ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности, к преобразователям давления и может быть использована в датчиках давления жидких и газообразных сред.
В качестве ближайшего аналога заявляемого технического решения выбран преобразователь давления (заявка США №20090009036, МПК 8 H01L 41/053, 2009 г.). Известный преобразователь давления содержит упругий элемент, выполненный из кварца и снабженный полостью, в которой размещен кварцевый пьезорезонатор, и канал измерения, содержащий частотный фильтр, связанный с пьезорезонатором, и преобразователь частоты в цифровой код.
Известный преобразователь давления работает следующим образом. Измеряемое давление воздействует на упругий элемент, и возникающие вследствие этого в упругом элементе деформации приводят к соответствующей деформации пьезорезонатора, который изменяет свою частоту пропорционально измеряемому давлению. Фильтр выделяет из спектра требуемую полосу частот, и затем частота преобразуется в цифровой код, пропорциональный измеряемому давлению.
Недостаток известного преобразователя давления заключается в невысоком быстродействии, связанном с преобразованием резонансной частоты пьезорезонатора в цифровой код. Так, например, для погрешности дискретности 0,01% при начальной частоте пьезорезонатора 40 кГц время преобразования составляет порядка 0,25 сек.
Низкое быстродействие ограничивает круг областей применения известного преобразователя давления.
Задача, решаемая полезной моделью - повышение быстродействия преобразователя давления.
Указанная задача решается тем, что преобразователь давления, содержащий пьезорезонансный преобразователь, который выполнен в виде упругого элемента, снабженного полостью, в которой размещен пьезорезонатор, и канала измерения, содержащего первый частотный фильтр и преобразователь частоты в цифровой код, снабжен тензорезистивным преобразователем, выполненным в виде тензометрического моста, расположенного на внешней поверхности упругого элемента с возможностью восприятия измеряемого давления, и канала измерения, содержащего преобразователь напряжения в цифровой код, подсоединенный к тензометрическому мосту, и второй частотный фильтр, вход которого соединен с выходом преобразователя напряжения в цифровой код, при этом преобразователь частоты в цифровой код подсоединен к пьезорезонатору, а первый частотный фильтр связан своим входом с выходом преобразователя частоты в цифровой код; выходы первого и второго частотных фильтров подсоединены, соответственно, к первому и второму входам формирователя сигнала ошибки, выход которого подключен к первому входу интерполятора, второй вход которого соединен с выходом преобразователя напряжения в цифровой код, третий вход подсоединен к выходу второго частотного фильтра, а выход интерполятора является выходом преобразователя давления.
В варианте технического решения тензометрический мост расположен в полости упругого элемента.
В варианте технического решения упругий элемент выполнен из кварца.
В варианте технического решения поверхность упругого элемента, на которой расположен тензометрический мост, выполнена в виде мембраны.
В варианте технического решения полость упругого элемента выполнена вакуумированной.
В варианте технического решения пьезорезонатор, расположенный в вакуумированной полости упругого элемента, выполнен в виде кварцевого камертона.
В варианте технического решения каналы измерения пьезорезонансного преобразователя, тензорезистивного преобразователя, формирователь сигнала ошибки и интерполятор выполнены на микроконтроллере.
Полезная модель иллюстрируется чертежом. На фиг.1 схематически изображен заявляемый преобразователь давления.
Преобразователь давления содержит упругий элемент 1, выполненный из кварца и содержащий вакуумированную полость 2, в которой размещен пьезорезонатор 3, выполненный в виде кварцевого камертона. На внешней поверхности упругого элемента 1 расположен с возможностью восприятия измеряемого давления тензометрический мост 4. Тензометрический мост 4 размещается, например, на противоположной стороне «перемычки» - участка упругого элемента 1, отделяющего полость 2 от внешней среды, давление которой измеряется. Упомянутая «перемычка» может быть выполнена, например, в виде тонкой мембраны 5.
