Устройство для измерения давления

 

Использование: изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления с токовой регистрацией выходного сигнала. Сущность изобретения: с целью повышения точности измерения за счет коррекции погрешности от нелинейности и температурной погрешности датчика, в схему обработки сигнала тензорезисторного датчика давления 3, включающую два операционных усилителя 1(А1), 2(А2), четыре транзистора VTI - VT4, стабилитрон VDI и резисторы, введены дополнительные резисторы R₉, R₁₀, R₁₁, R₁₂, R₁₃, R₁₄ и диод VD2. 2 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в устройствах измерения давления с токовым выходным сигналом.

Известно устройство для измерения давления, содержащее дифференциальный усилитель, усилитель постоянного тока, транзисторы и резисторы [1].

Недостатком известного устройства является невозможность подключения датчика с четырьмя активными тензорезисторами (стандартных датчиков с мостовой схемой включения тензорезисторов), что существенно снижает точность измерения и ограничивает функциональные возможности.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство для измерения давления, содержащее тензорезисторы, соединенные в мостовую схему, два операционных усилителя, четыре транзистора, стабилитрон и резисторы, причем выводы измерительной диагонали мостовой схемы через первый и второй резисторы подключены соответственно к инвертирующему и неинвертирующему входам первого операционного усилителя, выход которого соединен с базой первого транзистора, эмиттер которого соединен через третий резистор с инвертирующим входом первого операционного усилителя, а через четвертый резистор с эмиттером второго транзистора, куда через пятый резистор подключен неинвертирующий вход первого операционного усилителя, база второго транзистора соединена с пеpвым выводом стабилитрона, эмиттером третьего транзистора, инвертирующим входом второго операционного усилителя и первым выводом шестого резистора, а второй вывод шестого резистора и выводы питания операционных усилителей соединены с первой выходной клеммой, а вторая выходная клемма, последовательно с которой включен измеритель тока, соединена с эмиттером четвертого транзистора и через седьмой резистор с базой третьего транзистора и выходом второго операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с первым выводом диагонали питания моста и через восьмой резистор с коллектором четвертого транзистора, вторыми выводами питания операционных усилителей и вторым выводом стабилитрона, база четвертого транзистора соединена с коллектором третьего, а коллектор первого транзистора со вторым выводом диагонали питания моста [2].

Недостатком известного устройства является невозможность коррекции погрешности от нелинейности функции преобразования датчика и температурой погрешности, что ограничивает точность преобразования давления.

Согласно изобретению в устройстве для измерения давления, содержащем тензорезисторы, соединенные в мостовую схему, два операционных усилителя, четыре транзистора, стабилитрон и резисторы, причем выводы измерительной диагонали мостовой схемы через первый и второй резисторы подключены соответственно к инвертирующему и неинвертирующему входам первого операционного усилителя, выход которого соединен с базой транзистора, эмиттер которого соединен через третий резистор с инвертирующим входом первого операционного усилителя, а через четвертый резистор с эмиттером второго транзистора, к которому через пятый резистор подключен неинвертирующий вход первого операционного усилителя, база второго транзистора соединена с первым выводом стабилитрона, эмиттером третьего транзистора, инвертирующим входом второго операционного усилителя и первым выводом шестого резистора, а второй вывод шестого резистора, первый вывод диагонали питания моста и первые выводы питания операционных усилителей соединены с первой выходной клеммой, а вторая выходная клемма соединена с эмиттером четвертого транзистора и через седьмой резистор с базой третьего транзистора и выходом второго операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен со вторым выводом диагонали питания моста и через восьмой резистор с коллектором четвертого транзистора, вторыми выводами питания операционных усилителей и вторым выводом стабилитрона, база четвертого транзистора соединена с коллектором третьего транзистора, введен девятый резистор, первый вывод которого соединен с первой выходной клеммой, а второй вывод с коллектором первого транзистора и первым выводом введенного десятого транзистора, второй вывод которого соединен со вторым выводом диагонали питания моста, а коллектор второго транзистора соединен с первыми выводами введенных одиннадцатого и двенадцатого резисторов, второй вывод одиннадцатого резистора соединен со вторым выводом диагонали питания моста, а второй вывод двенадцатого резистора соединен с коллектором четвертого транзистора. Кроме того, согласно изобретению, в устройство введен дополнительный тринадцатый резистор, первый вывод которого соединен со вторым выводом диагонали питания моста, а второй вывод - с инвертирующим или неинвертирующим входом первого операционного усилителя. Кроме того, согласно изобретению в устройство введены дополнительные, последовательно соединенные четырнадцатый резистор и диод, причем один из выводов четырнадцатого резистора подключен ко второму выводу диагонали питания моста, а один из выводов диода подключен к коллектору четвертого транзистора или к первому выводу диагонали питания моста.

