Устройство для измерения давлений

(я)5 0 0 ЗОБРЕТЕНИ ПИСАН АВТОРСКОМУ ИДЕТЕЛ ЬСТВ кам давления со струнными резонаторами, Цель изобретения - повышение точности путем уменьшения температурной погрешности. Цель достигается за счет того, что датчик содержит мембрану с утолщенным периферийным участком и с установленными на ней основными и дополнительными стойками, в которых закреплены опорная и измерительная струны, четыре терморезистора, расположенные на боковых планарных поверхностях стоек, включенные попарно для каждой струны в противоположные плечи мостовой схемы, которая с дополнительным генератором и формирователем временных импуль - сов образует термокомпенсационную цепь. 3 ил. ьский институт фиусских и Н.Г,Жегаатчиков для измерееличин./ Под ред. с.318.льство СССР 1/00, 1990.ИЗМЕРЕНИЯ ДАВосится к измерител ти к частотным датч Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения давления со струнными резонаторами, и может быть использовано для измерения давления с высокой точностью в устройствах контроля и управления, работающих в условиях переменных температур.Известен датчик давления, содержащий корпус, мембрану и три выступа, на которых с помощью прижимных планок и винтов крепятся плоские стальные предварительно натянутые струны. Средний выступ расположен на мембране несимметрично и при воздействии измеряемого давления поворачивается на некоторый угол, в результате чего натяжение одной струны уменьшается, а натяжение другой струны увеличивается приемочные д ли. Приемочн вход двух иде ки-возбудител С выходов уси тами поступаю выходе которо стота. Недостатком ук ется высокая темпе динамическом тем измеряемой среды, вый выступ, закреп струну, расположен дит среда, а третий опорную струну - корпуса и,следоват ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(56) Проектирование дния механических вЕ.П.Осадчело, М., 1979Авторское свидетеМ 1675705, кл. 6 01 1 1. Под струнами расположены атчики и датчики-возбудитеые датчики подключены на нтичных усилителей, а датчии - на выход этих усилителей. лителей напряжения с частот на смеситель и фильтр, на го получается разностная чаазанного датчика являратурная погрешность в пературном режиме от вызванная тем, что перляющий измерительную над каналом, где проховыступ, закрепляющий над массивной частью ельно, прогревается (ох5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Введение четырех терморезисторов, размещение их на боковых планарных поверхностях стоек и включение в противоположные плечи мостовой схемы позвояют формировать корректирующий сигнал, фунлаждается) со значительным запаздыванием во времени,Разница температур на выступах, а следовательно, и на струнах вызывает лажную разницу собственных частот, Таким образом. чем больше скорость изменения температуры измеряемой среды, тем больше погрешность указанного датчика.Наиболее близким к предлагаемому па технической сушности является частотный датчик давления, содержащий мембрану с утолщенным периферийным участком и установленными на ней основными и дополнительными стойками с отверстиями, в которых закреплены на одинаковом расстоянии от центра мембраны измерительная и опорная струны, расположенные между полюсами магнитов.Недостаткам известного датчика является низкая точность измерения при быстраменяющемся тепловом воздействии измеряемой средь на мембрану, вызванная Тем, что конструктивно Основные стойки расположены на тонкой мембране, а дополнительные - на массивной утолщенной части и, кроме тога, их размеры не одинаковы, что в результате приводит к различному г 1 рагреву (охлаждению) струн в отдельные моменты времени. Разница температур струн приводит к разнице собственных частот, несмотря на идентичность размеров и материала струн, в результате чего с увеличением измерения температуры на мембране пропорционально уменьшается точность измерения,Целью изобретения является повышение точности путем уменьшения температурной погрешности,Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения давления, содержащее мембрану с утолщенным периферийным участком и с установленными на ней основными и дополнительными стойками, в которых закреплены опорная и измерительная струны, к которым подключены генераторы, смеситель, фильтр и индикатор, введены четыре терморезистора, расположенные нд бакОЬых планарных поверхностях стоек и включенные попарно для каждой струны в противоположные плечи мостовой схемы, которая с дополнительным генератором, формирователем временных импульсов и электронным ключам образует термокомпенсационную цепь,кционально зависящий от разницы температур на опорной и измерительной струнах, а включение в мостовую схему дополнительного генератора и формирователя временных импульсов позволяет выделить термозависимый времязадающий сигнал, в результате чего считывание импульсов с основной цепи производится с интервалами, изменяющимися в зависимости от разницы температур на струнах, а следоьательно, повысить точность измерения,Таким образом, в предлагаемое устройство введены дополнительный генератор, формирователь временных импульсов, электронный ключ и подключенный к выходу фильтра формирователь импульсов, Индикатор выполнен в виде счетчика При этом в датчик давления введены четыре термарезистара, которые закреплены на боковых поверхностях стоек напротив места закрепления струн, причем тсрмарезистары попарно для каждой струны включены в прОтивопаложные плечи мостовой схемы, выходная диагональ которой подключена к дополнительному генератору, Вход ключа соединен са счетчиком, а управляющий вход ключа подсоединен к выходу формирователя временных импульсов, который подключен к дополнительному генератору.