КОСВЕННЫЙ СПОСОБ НАСТРОЙКИ ТЕНЗОРЕЗИСТОРНЫХ ДАТЧИКОВ С МОСТОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ЦЕПЬЮ ПО МУЛЬТИПЛИКАТИВНОЙ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ПОГРЕШНОСТИ Российский патент 2007 года по МПК G01B7/16 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при настройке тензорезисторных датчиков с мостовой измерительной цепью по мультипликативной температурной погрешности.

Известен способ компенсации мультипликативной температурной погрешности мостовой схемы (см. «Проектирование датчиков для измерения механических величин» под редакцией Е.П.Осадчего, 1979 г.), заключающийся в установке в цепь питания мостовой измерительной схемы термозависимого компенсационного резистора R_α, номинал которого обеспечивает компенсацию максимальной мультипликативной температурной погрешности датчика для принятой технологии изготовления, параллельно которому включается термонезависимый подгоночный резистор R_д, и расчете номинала последнего через физические характеристики элементов, входящих в состав датчика.

Однако использование данного метода при настройке датчиков имеет ряд недостатков. Как видно из аналитического выражения, для определения значения термозависимого компенсационного резистора необходимо знать целый ряд физических параметров элементов, входящих в состав датчика. Например, для определения температурного коэффициента сопротивления (ТКС) α_к термозависимого компенсационного резистора R_α, установленного на упругий элемент (УЭ), необходимо знать такие физические параметры, как: ТКС материала резистора α_r, температурные коэффициенты линейного расширения (ТКЛР) резистора α_n и УЭ - α_э. Для определения температурного коэффициента чувствительности (ТКЧ) датчика α_д необходимо знать такие физические параметры, как: коэффициент тензочувствительности К_о; ТКЧ тензорезисторов α_т, установленных на УЭ; температурный коэффициент модуля упругости η_э материала УЭ и др. Как правило, данную информацию можно получить из сертификатов на применяемые материалы, однако существующие технологические разбросы при изготовлении этих материалов не позволяют использовать данную информацию в силу значительных разбросов, получаемых при определении значений компенсационных элементов. Кроме того, если датчик выполнен с применением микроэлектронной технологии (металлопленочные или полупроводниковые диффузионные датчики), данная информация отсутствует вообще. Поэтому, чтобы использовать аналитические выражения, необходимо осуществить экспериментальное определение требуемых параметров элементов, входящих в состав датчика.

Однако прямые методы определения физических параметров компенсационных элементов и элементов измерительной схемы датчика представляют определенную сложность.

Во-первых, - это чисто конструктивные и технологические затруднения, связанные с тем, что:

- определение всех физических параметров - как элементов измерительной схемы, так и компенсационных элементов необходимо проводить в собранном датчике, так как существующие перепады температур и температурных деформаций по телу датчика могут вызвать недопустимо большие погрешности при определении компенсационных элементов;

- определение всех физических параметров отдельных элементов требует, как правило, нарушение электрических связей в собранном датчике, что может привести к значительному ухудшению метрологических характеристик (в особенности это касается датчиков, выполненных с применением микроэлектронной технологии, так как эти связи заложены на самых ранних этапах формирования измерительной схемы).

Во-вторых, прямые методы измерения этих параметров, кроме большой трудоемкости, не обеспечивают требуемую точность. Так, при измерении ТКС тензорезисторов порядка 1·10^-5 1/°С с точностью до 5% требуется замер сопротивления номиналом 1000 Ом при перепаде температур в 50°С с точностью до 0,025 Ом, что составляет точность измерения 0,0025% и требует применения специальных методов измерения.

