RU2024830C1

RU2024830C1 - Unit for measuring pressure

Info

Publication number: RU2024830C1
Authority: RU
Inventors: В.А. Зиновьев; А.В. Кузекмаев
Original assignee: Научно-исследовательский институт физических измерений
Priority date: 1991-06-14
Filing date: 1991-06-14
Publication date: 1994-12-15

Abstract

FIELD: measuring instruments. SUBSTANCE: unit has pressure gauge having case, diaphragm provided with the first bridge circuit that includes resistance strain gauges 11-14 and two temperature-sensitive resistors 15,16 connected in opposite arm of the third bridge circuit. The unit also has power source, the first, second and third amplifiers 25,32,,28, adder 26, comparator unit 29, the first and second controller dividers 30,31, voltage controller 24, and recorder 27. The unit has additional diaphragm 6 provided with the second bridge circuit that includes resistance strain gauges 19-22. Opposite side of the diaphragm is formed with space 7 coupled with the atmosphere through passage 8 and insulated from fluid to be measured. EFFECT: enhanced accuracy. 3 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам дистанционного измерения давления с тензорезисторными датчиками, и может быть использовано для измерения давления жидких и газообразных сред в широком диапазоне температур при работе в условиях повышенного давления окружающей среды. Транзисторные датчики давления известны (1). The invention relates to measuring technique, namely to devices for remote pressure measurement with strain gauge sensors, and can be used to measure the pressure of liquid and gaseous media in a wide temperature range when operating under high ambient pressure. Transistor pressure sensors are known (1).

Известен датчик давления, содержащий корпус с закрепленной в нем мембраной, на которой сформированы тензорезисторы, соединенные в два измерительных моста, причем тензорезисторы одного моста расположены попарно симметрично с тензорезисторами другого относительно центра мембраны, температурные коэффициенты сопротивления и тензочувствительные тензорезисторы одного моста на порядок больше соответствующих коэффициентов тензорезисторов другого моста, коэффициенты тензочувствительности резисторов обоих мостов имеют один и тот же порядок (2). A pressure sensor is known, comprising a housing with a membrane fixed on it, on which strain gages are formed, connected to two measuring bridges, moreover, the strain gages of one bridge are arranged in pairs symmetrically with the strain gages of the other relative to the center of the membrane, the temperature resistance coefficients and the strain gages of one bridge are an order of magnitude greater than the corresponding coefficients strain gages of the other bridge, the strain sensitivity coefficients of the resistors of both bridges have the same dock (2).

Конструкция этого датчика не обеспечивает защиту упругого элемента от перегрузок, вызванных повышенным давлением окружающей среды в процессе эксплуатации, что приводит к изменению начального выходного сигнала и чувствительности датчика и в свою очередь, к снижению точности измерения. The design of this sensor does not protect the elastic element from overloads caused by increased environmental pressure during operation, which leads to a change in the initial output signal and the sensitivity of the sensor and, in turn, to a decrease in measurement accuracy.

Целью измерения является повышение точности измерения за счет исключения влияния повышенного давления окружающей среды. The purpose of the measurement is to increase the accuracy of the measurement by eliminating the influence of increased ambient pressure.

Эта цель достигается тем, что в устройство для измерения давления, включающее датчик давления с установленной в корпусе первой мембраной, на которой сформирован первый измерительный мост из тензорезисторов, выход которого через первый усилитель подключен к первому входу сумматора, соединенного своим выходом с регистрирующим прибором, а также включающее второй измерительный мост из тензорезисторов одинаковой топологии с первым, вход которого подключен к источнику питания, а выход - ко входу второго усилителя, введены блок компараторов, первый и второй управляемые делители, регулятор напряжения и третий измерительный мост с третьим усилителем на выходе, а датчик давления снабжен второй мембраной, идентичной первой мембране, образующей в корпусе полость, сообщенную с атмосферой и изолированную от измеряемой среды, а также двумя терморезисторами расположенными на первой мембране и включенными в противоположные плечи третьего измерительного моста, вход которого подключен к источнику питания, при этом второй измерительный мост расположен на второй мембране, выход второго усилителя соединен со вторым входом сумматора, выход третьего усилителя соединен со входом блока компараторов, выходы которого соединены соответственно с входами первого и второго управляемых делителей, выход первого из которых подключен к третьему входу сумматора, а выход второго - к первому входу регулятора напряжения, второй вход которого подсоединен к источнику питания, а выход - ко входу первого измерительного моста. This goal is achieved by the fact that in a device for measuring pressure, including a pressure sensor with a first membrane installed on the housing, on which the first measuring bridge is formed of strain gauges, the output of which through the first amplifier is connected to the first input of the adder connected to the recording device by its output, and also including a second measuring bridge of strain gauges of the same topology with the first, the input of which is connected to a power source, and the output to the input of the second amplifier, a comparator unit is introduced, the first and second controlled dividers, a voltage regulator and a third measuring bridge with a third amplifier at the output, and the pressure sensor is equipped with a second membrane identical to the first membrane forming a cavity in communication with the atmosphere and isolated from the measured medium, as well as two thermistors located on the first membrane and included in the opposite shoulders of the third measuring bridge, the input of which is connected to a power source, while the second measuring bridge is located on the second membrane, the output of the second about the amplifier is connected to the second input of the adder, the output of the third amplifier is connected to the input of the comparator unit, the outputs of which are connected respectively to the inputs of the first and second controlled dividers, the output of the first of which is connected to the third input of the adder, and the output of the second to the first input of the voltage regulator, the second the input of which is connected to a power source, and the output to the input of the first measuring bridge.