На фиг,1 изображена конструкция датчика давления; на фиг,2 - структурная схема устройства для измерения давления:, на фиг.З - характер формирования выходного параметра устройства для измерения давления с учетом темпеаатурной коррекции,Устройство для измерения давления содержитизгатовленныеза одно целое корпус 1 с мембраной 2 и стайками 3 и 4. Между основными стойками 3 жестко закреплена измерительная струна 5, а между дополнительными стойками Е - опорная струна 6, пропущенная сквозь отверстия в основньх стойках 3, Струны 5 и 6 расположены между полюсами магнитов 7. На боковых планарных поверхностях стоек 3 расположены два терморезистора 8, а на поверхностях стоек4 - два терморезистара 9, катооые соединены в мостовую схему,Электронная цепь преобразования вкгючает измерительный генератор 10,опорный генератор 11, смеситель 12, поло- совой фильтр 13, формирователь 14 импульсов, электронный ключ 15 и счетчи 16 импульсов, Кроме того, электронная цельсодержит корректирующую цепь, состоящую из дополнительнога генератора 17 иформирователя 18 временных импульсов,устраЙства для измерения давления работает следующим образом.Измеряемое давление, воздействуя на мембрану 2, вызывает поворот основных стоек 3, в результате происходит изменение натяжения измерительной струны 5, закрепленной между стойками и расположенной в магнитном поле, образованном постоянными магнитами 7, Изменение натяжения струны 5 вызывает изменение ее собственной частоты колебаний. Возбуждение и снятие сигнала осуществляются на основе магнитоэлектрического способа возбуждения в автоколебательном режиме. Аналогично работает опорная струна 6, собственная (резонансная) частота которой не изменяется отдавления, так как она закреплена в дополнительных стойках 4, которые расположены на недеформируемом участке мембраны 2. Струна 5 возбуждается измерительным генератором 10, и с его выхода собственная частота (Еиз) поступает на первый вход смесителя 12, а струна 6 возбуждается опорным генератором 11 и с его выхода собственная частота (Ел) поступает на второй вход смесителя 12 и далее на полосовой фильтр 13 и формирователь 14 импульсов, где происходит выделение разности частот в виде Еиэм - Еоп = Ь Е(Р), где Л Е(Р) - разностная частота, функционально зависимая от изменения давления,С выхода формирователя 14 импульсов прямоугольные импульсы заданной длительности и частоты Л Е(Р) поступают на первый вход электронного ключа 15. Одновременно в дополнительном генераторе 17 формируется сигнал с частотой 1, который поступает на вход формирователя 18 временных импульсов, который формирует времязадающий интервал длительностью КЛд = Тд, где К - постоянный коэффициент формирователя 18.С выхода формирователя 18 времязадающий импульс поступает на второй вход ключа 15, который открывается и пропускает в течение Тд пачку импульсов с часготой ЛЕ(Р) на счетчик 16. При этом в счетчике 16 записывается число импульсовМ(Р) = Тд Ь Еи(Р),которое функционально зависит от изменения входного параметра и регистрируется на индикации.При изменении температуры измеряемой среды происходят температурные деформации мембраны 2, которые вызывают дополнительные перемещения стоек 3 относительно перемещений от давления, а следовательно, дополнительные изменения натяжения струны 5 и изменение ее собст 30 где Л Еи(с) - составляющая приращения частоты от разницы температур на опорной и измерительной струнах.С выхода формирователя 14 импульсовпрямоугольные импульсы заданной дли тельности и частотой Л Еи(Р) - Ь Еи(т) поступают на первый вход ключа 15.Одновременно на второй вход ключа 15 с дополнительного генератора 17 через формирователь 18 поступает времязадающий 40 импульс.При быстроменяющемся тепловом режиме терморезисторы 8 воспринимают среднеинтегральную температуру на измерительной струне 5, а терморезисторы 9 - 45 среднеинтегральную температуру на опорной струне 6. Разница температур, воспринимающаяся парами терморезисторов, соединенных в мостовую схему, в которой терморезисторы 9, размещенные на дополнительных стойках 4, включены в противоположные плечи моста, а терморезисторы 8, размещенные на основных стойках 3, также включены в противоположные плечи моста этой же мостовой схемы, вызывает изменение сопротивлений терморезисторовмостовой схемы, Таким образом, при подаче питания на вход терморезистивной мостовой схемы с выхода схемы на вход генератора 17 подается управляемый тер 5 10 15 20 25 венной частоты. Несмотря на то, что измерительная 5 и опорная 6 струны закреплены на одинаковом расстоянии от центра мембраны и имеют одинаковые размеры, при изменении температуры измеряемой среды, особенно в быстроменяющемся тепловом режиме, происходит различный прогрев мест крепления опорной струны 6 по сравнению с местом крепления измерительной струны 5. При этом приращение собственной частоты опорной струны при изменяющихся тепловых условиях Еоп ф. д Е(1) отличается от приращения собственной частоты измеряемой струны Еизм + д Е(т"), где д Е(т), д Е(1") - составляющие приращения частоты опорной и измерительной струн, зависимые от изменения температуры на струнах;т,1" - температура на опорной и измерительной струнах соответственно.