Тензометрическое устройство Советский патент 1984 года по МПК G01L1/22 

Изобретение относится к измерительной технике и прешшэначено для измерения механических нагрузок в широком диапазоне быстроменяющихся температур.

Известно устройство, содержащее попу проводниковый тензомост, в котором с цепью компенсации температурной погрешности в ппечо мостовой схемы с наибольшим температурным коэффициентом включают дополнительно последовательно и параллельно терморезисторы 111

Известно также устройство содержашее тензометрический мост, в котором компенсация температурной погрешности обеспечивается за счет введения терморезистора в измерительную диагональ тензомоста С 2 3 .

В этих устройствах компенсация температурной погрешности осуществляется благодаря использованию полупроводниковых термосопротивлений - термисторов, так или иначе подключенных к мостовой схеме, тензодатчика.

Однако вследстгеие различной физической природы термисторов и тсензорезисторов Невозможно осуществить с большой степенью точности компенсацию температурной погрешности тензодатчика в широком диапазоне температур, особенно в переходном тепловом режиме, так как терморезисторы, имеющие тепловую инерцию, отличную от тепловой инерции тензорезисторов, дают информацию о температуре тензодатчика со сдвигом во времени.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является тензометрическое устройство, содер кащее внутреннюю мостовую схему, состоящую из четырех тензорезисторов, внешнюю мостовую схему, которая вклк чает в себя тензорезистор, два внешних резистора и внутренний тензомост в качестве одного из плеч, масштабный усилитель, сумматор и усилитель. Внутренняя и внешняя мостовые схемы образуют два линейно независимых канала передачи информации о действующих на их входах механической нагрузке и температуре 13 i

Недостатком известного устройства является отсутствие коррекции мультипликативной составлякмцей температурной погрешности, при работе датчиков специально назначения в широком диапазсже температур моекет постигать значительной величины и заметно снижа точность измерений.

Полью изобретения является повьпяе- ние тош1ости измерения в широком диапазоне быстроменяющихся температур.

Указанная цель достигается тем, что в тензометрическое устройство, содержащее двухмостовой тензопреобразователь, включающий в себя первую мостовую схему в виде четырех тензорезисторов и тензорезистор во второй мостовой схеме, сумматор с усилителем на выходе, введены тензорезистор, два усилителя с фиксированным смещением,, два усилителя, две схемы вычитания, делитель, два масштабных усилителя с фиксированным смешением и умножитель, причем этот тензорезистор подключен между тензорезистором второй мостовой схемы и клеммой источника питания, входы двух усилителей с фиксированньш смещением соединены с измерительной диагональю первой мос.товой схемы, входы двух усилителей - с измерительной диагональю второй мостовой схемы, выход первого усилителя, с фиксированным смещением и выход первого усилителя соединены с входами первой схемы вычитания, выход второго усилителя с фиксированным смещением и выход второго усилителя - с входами второй схемы вычитания, выходы обеих схем вычитания соединены с входами делителя, выход которого соединен с входами двух масштабных усилителей с фиксированным смещением, выход первого масштабнсячэ усилителя с фиксированным смещением соединен с входом умножителя, два других входа KOTOp M7O соединены с измерительной диагсжалью первой мостснвой схемы, а выход умн кителя - с входом сумматора, второй вход которого соединен с VKxoaoM второго масштабного усилителя с фиксированным смещением.

На чертеже показана блок-схема устройства.