Компенсация нелинейности функции преобразования датчика в устройстве осуществляется путем автоматического изменения тока питания датчика в зависимости от выходного тока I вых., пропорционального давлению. А от тока питания датчика I д зависит коэффициент преобразования (чувствительность) всего устройства для измерения давления. Компенсация мультипликативной составляющей температурной погрешности осуществляется в устройстве путем автоматического измерения, в зависимости от температуры, тока питания датчика. А от тока питания датчика зависит коэффициент преобразования (чувствительность) всего устройства для измерения давления. Компенсация аддитивной составляющей температурной погрешности осуществляется в устройстве путем автоматического суммирования на входе первого операционного усилителя с основным измерительным сигналом с измерительной диагонали моста, сигнала, пропорционального температуре, снимаемого со второго вывода диагонали питания моста.

При работе устройства с низкоомными датчиками, требующими ток питания датчика 10 мА и более, общий ток устройства, являющийся выходным информативным параметром, будет более 10 мА, т. к. в этот выходной ток кроме тока питания датчика будет входить еще и ток питания стабилитрона и операционных усилителей. Стандартным унифицированным сигналом является выходной ток в диапазоне 4-20 мА и поэтому при токе питания датчика более 4 мА получить выходной унифицированный сигнал в виде постоянного тока 4-20 мА не удается. Для получения выходного унифицированного сигнала 4-20 мА или 0-5 мА и т. д. при работе с низкоомными датчиками с током их питания более 4 мА в устройстве необходимо использовать трехпроводную схему соединения устройства с источником питания, включив в разрыв цепи между вторым выводом двенадцатого резистора R12 и второй выходной клеммой Х2 измеритель тока, как показано на фиг. 2. В этом случае токи питания датчика, стабилитрона и операционных усилителей поступают по отдельному проводу на выходную клемму Х2 устройства и не измеряются, и таким образом могут быть сколько угодно большими и нестабильными. Контролируется (измеряется) с помощью измерителя тока А только информативная составляющая тока, потребляемого от источника питания, протекающая через двенадцатый резистор R12. Такое трехпроводное включение устройства позволяет расширить его функциональные возможности при работе с низкоомными датчиками.

Для обеспечения в устройстве работы датчика в режиме заданного напряжения необходимо вместо стабилитрона VД1 включить шестой резистор R6, а вместо резистора R6 - стабилитрон VД1, т. е. поменять их местами (фиг. 3).

На фиг. 1 представлена электрическая схема устройства.

