УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ
PRESSURE MEASURING DEVICE

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике, в частности к средствам измерения давления, и может быть использовано в датчиках давления.
Известен приемник низкочастотных колебаний давления в водной среде, содержащий основной и дополнительный пьезоэлементы, корпус, выполненный из теплопроводящего материала, например металла. Основной пьезоэлемент прикреплен снаружи корпуса и воспринимает колебания давления водной среды, а также флуктуации температуры воды и смещения корпуса как составляющих помехи. Дополнительный пьезоэлемент, идентичный основному, прикреплен к корпусу в воздушной полости внутри корпуса, где он изолируется от колебаний давления водной среды, но воспринимает флуктуации температуры водной среды и смещения корпуса. Оба пьезоэлемента включены параллельно друг другу с встречным направлением знаков поляризации и выполнены из идентичного пьезоматериала [RU патент 2498251 C1, G01L 9/08, H01L 27/20. Приемник низкочастотных колебаний давления в водной среде. Опубл. 10.11.2013].
Недостатками данного устройства являются низкая точность измерения, обусловленная различием зависимостей температур пьезоэлементов от температур водной и воздушной сред, а также узкие функциональные возможности устройства из-за невозможности измерения устройством статического давления, вибрации и температуры.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является пьезоэлектрический преобразователь, содержащий двухэлектродный пьезоэлемент, выполненный в виде пластины из пьезоматериала, противоположные грани которой контактируют с электродами, и усилитель заряда, выход которого соединен с его инвертирующим входом через резистор обратной связи. Один из электродов двухэлектродного пьезоэлемента соединен с инвертирующим входом усилителя заряда, а другой состоит из двух электрически изолированных секций, одна из которых соединена непосредственно с выходом усилителя заряда, а другая - через шину «земля» и корректирующий резистор - с его неинвертирующим входом [RU патент 2099678 C1, G01L 9/08, G01L 23/10, Н03В 5/32. Пьезоэлектрический преобразователь давления в электрический сигнал. Опубл. 20.12.1997].
Недостатками данного устройства являются низкая точность измерения из-за неполной компенсации влияния дестабилизирующих факторов - статического давления, вибрации и температуры - при измерении динамического давления с частотой, отличной от значения частоты динамического давления, задаваемого при настройке устройства, а также низкие функциональные возможности устройства из-за невозможности измерения статического давления, вибрации и температуры.
Целью заявляемого изобретения является повышение точности измерения за счет коррекции погрешности измерения статического давления от воздействия температуры, коррекции погрешности измерения динамического давления от воздействия статического давления, вибрации и температуры, коррекции погрешности измерения вибрации от воздействия температуры, а также расширение функциональных возможностей за счет измерения статического давления, вибрации и температуры.
Поставленная цель достигается тем, что в пьезоэлектрический преобразователь, содержащий двухэлектродный пьезоэлемент, выполненный в виде пластины из пьезоматериала, противоположные грани которой контактируют с электродами, и усилитель заряда, согласно предлагаемому изобретению дополнительно введены шток, второй и третий пьезоэлементы, первая и вторая мостовые измерительные цепи, первый и второй усилители разбаланса сигнала мостовой измерительной цепи, первый и второй режекторные фильтры, второй усилитель заряда, генератор высокой частоты, выпрямитель, источник питания постоянного тока и микроконтроллер, при этом первая мостовая измерительная цепь состоит из первого и второго конденсаторов, первого и второго резисторов, а вторая измерительная цепь состоит из первого и второго терморезисторов, третьего и четвертого резисторов, при этом выходы первого и третьего пьезоэлементов соединены с первым входом микроконтроллера через первый режекторный фильтр и первый усилитель заряда, выходы второго пьезоэлемента соединены со вторым входом микроконтроллера через второй режекторный фильтр и второй усилитель заряда, выходы генератора высокой частоты соединены через первую мостовую измерительную цепь, первый усилитель сигнала разбаланса мостовой измерительной цепи и выпрямитель с третьим входом микроконтроллера, а выходы источника постоянного тока соединены через вторую мостовую измерительную цепь и второй усилитель разбаланса мостовой измерительной цепи с четвертым входом микроконтроллера, причем шток неподвижно соединен с первым и третьим пьезоэлементами, которые выполнены трехэлектродными, второй электрод первого пьезоэлемента и первый электрод второго пьезоэлемента являются первым конденсатором, второй электрод второго пьезоэлемента и первый электрод третьего пьезоэлемента являются вторым конденсатором, а третьи электроды первого и третьего пьезоэлементов являются первым и вторым терморезисторами соответственно, пьезоэлементы выполнены из идентичного пьезоматериала, электроды пьезоэлементов выполнены односекционными.
