляется сигналом, вырабатываемым в блоке 19 компараторов и управляемом делителе 21.Использование предлагаемого устрой ства для измерения давления в диапазоне температур от -200 до+300 С позволит повысить точность измерения примерно на порядок за счет уменьшения температурной погрешности. 30 Формула изобретенияУстройство для измерения давления, включающее датчик давления, содержащий корпус с закрепленной в нем мембраной, на 35 которой сформированы контактные площадки и четыре тензорезистора, соединенные в первую мостовую измерительную схему, а также включающее первый, второй, третий и четвертый резисторы, соединен ные во вторую мостовую схему, причем первый и второй из них сформированы на мембране и включены в противоположные плечи второй мостовой схемы, источник питания, регистрирующий прибор, первый и второй усилители, сумматор, выход которого соединен регистрирующим прибором, при этом выход первой мостовой измерительной схемы соединен с входом первого усилителя, соединенного своим выходом с первым входом сумматора, выход второй мостовой схемы подключен к входу второго усилителя, а вход- к источнику питания, о тл ича ющеесятем,что,сцельюповышения точности за счет уменьшения температурной погрешности в него введены в блок компараторов, первый и второй управляемые делители и регулятор напряжения, при этом первый и второй резисторы второй мостовой схемы выполнены из того же материала, что и контактные площадки, в виде терморезисторов в форме меандров, длинные стороны меандра первого резистора расположены по радиусам мембраны, а короткие - соответственно одни по окружности радиусом г мембраны, а другие по окружности радиусом О,бг, длинные стороны меандра второго резистора расположены по окружностям мембраны, а короткие - по радиусам мембраны, при этом выход второго усилителя подключен к входу блока компараторов, выходы которого соединены соответственно с входами первого и второго управляемых делителей, выход первого из которых подключен к второму входу сумматора, а выход второго - к первому входу регулятора напряжения, второй вход которого подсоединен к источнику питания, а выход - к входу первой мостовой измерительной схемы,1744533 ректор М. Кучерявая едактор А, Ога Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгоро агарина, 101 Составитель А. Кузекма ехред М.Моргентал аказ 2190 Тираж ВНИИПИ Государственного комитета по изобрет 113035, Москва, Ж, РаушсПодписноеиям и открытиям при ГКНТ СССРя наб 4/5