Устройство содержит первый 1 (А1) и второй 2 (А2) операционные усилители, датчик 3, тензорезисторы которого соединены в мостовую схему; первый R1 и второй R2 резисторы, соединяющие выводы измерительной диагонали мостовой схемы датчика соответственно с инвертирующим и неинвертирующим входами первого операционного усилителя А1. Выход усилителя А1 соединен с базой первого транзистора VТ1, эмиттер которого соединен через третий резистор R3 с инвертирующим входом усилителя A1 и через четвертый резистор R4 с эмиттером второго транзистора VТ2, откуда через пятый резистор R5 подключен неинвертирующий вход первого операционного усилителя А1. База второго транзистора VТ2 соединена с первым выводом стабилитрона VД1, эмиттером третьего транзистора VТ3, инвертирующим входом второго операционного усилителя А2 и первым выводом шестого резистора R6. Второй вывод шестого резистора R6 и первые выводы питания усилителей А1 и А2 соединены с первой выходной клеммой Х1. Вторая выходная клемма Х2, последовательно с которой от источника питания включен измеритель тока А, соединена с эмиттером четвертого транзистора VТ4 и через седьмой резистор R7 с базой третьего транзистора VТ3 и выходом усилителя А2. Неинвертирующий вход второго усилителя А2 соединен с первым выводом диагонали питания мостовой схемы датчика и через восьмой резистор R8 с коллектором четвертого транзистора VТ4, вторыми выводами питания усилителей А1 и А2 и вторым выводом стабилитрона VД1. База четвертого транзистора VТ4 соединена с коллектором третьего транзистора VТ3. Коллектор первого транзистора через девятый резистор R9 соединен с первой выходной клеммой Х1, через десятый резистор R10 со вторым выводом диагонали питания мостовой схемы датчика. Коллектор второго транзистора VТ2 соединен с первыми выводами одиннадцатого R11 и двенадцатого R12 резисторов. Второй вывод одиннадцатого резистора R11 соединен со вторым выводом диагонали питания мостовой схемы датчика, а второй вывод двенадцатого резистора R12 с коллектором четвертого транзистора VТ4. Первый вывод тринадцатого резистора R13 соединен со вторым выводом диагонали питания моста, а второй его вывод подсоединен или к инвертирующему или к неинвертирующему входу первого операционного усилителя. Последовательно соединенные четырнадцатый резистор R14 и диод VД2 одним из выводов четырнадцатого резистора подключены ко второму выводу диагонали питания моста, а один из выводов диода подключен к коллектору четвертого транзистора или к первому выводу диагонали питания моста.

Предлагаемое устройство для измерения давления, выполненное в соответствии с заявляемым решением, позволяет скорректировать погрешность нелинейности датчика с 4% до значения 0,1% при погрешности нелинейности самого устройства 0,05% при изменении напряжения питания устройства от 20 В до 35 В, что особенно важно при работе устройства от автономного источника питания.

Предлагаемое устройство для измерения давления, выполненное в соответствии с заявляемым решением, позволяет скорректировать как аддитивную, так и мультипликативную составляющие температурной погрешности с 5% на 100^оС до значения 1% на 100^оС, что особенно важно при работе устройства с полупроводниковыми датчиками давления в широком диапазоне температур.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ, содержащее транзорезисторы, соединенные в мостовую схему, два операционных усилителя, четыре транзистора, стабилитрон и резисторы, причем выводы измерительной диагонали мостовой схемы через первый и второй резисторы подключены соответственно к инвертирующему и неинвертирующему входам первого операционного усилителя, выход которого соединен с базой первого транзистора, эмиттер которого соединен через третий резистор с инвертирующим входом первого операционного усилителя, а через четвертый резистор с эмиттером второго транзистора, к которому через пятый резистор подключен неинвертирующий вход первого операционного усилителя, база второго транзистора соединена с первым выводом стабилитрона, эмиттером третьего транзистора, инвертирующим входом второго операционного усилителя и первым выводом шестого резистора, а второй вывод шестого резистора, первый вывод диагонали питания моста и первые выводы питания операционных усилителей соединены с первой выходной клеммой, а вторая выходная клемма соединена с эмиттером четвертого транзистора и через седьмой резистор с базой третьего транзистора и выходом второго операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с вторым выводом диагонали питания моста и через восьмой резистор с коллектором четвертого транзистора, вторыми выводами питания операционных усилителей и вторым выводом стабилитрона, база четвертого транзистора соединена с коллектором третьего транзистора, отличающееся тем, что оно снабжено девятым резистором, первый вывод которого соединен с первой выходной клеммой, а второй вывод с коллектором первого транзистора и первым выводом введенного десятого резистора, второй вывод которого соединен с вторым выводом диагонали питания моста, а коллектор второго транзистора соединен с первыми выводами введенных одиннадцатого и двенадцатого резисторов, второй вывод одиннадцатого резистора соединен с вторым выводом диагонали питания моста, а второй вывод двенадцатого резистора соединен с коллектором четвертого транзистора.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в него введен дополнительный тринадцатый резистор, первый вывод которого соединен с вторым выводом диагонали питания моста, а второй вывод - с инвертирующим или неинвертирующим входом первого операционного усилителя.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в него введены дополнительные последовательно соединенные четырнадцатый резистор и диод, причем один из выводов четырнадцатого резистора подключен к коллектору четвертого транзистора или к первому выводу диагонали питания моста.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3