RU2042934C1

RU2042934C1 - Device for measuring non-electric values

Info

Publication number: RU2042934C1
Authority: RU
Inventors: Геннадий Евгеньевич Климашин
Original assignee: Геннадий Евгеньевич Климашин
Priority date: 1992-07-20
Filing date: 1992-07-20
Publication date: 1995-08-27

Abstract

FIELD: instruments. SUBSTANCE: device has capacitor-based differential pressure sensor with flexible diaphragm and two pneumatic inputs, converter of sensor capacitance to electric signal, and two monitoring units. In addition device has reference capacitor, two low-pass filters, differential amplifier, voltage clipper. This results in possibility generate signal for automatic compensation of pneumatic pressure to diaphragm of sensor due to electrostatic pressure to diaphragm caused by compensating voltage. Level of this voltage depends on measured value. Error in measuring is less than 1-2% EFFECT: increased precision. 2 dwg

Description

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. The invention relates to measuring technique and is intended for measuring small differences in pneumatic pressure when measuring the flow rate or velocity of the gas stream, as well as for measuring small pressure differences that occur on obstacles to the flow of gas.

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.A device for measuring low pressures is known, comprising a differential pressure switch with a membrane, a travel limiter, an element for setting a power control action, an indicator and an electronic converter [1]
A device is also known that converts pressure into an electrical signal containing an elastic sensor, a differential transformer, a generator, an inverter, a comparator, a trigger, and an integrating amplifier [2]
A disadvantage of the known devices is the low sensitivity when measuring small pressure drops and, as a consequence, low accuracy due to the perceptible mass of the moving elements of the sensor.

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. The closest in technical essence to the proposed device is a device for measuring non-electric quantities [3] which contains a capacitive differential sensor with one common ground and two differential leads, two resistors, two elements NOT, element 2I-NOT, pulse shaper, two diodes, two the registration unit and the input bus, which through the first and second resistor is connected to the inputs of the first and second elements, respectively, NOT, the outputs of which are connected respectively to the first and second blocks reg and to the first and second inputs of the 2I-NOT element, the output of which through a pulse shaper is connected to the anodes of the first and second diodes, the cathodes of which are connected to the inputs of the first and second elements of NOT and the first and second differential outputs of the capacitive differential sensor.

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. This device allows you to measure small pressure drops when using an elastic membrane in a capacitive pressure sensor. However, the nonlinearity of the elastic properties of the membrane, the varying degree of tension of the elastic membrane from sample to sample, and the change in the elasticity of the membrane of the pressure sensor during long-term operation adversely affect the accuracy of measuring small pressure drops.

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. To improve accuracy when measuring small pressure drops in devices for measuring the flow rate or velocity of a gas stream, as well as when measuring the pressure drop generated by obstacles to a gas stream, into a known device containing a capacitive differential sensor with one common ground and two differential leads, two resistors , two elements NOT, element 2I-NOT, a pulse shaper, two diodes, two recording units and an input bus, which is connected through the first and second resistors to the inputs of the first of the second and second elements NOT, the outputs of which are connected respectively to the first and second recording units and to the first and second inputs of the 2I-NOT element, the output of which through a pulse shaper is connected to the anodes of the first and second diodes, the cathodes of which are connected to the inputs of the first and second elements, respectively NOT, the first differential output of the capacitive differential sensor is connected to the input of the first element NOT, a reference capacitor is introduced, the outputs of which are connected to the input of the second element NOT and to the common bus, source pressure differential with two pneumatic outputs, which are connected respectively to the first and second inputs of a capacitive differential sensor made in the form of a pressure sensor with two pneumatic inputs, two low-pass filters, a differential amplifier, a voltage limiter and a third recording unit, the outputs of the first and second elements are NOT through respectively the first and second low-pass filters are connected respectively to the first inverting and second non-inverting inputs of the differential amplifier , The output of which via a voltage limiter connected to the second terminal differential capacitive differential pressure sensor and to the input of the third recording unit.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для измерения неэлектрических величин; на фиг.2 пример выполнения устройства. In FIG. 1 is a block diagram of a device for measuring non-electric quantities; figure 2 an example implementation of the device.

