Устройство для измерения давления

СОЮЗ СОВЕТСНИХСИЭТЛ ЛИСТИЧЕО 1 ИХРЕСПУБЛИК И 9 ИИ(ц С О 1 Ь 11/00 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ б 4 б Тд ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМПРИ ГННТ СССР М АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(56) Авторское свидет бьс тно СССР Ф 12246 6, кл, 0 01 1, 1/00, 1986. (54) УСТРОЙСТВО Д.1 Я 13)1 ГР;01 Я,б 1 АВ- ЛЕНИЯ(57) Изобретение относится к измерительной технике, в частноти к устройствам для измерения давления на объектах, подвергающихся воздействию влияющих незлектричскпх величин. Цель изобретения - повьииение точности измерения, )стройство содержит корпус с мембраной, на которую нанесены слои пленочного тнзорсзис тора 4, гигроскопического материала 7 и электрода, первый 13 и второй 18 коммутаторы, таймер 22, измерительные преобразователи давления 23, температуры 31 и влажности 17, аналогоцифровой преобразователь 50 и цифровой индикатор 51, Тензорезистор 4с контактными площадками 5, 6 явля -б тся чувствительным элементом давления и термолреобразователем. Чувствительный элемент влажности образованструктурой тензорезистор 4 - гигроскопический материал 7 - электрод. Спомощью таймера 22 и коммутаторов 13,18 процесс измерения трех величинразделен во времени. Блок 43 коррекции с помощью вычислительных устройств 29, 41 осуществляет температурную коррекцию сигналов при измерении давления и влажности, При измерении температуры элементы 4, 7 и 32осуществляют коррекцию термическойинерции термопреобразователя. Выход -ные сигналы измерительных преобразователей 23, 31, 37 последовательно преобразовываются в цифровои кодс помощью аналого-цифрового преобразователя 50, и информация об измеряемых величинах отображается на цифровом индикаторе, 3 з,п, ф-лы, 2 ил, 16458621 О Изобретение относитсч к измерительной технике, а именно к устройствам для измерения давления.Цель изобретения - повышение точ 5ности измерения,На фиг. 1 приведена конструкциядатчика, на фиг.2 - структурная схема устройства.Датчик содержит корпус 1 с отверстием 2 и мембраной 3, первыйэлектрод, выполненный в виде пленочного тензорезистора 4 первой 5 и второй 6 контактными площадками, слойгигроскопического материала 7, слойвторого электрода 8, электрическиевыводы 9-11 и разъем 12,Устройство содержит первый коммутатор 13 с ключевыми элементами 1417, второй коммутатор 18 с ключевыми 20элементами 19-21, таймер 22, измерительный преобразователь 23 давления,выполненный в виде мостовой измерительной схемы с резисторами 24-26 иисточником 27 питающего напряжения, 25предварительного усилителя 28 постоянного тока, вычислительного устройства 29 и нормирующего усилителя 30постоянного тока, измерительныйпреобразователь (ИП) 31 температуры, выполненный в виде корректирующего резистора 32, предварительногоусилителя 33 постоянного тока, вычислительного устройства (ВУ) 34, схемы35 компенсации холодных спаев термоэлектрического термометра и норми 35рующего усилителя 36 постоянного тока, ИП 37 влажности, выполненный ввиде генератора 38 переменного тока,усилителя 39 переменного напряжения,выпрямителя 40, ВУ 41 и нормирующего усилителя 42 постоянного тока,блок 43 коррекций, выполненный нвиде запоминающего устройства, состоящего из коммутатора 44 с ключевыми 5элементами 45-48 и запоминающего конденсатора 49, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 50 и цифровой индикатор 51,Корпус 1 выполнен в виде пологоцилиндра с тремя сопряженными внутренними отверстиями из теплоизоляционного материала, например пластмассы.