К пьезорезонатору 3 подключен преобразователь частоты в цифровой код 6, выход которого соединен с входом первого цифрового частотного фильтра нижних частот 7. К тензометрическому мосту 4 подключен преобразователь напряжения в цифровой код 8, выход которого подключен к входу второго цифрового частотного фильтра нижних частот 9. Фильтры 7 и 9 являются идентичными и работают в одной и той же полосе частот. Выходы фильтров 7 и 9 подсоединены, соответственно, к первому и второму входам формирователя сигнала ошибки 10.
Пьезорезонатор 3 с преобразователем 6 и фильтром 7 образуют пьезорезонансный преобразователь, а тензометрический мост 4 с преобразователем 8 и фильтром 9 образуют тензорезистивный преобразователь.
Выход формирователя сигнала ошибки 10 подключен к первому входу интерполятора 11, второй вход которого соединен с выходом преобразователя напряжения в цифровой код 8, а третий вход соединен с выходом фильтра 7.
Каналы измерения пьезорезонансного преобразователя, тензорезистивного преобразователя, формирователь сигнала ошибки и интерполятор могут быть выполнены на микроконтроллере.
Заявляемый преобразователь давления работает следующим образом. Действие внешнего давления на упругий элемент 1 (показано на фиг.1 стрелкой) приводит к его деформации, в результате чего происходит сжатие тензометрического моста 4 и растяжение пьезорезонатора 3. Относительная деформация упругого элемента 1 преобразуется пьезорезонансным преобразователем в частоту колебаний, а тензорезистивным преобразователем в мостовой схеме включения - в напряжение. В результате в заявляемом преобразователе давления существуют два канала информации об измеряемом давлении - канал тензорезистивного преобразователя и канал пьезорезонансного преобразователя.
Сигнал частоты с пьезорезонатора 3 преобразуется преобразователем 5 в цифровой код, пропорциональный частоте пьезорезонатора 3, и фильтруется в частотном фильтре 6 для выделения требуемой полосы частот. Сигнал напряжения с тензометрического моста 4 преобразуется преобразователем 8 в цифровой код, пропорциональный напряжению, и фильтруется в частотном фильтре 9 для выделения требуемой полосы частот.
С выходов фильтров преобразователей 7 и 9 код частоты и код напряжения поступают, соответственно, на первый и второй входы формирователя сигнала ошибки 10. С выхода формирователя 9 разностный сигнал ошибки поступает на первый вход интерполятора 11, на второй вход которого поступает сигнал с выхода преобразователя 8, а на третий вход интерполятора поступает сигнал с выхода фильтра 7.
Интерполятор 11 осуществляет коррекцию статической характеристики тензорезистивного преобразователя. Такая коррекция необходима по той причине, что тензорезистивный преобразователь характеризуется высоким быстродействием, но в то же время - низкой точностью и невысокой временной стабильностью. В противоположность ему пьезорезонансный преобразователь имеет высокую точность измерения, но недостаточное быстродействие.
В интерполяторе 11 на основе контроля сигнала ошибки, поступающего с формирователя 10, по текущему образцовому сигналу, поступающему с выхода фильтра 7, производится коррекция текущего значения величины, измеряемой тензорезистивным преобразователем и поступающего с выхода преобразователя 8.
Таким образом, тензорезистивный канал играет роль корректирумого, а пьезорезонансный канал - роль корректирующего, т.е. более широкополосный тензорезистивный преобразователь корректируется по более точному, хотя и более инерционному пьезорезонансному преобразователю.
Процедура коррекции приводит к тому, что тензорезистивный преобразователь, отличающийся высоким быстродействием, улучшает свои метрологические характеристики (повышается точность измерения давления) и, кроме того, исключается погрешность временной нестабильности измерений тензорезистивного преобразователя.
В итоге на выходе интерполятора 11 формируется сигнал, пропорциональный измеряемому давлению, который характеризуется одновременно высокой точностью, быстродействием и временной стабильностью.