Устройство для измерения неэлектрических величин

 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения малых перепадов пневматического давления, измерения микрорасхода или скорости потока газа. Сущность изобретения: устройство содержит емкостной дифференциальный датчик давления с эластичной мембраной и двумя пневматическими входами, преобразователь изменения емкости датчика в электрический сигнал и два блока регистрации, а также содержит следующие функциональные элементы опорный конденсатор, третий блок регистрации, источник перепада пневматического давления, два фильтра низких частот, дифференциальный усилитель и ограничитель напряжения, обеспечивающие формирование сигнала автоматической компенсации пневматического давления на эластичную мембрану датчика за счет электростатического давления на мембрану, создаваемого напряжением компенсации. Величина этого напряжения функционально связана с измеряемой неэлектрической величиной. Погрешность измерения не превышает 1-2% 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения малых перепадов пневматического давления при измерении расхода или скорости газового потока, а также для измерения малых перепадов давления, возникающих на препятствиях потоку газа.

Известно устройство для измерения малых давлений, содержащее дифференциальное реле давления с мембраной, ограничитель хода, элемент для задания силового управляющего воздействия, индикатор и электронный преобразователь [1] Известно также устройство, преобразующее давление в электрический сигнал, содержащее упругий чувствительный элемент, дифференциальный трансформатор, генератор, инвертор, компаратор, триггер и интегрирующий усилитель [2] Недостатком известных устройств является низкая чувствительность при измерении малых перепадов давления и, как следствие, невысокая точность из-за ощутимой массы подвижных элементов датчика.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство для измерения неэлектрических величин [3] которое содержит емкостной дифференциальный датчик с одним общим заземленным и двумя дифференциальными выводами, два резистора, два элемента НЕ, элемент 2И-НЕ, формирователь импульсов, два диода, два блока регистрации и входную шину, которая через первый и второй резистор подключена к входам соответственно первого и второго элементов НЕ, выходы которых подключены соответственно к первому и второму блокам регистрации и к первому и второму входам элемента 2И-НЕ, выход которого через формирователь импульсов подключен к анодам первого и второго диодов, катоды которых подключены к входам соответственно первого и второго элементов НЕ и к первому и второму дифференциальным выводам емкостного дифференциального датчика.

Это устройство позволяет измерять малые перепады давления при применении эластичной мембраны в емкостном датчике давления. Однако, нелинейность упругих свойств мембраны, различная степень натяжения эластичной мембраны от образца к образцу и изменение эластичности мембраны датчика давления в процессе длительной эксплуатации отрицательно сказывается на точности измерения малых перепадов давления.

Для повышения точности при измерении малых перепадов давления в устройствах измерения расхода или скорости движения потока газа, а также при измерениях перепада давления, образуемого на препятствиях потоку газа, в известное устройство, содержащее емкостной дифференциальный датчик с одним общим заземленным и двумя диффеpенциальными выводами, два резистора, два элемента НЕ, элемент 2И-НЕ, формирователь импульсов, два диода, два блока регистрации и входную шину, которая через первый и второй резистор подключена к входам соответственно первого и второго элементов НЕ, выходы которых подключены соответственно к первому и второму блокам регистрации и к первому и второму входам элемента 2И-НЕ, выход которого через формирователь импульсов подключен к анодам первого и второго диодов, катоды которых подключены к входам соответственно первого и второго элементов НЕ, первый дифференциальный вывод емкостного дифференциального датчика подключен к входу первого элемента НЕ, введены опорный конденсатор, выводы которого подключены к входу второго элемента НЕ и к общей шине, источник перепада давления с двумя пневматическими выходами, которые подключены соответственно к первому и второму входам емкостного дифференциального датчика, выполненного в виде датчика давления с двумя пневматическими входами, два фильтра низких частот, дифференциальный усилитель, ограничитель напряжения и третий блок регистрации, выходы первого и второго элементов НЕ через соответственно первый и второй фильтры низких частот подключены соответственно к первому инвертирующему и второму неинвертирующему входам дифференциального усилителя, выход которого через ограничитель напряжения подключен к второму дифференциальному выводу емкостного дифференциального датчика давления и к входу третьего блока регистрации.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для измерения неэлектрических величин; на фиг.2 пример выполнения устройства.