В верхней части корпуса 1 закрепленапрн помощи клея на основе сцтдлло 55цемента мембрана 3, изготовленцдч изкремниевой пластины, методом дцлзотропного трдвления, Нд вц)треннююповерхность мембраны 3 нанос и не толом вакуумного напыления первый слой электрода, выполненный в виде пленочного тснэорезистора 4 в форм; меандра с первой 5 и второй 6 контактными площадками. В качестве материала тензррезисторд 4 выбран материал одного из термоэлектродов термоэлектрического термометра, например, константана. Из этого же материала изготовлены первая контактная площадка 5 и электрический вывод 9. Вторая контактная площадка 6 и соответственно вынод 10 выполнены иэ материала другого из термоэлектродов термоэлектрического термометра, например меди, т,е. место соединения второй контактной площадки 6 с тензорезистором 4 представляет собой горячий спай термоэлектрического термометрд (термопдры), в данном случае медь-констацтанового. На тензорезистор 4 нанесен слой гигроскопического материала 7, например из окиси алюминия, и сплошной слой второго электрода 8, изготовленного, например, из алюминия. Выводы 9-11 с олно". стороны подключены соответственно к контактным площадкам 5, 6 и второму электроду 8, дпример, компрессионной. сваркой, а с другой стороны соединены с штырьками разъема 12. При этом структура тензорезистора 4 - гигроскопический материал 7 и второй электрод - образуют электрический конденсатор, являющийся чувствительным элементом влажности и элементом корректирующего звена (4, 7, 32), улучшающий динамические характеристики термопдры 6, 10 в процессе измерения темлерат"ры. В качестве такого же элемента выступает и тензорезисгорПараллельно выводам 9, 11 датчика подключен ключевой элемент 16 первого коммутатора 13, входы ключевых элементов 14, 15 которого соединены с выводом 11, д вход ключевого элемента 17 - с выводом 9. Вывод 10 ддтчи.д подключен к точке с нулевым потенциалом. Выход ключевого элемента 14 первого коммутатора 13 соединен с нгцими из входов генератора 38 перемени;о тока ИП 37 влажности усилителя 19, другие входы которых подключены к точке с нулевым потенциалом. Выход ключевого элемента 17 первого коммутатора 13 соединен с одним цз ньл.олов резистора 24 ИП 235 164давления и с одним из входов предварительного усилителя 28, другой входкоторого подключен к одним иэ выводов резис торов 25, 26. Другие выводырезисторов 24, 25 соединены с клеммой источника 27 питающего напряжения, а другой вывод резистора 26 подключен к точке с нулевым потенциалом. Выход же ключевого элемента 15соединен с одним из выводов корректирующего резистора 32 и одним иэвходов предварительного усилителя 33(ИП 31 температуры), друой выходкоторого подключен к точкс нулевым потенциалом и другим выводомкорректирующего резистора 32,Выход предварите.эьного усилителя28 ИП 23 давления соединн с однимиз входов ВУ 29, другзй вход которого подключен к входу ключвооэлемента 45 коимутдторд 4 блока 43коррекции. Выход же ВУ 29 через нормирующий усилитель 30 соецпп и свходом ключевого элемента "0 второго коммутатора 18Выход предварительного уплитля32 ИЛ 31 температуры подключен кодному из входов ВУ 34, лругоп входкоторого соединен с выходом схмы 35компенсации. Выход же ВУ 34 подкпючен к выходу ключевого эзм нтд 47коммутатора 44 блокд 43 коррекции ичерез нормирующий усилитель Ж соединен с входом ключевого эчел нф,з 19второго коммутатора 18.Выход усилителя 39 иерем нногонапряжения ИП 37 влажноти чроз выпрямитель 40 подключен к оцпочу иэвходов ВУ 41, другой нхоп козорогосоединен с выходом кцоч.ного элемента 46 коммутатора 44 блока 4коррекции. Выход же ВУ 41 через нормирующий усилитель 42 подключен квходу ключевого элемента 21 второгокоммутатора 18.Входы ключевых элеме,тон 45-48коммутатора 44 блока 43 коррекциисоединены между собой и полк:юченык одной иэ обкладок конценсдтсра 49,другая обкладка которого сединенас точкой нулевого потенциала, с которой также соединен вход ключевогоэлемента 48.Выходы ключевых элементов 19-21второго коммутатора 18 соединены между собой и через АЦП 50 подключенык входу цифрового индикатора 51.1 ервый выход таймера 22 с.оединен с5862 10 15 РО 25 30 35 40 45 50 55 управляющим входои коммутатора 44 блока 43 коррекции, второй выход - с установочным входом АЦП 50, третий выход - с управляющим выходом второго коммутатора 18, четвертый выходс управляющим входом первого коммутатора 13.Устройство работает следующим образом.