Поэтому появилась потребность разработки методики, позволяющей производить замену прямых методов измерения физических параметров конструктивных элементов датчика измерением его выходных сигналов при различных температурах. Это не только упрощает настройку датчиков, но и переход к реализации выходных сигналов датчика, как минимум, на два порядка повышает точность измерения, а соответственно, расчета и компенсации температурных погрешностей. Действительно, для рассматриваемого примера при оценке ТКС мостовой цепи с относительным выходным сигналом - выходной сигнал при воздействии номинального измеряемого параметра соответствует суммарному изменению сопротивлений плеч мостовой цепи в 10 Ом. Тогда для обеспечения замера суммарного изменения сопротивлений плеч мостовой схемы в 10 Ом через выходные сигналы датчика с точностью 0,025 Ом потребуется использование вольтметра класса не выше 0,25%, что доступно в настоящее время на любом производстве. Увеличение же класса точности используемых приборов позволит повысить точность определения ТКС и, соответственно, точность расчета компенсационных резисторов.

Кроме того, при переходе к оценке физических параметров элементов измерительной цепи через выходные сигналы появляется еще одно положительное свойство. Это свойство выражается в возможности одновременной компенсации не только мультипликативной температурной погрешности датчика от несоответствия ТКЧ тензорезисторов и температурного коэффициента модуля упругости УЭ, но и дополнительных мультипликативных температурных погрешностей от чувствительности датчика к моменту затяжки. Действительно, при проведении температурной настройки датчика с установкой его в технологическом штуцере с номинальным моментом затяжки изменение осевого усилия в резьбовой части датчика при изменении температуры непосредственно отразится на изменении выходного сигнала датчика. То есть изменение выходного сигнала датчика будет зависеть не только от несоответствия ТКЧ тензорезисторов и температурного коэффициента модуля упругости УЭ, но и от его чувствительности к моменту затяжки. Если при этом оценку ТКЧ датчика произвести через изменение выходного сигнала при изменении температуры, то расчетное значение ТКЧ датчика будет учитывать влияние чувствительности датчика к моменту затяжки.

Еще одним существенным недостатком данного метода является низкая точность оценки номинала компенсационного резистора при использовании для его расчетов имеющихся аналитических выражений. Для подтверждения этого рассмотрим пример компенсации мультипликативной температурной погрешности согласно прототипу.

Пример

Провести минимизацию мультипликативной температурной погрешности тензорезисторного датчика с мостовой измерительной цепью, входное сопротивление которой R_вх=1000 Ом, ТКС входного сопротивления α_м=0,5·10^-3 1/°С, температурный коэффициент чувствительности α_д=1·10^-3 1/°С, компенсационный термозависимый резистор R_α=500 Ом, а его ТКС α_к=4·10^-3 1/°С, напряжение питания U_n=10 В, температурный диапазон ΔТ=100°С, суммарное относительное изменение сопротивления мостовой цепи при номинальном значении измеряемого параметра .

Решение

Величина компенсационного термонезависимого резистора R_д для компенсации мультипликативной температурной погрешности можно определить в соответствии с прототипом

.

При установке компенсационного резистора в цепь питания выходной сигнал с датчика можно определить по формуле

.

При воздействии температуры выходной сигнал с датчика можно определить по формуле

Тогда мультипликативная температурная чувствительность определится как:

.

Откуда видно, что существующие методы компенсации мультипликативной температурной погрешности не обеспечивают требуемой точности и, как результат, приводят к поэтапной минимизации этой погрешности, что значительно усложняет технологию температурной настройки датчика.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка способа настройки тензорезисторных датчиков с мостовой измерительной цепью по мультипликативной температурной погрешности, который позволил бы повысить технологичность и точность компенсации мультипликативной температурной погрешности в процессе настройки.

Технический результат - повышение технологичности и точности в процессе настройки тензорезисторных датчиков с мостовой измерительной цепью по мультипликативной температурной погрешности.

