Устройство измерения давления с емкостным датчиком в цепи обратной связи усилителя - RU2319124C2

Чертежи

Показать все 10 чертежа(ей)

Описание

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к промышленным устройствам измерения давления. В частности, к тем устройствам измерения давления, которые имеют емкостной датчик давления.

Уровень техники

Промышленные устройства измерения давления - различные манометрические преобразователи и блоки регистрации давления - могут быть изготовлены и со встроенным микропроцессором, и без него. Те преобразователи, которые включают в себя встроенные микропроцессоры, обычно имеют возможность дистанционной регулировки, а также имеют более высокие точность и линейность, но и более высокую цену. Преобразователи, изготовленные с использованием аналоговых или цифровых схем и без встроенного микропроцессора, обычно имеют более низкие точность и линейность, но и более низкую цену. Модификации, улучшающие точность и линейность преобразователей, посредством добавления сложной аналоговой или цифровой схемы, но без добавления встроенных микропроцессоров, могут привести к увеличению стоимости, уменьшению быстродействия или же и к тому, и к другому.

Имеется потребность в таком устройстве измерения давления, которое обеспечивало бы повышенные линейность и точность без увеличения стоимости из-за встроенного микропроцессора или сложной схемотехники.

Раскрытие изобретения

Раскрыто измерительное устройство для регистрации давления. Устройство измерения давления включает в себя цифровую схему синхронизатора, обеспечивающую возбуждающий синхросигнал и управляющий выходной сигнал. Устройство измерения давления включает в себя также первый интегратор.

Первый интегратор включает в себя первый ключ, управляемый управляющим выходным сигналом, первый усилитель и емкостной преобразователь давления. Емкостной преобразователь давления контактирует с жидкостью, используемой в производственном процессе. Емкостной преобразователь давления имеет первую чувствительную к давлению емкость, включенную в цепь обратной связи усилителя между первым выходом и первым входом усилителя. Первый ключ присоединен параллельно к первой чувствительной к давлению емкости. Выходной сигнал первого усилителя отображает давление.

Устройство измерения давления включает в себя первую эталонную емкость, не чувствительную к давлению и включенную между возбуждающим синхронизатором и первым входом усилителя.

Эти и различные другие особенности, а также характерные для настоящего изобретения преимущества станут очевидными при чтении нижеследующего подробного описания и рассмотрения соответствующих чертежей.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показана принципиальная схема варианта реализации устройства измерения давления.

На фиг.2 показана схема варианта реализации устройства измерения давления.

На фиг.3 показана схема варианта реализации устройства измерения давления.

На фиг.4 показана часть устройства измерения давления, включающая делитель напряжения, включенный между выходом синхронизатора и эталонным конденсатором.

На фиг.5 показан пример потенциальной схемы, создающей фиксированный потенциал, который может быть установлен в схеме перед ее использованием в устройстве регистрации давления.

На фиг.6 показана блок-схема варианта реализации устройства измерения давления.

На фиг.7 показана принципиальная схема варианта реализации устройства измерения давления.

На фиг.8 показана временная диаграмма для схемы, приведенной на фиг.7.

На фиг.9 показана принципиальная схема варианта реализации устройства измерения давления.

На фиг.10 показана временная диаграмма для схемы, приведенной на фиг.9.

На фиг.11 показана схема коррекции для улучшения согласования коэффициентов преобразования датчиков давления.

Осуществление изобретения

В приведенном ниже описании вариантов реализации, показанных на фиг.1-11, разъясняются способы и устройства для регистрации давления. Устройства измерения давления включают в себя интегратор с чувствительной к давлению емкостью, включенной в цепь обратной связи между выходом и входом усилителя. Параллельно к чувствительной к давлению емкости присоединен ключ, который периодически обнуляет электрический заряд на этой емкости. Не чувствительная к давлению емкость включена между возбуждающим напряжением и входом усилителя. Устройства измерения давления обеспечивают быстродействие, линейность и точность без повышения стоимости на встроенный микропроцессор или дополнительную сложную схемотехнику.