Устройство содержит тензорезисто ры 1-6, усилитетш 7 и 8 с фиксированным смешенйем, , усилители 9 и 10, схемы 11 и 12 вычитания, делитель 13, масшта&1ые усилители 14 и 15 с фиксированным смещением, умножитель 16, сумматор 17 и усилитель 18. Тензорезисторы 1-6 являются тензопреобр 13ователями и образуют две мостовые схемы 19 и 20 с обалвй диагональю в виде тензорезисторов 3 и 4. Точки 21 и 22 обшей диагонали мостовых схем подключены к клеммам 23 к 24 питания. Точки 25 и 26 измерительной диагонали мостовой схемы 19 соецинены с входами усилителей 7 и 8 с фиксированным смещением. Точки 25 и 27 измерительной диагонали тензомоста 20 соединены с входами усилителей 9 и 10. Выход усилителя 7 с фиксированным смещением соединен с одним из входов схемы 11 вычитания, другой вход которой соединен с выходом усилителя 9. Выход усилите ля 8 с фиксированным смещением соедивен с одним из входов схемы 12 вычитания, второй вход которой соединен с выходом усилителя 10. Выходы схем 11 и 12 вычитания соединены с входами делителя 13, выход которого связан с входами масштабных усилителей 14 и 15 с фиксированным смещением. Выход усилителя 14 с фиксированным смещением соединен с одним из входов умножителя 16, другой вход которого связан с точками 25 и 26 тензомос та 19. Выход умножителя 16 соединен с одним из входов сумматора 17, другой вход которого подключен к выходу ус илителя 15 с фюссированным смещением. Выход сумматора 17 подалючен к выходу усилитетш 18. Электрическая схема тензопреобразователя состоит из двух мостовых схем 1 . Тенаомост 19 образуют четыре тензореэистора 3-6, причем тензорезисторы 3 и 6 воспринимают деформацию растяжения, а тензорезисторы 4 и 5 деформацию сжатия.,, Тензомост 20 образуют четнре тен- зорезистора 1-4, причем тензорезистор 1 воспринимает деформацию сжатия, а тензорезистор 2 - растяжения. Тензорезисторы 1-6 находятся в одинаковых температурных условиях. С точек 25 и 26 измерительной диагонали тензсшоста 19 снимают сигнал V , а с точек 25 и 27 измерительной диагсям ли тензсяиоста 20 снимают сигнал V2 . Оба сигнала V и V2 несут информацию об измеряемой механической нагрузке t, я о температуре Т тензорезисторов, т.е V,,(M),j IL.TI , J где и f, - нелинейные, в случае функции. При представлении градуировочной ха рактеристики двухмост жого тензопреобраэователя в виде (1), как это сделано в известном устройстве, принципиально невозможно пофнить математическое выражение в явном виде для коррекции мультипликативной температурной погрешности тензопреобразователя с дальнейшей реализацией его на существующей элементной базе, так как не существует прямых методе решения системы нелинейных уравнений, и применяются «терааисданые методы. Поэтому градуировочную характеристику тензопреобразователя состоящего из двух мостовых схем 19 и 20, представим в виде (T).K.f(V/. L-m(T|4n(,,, коэффициенты, характеризук где и т щие аддитивную чувствительность к температуре мостовых схем 19 и 2 О соответственно;k., и п - коэффициенты, характеризующие мультипликативную чувствительность к температуре мостовых схем 19 и 2 О. Коэффициенты ,, ,Лд. V, tn, m, и n находятся с помощью обработки экспериментальных данных в процессе метрологических испытаний тензометрического устройства. Учитъшая, что тензорезисЮры тензомостоБ 19 и 20 находятся в одинаковызГ услкжиях по С и Т , выразим температуру Т через V и Vg и известные коэффициенты %, 1 , W и . Для этсйпо приравняем между собой первое и второе уравн.ения системы (2) V / S /V V i eV iVОтсюдал ... „. (V-iKS-A. где т - оценка температуры, дейстщгкяцей на тензопреобразова- тель При использовании выражения (3) необходимо выполнить условие (

.SV.m + ,

что указывает на необходимость собгаоцения независимости и асимметрии каналов передачи информации о L и Т . Условие (4) вьшолняется путем подбора величин тензореэисторов 1-6 и соответствующего их размещения на упругом элементе измерительного устройства.

Подставляя выражение (3) в перевое уравнение системы (2), получаем сигнал скорректированный по температуре