Указанный технический результат достигается тем, что:

- температурную настройку датчика осуществляют после его предварительной сборки и установки в технологический штуцер с номинальным значением момента затяжки, что позволяет в процессе настройки компенсировать дополнительные мультипликативные температурные погрешности датчика от чувствительности к моменту затяжки при изменении температуры;

- определение физических параметров элементов, входящих в состав датчика, производят через определение девиации выходных сигналов датчика при разных значениях температуры без подключения и при подключении термозависимого компенсационного резистора;

- изготовление и установку термозависимого компенсационного резистора производят по технологии изготовления тензорезисторов;

- материал, из которого изготавливается технологический термозависимый компенсационный резистор, должен обладать максимальным ТКС и ТКЧ, близким к единице, а номинал его должен быть таким, чтобы обеспечить компенсацию максимально возможной мультипликативной температурной погрешности датчика, выполненного по принятой технологии;

- расчет подгоночного термонезависимого резистора производят по экспериментально определенным девиациям выходного сигнала датчика от номинального значения измеряемого параметра при разных значениях температур с подключением и без подключения термозависимого компенсационного резистора;

- установку в датчик расчетного значения подгоночного термонезависимого резистора производят в местах с наименьшими тепловыми потоками в процессе эксплуатации датчика (например, во вторичном преобразователе).

Метод определения подгоночного термонезависимого резистора R_д через девиации выходных сигналов датчика состоит в определении ТКЧ датчика α_д, ТКС α_к резистора R_α, выраженные через девиации выходных сигналов датчика, и ТКС α_м входного сопротивления мостовой цепи R_вх, определенные через замеры входного сопротивления моста при нормальной температуре и температуре эксплуатации и последующем расчете величины компенсационного резистора R_д.

В связи с тем, что аналитическое выражение для расчета подгоночного термонезависимого резистора имеет недостаточную точность (см. пример), вначале необходимо вывести аналитическое выражение для его расчета в зависимости от физических параметров датчика при заданных значениях R_α, α_к, α_д, α_м.

Выходной сигнал с датчика при температуре Т_o определяется как:

.

Выходной сигнал с датчика при температуре Т определяется как:

Так как условием компенсации мультипликативной температурной погрешности является равенство выходного сигнала датчика при разных температурах, то, приравнивая последние два выражения и записывая полученное уравнение относительно подгоночного резистора R_д, получим

Полученное выражение позволяет определить подгоночный резистор R_д через физические параметры элементов и является основным при определении его через выходные сигналы датчика.

Для выполнения требований по оценке физических параметров через девиацию выходных сигналов на УЭ, непосредственно в зоне установки тензорезисторов, устанавливают термозависимый компенсационный резистор R_α, величиной заведомо большей, чем это необходимо для компенсации мультипликативной температурной погрешности датчика, например, для металлопленочных датчиков его величина должна быть в пределах 300-500 Ом. При этом технология установки термозависимого компенсационного резистора на УЭ должна быть той же, что и технология установки рабочих тензорезисторов. Место и технология установки резистора R_α определяются требованием получения минимальных отклонений его температурных режимов от рабочих тензорезисторов в процессе эксплуатации. Материал, из которого выполняется термозависимый компенсационный резистор, должен обладать максимальным значением ТКС с целью обеспечения максимальной эффективности компенсации для выбранной технологии его изготовления и установки на УЭ и коэффициентом тензочувствительности, близким к единице, для исключения влияния на его номинал деформаций в месте установки на УЭ. Изготовленный указанным образом резистор R_α включается в цепь питания мостовой измерительной схемы.

Для определения ТКЧ датчика α_д закорачивают резистор R_α перемычкой и снимают значения девиации выходного сигнала датчика U_выхо и U_выхt при номинальном значении измеряемого параметра Х_н и температурах Т_о и Т соответственно.

Но, с другой стороны, девиацию выходных сигналов датчика при воздействии измеряемого параметра X_н можно представить в виде:

- при температуре Т_о

- при температуре Т

где S_д - чувствительность датчика к измеряемому параметру.

Разделив второе уравнение на первое, можно определить ТКЧ датчика, выраженный через девиации выходных сигналов при разных значениях температуры:

ТКС входного сопротивления мостовой цепи можно определить по экспериментально снятым при температурах Т_о и T значениям входного сопротивления R_вх и R_вхt соответственно.