Устройства измерения давления - преобразователи и модули регистрации давления, могут быть выполнены в различных конфигурациях, но так, чтобы они сопрягались с компланарными фланцами, или с двумя гладкими фланцами, или с нарезными, или с другими известными манометрическими соединениями. Можно изготовить устройства как изолированные от рабочей жидкости, так и приборы, в которых емкостные датчики давления находятся в непосредственном контакте с ней. Чувствительные к давлению емкости могут быть изготовлены из различных материалов, включая металлы, стекло, керамику, кремний, сапфир, кварц, а также и из других известных материалов, используемых при конструировании емкостных датчиков давления. Чувствительные к давлению емкости могут быть изготовлены как две раздельные детали или, если требуется, оба датчика давления могут быть сформированы на одной подложке в зависимости от требований применения. Электрическая схемотехника в манометрических устройствах может включать в себя аналоговую, цифровую, дискретную, интегральную или другую специальную интегральную схему и может не требовать встроенного микропроцессора. В одном из предпочтительных вариантов схема содержит чувствительные к давлению конденсаторы, образованные на сапфире и соединенные с интегральной МОП-схемой.

На фиг.1 показана принципиальная схема варианта реализации устройства 10 измерения давления. Одно или несколько таких устройств измерения давления могут быть использованы, например, в манометрическом преобразователе для регистрации абсолютной величины давления или дифференциального давления P в промышленном производстве. Устройство 10 измерения давления включает в себя цифровую схему синхронизатора 22, создающую возбуждающий синхросигнал 24 (PH0) и управляющий сигнал 26 (PH1). Цифровая схема синхронизатора 22 может быть изготовлена по стандартной технологии с переключающими МОП-схемами, а оба выходных сигнала (PH0) и (PH1) имеют форму прямоугольных импульсов, амплитуда которых дискретно изменяется от общего по постоянному току (нулевого) уровня, обозначенного как 28, до максимальной амплитуды V_EX (удвоенной амплитуды) относительно общей шины постоянного тока 28, которая обычно представляет собой фиксированный уровень напряжения величиной 2.5-5 вольт. Сигнал прямоугольной формы PH0 обычно не совпадает по фазе с сигналом PH1. В одной из предпочтительных схем прямоугольные импульсы PH0 и PH1 перекрываются по времени.

Первый интегратор 30 включает в себя первый ключ 32, управляемый управляющим напряжением 26, первый усилитель 34 и емкостной преобразователь давления, соприкасающийся с жидкостью при промышленном применении (показано не полностью). Емкостной преобразователь давления включает в себя чувствительную к давлению емкость (C_S), включенную в цепь обратной связи 38 усилителя, т.е. между выходом 40 и входом 42 первого усилителя. Первый ключ 32 присоединен параллельно к чувствительной к давлению емкости 36. Первый ключ 32 служит для периодического обнуления заряда, сохраняющегося на чувствительной к давлению емкости 36. Неинвертирующий вход 44 усилителя соединен с общей шиной 28.

Первая эталонная емкость 47 не чувствительна к давлению P и включена, как это показано, между синхронизатором 24 и входом 42 первого усилителя.

Сенсорная емкость C_S выражается как:

где C₀ - остаточная емкость датчика при приведенном давлении P_N=0, а α - манометрический коэффициент. В уравнении 0 давление приведено к значению P_N=0, изменяющемуся от 0 до 100% по всей шкале давления.

Схема на фиг.1 обеспечивает выходной сигнал 40 (V₀) интегратора в соответствии с уравнением 1:

где V₀ и V_EX представляют собой значения удвоенной амплитуды. Устройство измерения давления 10 на фиг.1, таким образом, имеет желаемую линейную передаточную функцию между измеряемым давлением P в рабочей жидкости и его выходным электрическим сигналом V₀. Обычно C_R может быть выбрано таким, что C_R=C₀ и отношение C_R/C₀ не влияет на вид выходного сигнала, что и видно из уравнения 1. Одно или несколько устройств 10 регистрации давления, показанных на фиг.1, могут быть объединены в расширенную схему для абсолютной манометрической или дифференциальной регистрации давления. Устройство 10 регистрации давления может быть также использовано без прочей схемотехники, обеспечивая при этом выходной сигнал регистрации давления в виде прямоугольных импульсов, пиковая амплитуда которых отображает регистрируемое давление.

На фиг.2 показана принципиальная схема варианта реализации устройства измерения давления 20. Устройство измерения давления 20 включает в себя устройство измерения давления 10 (показанное на фиг.1). Ссылочные позиции на фиг.1 и фиг.2 совпадают, указывая на одинаковые или же подобные детали.