Введение штока, второго и третьего пьезоэлементов, неподвижного соединения штока с первым и третьим пьезоэлементами, первой и второй мостовых измерительных цепей, первого и второго режекторных фильтров, второго усилителя заряда, генератора высокой частоты, источника питания постоянного тока, первого и второго усилителей разбаланса мостовой измерительной цепи, выпрямителя и микроконтроллера позволяет увеличить функциональные возможности за счет измерения статического давления, вибрации, температуры, а также за счет вычисления суммарного сигнала о статическом и динамическом давлении, повысить точность измерения за счет коррекции погрешности измерения динамического давления от воздействия статического давления, вибрации и температуры, коррекции погрешности измерения вибрации от воздействия температуры, коррекции погрешности измерения статического давления от воздействия температуры.
Введение третьего пьезоэлемента позволяет повысить точность измерения динамического давления за счет повышения чувствительности путем увеличения уровня сигнала о динамическом давлении путем суммирования сигналов о динамическом давлении, получаемых с использованием первого и третьего пьезоэлементов.
Выполнение пьезоэлементов из идентичного пьезоматериала позволяет повысить точность измерения динамического давления за счет снижения температурной погрешности измерения из-за идентичности между собой зависимостей электрических и физических параметров пьезоэлементов от температуры.
На фиг. 1 представлены устройства штока, первого, второго и третьего пьезоэлементов устройства для измерения давления.
На фиг. 2 представлены шток, первый, второй и третий пьезоэлементы устройства для измерения давления в сборе.
На фиг. 3 представлены шток, первый, второй и третий пьезоэлементы устройства для измерения давления в сборе и в разрезе.
На фиг. 4 представлена структурная схема устройства для измерения давления.
1
2
1
2
3
4
4
5
1
2
3
4
Устройство для измерения давления состоит из штока 1, первого пьезоэлемента 2, второго пьезоэлемента 6, третьего пьезоэлемента 9, шток 1 неподвижно соединен с первым пьезоэлементом 2 и третьим пьезоэлементом 9, первой мостовой измерительной схемой 20, образованной дифференциальным емкостным преобразователем, состоящим из первого конденсатора C, которым являются второй электрод 4 первого пьезоэлемента 2 и первый электрод 7 второго пьезоэлемента 6, с зазором 13 между электродами 4 и 7, второго конденсатора С, которым являются второй электрод 8 второго пьезоэлемента 6 и первый электрод 10 третьего пьезоэлемента 9, с зазором 14 между электродами 8 и 10, а также резисторов R и R, первого режекторного фильтра 15, первого усилителя заряда 16, второго режекторного фильтра 17, второго усилителя заряда 18, генератора высокой частоты 19, первого усилителя сигнала разбаланса мостовой измерительной цепи 21, выпрямителя 22, источника питания постоянного тока 23, образованной терморезисторами R и R, а также резисторами R и R, второго усилителя сигнала разбаланса мостовой измерительной цепи 25 и микроконтроллера 26. Выходы первого 2 и третьего 9 пьезоэлементов соединены с первым входом А микроконтроллера 26 через первый режекторный фильтр 15 и первый усилитель заряда 16, выходы второго пьезоэлемента 6 соединены со вторым входом микроконтроллера А через второй режекторный фильтр 17 и второй усилитель заряда 18, выходы генератора высокой частоты 19 соединены с третьим входом А микроконтроллера 26 через первую мостовую измерительную цепь 20, первый усилитель сигнала разбаланса мостовой измерительной цепи 21 и выпрямитель 22, а выходы источника постоянного тока 23 соединены через вторую мостовую измерительную цепь 24 с четвертым входом A микроконтроллера 26 через второй усилитель разбаланса мостовой измерительной цепи 25.
1
Суммарный электрический заряд, снимаемый с электродов 3 и 4 первого пьезоэлемента 2, с электродов 10 и 11 третьего пьезоэлемента 9, зависящий от деформаций пьезоэлементов 2 и 9 от перемещений L штока 1 при воздействии на шток 1 статического давления Р, динамического давления ΔР, вибрации G, температуры Т, от деформаций пьезоэлементов 2 и 9 при воздействии вибрации G, а также от воздействия на пьезоэлементы 2 и 9 температуры Т, через первый режекторный фильтр 15 с полосой пропускания, исключающей частоту напряжения постоянной частоты и амплитуды, генерируемую генератором высокой частоты 19, усиленный первым усилителем заряда 16 и поступающий на вход A микроконтроллера 26, является сигналом о динамическом давлении ΔР, с погрешностью измерения динамического давления ΔР от воздействия статического давления Р, вибрации G, температуры Т.