Процесс измерения физических величин разбит во времени на несколько тзктов. В первом такте измеряется температура с помощью ИП 31 темпера- гуры, коммутаторов 13, 18, таймера 22, АЦП 50 и индикатора 51, При этом учитывается температура холодных спаен 6, 1 О термометра и подключается корректирующее звено 4, 7, 32, т,е, производится электронная коррекция тепловой энергии. термометра, При этом значение измерительного сигнала запоминается и бл 1 ке 43 коррекции, Во втором такте производится измерение давл ния с учетом изменений температуры с помощью ИП 23 давления и соответственно коммутаторов 13, 18, здймерд 22, АЦП 50 и индикатора 51. В третьем такте производится повторное измерение тел:.свдтуры с запоминдппм в блоке 43 к,ррекции ее текущегоо эпачення . В ч тнертои такте производится измерение влажности с температурной коррекцией с помощью И 37 влажности, блока 43 коррекции, колмутаторов 13, 18, таймера 22, ЛЦП 50 и индикдтрд 5 1.При излэерении температуры таймер 22 приводит в исходное состояние АЦП 50, снимает остаточное напряжение с конлнсаторд 49 блока 43 коррекции путем кратковременного замыкания ключевого эдеме,та 48, устанавливат ключевой элемент 47 колмутатора 44 в пэловение Замкнуто , а ключевые элементы 45, 46 - в положение "Разомкнуто". В первом коммутаторе 13 ключевые элементы 16, 15 устанавливаются в положение "Замкнуто, а ключевые элементы 15, 17 - в положение "Разомкнуто , а во втором коммутаторе 18 ключевые элементы 20, 21 устанавливаются в положение Разомкнуто" ключевой элемент 19 - в положение Замкнуто . В результате выход ИП 3 1 температуры подключает:я к входу АЦП 50, выход ВУ 34 - к входу блока 43 коррекции, а термоэлектрический термометр 6, 1 О и корректирующее звено 6, 4, 32 - к входупредварительного усилителя 33. Такимобразом, элементы 6, 4, 32 обрдзуютпассивное корректирующее звено г5передаточной функцией вида 1 ТкР+ 1к К ТсР1К 1 О где К - коэффициент коррек 1, рдвный отношению суммы сс противлений терморезистора 4 и резистора 32 и сопротивления резистора 32;Т к - постоянная времени коррекции, равная произвес ю емкости элемента 7 на начские сопротивления резигтора 32,Ввиду того, что элементы 7, 4 спи коррекции являют я еще и чувствительными элементами соотв тгтвенно влажности и давления, то эти :в личины оказывают влияние на по тоянную времени коррекции, Однако зме - нением емкости при воздействии впажности и температуры при проведени коррекции можно прекебречь. Пейгтннтельно, изенение емкости практиег.- ки реализованного влагочувствите:нного конденсатора на основе киги 15 25 ЗО алюминия в диапазоне влажности от20 до 1007, не превышает 17., темперастантового тензорезистора такж к- велико, Таким образом, при рдк 1 иче кой реализации устройства рас тпей первичных измерительных просд зователей влажности и давленияи ся с учетом дополнительных требвв ний, предьявляемых к злементдк 7, как составляюиим цепи корркции т и ловок инерции термопдры 6, 10.Ввиду того, что и .пь коррквн уменьшает гигнал с термопары 6, 1 О в К раз, сопротивление резисзора 3выбирается на несколько порядков большс, чем с.опротвение тен с 1 р - зистора 4. При этом, учитывая, чт чувствительность термопар мала,р; варительный усилитель 33 вьполннют прецизионным г большим входным противлени.м, малым темпера; рным и временным дрейфом.Усиленный сигнал с предварит ь - ного умнитя 33 постуас г д 40 50 55 турные изменения емкости этого мдте 35 риала также неэначтельнъ. Относительное изменение сопротивления к иВУ 34, .нд лругой вход кот рого дается дряжение компенгации горячихдев свободных концов) термпарыо гхмы 35. Выходной сигнд. ВУ 34с тупает в блок 43 коррекции, гпездгоминдется на кондексаторе 49, инд вход .ормирующего усилителя 36,к 1 торый нормирует входной сигнал востветствии с принятой икалои измер ния температуры.Выхпной сигнал с кормирующегоу илителя 36 преобразуется в цифровсй код г. моиью МП 50, д информан о 1 мпердтур отображается нацифровс:м индикаторе 51,При и мернии давления таймер 22ус тднавзивает АЦП 50 в ис ходкое г остови, ключевой эмент 17 первогокоммутатора 13, ключево"элес 20второкоммутат рл 18, к.иочевои злсл 1 45 коммутатора 44 блока 43 коррекии - в положение Замкнуто, зкючевые з,ементы 14 - 16 первогокоммутатора 13, кю 1 евс чемс нты 19,21 вт, рок 1 ммутатора 18, кючевойэлм: нт 47 коммутатора 44 бокд 41коррекции - в попжение "Разомкнуто",Ключевьн зементы 48, 46 коммутатора 4 блкд 43 коррекции ранее нахопи.