Устройство измерения давления 20 может быть использовано, например, как манометрический преобразователь для регистрации абсолютного давления Р в промышленном производстве.

Суммирующая схема 46 принимает выходной сигнал 40 (V₀) первого усилителя и первый опорный потенциал 48, создаваемый потенциальной схемой 50. Как объясняется более подробно ниже в связи с фиг.5, потенциальная схема 50 создает потенциал, который в предпочтительной реализации может быть подогнан с помощью лазерной технологии или установлен вручную перед использованием в устройстве регистрации давления 20. В качестве альтернативы, один из входов суммирующей схемы 46 может быть соединен с потенциальным выходом второго интегратора, как показано на фиг.3, 5, 6 или 7. Суммирующая схема 46 обеспечивает выходной сигнал 52 (V₀₂), отображающий давление P. Суммирующая схема 46 включает в себя операционный усилитель 54, резистор обратной связи 56 (R₂) и входной резистор 58 (R1).

Выходной сигнал 52 суммирующей схемы выражается уравнением 2:

Из уравнения 2 можно видеть, что первый член первой строки уравнения не содержит зависимости от регистрируемого давления P. Можно также видеть, что второй член второй строки есть просто линейная функция приведенного регистрируемого давления P_N. Устройство измерения давления 20 на фиг.2 имеет, таким образом, желаемую линейную передаточную функцию между регистрируемым давлением жидкости P и своим электрическим выходом 52. Для расчетного удобства датчик давления может быть сконструирован с таким C_R=C₀, что отношение C_R/C₀ может быть выведено из уравнений, например и из уравнения 2.

На фиг.3 показана схема варианта реализации устройства измерения давления 60, включающая в себя чувствительную к давлению емкость 36, которая регистрирует давление P. Устройство измерения давления 60 на фиг.3 включает в себя устройство измерения давления 20 на фиг.2, причем соответствующие ссылочные позиции на фиг.3 и фиг.2 совпадают, указывая на одинаковые или же подобные детали.

Устройство измерения давления 60 включает в себя вторую эталонную емкость 78, нечувствительную к давлению, которая включена между задающим синхросигналом 24 и входом второго усилителя 72. Устройство измерения давления 60 включает в себя второй интегратор 62, включающий в себя второй ключ 64, управляемый управляющим выходным сигналом 26, второй усилитель 66 и третью эталонную емкость 37. Третья эталонная емкость 37, постоянная и не чувствительная к давлению, включена в цепь обратной связи 68 второго усилителя между выходом 70 и входом 72 второго усилителя. Второй ключ 64 присоединен параллельно третьей эталонной емкости 37. Выход 70 второго усилителя соединен с суммирующей схемой 74 через входной резистор 76. Второй интегратор 62 выполняет ту же функцию в схеме на фиг.3, что и устройство 50 в схеме на фиг.2.

На фиг.4 показан блок 80 устройства измерения давления, подобный устройству измерения давления 60 на фиг.3, однако в схеме на фиг.4 первый делитель напряжения 82 включен между задающим синхросигналом 24 и первым эталонным конденсатором 47. Делитель напряжения 82 включает в себя постоянный резистор 84, включенный между емкостью 47 и общей шиной постоянного тока, а также регулируемый резистор 86, включенный между емкостью 47 и задающим синхросигналом 24. Регулируемый резистор 86 может представлять собой подогнанный с помощью лазерной технологии резистор или регулируемый вручную потенциометр. Первый делитель напряжения 82 обеспечивает напряжение с размахом V_E1 на емкости 47.

Второй делитель напряжения 90 включен между задающим синхросигналом 24 и второй эталонной емкостью 78. Второй делитель напряжения 90 включает в себя постоянный резистор 92, включенный между второй емкостью 78 и общей шиной постоянного тока, а также регулируемый резистор 94, включенный между емкостью 78 и задающим синхросигналом 24.

