Тензометрическое устройство Советский патент 1990 года по МПК G01L9/04 G01B7/16 

1

(21)4628439/2A-10

(22)29.12.88

(46) 30.11.90. БЮЛ. № 44

(71)Государственный научно-исследовательский институт теплоэнергетического приборостроения

(72)А.У.Яльшев

(53)531.787 (088.8)

(56)Авторское свидетельство СССР №932212, кп. G 01 В 7/18, 1982.

(54)ТЕНЗОМЕТРИЯЕСКОЕ УСТРОЙСТВО

(57)Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления. Цель изобретения - повьшение точности измерения. Устройство содержит источник 1 питания, первый делитель напряжения, состоящий из резисторов

2 и 3, средняя точка которого подключена к инвертирующему входу операционного усилителя 4, второй делитель напряжения, содержащий тензо- резисторы 5 и 6, средняя точка которого подключена к неинвертирующему входу усилителя 4, третий делитель напряжения, средняя точка которого подключена к инвертрфующему входу . второго операционного усилителя 7. В свою очередь, резистор 10 включен между резистором 11 и вторьм резистором, а резистор 2 - между инвертирующим входом усилителя 4 и неинвертирующим входом усилителя 7. Устройство дополнительно снабжено вторым сумматором 13, буферным усилителем 14 и вторьи масштабным усилителем 15. 1 ил.

i (Л

316

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к тензо- метрическим устройствам с тензорезис торной измерительной схемой, и может быть использовано -для измерения механических нагрузок, например давления, в условиях значительного воздействия быстроменяюпщхся температур

Цель изобретения - повышение точности измерения путем уменьшешя нелинейности преобразования и мультипликативной составляющей температурной погрешности.

На чертеже изображена блок-схема предлагаемого устройства.

Устройство содерясит заземленньй источник 1 питания, формирующий для тензосхемы в качестве опорного сигнала напряжения постоянного тока, первый 2 и второй 3 резисторы, образующие делитель напряжения, опера- ционньй усилитель 4 с дифференциальными инвертирующим и неинвертирующим входами, к инвертирующему входу которого подключена средняя точка этого делителя, два последовательно соединенных тензорезистора 5 и 6, один из-которых (тензорезистор 6) заземлен, образующие другой (второй) делитель напряжения, средняя точка которого подключена ко второму (неинвертирующему) входу операционного усилителя 4, в цепь отрицательной обратной связи которого включен резистор 3, последовательно соединенные второй операционный усилитель 7, также с дифференциальными входами, масштабный усилитель 8 и сумматор 9, второй вход которого подклю ен к выходу первого операционного усилителя 4, а также последовательно соединенные между собой третий 10, четвертый 11 и пятый 12 резисторы. При этом четвертый и пятый резисторы образуют третий делитель напряжения, средняя точка которого подключена к инвертирующему входу операционного усилителя 7,. в цепь отрицательной обратной связи которого включен резистор 12. В свою очередь резистор 10 включен между резистором 11 и тензорезисто- ром 5, а резистор 2 включен между инвертирукщим входом операционного усилителя 4 и неинвертирующим входом операционного усилителя 7.

Кроме этого, устройство дополнительно снабжено вторым сумматором 13 с тремя входами, буферным усилителем 14. с единичным усилением и

284

вторьм масштабным усилителем 15, причем источник 1 питания подключен к одному из входов сумматора 13, к двум другим входам которого подкпюче- ны соответственно выход буферного усилителя и выход масштабного усилителя 15, вход которого подключен к выходу операционного усилителя 7, а вход б5 ферного усилителя подключен к общей точке соединения тензорезис- тора 5 с резистором 10, общая точка соединения которого с резистором 11 непосредственно подключена к выходу сумматора 13, при этом неинвертирующий вход операционного усилителя 7 подключен к выходу буферного усилителя.

Тензометрическое устройство содержит внутренний и внешний пс евдомосты, соединенные между собой по так называемой схеме мост в мосте.

Внутренний псевдомост образуют операционный усилитель 4, тензоре- зисторы 5 и 6, резисторы 2 и 3, а

также буферный усилитель 14 с единичным коэффициентом усиления.

Внешний псевдомост образуют операционный усилитель.7, буферный усилитель 14, резисторы 11 и 12, а также резистор 10 и тензорезисторы 5 и 6. При этом буферный усилитель осуществляет потенциальную развязку внутреннего псевдомоста от внешнего, на выходе которых формируются напряжения U( и Uj соответственно.

Устройство работает следующим образом.

При воздействии давления Р тензо- резисторы 5 и 6 воспринимают соответственно деформацию сжатия и растяжения таким образом, что сопротивление Кг тензо езистора 5 уменьшается, а сопротивление R тензорезистора 6 увеличивается. Так как тензорезисторы находятся в одинаковых температурных условиях, то изменение их сопротивлений происходит практически на равную величину от действия линей- ной деформации 6.