2
Электрический заряд, снимаемый с электродов второго пьезоэлемента 6, зависящий от деформаций пьезоэлемента 6 при воздействии вибрации, а также от воздействия на пьезоэлемент 6 температуры Т, через второй режекторный фильтр с полосой пропускания, исключающей частоту напряжения постоянной частоты и амплитуды, генерируемую генератором высокой частоты 19, усиленный вторым усилителем заряда 18 и поступающий на вход А микроконтроллера 26, является сигналом о вибрации G, с погрешностью измерения вибрации G от воздействия температуры Т.
Устройство для измерения давления работает следующим образом.
1
2
3
4
1
4
Ρ
ΔΡ
G
T
Ρ
ΔP
ΔΡ
G
T
ΣΡ
Напряжение постоянной частоты и амплитуды, поступающее на вход первой мостовой измерительной цепи 20 с генератора высокой частоты 19, преобразуется мостовой измерительной цепью 20 в выходное напряжение разбаланса первой мостовой измерительной цепи 20, которое зависит от зазоров 13 и 14, меняющихся от деформаций пьезоэлементов 2 и 9 от перемещений L штока 1 при воздействии на шток 1 статического давления Р, динамического давления ΔР, вибрации G, температуры Т, от деформаций пьезоэлементов 2, 6, 9 при воздействии вибрации G, а также от воздействия на пьезоэлементы 2, 6, 9 температуры Т, и определяющих емкости конденсаторов C и С, причем если при перемещении L штока 1 зазор 13 изменяется на величину ΔL, то зазор 14 изменяется на величину ΔL, усиливается первым усилителем сигнала разбаланса мостовой измерительной цепи 21, преобразуется выпрямителем 22 с верхним значением полосы пропускания, не превышающим нижние значения частотных диапазонов динамического давления ΔР и вибрации G, в сигнал о статическом давлении Р, в котором присутствует ошибка измерения статического давления Р от воздействия температуры Т, и поступает на вход А микроконтроллера 26. Сигнал с выхода источника питания постоянного тока 23, поступающий на вход второй мостовой измерительной цепи 24, преобразуемый второй мостовой измерительной цепью 24 в выходное напряжение разбаланса второй мостовой измерительной цепи 24, которое зависит от сопротивлений резисторов R3 и R4, зависящих от температуры Т, усиливаемый вторым усилителем сигнала разбаланса мостовой измерительной цепи и поступающий на вход А микроконтроллера 26, является сигналом о воздействии температуры Т. Микроконтроллер 26 с использованием сигналов, поступающих на входы А-А, преобразованных микроконтроллером 26 в цифровые коды, а также с использованием внесенных в виде кода в память микроконтроллера 26 при предварительной настройке устройства значений статического давления Р, динамического давления ΔP, вибрации G, температуры Т и соответствующих им значений статического давления в виде кода с выхода N, динамического давления в виде кода с выхода N, вибрации в виде кода с выхода N, температуры в виде кода с выхода N, являющихся выходными сигналами микроконтроллера 26, вычисляет в виде кодов значения сигналов коррекции ошибки измерения динамического давления ΔР от воздействия статического давления Р, вибрации G и температуры Т, коррекции ошибки измерения вибрации G от воздействия температуры Т, коррекции ошибки измерения статического давления Ρ от воздействия температуры Т и вычисляет скорректированное значение статического давления Р, которое в виде кода поступает на выход N, значение динамического давления суммарного давления N, которое в виде кода поступает на выход N, значение вибрации, которое в виде кода поступает на выход суммарного давления N, значение температуры N, а также вычисляет значение суммарного давления ΣР=Р+ΔР, которое в виде кода поступает на выход N.
Технический результат заключается в повышении точности измерения за счет коррекции погрешности измерения статического давления от воздействия температуры, коррекции погрешности измерения динамического давления от воздействия статического давления, вибрации и температуры, коррекции погрешности измерения вибрации от воздействия температуры, а также увеличении функциональных возможностей за счет измерения статического давления, вибрации и температуры.