ись в оложснии Разомкнуто", Вэтом гучае тензорезигтор 4 совмегт;о г трмопдрой 6, 10 подключается кмс тов й змерительной гхеме 24-26,ксрр ктрующей напряжение, запомненнона кснленсаторе 49 блока ч 3 корр. кции, поступает на вход ВУ 29 ИП 23:. вгея, д сигнал с выхода нормиру 1 щго, илителя 30 через ключевойлемент 20 с 1 тупаст нд вход ЛЦП 50.Вв;пу дой чувствительности термопдры 6, 1 О, изменение ее выходногосгида не казывает влияния на погршногть и.мерения давления, а при рдс ете первичного преобразователя6, 10, 24, 25, 26 давления можно бег пс нить несбхолимое приращение сигнала рдзбдлднса моста 24 - 26 наединицу измкения давления при малом ткс и тзки, чтобы не вызвать значит льный нагрев рабочего спая трма,в Поп гсе измерения дав:ея, з . , рдктичегки исключить гу гт,н.янхиую пополнительной повещно 1 зм рния давления.Крр кяинформационного сигн,нд , ггвв джногти при и и рн д ня ч рнэс 1 Пит я, дк кд. к;1,ттики гензрезнсто10 164 86 1 О г) рс( не зависят от измсцег(ияГй влия-. ющейй величины, Кроме тго, цри ц( готокпеции датчика дпя ис ключцця этогс влияния могут оыть ггримецены КОНСТРУКТГСННО-ТЕХНОГГОГИЧЕСКс ЦРИЕ 5 мы, заключающиеся, ндц 1 игмср, к д - 1(олнительцом ндцылеции нд сцй тензорезистора тонкой нлдго(дщитцой пленки (не показано).у.СЧЕННЫй;С цГНап С Пикда Прсдндритепьного усилите.гя 28 постпает нд нхол Ву 9, которсе 1:1 ои 11( пцт те 1(пературнуг к ррекцию сигнала, це - СУПЕГО ИНФОРМДЦЦЮ О 1(ЭМЕРЧСМОМ Г;(К- ленин, Г помощью т плит.пя 3 с) тд жс, как и ггри измерении температуры, осуществляется операция цог 111(ропан(я входного сигнала н спотктеткин с приня 1 ой шкдчой измерен(я лякпция О ц линедриздцци номинально г тдтгчс ской характеристики кдндлд цзмс реция, 1 длее ЛПП 50 преобрд(ус г гыхдцой сигнал усцлцтс".(я 30 к цифроцо ксд и информдц(гя об измеряс мсл( (дк, ниц 25 отображается нд циФровом 1(чггкдторе 51.1 ри рассмотрении работы блка коррекции условно принят, что цри унеличегии температуры дбсго ггтцдг( погрешность цзм ренин ддкпеция тдк же, как и нпажности, козрдга. т н области положительных зцдчий, Поэтому дпя упрощения Ву г ментов 41 рассматриваются кдк ( .11(тдю 35 щие устройства, пос трое нньц, нд(гример, на базе дифференциа;гьцых операционных усилителей. Формирование необходимой зависимости корректирующего напряжения осуществляется, напри " 40 мер, изменением коэФфициента передачи предварительного усилите:н 33 и введением делителя цапряжени., устанавливаемого на корректирующем входе ВУ 29. Определение этой эднисимос ти производится эксперимцтдльным или расчетным путем н процессе проектирования конкретного устройства.При измерении влажности предварительно производят описанным образом 50 измерение температуры, затем таймер 22 устанавливает в исходное состояние АЦП 50, ключевой элемент 14 первого коммутатора 13, ключевой элемент 21 второго коммутатора 18 и ключевой 55 элемент 46 коммутатора 44 блока 43 коррекции в положение Замкнуто остальные ключевые элементы коммутаторов 13, 18, 44 находятся н разом кнутом состсяции, Таким образом начун. ткительный элемент влажности подается переменное напряжение с генердтора 36 тока, молекулы воды абсорбируются гигроскопнчным материалом 7,вызывая изменение его диэлектрических характеристик и, соответственно,его Проводимости (полного сопротивления). Ввиду того, что на элементпо. (де тс я с табильцый эле к три чес кийсигнал от генератора 36 тока, падениенапряжения ня выкодах 11, 10 датчикацс т информацию об изменении относите(ьнсй влажности воздуха. При этомкдк и 1 рц змереции давления, термопдрд 6, 1 О включена в измерительнуюи чг, адис(.гд измерения влажности, Потому вес дополнительные требованиядпя и;кпючеция ее влияния ца процес цэмерецггя влажности, описанныекг(ше тдкж необходимо соблюдать приг(рос ктцронднии конкретных устройств.)то падение напряжения усиливаетс я усилителем 39 который может содерждть пементы компенсации начдльЦсйО ТДКЯЮЩЕй ВХСДНОГС НаПРЯжЕНИЯк цеях обеспечения нулевого сигналяпи ггрицятс и иулевсй нажности.