В схеме на фиг.4 выходной сигнал первого интегратора 30 соответствует уравнению 3:

причем C_R1=C₀. Скорость изменения выходного сигнала интегратора V01 в зависимости от приведенного давления P_N определяется уравнением 4:

Из уравнения 4 можно видеть, что эффективный калибровочный коэффициент для интегратора 30 составляет -(V_E1) (α). Поскольку делитель напряжения 82 может регулироваться для изменения значения V_E1, то можно видеть, что регулировка делителя напряжения 82 позволяет регулировать и эффективный калибровочный коэффициент первого интегратора 30. Эта ситуация позволяет согласовать эффективный калибровочный коэффициент первого интегратора 30 со вторым интегратором 62. Если необходимо, то второй делитель напряжения 90 может также быть использован для обеспечения дополнительной регулировки значения V_E2 для достижения эффективного согласования. Если емкость в цепи обратной связи второго интегратора 62 выбрана в качестве датчика давления, то схема 80 используется для регистрации дифференциального давления, а регулировки, задаваемые делителями напряжения 82 и 90 могут быть использованы для регулировки калибровочных коэффициентов в каждом канале для уравновешивания сигнала общей ошибки (чувствительность к давлению в трубопроводе) в выходном сигнале суммирующей схемы.

На фиг.5 показан пример регулируемой потенциальной схемы 100, создающей фиксированный потенциал, который может быть подогнан с помощью лазерной технологии или отрегулирован вручную перед его использованием в соответствующем приборе регистрации давления. Потенциальная схема 100 может быть приспособлена, например, к схеме 60, показанной на фиг.3, в качестве альтернативного способа обеспечения потенциала, аналогичного тому, что создается интегратором 62 на фиг.3. Регулируемая потенциальная схема 100 создает опорный потенциал 102 (V_Z), который подается на суммирующую схему 104. Регулируемая потенциальная схема 100 включает в себя резистивный делитель напряжения, содержащий постоянный резистор 106 и регулируемый резистор 108. Резистор 108 может представлять собой подогнанный с помощью лазерной технологии резистор или регулируемый вручную потенциометр, настраивающийся при изготовлении. Напряжение (V2), создаваемое резистивным делителем напряжения, подается на буферный усилитель 110, который, в свою очередь, создает опорный потенциал 102. Отмеченное на фиг.5 выходное напряжение суммирующей схемы V0 определяется уравнением 5:

Из уравнения 5 можно видеть, что регулирующая потенциал схема 100 позволяет регулировкой V_Z обеспечить эффективную установку нулевого уровня выходного сигнала V₀ суммирующей схемы. В суммирующей схеме 104 предпочтительно, чтобы для резисторов выполнялись следующие соотношения R1A=R1B=R1 и R2A=R2B=R2.

Схема регулировки потенциала 100 может быть реализована альтернативным образом с использованием аналогового переключаемого делителя, управляемого напряжением сопротивления, емкостного делителя или усилителя с программируемым коэффициентом передачи.

В описанных ниже вариантах реализации, соответствующих фиг.6-11, показаны способ и соответствующее устройство для регистрации дифференциального давления. Имеются два канала интегратора, причем каждый из каналов интегратора включает в себя датчик давления, независимо регистрирующий одно из двух давлений (P1, P2). Два канала интегратора согласованы в смысле отношения выходного сигнала интегратора к входному сигналу давления. Согласование каналов интегратора достигается согласованием отношения емкостей в первом канале с отношением емкостей во втором канале. Устройство измерения дифференциального давления обеспечивает быстродействие и точность без увеличения стоимости на встроенный микропроцессор или на дополнительную сложную схему.

На фиг.6 показана блок-схема варианта реализации устройства измерения давления 200. Устройство измерения давления 200 представляет собой устройство измерения дифференциального давления, регистрирующее давление P1 и давление P2 и обеспечивающее измерительные выходные сигналы 242 и 202, отображающие дифференциальное давление (P1-P2).

Измерительное устройство 200 включает в себя первую эталонную емкость 204 и вторую эталонную емкость 206. Емкости 204 и 206 (называемые также эталонными конденсаторами 204, 206) имеют значения емкости, не чувствительные к регистрируемому давлению. Предпочтительно эталонные емкости 204 и 206 имеют температурные характеристики, подобные температурным характеристикам сенсорных емкостей 210 и 230 так, что выходные сигналы 242 и 202 измерительного устройства мало подвержены температурному влиянию. Схема цифрового синхронизатора 244 в измерительном устройстве 200 подает первый и второй синхросигналы 246 и 248 на первый и второй эталонные конденсаторы 204 и 206 соответственно. Предпочтительно схема цифрового синхронизатора 244 подает также обнуляющий синхросигнал 250 на первый и второй интеграторы 208 и 228.