I.

С выхода операционного усилителя 4, входящего в вышеуказанньй внутренний псе домост, снимается основ- ной информативный сигнал U,, изменяющийся по алгоритму

„ - т, RzRe -. КзК , - R2(R5 + Кб)

(1)

516

где напряжение, снимаемое

с выхода буферного усилителя}

R- и RJ - сопротивление резисторов 2 и 3 соответственно.

В свою очередь с выхода усилителя 7, входящего в вышеуказанный внешний псевдомост, снимается дополнительный сигнал Ugi, используемый в устройстве для температурной коррекции:

()

где и - напряжение, снимаемое с выхода сумматора 13; R. и R,ji - сопротивления резисторов 11 и 12 соответственно.

При этом выходное напряжение сумматора 13 формируется по зависимости

и, Un + и

4 - K,5U2,

(3)

где и - выходное напряжение источника 1 питания , К ,.- коэффициент масштабирования

масштабного усилителя 15. На выходе буферного усилителя 14 формируется сигнал U, равный

Rg + Re

и.

и

Ry+ Кб + RIO

(4)

где R ,0- сопротивление резистора 10. С учетом выражений (1)-(4) получим следующие основные зависимости для схемы мост в мосте :

и. и,

RtRs - RiRio

1 +

, ..RS + R6 EIZ

5 R,(,R,, /

-1 - K,g(

RS + Rg Rtt-v V

40

.

R5(P,UT) Rs(e,UT) +o.UT) 1 - Ке(1 +lfuT)J;

R,-(P,UT) R6(e,UT)

« RO(I )l +K6(1 -«-йТ

где К - коэффициент тензочувствитепьности (КТЧ) тензорезистора/

оС - температурный коэффициент сопротивления (ТКС) тензорезистора,

LP - температурный коэффициент тензочувствительности (ТКЧ) тензорезистора,

RJJ - номинальное значение сопротивления тензорезистора при градуировочной тe mepaтy- Ре Го. С учетом вьражений (7) получим:

R5(e,&T) + RfiCe.uDs i 2Rg(1 +ЫйТ).

(8)

Таким образом, одно из плеч внешнего псевдомоста с тензорезисторами 5 и 6 Является термозависимыми, а изменение его сопротивления определяется в основном ТКС этих тензорезисторов.

Выполнив при градуировочной температуре Tj условие, при котором отношение сопротивлений резисторов 11 и 12 внешнего псевдомоста соотRt2 RS- + R6 ветствует равенству -.- -

т.е. - вьфажений (5) и

RM fo (6) получим:

40

)(5)

(9)

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления. Цель изобретения - повышение точности измерения. Устройство содержит источник 1 питания, первый делитель напряжения, состоящий из резисторов 2 и 3, средняя точка которого подключена к инвертирующему входу операционного усилителя 4, второй делитель напряжения, содержащий тензорезисторы 5 и 6, средняя точка которого подключена к неинвертирующему входу усилителя 4, третий делитель напряжения, средняя точка которого подключена к инвертирующему входу второго операционного усилителя 7. В свою очередь, резистор 10 включен между резистором 11 и вторым резистором 5, а резистор 2 - между инвертирующим входом усилителя 4 и неинвертирующим входом усилителя 7. Устройство дополнительно снабжено вторым сумматором 13, буферным усилителем 14 и вторым масштабным усилителем 15. 1 ил.

.(6)

IT - п (5 + R6 RC) , и о - и р (, -г-; «

f ioKII

l - К„ (V)l

| RIO R« J

При одновременном воздействии давления Р и температуры ДТ для дифференциальной пары, состоящей из тензорезисторов 5 и 6, можно в первом приближении представить следующие зависимости, характеризующие изменение сопротивлений зтих тензорезисторов:

45

(10)

1 - K.,

50 гдeЛR (ДТ) - изменение сопротивления

тензорезистора под воздействием быстроменяющейся температуры Т, при этом ДТ Т - Тд Так как реально имеет место нера„ 2uR (М)

венство К.с-fT 1. то для осК|о

55

45

новного и и дополнительного U сигналов запишем:

и

- г

RzRi; L

1 +

к 2UR (UT) 1 . 5 R,o J

(11)

U,

2AR (iT)

R

(12)

40

Из выражения (11) следует, что основной сигнал U, чувствителен как к давлению Р так и к температуре, в то же время дополнительный сигнал и чувствителен главным образом к воздействию температуры в месте располсжения тензорезисторов 5 и 6.

Следовательно, согласно вьгражения (12) внешний псевдомост работает практически как датчик температуры, формирующий на выходе сигнал Uj,, в котором (в отличие от прототипа) не содержится параметрического члена, зависящего от измеряемого давления. Другими словами, введение в схему устройства сумматора 13 и буферного усилителя 1А позволило существенно ослабить влияние измеряемого давления на температурную зависимость сигнала Uj.