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. A device for measuring non-electric quantities contains a capacitive differential pressure sensor 1 with plus "+" and minus "-" pneumatic inputs, with one common ground terminal "a" and two differential terminals "b" and "c", resistors 2 and 3, elements NOT 4 and 5, element 2I-NOT 6, pulse shaper 7, diodes 8 and 9, first and second recording units 10 and 11, input bus 12, two low-pass filters 13 and 14, differential amplifier 15, voltage limiter 16, third registration unit 17, a reference capacitor 18 and a differential pressure source nineteen.

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. Resistors 2 and 3, the capacitance "b" of the sensor 1 and the capacitance of the reference capacitor 18 form two phase-shifting circuits that provide a time delay for the transition of the logical state 1 to state 0 at the inputs of the elements NOT 4 and 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. If the time delays of the phase-shifting chains are equal, the state “0” is present on the input bus 12 and in the absence of a pneumatic signal, short pulses simultaneously appear at the outputs of the elements 4 and 5, triggering the pulse shaper 7, which ensures a cyclic capacity charge-discharge process.

Дифференциальный сигнал на входах дифференциального усилителя 15 равен 0 и компенсирующее напряжение на дифференциальном выходе "в" датчика "1" отсутствует. The differential signal at the inputs of the differential amplifier 15 is 0 and there is no compensating voltage at the differential output "to" sensor "1".

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. When the gas pressure is exerted on the membrane of the sensor 1 from the output of the pressure differential source 19, the capacitance “b” of the sensor 1 increases, the equality of the parameters of the phase-shifting chains is violated, and pulses appear on the output of the HE 5 element, the duration of which is proportional to the acting pneumatic signal.

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. The constant component of the pulse sequence is extracted by a low-pass filter 14, amplified by a differential amplifier 15, and fed through a voltage limiter 16 to the differential output "to" of the sensor 1, balancing the pneumatic pressure. The value of the compensation voltage corresponds to the level of the pneumatic signal and is measured by the block 17 registration. When the voltage reaches the level of limitation in the limiter 16, the information is recorded by blocks 10 and 11.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

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. If there is a logical state 0 on the input bus 12, the capacitance “b” of the sensor 1 and the capacitance of the reference capacitor 18 are discharged. At the outputs of the elements NOT 4 and 5, as well as at the inputs of the 2I-NOT 6 element, the logical 1 state is triggered by the pulse shaper 7. The pulse from the shaper 7 through the diodes 8 and 9 “instantly” charges the capacitance “b” of the sensor 1 and the capacitance of the reference capacitor to the logical level 1. The trailing edge of the pulse at the inputs of the elements 4 and 5 is delayed in accordance with the parameters of the phase-shifting chains and when they are equal ( in the absence of gas pressure on the membrane of the sensor 1) at the outputs of elements NOT 4 and 5, the state of logical 1 appears simultaneously and the process repeats. As a result, an identical sequence of very short pulses is present at the inputs of the low-pass filters 13 and 14, and the differential signal at the input of the amplifier 15 is 0. If there is a gas flow at the output of the source 19, a pressure drop appears that acts on the elastic membrane from the side of the tank sensor 1. The capacitance "b" of the sensor 1 increases and the time constant of the phase-shifting circuit, consisting of the capacitance "b" of the sensor and resistor 2, increases.

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. Since the time constant of the phase-shifting circuit, consisting of the capacitor 18 and resistor 3, does not depend on the input pneumatic signal, at the input of the element HE 5 the transition of state 1 to state 0 is ahead of the same process at the input of the element HE 4 by a time interval whose value is proportional to the pressure on the elastic membrane sensor 1. At the output of the element NOT 5 appears a sequence of pulses, the duration and constant component of which is proportional to the level of the pneumatic signal from the output of the source 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. The mismatch signal from the output of the element NOT 5 through the low-pass filter 14 is fed to the non-inverting input of the differential amplifier 15 and then through the voltage limiter 16 is fed to the capacitance "in" of the sensor 1 and the registration unit 17.

