ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ РАЗНОСТИ ДАВЛЕНИЙ
MEASUREMENT CONVERTER OF PRESSURE DIFFERENCE

Изобретение относится к области измерения неэлектрических параметров с помощью емкостных датчиков и предназначено для преобразования разности давлений в параметры электрического сигнала. Изобретение может быть использовано при определении параметров движения газовых потоков, в том числе для построения измерителей скорости ветра.
Известны измерительные преобразователи, выходным параметром которых являются величина и знак постоянной составляющей электрического сигнала. Таковым является измерительный преобразователь по патенту RU №2389977 [1], содержащий дифференциальную измерительную цепь, подключенный к ней коммутатор и операционный усилитель с резистором в цепи отрицательной обратной связи, входы операционного усилителя подключены к выходам коммутатора и параллельно резистору обратной связи включен конденсатор. В нем дифференциальную измерительную цепь могут составлять емкостные датчики.
Недостатком указанного измерительного преобразователя является его низкая точность вследствие дрейфа нуля операционного усилителя с течением времени и при изменении температуры окружающей среды.
Более совершенным является устройство для измерения малых различий емкостей по патенту DE №3732756 [2]. Устройство содержит два емкостных датчика, два автогенератора прямоугольных импульсов, два счетчика, элемент «Не» и фильтр нижних частот. Автогенераторы прямоугольных импульсов работают по очереди. В течение одних n тактов работы счетчика работает один из автогенераторов, в то время как другой генератор заперт. В течение следующих n тактов работы счетчика работает другой автогенератор, в то время как первый генератор заперт. На выходе устройства образуется постоянная составляющая, величина которой характеризует разницу емкостей датчиков. Численное значение может быть получено путем измерения величины выходного сигнала устройства.
Указанное устройство является наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению и принято за прототип.
Недостатком прототипа является его низкая точность в области малых различий емкостей датчиков. Это связано с тем, что информация о величине различия емкостей датчиков содержится в величине постоянной составляющей выходного сигнала, вместе с которой вследствие неполной фильтрации присутствует и переменная составляющая. Поэтому численные значения оказываются недостоверными в области малых различий емкостей датчиков. Снижение уровня переменной составляющей путем увеличения постоянной времени фильтра нижних частот приводит к снижению быстродействия.
Задачей изобретения является повышение точности преобразования в области малых разностей давлений.
Для решения указанной задачи в измерительный преобразователь разности давлений, содержащий первый и второй емкостные датчики давления, соединенные с времязадающими цепями первого и второго автогенераторов прямоугольных импульсов, выходы которых подключены к входам первого и второго счетчиков, введены генератор запуска, формирователь знака и формирователь модуля, причем первые входы формирователя знака и формирователя модуля подключены к выходам первого счетчика, вторые входы формирователя знака и формирователя модуля подключены к выходам второго счетчика, выход генератора запуска соединен с управляющими входами автогенераторов прямоугольных импульсов, входами установки нуля счетчиков и формирователя знака, а автогенераторы прямоугольных импульсов выполнены с внешним запуском; формирователь знака выполнен в виде D-триггера, его D-вход является первым входом формирователя знака, C-вход - вторым входом, R-вход - входом установки нуля, а его выход является выходом формирователя знака; формирователь модуля выполнен в виде первого и второго элементов «Не», первого и второго элементов «И», а также элемента «Или», причем первым входом формирователя модуля является точка соединения первого входа первого элемента «И» с входом первого элемента «Не», выход которого подключен к первому входу второго элемента «И», вторым входом формирователя модуля является точка соединения второго входа второго элемента «И» с входом второго элемента «Не», выход которого подключен ко второму входу первого элемента «И», а выходы первого и второго элементов «И» соединены с входами элемента «Или», выход которого является выходом формирователя модуля.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена структурная блок-схема измерительного преобразователя разности давлений, на фиг.2 - вариант выполнения формирователя знака, на фиг.3 - вариант выполнения формирователя модуля, а на фиг.4 изображены временные диаграммы, поясняющие работу устройства в целом.
Измерительный преобразователь разности давлений содержит два емкостных датчика 1 и 1′ давления, два автогенератора 2 и 2′ с внешним запуском, два счетчика 3 и 3′, генератор 4 запуска, формирователь 5 знака и формирователь 6 модуля. Времязадающие цепи (на чертежах не показаны) автогенераторов 2 и 2′ с внешним запуском соответственно соединены с емкостными датчиками 1 и 1′ давления, выходы указанных генераторов 2 и 2′ соединены со счетными входами соответственно счетчиков 3 и 3′. Выход счетчика 3 подключен к первым входам формирователя 5 знака и формирователя 6 модуля. Выход счетчика 3′ подключен ко вторым входам формирователя 5 знака и формирователя 6 модуля. Выход генератора 4 запуска соединен с управляющими входами автогенераторов 2 и 2′, с входами установки нуля счетчиков 3, 3′ и формирователя 5 знака.
Формирователь 5 знака выполнен (фиг.2) в виде D-триггера 7, его D-вход является первым входом формирователя знака, C-вход - вторым входом, R-вход - входом установки нуля, а его выход является выходом формирователя 5 знака.
Формирователь 6 модуля выполнен (фиг.3) в виде первого 8 и второго 8′ элементов «Не», первого 9 и второго 9′ элементов «И», а также элемента «Или» 10. Первым входом формирователя 6 модуля является точка соединения первого входа первого элемента «И» 9 с входом первого элемента «Не» 8, выход которого подключен к первому входу второго элемента «И» 9′. Вторым входом формирователя 6 модуля является точка соединения второго входа второго элемента «И» 9′ с входом второго элемента «Не» 8′, выход которого подключен ко второму входу первого элемента «И» 9. Выходы элементов «И» 9 и 9′ соединены с входами элемента «Или» 10, выход которого является выходом формирователя 6 модуля.
Автогенератор с внешним запуском может быть выполнен на двух D-триггерах и элементе «И» [3].
Измерительный преобразователь разности давлений работает следующим образом. Генератор 4 запуска формирует импульс 11 (фиг.4), после окончания которого начинают одновременно формироваться импульсные последовательности 12 и 12′ на выходах соответственно генераторов 2 и 2′. Периоды колебаний импульсных последовательностей 12 и 12′ определяются значениями емкостей емкостных датчиков 1 и 1′ давления, которые, в свою очередь, определяются величинами воздействующих на них давлений Р1 и Р2. На выходах счетчиков 3 и 3′ формируются сигналы 13 и 13′ соответственно. На выходе формирователя 6 модуля образуется импульс 14, длительность которого характеризует величину разности давлений Р1 и Р2. На выходе формирователя 5 знака после окончания импульса 14 сигнал 15 принимает значение «1», если Р2>Р1, и остается в состоянии «0», если P1>Р2. С приходом следующего импульса 11 запуска процесс формирования сигналов 14 и 15, характеризующих параметры разности давлений Р1 и Р2, повторяется. Численное значение разности давлений может быть получено путем измерения длительности выходного импульса формирователя модуля.
Благодаря тому, что амплитуда выходного сигнала формирователя модуля принимает только два значения («0» или «1»), а информация содержится в длительности импульса, повышается точность преобразования в области малых разностей давлений. Предлагаемый измерительный преобразователь позволяет получать достоверные численные значения очень малых различий емкостей датчиков и соответственно очень малых разностей давлений.
Литература
1. Патент RU №2389977, МПК G01D 3/00.
2. Патент DE №3732756, МПК G01D 5/24.
3. Микросхемы интегральные. Сер. 564. Руководство по применению. ОСТ 11 340.907-80.