Для определения α_к снимают перемычку с термозависимого резистора R_α и определяют выходные сигналы датчика и при воздействии номинального значения измеряемого параметра Х_н и температурах Т_о и Т соответственно.

Тогда выражения (2) и (3) для девиации выходных сигналов датчика с подключенным термозависимым компенсационным резистором R_α будут иметь вид:

- при температуре Т_о

- при температуре Т

Разделив второе уравнение на первое, подставляя выражения (4) и (5) и решая его относительно α_к, можно получить аналитическое выражение ТКС термозависимого компенсационного резистора R_α, выраженное через величину термозависимого компенсационного резистора R_α и девиации выходных сигналов датчика от измеряемого параметра, снятых при разных значениях температур:

Подставляя формулы (4), (5) и (8) в уравнение (1) и решая относительно R_д, можно рассчитать номинал подгоночного термонезависимого резистора для компенсации мультипликативной погрешности, определенный через величину термозависимого резистора R_α и девиации выходных сигналов датчика, снятых при разных значениях температур.

Подгоночный термонезависимый резистор расчетного значения устанавливают параллельно с термозависимым компенсационным резистором в таком месте конструкции датчика, где в процессе эксплуатации присутствуют минимальные тепловые потоки (например, во вторичном преобразователе). Это позволяет уменьшить влияние температуры на подгоночный термонезависимый резистор.

Для оценки точности минимизации мультипликативной температурной погрешности предлагаемого метода проведем расчет мультипликативной температурной чувствительности датчика на примере.

Пример

Провести минимизацию мультипликативной температурной погрешности тензорезисторного датчика с мостовой измерительной цепью, входное сопротивление которой R_вх=1000 Ом, термозависимый компенсационный резистор R_α=500 Ом, напряжение питания U_n=10 В, температурный диапазон ΔT=100°С, суммарное относительное изменение сопротивления мостовой цепи при воздействии номинального значения измеряемого параметра

Решение

Для расчета термозависимого компенсационного резистора R_α необходимо экспериментально определить девиацию выходных сигналов датчика при температурах Т_о и Т для двух случаев:

- без включения технологического термозависимого компенсационного резистора R_α (U_выхо и U_выхt);

- при включенном технологическом термозависимом компенсационном резисторе

Дополнительно примем, что экспериментально определен ТКС входного сопротивления α_м=0,5·10^-3 1/°С через измерения входного сопротивления мостовой цепи при температурах Т_о и Т.

Однако, если просто задаться указанными параметрами, можно получить нереальные значения термозависимого компенсационного резистора R_α. Поэтому произведем расчет девиации выходных сигналов исходя из реальных значений физических параметров элементов датчика. Зададимся следующими параметрами: ТКЧ датчика α_д=1·10^-3 1/°С, ТКС термозависимого компенсационного резистора α_к=4·10^-3 1/°С. Используем принятые значения физических параметров только для расчета девиации выходных сигналов, которые необходимо определить экспериментально, и в дальнейшем при расчете величины подгоночного термонезависимого компенсационного резистора R_д и мультипликативной температурной чувствительности не будем их принимать в расчет, а их оценку будем проводить в соответствии с предлагаемой методикой.

Девиацию выходных сигналов датчика для указанных случаев по принятым физическим параметрам можно рассчитать следующим образом:

;

Для расчета величины подгоночного термонезависимого резистора необходимо определить ТКЧ датчика и ТКС компенсационного резистора через девиацию выходных сигналов по формулам (4) и (8) соответственно:

;

Используя полученные значения физических параметров, рассчитаем по формуле (1) номинал подгоночного термонезависимого резистора

.

Откуда R_д=26739,3 Ом.

Для оценки точности компенсации в соответствии с принятым методом рассчитаем выходные сигналы датчика при различных температурах после установки компенсационных элементов в цепь питания моста в виде параллельного соединения резисторов R_α и R_д=26739,3 Ом.