На фиг. 1 показана конструкция тензорезисторного датчика давления; на фиг. 2 - размещение тензорезисторов на мембране (топология); на фиг.3 - структурная схема устройства. In FIG. 1 shows the design of a strain gauge pressure sensor; in FIG. 2 - placement of strain gauges on the membrane (topology); figure 3 is a structural diagram of a device.

Устройство включает датчик давления 1 (фиг.3) и измерительный блок 2 (фиг. 3). Датчик давления содержит корпус 3, соединенный со штуцером 4. В корпусе 3 выполнены измерительная мембрана 5 и дополнительная мембрана 6. Полость 7 соединена с окружающей средой каналом 8 и изолирована от измеряемого давления крышкой 9. К корпусу 3 прикреплены герметичный кожух 10. На измерительной мембране сформированы первая мостовая измерительная схема из тензорезисторов 11-14 и два терморезистора 15, 16. Терморезисторы включены в противоположные плечи третьей мостовой схемы, два других плеча которой образованы резисторами 17, 18, расположенными в измерительном блоке. На дополнительной мембране 6 сформирована вторая мостовая схема из тензорезисторов 19-22, идентичных тензорезисторам 11-14. Контактные площадки 23 служат для подключения измерительных мостов и терморезисторов к общей измерительной схеме. К входной диагонали первой мостовой схемы через регулятор напряжения 24 подводится напряжение U_пит. источника питания. К входным диагоналям второй и третьей мостовых схем подводится напряжение U_пит. источника питания. Выход первой мостовой измерительной схемы подключен к входу усилителя 25, соединенного своим выходом с первым входом сумматора 26, выход которого подключен к измерительному прибору 27. Выход третьей мостовой схемы соединен со входом усилителя 28, выход которого подключен к входу блока компараторов 29, выходы которого соединены со входами управляемых делителей 30, 31. выход управляемого делителя 30 соединен со вторым входом сумматора 26, а выход управляемого делителя 31 с регулятором напряжения 24. Выход второй мостовой схемы подключен ко входу усилителя 32, выход которого соединен с третьим входом сумматора 26.The device includes a pressure sensor 1 (Fig. 3) and a measuring unit 2 (Fig. 3). The pressure sensor includes a housing 3 connected to the nozzle 4. In the housing 3 there is a measuring membrane 5 and an additional membrane 6. The cavity 7 is connected to the environment by a channel 8 and is isolated from the measured pressure by a cover 9. A sealed casing 10 is attached to the housing 3. On the measuring membrane the first bridge measuring circuit is formed from strain gauges 11-14 and two thermistors 15, 16. Thermistors are included in the opposite arms of the third bridge circuit, the other two arms of which are formed by resistors 17, 18 located in the measuring unit. On the additional membrane 6, a second bridge circuit is formed from strain gages 19-22 identical to strain gages 11-14. Contact pads 23 are used to connect the measuring bridges and thermistors to a common measuring circuit. To the input diagonal of the first bridge circuit through the voltage regulator 24 is supplied voltage U _pit. power source. To the input diagonals of the second and third bridge circuits voltage U _pit. power source. The output of the first bridge measuring circuit is connected to the input of the amplifier 25, connected by its output to the first input of the adder 26, the output of which is connected to the measuring device 27. The output of the third bridge circuit is connected to the input of the amplifier 28, the output of which is connected to the input of the comparator unit 29, the outputs of which are connected with the inputs of the controlled dividers 30, 31. the output of the controlled divider 30 is connected to the second input of the adder 26, and the output of the controlled divider 31 with a voltage regulator 24. The output of the second bridge circuit is connected to the input of the amplifier an amplifier 32, the output of which is connected to the third input of the adder 26.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

