Преобразователь давления
Полезная модель относится к измерительной технике, в частности, к преобразователям давления и может быть использована в датчиках давления жидких и газообразных сред. Использование полезной модели позволяет повысить быстродействие преобразователя давления. Преобразователь давления включает пьезорезонансный и тензорезистивный преобразователи, совмещенные вместе на упругом элементе 1, который воспринимает измеряемое давление. С помощью формирователя сигнала ошибки 10 из выходных сигналов частотных фильтров 7 и 9 формируется сигнал ошибки, и интерполятор 11 осуществляет коррекцию статической характеристики тензорезистивного преобразователя по более точному пьезорезонансному преобразователю. В итоге выходной сигнал преобразователя давления характеризуется одновременно высокой точностью, быстродействием и временной стабильностью.
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.
1. 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, отличающийся тем, что он 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.
2. Преобразователь давления по п.1, отличающийся тем, что тензометрический мост расположен в полости упругого элемента.
3. Преобразователь давления по п.1, отличающийся тем, что упругий элемент выполнен из кварца.
4. Преобразователь давления по п.1, отличающийся тем, что поверхность упругого элемента, на которой расположен тензометрический мост, выполнена в виде мембраны.
5. Преобразователь давления по п.1, отличающийся тем, что полость упругого элемента выполнена вакуумированной.
6. Преобразователь давления по п.5, отличающийся тем, что пьезорезонатор выполнен в виде кварцевого камертона.
7. Преобразователь давления по п.1, отличающийся тем, что каналы измерения пьезорезонансного преобразователя, тензорезистивного преобразователя, формирователь сигнала ошибки и интерполятор выполнены на микроконтроллере.