Первый интегратор 208 включает в себя первую чувствительную к давлению емкость 210, регистрирующую рабочее давление P1. Первый интегратор 208 имеет первый вход 212, соединенный с первой эталонной емкостью 204, и первый выход 214, сигнал которого изменяется как функция первого отношения K1 первой эталонной емкости 204 к первой чувствительной к давлению емкости 210.

Второй интегратор 228 включает в себя вторую чувствительную к давлению емкость 230, регистрирующую рабочее давление P2. Второй интегратор 228 имеет второй вход 232, соединенный со второй эталонной емкостью 206, и второй выход 234, сигнал которого изменяется как функция второго отношения K2 второй эталонной емкости 206 ко второй чувствительной к давлению емкости 230. Первое отношение K1 согласовывается со вторым отношением K2, когда первое регистрируемое давление P1 фактически совпадает со вторым регистрируемым давлением P2 в пределах диапазона измерения давления измерительным устройством 200.

Интеграторы 208 и 209 интегрируют заряд, поступающий на их соответствующие входы 212 и 232, и обеспечивают на своих выходах 214 и 234 сигнал, отображающий величину заряда или зарядового пакета, поступивших на входы 212 и 232. Чувствительные к давлению емкости 210 и 230 используются как интегрирующие конденсаторы.

В одной из предпочтительных конструкций первая и вторая чувствительные к давлению емкости 210 и 230 представляют собой согласованные датчики абсолютного давления. Но чувствительные к давлению емкости 210 и 230 могут также быть и согласованными манометрическими датчиками давления.

В другой предпочтительной конструкции первая эталонная емкость 204 согласована со второй эталонной емкостью 206. Еще в одной предпочтительной конструкции первая чувствительная к давлению емкость 210 согласована со второй чувствительной к давлению емкостью 230, когда первое регистрируемое давление фактически совпадает со вторым регистрируемым давлением в пределах диапазона измерения давления измерительным устройством 200.

Термин "согласован" в этой заявке означает, что первый компонент имеет параметр, отличающийся от такого же параметра соответствующего второго компонента, например, менее чем 0,5%.

Суммирующая схема 240 в измерительном устройстве 200 принимает первый и второй выходные сигналы интегратора 214 и 234 и обеспечивает на выходе сигнал 242. Удвоенная амплитуда выходного сигнала 242 суммирующей схемы отображает дифференциальное давление между первым и вторым регистрируемыми давлениями P1 и P2. Выходной сигнал 242 суммирующей схемы фактически представляет собой меандр с управляемым рабочим периодом. Выходной сигнал 242 суммирующей схемы имеет такое средневыпрямленное значение, что оно также отображает дифференциальное давление между первым и вторым регистрируемыми давлениями P1 и P2.

В одной из предпочтительных конструкций схема выборки 252, например сигма-дельта модулятор, принимает выходной сигнал 242 суммирующей схемы и обеспечивает цифровой выходной сигнал 202 преобразователя, отображающий дифференциальное давление. Цифровой выходной сигнал 202 может быть преобразован, по желанию, в аналоговый выход 4-20 мА. В другой предпочтительной конструкции схема выборки 252 не используется, и выходной сигнал 242 суммирующей схемы непосредственно соединяется со схемой аналогового выхода 4-20 мА (не показано). Другими словами, использование схемы выборки 252 произвольно. Суммирующая схема может соединяться непосредственно двумя проводами со схемой аналогового выхода 4-20 мА преобразователя, создающего выходной сигнал, который отображает дифференциальное давление.

Предпочтительно цифровая схема синхронизатора 244 обеспечивает сигнал 254 синхронизации выборки для схемы выборки 252. Схема выборки 252 стробирует выход схемы суммирования на временах стробирования (что называется также окнами выборки) в тот момент, когда на выходе 242 суммирующей схемы имеется сигнал, отображающий дифференциальное давление.

Схема 200 разъясняется ниже более подробно в связи с показанными на фиг.7-11 примерами.