При подаче измеряемого давления через штуцер 4 на измерительную мембрану 5, последняя прогибается. Тензорезисторы 11-14 испытывают деформацию. Вследствие этого на выходе первой мостовой схемы появляется сигнал, пропорциональный измеряемому давлению, который усиливается усилителем 25 и через сумматор 26 поступает на измерительный прибор 27. Часть измерительной схемы, включающая третью мостовую схему, усилитель 28, блок компараторов 29, управляемые делители 30, 31, регулятор напряжения 24, осуществляет компенсацию температурной погрешности устройства. When applying the measured pressure through the nozzle 4 to the measuring membrane 5, the latter bends. Strain gages 11-14 experience deformation. As a result, a signal proportional to the measured pressure appears at the output of the first bridge circuit, which is amplified by an amplifier 25 and fed to a measuring device 27 through an adder 26. A part of the measuring circuit, including a third bridge circuit, an amplifier 28, a comparator unit 29, controlled dividers 30, 31, voltage regulator 24, compensates for the temperature error of the device.

Изменение давления окружающей среды вызывает деформации корпуса датчика, а следовательно, и деформации жестко связанной с ним измерительной мембраны, что приводит к изменению выходного сигнала первой мостовой схемы (увеличению измерительной погрешности). A change in environmental pressure causes deformation of the sensor housing, and, consequently, deformation of the measuring membrane rigidly connected with it, which leads to a change in the output signal of the first bridge circuit (an increase in the measurement error).

Одновременно давление окружающей среды через канал 8 и полость 7 подается на дополнительную мембрану 6. Тензорезисторы 19-22 испытывают деформацию и на выходе второй мостовой схемы появляется сигнал, пропорциональный изменению давления окружающей среды, который усиливается усилителем 32 и поступает на третий инвертирующий вход сумматора 26, где вычитается из выходного сигнала первой мостовой схемы и обеспечивает тем самым коррекцию погрешности выходного сигнала датчика, возникающую в результате изменения давления окружающей среды. Для того, чтобы изменение давления окружающей среды оказывало одинаковое воздействие на первую и вторую мостовые схемы, диаметр и толщина измерительной и дополнительной мембран выбраны одинаковыми. Кроме того, измерительная и дополнительная мембраны расположены симметрично относительно оси симметрии датчика, а тензорезисторы первой и второй мостовых схем идентичны. At the same time, the ambient pressure through the channel 8 and the cavity 7 is supplied to the additional membrane 6. The strain gauges 19-22 are deformed and a signal proportional to the change in the ambient pressure appears at the output of the second bridge circuit, which is amplified by the amplifier 32 and fed to the third inverting input of the adder 26, where it is subtracted from the output signal of the first bridge circuit and thereby provides correction of the error of the output signal of the sensor resulting from changes in environmental pressure. In order for the change in environmental pressure to have the same effect on the first and second bridge circuits, the diameter and thickness of the measuring and additional membranes are chosen the same. In addition, the measuring and additional membranes are located symmetrically with respect to the axis of symmetry of the sensor, and the strain gauges of the first and second bridge circuits are identical.

Таким образом, выходной сигнал устройства зависит только от измеряемого давления, а изменение давления окружающей среды практически не влияет на выходную характеристику. Thus, the output signal of the device depends only on the measured pressure, and a change in environmental pressure practically does not affect the output characteristic.

Использование предлагаемого устройства для измерения давления позволяет повысить точность измерения примерно на порядок за счет исключения погрешности, возникающей от изменения давления окружающей среды. Using the proposed device for measuring pressure can improve the accuracy of the measurement by about an order of magnitude by eliminating the error arising from changes in environmental pressure.

Claims

DEVICE FOR PRESSURE MEASUREMENT, including a pressure sensor with a first membrane installed on the housing, on which the first measuring bridge is formed of strain gauges, the output of which through the first amplifier is connected to the first input of the adder, connected to the recording device by its output, and also including the second measuring bridge from strain gauges the same topology with the first, the input of which is connected to a power source, and the output to the input of the second amplifier, characterized in that, in order to improve the measurement accuracy , a unit of comparators, a first and second controlled dividers, a voltage regulator and a third measuring bridge with a third amplifier at the output are introduced into it, and the pressure sensor is equipped with a second membrane identical to the first membrane forming a cavity in communication with the atmosphere and isolated from the measured medium, as well as two thermistors located on the first membrane and included in the opposite arms of the third measuring bridge, the input of which is connected to a power source, while the second measuring bridge is made of tenso resistors are located on the second membrane, the output of the second amplifier is connected to the second input of the adder, the output of the third amplifier is connected to the input of the comparator unit, the outputs of which are connected respectively to the inputs of the first and second controlled dividers, the output of the first of which is connected to the third input of the adder, and the output of the second to the first input of the voltage regulator, the second input of which is connected to a power source, and the output to the input of the first measuring bridge.