Устройство для измерения неэлектрических величин содержит емкостной дифференциальный датчик 1 давления с плюсовым "+" и минусовым "-" пневматическими входами, с одним общим заземленным выводом "а" и двумя дифференциальными выводами "б" и "в", резисторы 2 и 3, элементы НЕ 4 и 5, элемент 2И-НЕ 6, формирователь 7 импульсов, диоды 8 и 9, первый и второй блоки регистрации 10 и 11, входную шину 12, два фильтра 13 и 14 низких частот, дифференциальный усилитель 15, ограничитель 16 напряжения, третий блок регистрации 17, опорный конденсатор 18 и источник перепада давления 19.

Резисторы 2 и 3, емкость "б" датчика 1 и емкость опорного конденсатора 18 образуют две фазосдвигающие цепи, обеспечивающие временную задержку момента перехода логического состояния 1 в состояние 0 на входах элементов НЕ 4 и 5.

При равенстве временных задержек фазосдвигающих цепочек, наличии состояния "0" на входной шине 12 и в отсутствии пневмосигнала, на выходах элементов НЕ 4 и 5 одновременно появляются короткие импульсы, запускающие формирователь 7 импульсов, что обеспечивает циклический процесс заряда-разряда емкостей.

Дифференциальный сигнал на входах дифференциального усилителя 15 равен 0 и компенсирующее напряжение на дифференциальном выходе "в" датчика "1" отсутствует.

При воздействии на мембрану датчика 1 давления газа с выхода источника 19 перепада давления, емкость "б" датчика 1 увеличивается, равенство параметров фазосдвигающих цепочек нарушается и на выходе элемента НЕ 5 появляются импульсы, длительность которых пропорциональна воздействующему пневматическому сигналу.

Постоянная составляющая последовательности импульсов выделяется фильтром 14 низких частот, усиливается дифференциальным усилителем 15 и через ограничитель 16 напряжения поступает на дифференциальный вывод "в" датчика 1, уравновешивая пневматическое давление. Величина напряжения компенсации соответствует уровню пневматического сигнала и измеряется блоком 17 регистрации. При достижении напряжением уровня ограничения в ограничителе 16 информация регистрируется блоками 10 и 11.

Устройство работает следующим образом.

При наличии на входной шине 12 логического состояния 0, емкость "б" датчика 1 и емкость опорного конденсатора 18 разряжены. На выходах элементов НЕ 4 и 5, а также на входах элемента 2И-НЕ 6 состояние логической 1 запускает формирователь 7 импульсов. Импульс с формирователя 7 через диоды 8 и 9 "мгновенно" заряжает емкость "б" датчика 1 и емкость опорного конденсатора до уровня логической 1. Задний фронт импульса на входах элементов НЕ 4 и 5 задерживается в соответствии с параметрами фазосдвигающих цепочек и при их равенстве (в отсутствии давления газа на мембрану датчика 1) на выходах элементов НЕ 4 и 5 состояние логической 1 появляется одновременно и процесс повторяется. В результате на входах фильтров низких частот 13 и 14 присутствует идентичная последовательность очень коротких импульсов, а дифференциальный сигнал на входе усилителя 15 равен 0. При наличии потока газа на выходе источника 19 появляется перепад давления, который воздействует на эластичную мембрану со стороны емкости "в" датчика 1. Емкость "б" датчика 1 увеличивается и постоянная времени фазосдвигающей цепи, состоящей из емкости "б" датчика и резистора 2, увеличивается.

Поскольку постоянная времени фазосдвигающей цепи, состоящей из емкости 18 и резистора 3, не зависит от входного пневмосигнала, на входе элемента НЕ 5 переход состояния 1 в состояние 0 опережает аналогичный процесс на входе элемента НЕ 4 на интервал времени, величина которого пропорциональна давлению на эластичную мембрану датчика 1. На выходе элемента НЕ 5 появляется последовательность импульсов, длительность и постоянная составляющая которых пропорциональна уровню пневмосигнала с выхода источника 19.

Сигнал рассогласования с выхода элемента НЕ 5 через фильтр низких частот 14 поступает на неинвертирующий вход дифференциального усилителя 15 и далее через ограничитель напряжения 16 подается на емкость "в" датчика 1 и блок регистрации 17.