Напряжением U на емкости "в" дифференциального датчика 1 создает электростатическое давление Δ Р_э.с., величина которого с учетом коэффициента пропорциональности К определяется формулой
Δ Р _э.с. К ˙ U².The voltage U on the capacitance "in" of the differential sensor 1 creates an electrostatic pressure Δ P _e.s. whose value, taking into account the proportionality coefficient K, is determined by the formula
Δ P _e.s. K ˙ U ² .

Электростатическое давление возвращает мембрану в первоначальное положение с остаточной ошибкой, стремящейся к 0 при достаточно большом коэффициенте усиления в кольце обратной связи. Пневматическое давление Δ 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.Electrostatic pressure returns the membrane to its original position with a residual error tending to 0 at a sufficiently large gain in the feedback ring. The pneumatic pressure Δ P _mon created by the differential pressure source 19, with a sufficient degree of compensation, is equal to the electrostatic pressure. Measuring the magnitude of the compensation voltage according to the readings of the registration unit 17, judge the magnitude of the pressure or flow, or gas flow rate. For a gas flow meter using a standard constriction device as a source of differential pressure, the dependence of the flow on the compensation voltage is a linear function. The use of an air pressure receiver (LDPE tube) as a source of differential pressure makes it possible to measure the speed of the incoming air flow. The dependence of the measured speed on the compensation voltage is also linear. The use of a capillary tube in gas flow meters gives a quadratic dependence of the measured gas flow on the compensation voltage.

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. The voltage limiter 16 provides a limit value of the compensating voltage U "from the bottom" to the zero level to eliminate the likelihood of positive feedback in case of accidental occurrence of the reverse gas flow, the flow rate of which is measured.

В этом случае обратное течение газа измеряется блоком регистрации 10. In this case, the reverse gas flow is measured by the registration unit 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. The limiter 16 also provides a limitation of the value of the compensating voltage "from above" at a level not exceeding the value of the electric breakdown voltage of the gap between the elastic membrane and the capacitive electrode "in" differential pressure sensor 1.

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. At high levels of the measured pressure or flow rate, when the compensation voltage reaches the limit level, the measured value is judged by the sum of the readings of the recording units 11 and 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. The accuracy of measuring small pressure drops and, accordingly, the flow rate or gas flow rate, is determined mainly by the accuracy class of the recording unit 17 and is practically independent of changes in the elastic properties of the sensor’s elastic membrane during operation. The inventive device has the advantages inherent in compensation type devices.

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. The use of an elastic electrically conductive membrane with a thickness of 3-10 μm and a mass of up to 10 mg provides the minimum energy consumption of the electrostatic field for the deformation of the membrane near the middle position and to overcome the force of gravity and allows you to implement a highly sensitive meter for small pressure drops or gas micro-flow.

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. Experimental studies of a capillary micro-flowmeter of air constructed in accordance with this device showed a basic error of 1-2% and a sensitivity of no worse than 0.1 l / h.

Claims

DEVICE FOR MEASURING NON-ELECTRIC VALUES, containing a capacitive differential sensor with one common ground and two differential outputs, two resistors, two elements NOT, element 2I-NOT, pulse shaper, two diodes, two recording units and an input bus, which is through the first and second resistors connected to the inputs of the first and second elements, respectively, NOT, the outputs of which are connected respectively to the first and second blocks of registration and the first and second inputs of the element 2I-NOT, the output of which is through the shaper pulses are connected to the anodes of the first and second diodes, the cathodes of which are connected to the inputs of the first and second elements NOT, respectively, the first differential output of the capacitive differential sensor is connected to the input of the first element NOT, characterized in that the capacitive differential sensor is made in the form of a capacitive pressure sensor with two pneumatic inputs and a reference capacitor is introduced into it, the terminals of which are connected to the input of the second element NOT and to the common bus, a differential pressure source with two pneumatically the outputs that are connected to the first and second pneumatic inputs of the capacitive differential pressure sensor, two low-pass filters, a differential amplifier, a voltage limiter and a third recording unit, the outputs of the first and second elements are NOT connected through the first and second low-pass filters to the first inverting and to the second non-inverting inputs of the differential amplifier, the output of which is connected via a voltage limiter to the second differential output differential pressure sensor and to the input of the third registration unit.