Поэтому для расширения температурного диапазона работы тензометричес- кого устройства сигнал U может быть эффективно использован в качестве корректирующего.

Сформированный таким образом дополнительный сигнал Ug, поступает на масштабные усилители 8 и 15., с помощью которых формируются соответственно корректирующие сигналы KgU и K,5Uj,. Величина коэффициента Kg масштабирования определяет глубкну компенсации аддитивной составляющей температурной погрешности, а величина коэффициента К,масштабирования определяет амплитуду корректирующего сигнала, обеспечивающего компенсацию мультипликативной составляющей температурной погрешности.

При компенсации аддитивной состав .ляющей устанавливают условие: К,у О и KD э О, в результате чего из выражений. (5) и (6) получим соответственно следующие зависимости;

, -«. .

Сигнал и с выхода операционного усилителя 4 поступает на один из входов сумматора 9, на второй вход которого с выхода масштабного усилителя 8 подается к.орректирующий сигнал KgUn для компенсации аддитивной составляющей температурной погрешности.

В этом случае на выходе сумматора 9 будет формироваться сигнал ,, равный

TI - п RzRe - R3Rs- ,

ВЫХ -

+ If IT fRg-- R6 ) -H KgU (- R;)

0

5

0

5

0

5

0

5

или же с учетом выражения (12) получим:

тт тт R2R6 (ЦАТ) - R,RS (РЛТ) 6Ь1)С nR2.Rfa

Ки (15)

R При выполнении условия R Rg const последнее выражение упрощается и приводится к виду

I

IIII ГК(Е.ЬТ) - . (&Т) .

и,„ и„R,o

(16) Анализ выражения (16) показывает,

что в предлагаемом устройстве компенсация аддитивной составляннцей температурной погрешности осуществляется б.олее эффективно,, чем в прототипе, при этом функции преобразования для сигналов и и и являются более линейными по сравнению с подобными функциями преобразования прототипа.

Для компенсации мультипликативной составляющей используется масштабньй усилитель 15, выходной сигнал с которого (при 0) подается на один из входов сумматора 13. При этом происходит изменение напряжения пи- .тания тензосхемы по сравнению с опорным напряжением U, формируемым источником 1, который подключен к второму входу сумматора 13. На третий вход сумматора 13 подается сигнал U с выхода буферного усилителя , величина которого практически равна напряжению питания тензорезисторов 5 и 6 измерительной схемы. Указанная связь буферного усилителя 14 с сумматором 13 исключает влияние измерительной диагонали внутреннего псевдомоста на измерительную диагональ внешнего псевдомоста, предназначенного для формирования дополнительного сигнала Ug о воздействии температуры. Это одно из основных функциональных отличий схемы предла- гаемого устройства от схемы прототипа.

Таким образом, при К 5 О и К, О с учетом вьфажений (11) и (12) на выходе сумматора 9 сформируется информативный сигнал Ugjj, , содержащий составляющие для компенсации температурных уходов нуля и диапазона изме- р ения:

и

вых

КгКб - RiRg

R,R

+

(17)

+ к - ALJAT). . к IT 2AR (UT) .5 R,, J aUnR;

Из анализа вьражения (17) следует что в предлагаемом устройстве можно при быстроменяющейся температуре в широких пределах раздельно осуществлять автокомпенсацию как аддитивной, так и мультипликативной составляющих температурной погрешности.

Формула изобретения

Тензометрическое устройство, содержащее два тензорезистора, источник питания, два операционных усилителя, масштабный делитель, сумматор и пять резисторов, причем инвертирующий вход первого операционного усилителя через первый резистор соеди

5

0

5

0

5

нен с неинверт ирующим входом второго операционного усилителя и через второй резистор - с собственным выходом и одним входом сумматора, а неинвертируюш 1й вход первого операционного усилителя через первый тензорезистор заземлен и через последовательно соединенные второй тензорезистор, третий и четвертьй резисторы подключен к инвертирующему входу второго операционного усилителя, выход которого через пятый резистор соединен с собственным инвертирующим входом через масштабный усилитель подключен к другому входу сумматора, выход которого является выходом устройства, отличающееся тем, что, с целью повьше- ния точности за счет уменьшения нелинейности преобразования и мультипликативной составляющей температурной погрешности, оно снабжено дополнительным сумматором, первый вход которого подключен к выходу источника питания, а вьсход - к точке соединения третьего и четвертого резисторов, буферным усилителем, вход которого подключен к точке соединения третьего резистора и второго тензорезистора. а выход - с неинвертирующим входом второго операционного усилителя и вторым входом дополнительного сумматора, и дополнительным масштабным усилителем, вход которого соединен с выходом второго операционного усилителя, а выход - с третьим входом дополнительного сумматора.