УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ
DYNAMIC PRESSURE METER

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике, в частности к средствам измерения давления, и может быть использовано при измерении динамического давления совместно с пьезоэлектрическими датчиками динамического 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].
Недостатком данного устройства является низкая точность измерения, обусловленная различием зависимостей температур пьезоэлементов от температур водной и воздушной сред.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство для измерения давления [SU патент 1758456 A1, G01L 11/00. Устройство для измерения давления. Опубл. 15.08.1992. Бюл. №32]. Устройство содержит датчик и блок измерения. Датчик выполнен в виде корпуса с мембраной, в котором установлен пьезоэлемент из пористой пьезокерамики, токосъемник, узел поджатия пьезоэлемента. Блок измерения содержит два компаратора, три нормирующих усилителя, мостовую измерительную схему, генератор, усилитель переменного тока, выпрямитель, АЦП, цифровой индикатор и таймер. Данное устройство используют для измерения давления, влажности и температуры рабочей среды. Конструкцией предусмотрено поочередное измерение давления, влажности и температуры.
Недостатками данного устройства являются низкое быстродействие устройства, обусловленное поочередным измерением температуры и динамического давления, а также низкая точность измерения давления из-за отсутствия у устройства коррекции температурной погрешности измерения давления.
Целью заявляемого изобретения является повышение быстродействия устройства путем одновременного измерения температуры и динамического давления, повышение точности устройства при измерении динамического давления путем коррекции температурной погрешности измерения динамического давления.
Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения давления, содержащее пьезоэлемент и измерительный блок, состоящий из генератора переменного тока, усилителя переменного тока и выпрямителя, причем пьезоэлемент подключен к выходу генератора переменного тока, а выход генератора переменного тока - к усилителю переменного тока, согласно предлагаемому изобретению дополнительно введены полосовой фильтр, фильтр нижних частот и микроконтроллер, причем усилитель переменного тока выполнен широкополосным и соединен с полосовым фильтром и фильтром нижних частот, а полосовой фильтр через выпрямитель соединен с первым входом микроконтроллера, второй вход которого подключен к фильтру нижних частот.
Введение полосового фильтра, фильтра нижних частот позволяет повысить быстродействие устройства. Суммарный сигнал о динамическом давлении и температуре, поступающий с пьезоэлемента, проходя через полосовой фильтр и фильтр нижних частот, преобразуется в сигнал о температуре и динамическом давлении соответственно.
Введение микроконтроллера позволяет повысить точность устройства при измерении динамического давления за счет коррекции температурной погрешности измерения динамического давления путем вычисления микроконтроллером значения сигнала температурной коррекции, получаемого с использованием внесенных в виде кода в память микроконтроллера при предварительной настройке устройства значений температуры, значений динамического давления и соответствующих им значений выходных сигналов устройства о температуре и о динамическом давлении и вычитания значения сигнала температурной коррекции из значения нескорректированного сигнала об измеренном динамическом давлении.
На фиг. 1 представлена структурная схема устройства измерения динамического давления.
Устройство измерения динамического давления содержит пьезоэлемент 1 и измерительный блок 2, который состоит из генератора переменного тока 3, усилителя широкополосного 4, полосового фильтра 5, выпрямителя 6, фильтра нижних частот 7 и микроконтроллера 8. Причем выход пьезоэлемента 1 подключен к выходу генератора переменного тока 3, а выход генератора переменного тока 3 - к усилителю широкополосному 4, который соединен с полосовым фильтром 5 и фильтром нижних частот 7, а полосовой фильтр 5 через выпрямитель 6 соединен с первым входом микроконтроллера 8, второй вход которого подключен к фильтру нижних частот 7.
1
i1
ПЭ
ПЭ
Пьезоэлемент 1 представлен в виде эквивалентной схемы замещения, которая состоит из источника тока I с внутренним сопротивлением R, и комплексного сопротивления пьезоэлемента, которое состоит из активного сопротивления пьезоэлемента R и реактивного сопротивления емкости пьезоэлемента С.
3
i3
3
Генератор переменного тока 3 представлен в виде эквивалентной схемы замещения, содержащей источник синусоидального тока I стабильной амплитуды и стабильной частоты и внутреннее сопротивление R, причем значение частоты f синусоидального тока I генератора переменного тока 3 превышает верхнюю границу частотного диапазона изменения динамического давления P.
Устройство измерения динамического давления работает следующим образом.
3
3
ПЭ
ПЭ
1
1
3
T
T
P
T
P
P
На пьезоэлемент 1 с генератора переменного тока 3 подается токовый сигнал I стабильной частоты и амплитуды, причем значение частоты превышает максимальное значение частотного диапазона динамического давления P. Зависимость падения напряжения амплитуды токового сигнала I с генератора переменного тока 3 на комплексном сопротивлении пьезоэлемента 1 от температуры используется для измерения температуры T, воздействующей на пьезоэлемент 1. Комплексное сопротивление пьезоэлемента 1 определяется параллельным соединением активного сопротивления R и реактивного сопротивления емкости С пьезоэлемента 1, однозначно зависящих от температуры T. При воздействии динамического давления P в пьезоэлементе 1 возникает ток I, значение которого пропорционально значению динамического давления P. Суммарный сигнал, состоящий из токовых сигналов I и I снимается с выходов пьезоэлемента 1, усиливается усилителем широкополосным 4, затем поступает на вход полосового фильтра 5 с нижней границей полосы пропускания, которая превышает максимальное значение частотного диапазона динамического давления P, для выделения из суммарного сигнала о температуре T, а также поступает на фильтр нижних частот 7 с полосой пропускания, соответствующей максимальному значению частотного диапазона динамического давления P, для выделения из суммарного сигнала о давлении P. С выхода полосового фильтра 5 сигнал о температуре T поступает на вход выпрямителя 6, где преобразуется в сигнал постоянного тока и поступает на первый вход A микроконтроллера 8, преобразуется микроконтроллером 8 в цифровой код, соответствующий измеренному значению температуры T, и поступает на выход N микроконтроллера 8. С выхода фильтра нижних частот 7 сигнал о давлении P поступает на второй вход A микроконтроллера 8, далее микроконтроллером 8 корректируется температурная погрешность измерения динамического давления P путем вычисления микроконтроллером 8 значения сигнала температурной коррекции, получаемого с использованием внесенных в виде кода в память микроконтроллера 8 при предварительной настройке устройства кодовых значений температуры T, значений динамического давления P и соответствующих им значений выходных сигналов устройства N и N и вычитания его из значения нескорректированного сигнала об измеренном динамическом давлении P. Скорректированное значение сигнала об измеренном давлении преобразуется в цифровой код, который поступает на выход N микроконтроллера 8.
Технический результат заключается в повышении быстродействия устройства путем одновременного измерения температуры и динамического давления, повышении точности устройства при измерении динамического давления путем коррекции температурной погрешности измерения динамического давления.