На фиг.7 показана принципиальная схема варианта реализации устройства 300 измерения давления. Устройство 300 измерения давления представляет собой устройство измерения дифференциального давления, регистрирующее давления P1 и P2 и обеспечивающее выходной сигнал (V0) 342, отображающий дифференциальное давление ±(P1-P2). Измерительное устройство 300 подобно измерительному устройству 200, показанному на фиг.6, и включает в себя первую эталонную емкость 304 и вторую эталонную емкость 306. Показанное на фиг.7 измерительное устройство 300 не включает в себя схему выборки, такую как схема выборки 252 на фиг.6.

Цифровая схема синхронизатора 344 в измерительном устройстве 300 подает первый и второй синхросигналы 346 и 348 на первый и второй эталонные конденсаторы 304 и 306 соответственно. Как можно видеть из фиг.7, первый и второй синхросигналы представляют собой один и тот же сигнал PH0, а поэтому первый синхросигнал 346 практически находится в фазе со вторым синхросигналом 348.

Цифровая схема синхронизатора 344 также подает обнуляющий сигнал PH1 350 к первому и второму интеграторам заряда 308 и 328. Цифровая схема синхронизатора 344 и выходные сигналы PH0 и PH1 разъясняются ниже более подробно в связи с временной диаграммой на фиг.8.

Первый интегратор 308 включает в себя первую чувствительную к давлению емкость 310, регистрирующую давление P1. Первый интегратор 308 имеет первый вход 312, соединенный с первой эталонной емкостью 304, а также имеет первый выход 314. Второй интегратор 328 включает в себя вторую чувствительную к давлению емкость 330. Второй интегратор 328 имеет второй вход 332, соединенный со второй эталонной емкостью 306, а также имеет второй выход 334.

Оба интегратора 308 и 328 включают в себя дифференциальный операционный усилитель с чувствительными к давлению емкостями 310 и 330, включенными в цепь петли обратной связи между выходами операционных усилителей и их инвертирующими входами, как это показано на фиг.7. Ключи, изготовленные по твердотельной технологии, включены параллельно чувствительным к давлению емкостям 310 и 330 и используются для обнуления заряда, сохраняющегося на чувствительных к давлению емкостях, во время интервала восстановления в начале каждого интеграционного цикла. Когда сигнал PH0 изменяет состояние после интервала восстановления, то заряд оказывается связанным через эталонные емкости 304 и 306 с интеграторами и сохраняется на чувствительных к давлению конденсаторах 310 и 330. Выходное напряжение операционного усилителя после окончания интегрирования представляет собой функцию отношения эталонной емкости к сенсорной емкости.

Суммирующая схема 340 в измерительном устройстве 300 принимает первый и второй выходной сигналы интегратора 314 и 334 и обеспечивает выходной сигнал 342, амплитуда которого отображает дифференциальное давление (P2-P1). Суммирующая схема 340 содержит дифференциальный усилитель, как это показано, и амплитуда выходного сигнала суммирующей схемы отображает разность между первым и вторым выходными сигналами интегратора.

Дифференциальный усилитель суммирующей схемы содержит операционный усилитель 335, обеспечивающий суммирующий выходной сигнал 342, два входных резистора 337 и 339, включенных на входах операционного усилителя 335, резистор цепи обратной связи 343, включенный между выходом операционного усилителя и его инвертирующим входом, а также смещающий резистор 341, связывающий неинвертирующий вход операционного усилителя 335 с общей шиной.

Первый и второй выходные сигналы интегратора 314 и 334 так же, как и выходной сигнал суммирующей схемы 342, более подробно обсуждаются в связи с фиг.8.

На фиг.8 приведена временная диаграмма для устройства измерения давления 300, показанного на фиг.7. На фиг.8 горизонтальные оси 360, 362, 364, 366, 368 соответствуют времени. Вертикали соответствуют амплитудам сигналов, обозначенных на фиг.7 как PH0, PH1, V01, V02, V0.

Возбуждающий синхросигнал PH0 обозначен как 370 и представляет собой приблизительно прямоугольные импульсы. Восстанавливающий синхросигнал PH1 обозначен как 372. Восстанавливающий синхросигнал PH1 имеет уровень, обозначенный как 373, во время каждого возрастания 371 возбуждающего синхросигнала PH0. Импульс PH1 перекрывает передний фронт импульса PH0.