По полученным значениям девиации выходных сигналов после подключения расчетного значения резистора R_д определим мультипликативную температурную чувствительность датчика

Полученное значение мультипликативной температурной чувствительности датчика говорит о том, что точность настройки по мультипликативной температурной погрешности предложенным способом компенсации повысилась более чем на порядок по сравнению с прототипом. Кроме того, предложенный способ компенсации мультипликативной температурной погрешности позволяет одновременно минимизировать дополнительную температурную погрешность датчика от влияния чувствительности его к моменту затяжки.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при настройке тензорезисторных датчиков с мостовой измерительной цепью по мультипликативной температурной погрешности. Технический результат: повышение технологичности и точности настройки. Сущность: Устанавливают в цепь питания мостовой измерительной схемы термозависимый компенсационный резистор с максимально возможным температурным коэффициентом сопротивления и коэффициентом тензочувствительности, близким к единице. Термозависимый компенсационный резистор устанавливают на упругом элементе в зоне установки рабочих тензорезисторов. Устанавливают датчик в технологический штуцер с номинальным значением момента затяжки. Закорачивают термозависимый компенсационный резистор перемычкой и определяют при нормальной и рабочей температурах девиацию выходного сигнала датчика от номинального измеряемого параметра. Одновременно при этих температурах определяют входное сопротивление мостовой цепи. Снимают перемычку и вновь определяют девиацию выходного сигнала датчика. Рассчитывают ТКЧ датчика, ТКС входного сопротивления мостовой цепи и ТКС термозависимого компенсационного резистора. По ним определяют номинал подгоночного термонезависимого резистора путем решения квадратного уравнения. Устанавливают подгоночный термонезависимый резистор параллельно с термозависимым компенсационным резистором в таком месте конструкции датчика, где в процессе эксплуатации присутствуют минимальные тепловые потоки, например во вторичном преобразователе.

Косвенный способ настройки тензорезисторных датчиков с мостовой измерительной цепью по мультипликативной температурной погрешности, заключающийся в установке в цепь питания мостовой измерительной схемы термозависимого компенсационного резистора R_α, номинал которого обеспечивает компенсацию максимальной мультипликативной температурной погрешности датчика для принятой технологии изготовления, параллельно которому включается подгоночный термонезависимый резистор R_д, отличающийся тем, что производят предварительную сборку датчика, устанавливают в цепь питания мостовой измерительной схемы термозависимый компенсационный резистор R_α с максимально возможным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) и коэффициентом тензочувствительности (ТКЧ) близким к единице, которые можно получить при выбранных материале и технологии изготовления, термозависимый компенсационный резистор изготавливают по технологии рабочих тензорезисторов и устанавливают на упругом элементе в зоне установки рабочих тензорезисторов, устанавливают датчик в технологический штуцер с номинальным значением момента затяжки, закорачивают термозависимый компенсационный резистор R_α перемычкой и определяют девиацию выходного сигнала датчика от номинального измеряемого параметра при нормальной температуре Т_о и рабочей температуре Т - U_выхо и U_выхt соответственно и одновременно измеряют входное сопротивление мостовой цепи при указанных температурах - R_вх и R_вхt соответственно, снимают перемычку и вновь определяют девиацию выходного сигнала датчика от номинального измеряемого параметра при нормальной температуре Т_о и рабочей температуре Т - соответственно, рассчитывают ТКЧ датчика α_д, ТКС входного сопротивления мостовой цепи α_м, ТКС термозависимого компенсационного резистора α_к и определяют номинал подгоночного термонезависимого резистора, решая квадратное уравнение

где

ΔT=T-T_o - девиация температур в процессе испытаний,

устанавливают подгоночный термонезависимый резистор, расчетного значения, параллельно с термозависимым компенсационным резистором в таком месте конструкции датчика, где в процессе эксплуатации присутствуют минимальные тепловые потоки, например во вторичном преобразователе.