Ви холг(о 11 ремеое 1 дцрЯже ние с усгитепя 19 цреобрдэ кг. кается н остоянцос ндпряж( ге и;(ос тугдет на о"инцз н.солон ВУ 41, с помощью которогодиалогично производится температурная коррекция цнформациогного сигнала. Необходимость коррекции сигналя, несущего информацию о влажности, н зависимости от изменения давления отпадает, так как н процессе измсцения давления практц ески не изменяются ци диэлектрические характеристики гигросорбциоцного материала 7на площадь электродов 4, 11, нн расстояние между ними,Нормирующий усилитель 42 аналогично проводит нормирование входного сигнала в соответствии с принятойшкалой измерения влажности и операцию линеариэации характеристики канапэизмерения влажности, АЦП 50 преобразовывает выходное напряжениусилителя 42 в циФровой код, а информацияо влажности отображается на цифровоминдикаторе 51. Далее все так гь измерения повторяются.ный в виде мембраны, установленнойв корпусе, в котором размещены наизолирующей подложке первый электродв виде меандра с первой и второй контактными площадками, тонкий слой гигроскопического материала и второйэлектрод, а также измерительные преобразователи давления, те;пературыи влажности, блок коррекции, управляющий вход которого соединен с первым выходом таймера, второй выход которого подключен к установочному входу аналого-цифрового преобразователя,выход которого соединен с входом цифрового индикатора, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью поны -щения точности, в него введены первый и второй коммутаторы, а первыйэлектрод размещен на мембране и ны;полнен в виде тенэорезистора иэ константана, его первая контактная площадка также выполнена иэ константанаа его вторая контактная площадка выполнена из меди, причем его перваяконтактная площадка соединена с первым входом первого коммутатора непосредственно, а вторая соединена свторым и третьим входами соответственно через резистор и конденсатор,первый и второй выходы первого коммутатора подсоединены к измерительному преобразователю давления, апервый и третий - параллельно к измерительным преобразователям температуры и влажности, причем выходыизмерительных преобразователей давления, температуры и влажности подсоединены соответственно к первому,второму и третьему входам второгокоммутатора, выход которого подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, а управляющий вход - ктретьему ныхоцу таймера, четнертыйвыход которого подключен к управляющему входу г 1 ерного коммутатора, 2. Устройство по п. 1, о т д ич а ю щ е е с я тем. что измерительный преобразователь давлениявыполнен н виде резисторного моста, 5одно плечо которого подключено квходу преобразователя, а измерительная диагональ - к последовательносоединенным первому усилителю, вычислительному устройству и второму усилителю, подключенному к выходу преобразователя. 3, Устройство по ип.1 и 2, о т д и ч а ю щ е е с я тем, что измерительный преобразователь температуры выполнен н виде предварительного усилителя постоянного тока, вход которого соединен параллельно с корректирующим резистором и с входом преобразователя, а выход - с первым входом функционального преобразователя, второй вход которого подключен к схеме компенсации холодного спая термопары, причем выход функционального преобразователя соединен с первым выходом блока коррекции и с входом нормнрующего усилителя, выход которого соединен с выходом преобразователя. 15 20 30 4. Устройство ио ии.1 - 3,о т л ич а ю ще е с я тем, что измерительный преобразователь влажностивыполнен н виде генератора перемен 35ного тока, выход которого соединенс входом преобразователя и входомусилителя переменного напряжения,выход которого через выпрямитель под 40 ключен к первому входу нычислителя,второй нход которого соединен с вторым выходом блока коррекции, а выход - с входом нормирующего усилителя, выход которого подключен к ныхо 45 д преобразователя,. 1645862 Составитель А.ЗосимовТехред Л. Олийнык Корректор Т,Палий Редактор М, Келемещ Заказ 1346 Тираж 351 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб., д, 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. ужгород, ул. Гагарина, 101