Выходной сигнал V01 первого интегратора обозначен как 374. Как можно видеть из фиг.8, выходной сигнал V01 первого интегратора приводится к нулевому значению или восстанавливается, что обозначено как 375, в течение каждого периода 373, когда восстанавливающий синхросигнал PH1 достаточно велик. Выходной сигнал V01 первого интегратора возрастает до ненулевого уровня 376 после каждого падения 377 амплитуды возбуждающего синхросигнала PH0.

Выходной сигнал V02 второго интегратора обозначен как 384. Как можно видеть из фиг.8, выходной сигнал V02 второго интегратора приводится к нулевому значению или восстанавливается, что обозначено как 385, в течение каждого периода 373, когда восстанавливающий синхросигнал PH1 достаточно велик. Выходной сигнал V02 второго интегратора возрастает до ненулевого уровня 386 после каждого падения 377 амплитуды возбуждающего синхросигнала PH0.

Суммирующий выходной сигнал V0 обозначен как 390. Суммирующий выходной сигнал V0 включает в себя амплитуду (V1-V2), которая может быть выбрана оптимальным образом и которая фактически пропорциональна дифференциальному давлению (P2-P1).

На фиг.9 показана принципиальная схема варианта реализации устройства измерения давления 400. Устройство измерения давления 400 представляет собой устройство измерения дифференциального давления, регистрирующее давления P1 и P2 и обеспечивающее выходной сигнал (V0) 442, отображающий дифференциальное давление ±(P1-P2). Измерительное устройство 400 подобно измерительному устройству 300, показанному на фиг.7. Условные цифровые обозначения, используемые на фиг.9, совпадают с таковыми на фиг.7, отображая те же или подобные особенности. В показанной на фиг.7 схеме 300 цифровая схема синхросигнала 344 имеет выход PH0, соединенный с первым и вторым эталонными конденсаторами 304 и 306, и, кроме того, суммирующая схема 340 обеспечивает выходной сигнал, отображающий разность между выходами 314 и 334 интеграторов. В показанной на фиг.9 схеме 400 цифровая схема синхросигнала 444 имеет логически комплементарные выходы PH0 и /PH0 (/PH0 инвертирован относительно PH0). На фиг.9 PH0 соединен с первым эталонным конденсатором 304, а /PH0 соединен со вторым эталонным конденсатором 306. На фиг.9 суммирующая схема 440 содержит суммирующий усилитель и обеспечивает суммирующий сигнал 442, отображающий сумму выходов 314 и 334 интеграторов.

По сравнению со схемой 300 на фиг.7 схема 400 на фиг.9 имеет инвертированное возбуждение, обеспечиваемое вторым эталонным конденсатором 306, а также конфигурацию суммирующей схемы 440, формирующую сумму, а не разность, эффективно нейтрализуя эффекты инверсного возбуждения на выходе 442 суммирующей схемы. И в схеме 300, и в схеме 400 выходной сигнал отображает дифференциальное давление (P2-P1). Функционирование выходных сигналов PH0, /PH0, PH1 цифровой схемы синхронизатора 444, а также выходных сигналов V01, V02 и V0 на фиг.9 более подробно разъясняются ниже в связи с фиг.10.

На фиг.10 приведена временная диаграмма для устройства измерения давления 400, показанного на фиг.9. На фиг.10 горизонтальные оси 458, 460, 462, 464, 466, 468 соответствуют времени. Вертикали соответствуют амплитудам сигналов, обозначенным на фиг.9 как PH0, /PH0, PH1, V01, V02, V0.

Первый возбуждающий синхросигнал PH0 обозначен как 470 и представляет собой приблизительно прямоугольные импульсы. Второй возбуждающий синхросигнал /PH0 обозначен как 468 и представляет собой логическую инверсию первого возбуждающего сигнала 470. Второй возбуждающий синхросигнал /PH0 находится в противофазе с первым возбуждающим сигналом PH0. Восстанавливающий синхросигнал PH1 обозначен как 472. Восстанавливающий синхросигнал PH1 имеет величину, обозначенную как 473, во время возрастания 471 первого возбуждающего синхросигнала PH0 и во время падения амплитуды второго возбуждающего синхросигнала /PH0.

Выходной сигнал первого интегратора V01 обозначен как 474. Как можно видеть из фиг.10, выходной сигнал первого интегратора V01 приводится к нулю или восстанавливается, как это обозначено номером 475 в течение каждого периода 473, когда восстанавливающий синхросигнал PH1 достаточно велик. Выходной сигнал первого интегратора V01 возрастает до ненулевого значения 476 после каждого падения 477 амплитуды возбуждающего синхросигнала PH0.