Напряжением U на емкости "в" дифференциального датчика 1 создает электростатическое давление Р_э.с., величина которого с учетом коэффициента пропорциональности К определяется формулой Р _э.с. К U².

Электростатическое давление возвращает мембрану в первоначальное положение с остаточной ошибкой, стремящейся к 0 при достаточно большом коэффициенте усиления в кольце обратной связи. Пневматическое давление Р_пн, создаваемое источником перепада давления 19, при достаточной степени компенсации, равно электростатическому давлению. Измеряя величину напряжения компенсации по показаниям блока регистрации 17,судят о величине давления или расхода, или скорости потока газа. Для измерителя расхода газа с применением стандартного сужающего устройства в качестве источника перепада давления, зависимость расхода от напряжения компенсации является линейной функцией. Применение в качестве источника перепада давления приемника воздушного давления (трубки ПВД) позволяет измерять скорость набегающего потока воздуха. Зависимость измеряемой скорости от напряжения компенсации при этом также линейна. Применение в измерителях расхода газа капиллярной трубки дает квадратичную зависимость измеряемого расхода газа от напряжения компенсации.

Ограничитель напряжения 16 обеспечивает ограничение величины компенсирующего напряжения U "снизу" по нулевому уровню для исключения вероятности возникновения положительной обратной связи при случайном появлении обратного течения газа, расход которого измеряется.

В этом случае обратное течение газа измеряется блоком регистрации 10.

Ограничитель 16 обеспечивает также ограничение величины компенсирующего напряжения "сверху" на уровне, не превышающем величину напряжения электрического пробоя промежутка между эластичной мембраной и емкостным электродом "в" диффеpенциального датчика 1 давления.

При больших уровнях измеряемого давления или расхода, когда напряжение компенсации достигает уровня ограничения, об измеряемой величине судят по сумме показаний блоков регистрации 11 и 17.

Точность измерения малых перепадов давления и, соответственно, расхода или скорости потока газа, определяется в основном классом точности блока регистрации 17 и практически не зависит от изменения упругих свойств эластичной мембраны датчика в процессе эксплуатации. Заявляемое устройство обладает достоинствами, присущими устройствам компенсационного типа.

Применение эластичной электропроводящей мембраны толщиной 3-10 мкм и массой до 10 мг обеспечивает минимальные затраты энергии электростатического поля на деформацию мембраны вблизи среднего положения и на преодоление силы гравитации и позволяет реализовать высокочувствительный измеритель малых перепадов давления или микрорасхода газа.

Экспериментальные исследования капиллярного микрорасходомера воздуха, построенного в соответствии с данным устройством, показали величину основной погрешности, равной 1-2% и чувствительность не хуже 0,1 л/ч.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН, содержащее емкостный дифференциальный датчик с одним общим заземленным и двумя дифференциальными выводами, два резистора, два элемента НЕ, элемент 2И-НЕ, формирователь импульсов, два диода, два блока регистрации и входную шину, которая через первый и второй резисторы подключена к входам соответственно первого и второго элементов НЕ, выходы которых подключены соответственно к первому и второму блокам регистрации и первому и второму входам элемента 2И-НЕ, выход которого через формирователь импульсов подключен к анодам первого и второго диодов, катоды которых подключены к входам соответственно первого и второго элементов НЕ, первый дифференциальный вывод емкостного дифференциального датчика подключен к входу первого элемента НЕ, отличающееся тем, что в нем емкостный дифференциальный датчик выполнен в виде емкостного датчика давления с двумя пневматическими входами и в него введены опорный конденсатор, выводы которого подключены к входу второго элемента НЕ и к общей шине, источник перепада давления с двумя пневматическими выходами, которые подключены соответственно к первому и второму пневматическим входам емкостного дифференциального датчика давления, два фильтра низких частот, дифференциальный усилитель, ограничитель напряжения и третий блок регистрации, выходы первого и второго элементов НЕ через первый и второй фильтры низких частот подключены соответственно к первому инвертирующему и к второму неинвертирующему входам дифференциального усилителя, выход которого через ограничитель напряжения подключен к второму дифференциальному выводу емкостного дифференциального датчика давления и к входу третьего блока регистрации.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2