В результате в смесителе 12 и далее в полосовом фильтре 13 и формирователе 14 импульсов происходит выделение разности частот в видеЬР. (Р) ЛЕ. (т) =Е д Е(т") -- ЕопдЕ(т )мозависимый сигнал, зависящий от разницы температур на опорной и измерительной струнах:Ло(т) = ЛК(т) - ЛВ("),где Л Я(1), Л й(1") - разность измерения сопротивлений от температуры на парах терморезисторов 8 и 9, расположенных на стойках 3 и 4.Л О(ф) функционально влияет на частоту выхода генератора 17, которая поступает на вход формирователя 18, где формируется времязадающий интервал длительностью Тд +ЛТ(т) -Лгде Лф) - составляющая изменения частоты от оазницы температуры 1 - т" на опорной и измерительной струнах;ЛТ(1) - изменение времязадающего интервала, функционально зависящее от разности температуры;К - постоянный коэффициент формирователя 18 временных импульсов.С выхода формирователя 18 времязадающий интервал поступает на второй вход ключа 15, который открывается и пропускает пачку импульсов с частотой Ги(Р) + Л Ги(1) на счетчик 16 с интервалом Т,д.+ ЛТ(1),В счетчик 16 заносится число импульсови =(Т, ЛТ(тк Л Р.(Р) Л Р.( =+ ЛТ(с) ЛГИ(1),которое функционально зависит от изменения входного параметра и регистрируется на индикации.В приведенной зависимости составляющие произведения ЛТ(с) ЛРи(т) - малые величины и они практически не влияют на выходной параметр й. Поэтому, если настроить схему так, что приращение ЛТ которое управляется терморезистивной мостовой схемой, имеет противоположный знак составляющей Л Рий) и выполнитьусловие Тд" ЛРи(т) =ЛТ(т) Л Ри(Р), будет полностью скомпенсирована температурная погрешность, Таким образом, выходной параметр К в выражении (2), где рассматривается влияние быстроменяющихся тепловых потоков (неравномерный прогрев основных и дополнительных стоек), практически будет равен И(Р) выражения (1), где измеряется давление в нормальных тепловых условиях. Таким образом, ложное приращение частоты от разницы температур на опорной и измерительной струнах компенсируетсятермозависимым изменением временногоинтервала индикации в корректирующейцепи.5 На фиг.3 показан характер осуществления коррекции выходного параметра впредлагаемом устройстве,где а - выходной сигнал с измерительного генератора 10;10 б - выходной сигнал с опорного генератора 11;в - выходной сигнал с полосового фильтра 13;г - выходной сигнал с формирователя 1415 импульсов;д - выходной сигнал с мостовой схемыиз термореэистооов 8 и 9;е - выходной сигнал с дополнительногогенератора 17;20 ж - выходной сигнал с формирователя18 временных импульсов;з - выходной сигнал с электронногоключа 15.Следовательно, на счетчике 16 форми 25 руется численное значение давления М = 1(Р)и этот сигнал практически не зависит отизменения температуры.Предлагаемое устройство характеризуется высокой точностью измерения вследст 30 вие практически полного исключениятемпературной погрешности в быстроменяющихся тепловых режимах при достаточновысоком градиенте изменения температуры.35 Точность измерения предлагаемого устройства по сравнению с прототипом приизменяющихся тепловых условиях в диапазоне от минус 200 до 150 С с температурным градиентом, не превышающим 200 -40 250 С, увеличена в 3 - 4 раза,Формула изобретенияУстройство для измерения давлений,включающее датчик давления, содержащиймембрану с утолщенным периферийным45 участком и с установленными на ней основными стойками с отверстиями, в которыхзакреплена измерительная струна, и дополнительными стойками с отверстиями, в которых закреплена опорная струна,50 идентичная измерительной, причем обеструны расположены между полюсами магнитов, а точки их закрепления расположенына одинаковом расстоянии от центра мембраны в одной диаметральной плоскости, из 55 мерительный генератор, к которомуподключена измерительная струна датчика,опорный генератор, к которому подключенаопорная струна датчика, смеситель, соединенный с выходами генераторов, фильтр,подключенный к смесителю, и индикатор,1744542 10 02. 1 о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности путем уменьшения температурной погрешности, в него введены дополнительный генератор, формирователь временных импульсов, электронный ключ и подключенный к выходу фильтра формирователь импульсов, а индикатор выполнен в виде счетчика, при этом в датчик давления введены четыре терморезистора, которые закреплены на боковых поверхностях стоек напротив места закрепления струн, причем терморезисторы попарно для каждой струны включены в противоположные плечи мостовой схемы, выходная диагональ которой подключена к дополни тельному генератору, при этом вход ключасоединен с выходом формирователя импульсов, его выход соединен со счетчиком, а управляющий вход ключа подсоединен к выходу формирователя временных импуль сов, который подключен к дополнительномугенератору.174454212 иг.г,РСоставитель В. Зиновьев Редактор А. Лежнина Техред М.Моргентал Корректор М. Максимиш Заказ 2190 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ С113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5оизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 10