Выходной сигнал второго интегратора V02 обозначен как 484. Как можно видеть из фиг.10, выходной сигнал первого интегратора V02 приводится к нулю или восстанавливается, как это обозначено номером 485 в течение каждого периода 473, когда восстанавливающий синхросигнал PH1 достаточно велик. Выходной сигнал первого интегратора V02 падает до ненулевого уровня 486 после каждого падения 477 амплитуды возбуждающего синхросигнала PH0.

Суммирующий выходной сигнал V0 обозначен как 490. Суммирующий выходной сигнал V0 включает в себя амплитуду (V1-V2), которая может быть выбрана и которая фактически пропорциональна дифференциальному давлению (P2-P1).

На фиг.11 показан способ компенсации для улучшения согласования коэффициентов преобразования чувствительных к давлению емкостей. На фиг.11 показаны первый и второй интеграторы 520 и 522, соединенные с суммирующей схемой 530. Показанная на фиг.11 конструкция подобна приведенным на фиг.6, 7 и 9. Суммирующая схема 530 включает в себя два входных резистора 524 и 526. Чувствительные к давлению емкости CS1 и CS2 представляют собой согласованные датчики, хотя имеется чрезвычайно малое различие между их манометрическими коэффициентами в пределах диапазона измеряемых давлений. Манометрический коэффициент емкостного датчика давления представляет собой отношение изменения емкости к изменению приложенного давления, которое и приводит к изменению емкости. Для улучшения согласования манометрических коэффициентов между первой и второй сенсорными емкостями один или оба входных резистора 524 и 526 подогнаны с помощью лазерной технологии при заводской калибровке, производимой для улучшения согласования эффективных манометрических коэффициентов первой и второй емкостей.

Для емкостного датчика давления сенсорная емкость не линейно связана с регистрируемым давлением и, вообще говоря, наклон характеристической кривой определяется уравнением 6:

Однако описанные выше в связи с фиг.1-11 схемы обеспечивают выход интегратора в виде (CR/CS). Для такого выхода интегратора наклон характеристической линии определяется уравнением 7:

Из уравнения 7 можно видеть, что описанные выше в связи с фиг.1-11 схемы интегратора, имеющие сенсорную емкость CS в цепи обратной связи интегрирующего усилителя, и емкость CR, нечувствительную к давлению, включенную между входом усилителя и возбуждающим источником синхроимпульсов, дают желаемую высокую линейность характеристики. Не требуется линеаризации микропроцессором; а также не требуется дополнительных сложных аналоговых схем для обеспечения линеаризации.

Ясно, что хотя в приведенном выше описании были изложены и многочисленные характеристики, и преимущества различных вариантов реализации изобретения, причем вместе с деталями конструкции и работой различных вариантов, описание это носит лишь иллюстративный характер. Изменения в деталях возможны, особенно в конструкционных материалах, а также в конструкции тех частей, на которые принципы настоящего изобретения вполне распространяются, что следует и из общих формулировок в добавленных формулах изобретения. Например, отдельные элементы могут изменяться в зависимости от частных приложений устройства измерения давления, хотя фактически это будет та же функциональность без выхода за рамки и без отклонения от существа настоящего изобретения. Изложенные принципы могут быть применены и к другим методикам регистрации дифференциального давления без выхода за рамки настоящего изобретения.

Реферат

Изобретение относится к промышленным устройствам измерения давления, в частности к устройствам измерения давления, которые имеют емкостной датчик давления. Устройство измерения давления (10) имеет цифровую схему синхронизатора (22), обеспечивающую возбуждающий синхросигнал (24) и управляющий выходной сигнал (26). Интегратор (30) включает в себя ключ (32), управляемый управляющим сигналом (26), усилитель (34) и чувствительную к давлению емкость (36), включенную в цепь обратной связи усилителя. Ключ (32) включен параллельно первой чувствительной к давлению емкости (36). Эталонная емкость (47), не чувствительная к давлению, включена между выходом синхросигнала (24) и входом усилителя (34). Выходной сигнал усилителя отображает давление. Техническим результатом изобретения является повышение линейности и точности без увеличения стоимости. 2 н. и 25 з.п. ф-лы, 11 ил.

Формула