t vCT4i,.k,tK , (s) -есть функция от V и V2 согласно (3); -сигнал, равный по величине измеряемой механической нагрузке. Работа устройства осуществляется в соответствии с алгоритмом, определяемым выражением (3) и (5). Сигналу, снимаемый с точек 25 и 26 мостовой схемы 19, подается одновременно на вхосш усилителей 7 и 8 с фиксированным смещением. На вы ходе усилителя 7 формируется сигнал, равный (o-tTrio) «который подаетс на из входов схемы 11 вычитания. С выхода усилителя 8 с фиксированным смещением сигнал, равный {(;j-tn,) подается на один из входов схемы 12 вычитания (структура ее аналогична сзсеме 11). Сигнал V2 снимаемый с точек 25 и 27 мостовой схемы 2О, подается одновременно на входы згсилителэй 9 и 10 (структура их аналогична структуре усилителей 7 и 8 при отсутствии фик сированного смещения, подаваемого от источника питания). Сигнал с выхода усилителя 9,-равны По Vz , подается на друг вход схемы 11 вычитания, а выходной сигнал ус лителя 10, равный , подается на др гой вход схемы 12 вычитания. с выхода схемы 11, оV (0 о) , и выходной сигнал схемы 12, равный ) подаются на входы делителя 13. На виходе делителя 13 согласно выражению (3) формируется сштнал т . Таким образом, схемы 7-13 полностью реализуют выражение (3). Работа остальной части устройства связана с реализацией выражения (5).

Выхогшой сигнал целителя 13, равный Т ., поступает одновременно на входы масштабных усилителей 14 и 15 с фиксированным смещением (структура их аналогична структуре усилителей 7 и 8). Сигнал с выхода усилителя 14, равный 1 o-t-t T, подается на один из входов умножителя 16, на другой вход которого поступает сигнал V с точек 25 и 26 мостовой схемы 19. Выходной сиг нал умножителяQ 6, равный ( )i подается на один из входов сумматора 17, на другой вход которого поступает выходной сигнал масщтабного усилителя 15 с фиксированным смещением. равный Ч; выходе сумматора 17 формируется сигнал, равный по величине измеряемой механической нагрузке t o S:it+( )Vi , т.е. не зависящий от температуры тензорезисторов 1-6. После этс«го усилитель 18 усиливает выходной сигнал сумматора 17 до величины, удобной для регистрации сигнала. Таким образом, введение тензорезистора 2 между тензорезистором 1 и клеммой 24 питания и образования за счет этого двух мостовых схем дает возможность подучить два независимых сигнала при использовании только шести тензорезисторов без привлечения резисторов. Один из сигналов является основным, другой - дополнительньхм и может быть использован для температурной коррекции lOCHOBHoro сигнала. Представление градуировочной характеристики тензообразователя в виде сис- темы уравнений (2) позволяет осуществить коррекцию как аддитивной, так и мультипликативной температурной погрешности основного сигна:ла. Использование для аааитивной и мультипликативной коррекции только самих тензорезисторов преобразователя обеспечивает высокую точность коррекции, а следовательно, и высокую точность измерения механических нагрузок при работе преобразователя в переходном и установившемся тепловых режимах и расширение рабочего диапазона температур. Учет мультипликативной составляющей температурной погрешности тензорезис-г торного устройства в диапазоне измеряемых давлений 0-20 атм и изменения температуры -60 - позволит noBbiсить точность устройства примерно в 7 раз по сравнению с известным.

ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО, содержащее двухмостовой тензопреобразователь, включающий в себя первую мостовую схему в виде четырех тензорезисторов и тензорезистор во второй мостовой схеме, сумматор с усилителем на выходе, отличающеес я тем, что, с целью повышения точности измерения в широком диапазоне быстроменяющихся температур, в него введень тензорезистор, два усилителя с фикси рованным смещением, два усилителя, две схемы вычитания, делитель, два масштабных усилителя с фиксированным смещением и умножитель, причем этот тензорезистор пооключен между тензорезистором второй мостовой схемы и клеммой источника питания, входы двух усилителей с фиксированным смещением соединены с измерительной диагональю цервой мостовой схемы, входы двух усилителей - с измерительной диагональю второй мостовой схемы, выход первого усилителя с фиксированным смещением и выход первого усилителя соединены с входами первой схемы вычитания, выход второго усилителя с фиксированным смещением и выход второго усилителя - с входами второй схемы вычитания, выходы обеих схем вычитания соед1шены с входами делителя, выход которого соединен с входами двух масщта&1ьпс усилителей с фикk сированным смещением, wJxon-nef/Boco масштабного усилителя с фиксированным смещением соединен с входом умножителя, два других входа лиуг&рого соединены с измерительной диагональю первой мостовой схемы, а выход умножителя - с входом сумматора, второй вход которгато 00 соединен с вахоа.ом второго масштабиск го ycи штeля с. фиксированным смещением. 00 о