Термокомпенсированный параметрический преобразователь Советский патент 1991 года по МПК G01R17/10 

N

& 4

О

сл о

Изобретение относится к области измерительной техники,автоматики и телемеханики и может найти применение, в частности, в устройствах для измерения давления силы тенэометрического типа, например, в дифференциальных фотометрах.

Целью изобретения является повышение точности измерения зз счет компенсации температурных погрешностей параметрического измерительного моста.

На чертеже представлена функциональная электрическая схема термокомпенсиро- ванного параметрического преобразователя.

Схема содержит источник 1 опорного напряжения, операционный усилитель 2,то- козадающий резистор 3, параметрический измерительный мост 4, состоящий из резисторов 5-8, получающих приращения при воздействии измеряемой величины, причем питающая диагональ измерительного моста А включена между выходом и инвертирующим входом операционного усилителя 2, выходная диагональ измерительного моста 4 соединена с первым и вторым входом первого масштабного алгебраического сумматора 9, выход которого соединен со входом аналого-цифрового преобразователя (АЦП)

10,выход операционного усилителя 2 соединен с третьим входом первого 9 и первым входом второго алгебраических сумматоров

11,первый вывод источника 1 опорного напряжения соединен с четвертым входом первого и вторым входом второго масштабных алгебраических сумматоров, токозада- ющий резистор 3 включен между первым выводом источника 1 опорного напряжения и инвертирующим входом операционного усилителя 2. второй вывод источника 1 опорного напряжения и неинвертирующий вход операционного усилителя 2 соединены с общей шиной, выход второго масштабного алгебраического сумматора 11 соединен с входом опорного напряжения АЦП 10, выход которого является выходом устройства.

Устройство работает следующим образом.

Выходное напряжение Ug сумматора 9

U9 2AUK + ,(1)

где A U - полезный сигнал напряжения в выходной диагонали моста 4;

U2 - выходное напряжение операционного усилителя 2;

К, Ki - коэффициенты передачи сумматора 9 по соответствуюицчм входам;

Ui - напряжение источника 1;

К2 - коэффициент передачи напряжения опорного источника 1.

Напряжение U2 описывается выражением

U2 -Ui

0

5

0

5

0

5

Ra

R0(1 +gAt) m U1R3 w

где R3,4 - эквивалентное сопротивление питающей диагонали измерительного моста 4;

RO - начальное сопротивление питающей диагонали измерительного моста 4 при температуре t0;

а- температурный коэффициент эквивалентного сопротивления питающей диагонали измерительного моста 4;

At - абсолютное отклонение температуры измерительного моста 4 от начального значения t0;

R3 - сопротивление токозадающего резистора 3.

При постоянной температуре эквивалентное сопротивление измерительного моста 4 с четырьмя активными плечами (причем, противоположные плечи получают одноименные приращения, а смежные - противофазные приращения) не зависит от значения внешнего измеряемого параметра, т.е. R3,4 не зависит от Аи. Это свойство четырехплечного измерительного моста 4 позволяет использовать сигнал напряжения на питающей диагонали (при питании моста постоянным стабильным током) в качестве величины, зависящей от температуры, и производить термокомпенсацию измерительного моста 4: его начального смещения (при нулевом значении измеряемого параметра) и чувствительности.

Выражение (1) в соответствии с (2) можно записать в виде

Ug 2 AUK- KiUi x R0(1 +«At)

Rs

+ UiK2.

(3)

При выборе значений коэффициентов Ki и К2 таких, что выполняется равенство Ki

выражение (3) приобретает вид

R3

Ug 2 UK-Kil) «At.

Ко

(4)

Второй член выражения (4) линейно зависит от разности температур At (между текущим и начальным значениями) и не зависит от сигнала Аи, а следовательно, и измеряемого параметра моста 4, Выбором значений коэффициентов Ki и К2 возможно скомпенсировать собственный температурный коэффициент OQ начального смещения измерительного моста 4.

Используя тот же принцип, можно уменьшить температурные погрешности чувствительности параметрического преобразователя. Для этого сигнал с выхода питающей диагонали измерительного моста 4 суммируют с опорным напряжением АЦП 10

(либо с сигналом на входе операционного усилителя 2).

Выходной код АЦП 10 определяется выражением

N N0-,(5)

где No - опорное число (конец шкалы);

Un опорное напряжение, поступающее с выхода сумматора 11,

Напряжение Un определяется как

Ul1 U2 K3+UrK4.(6)

С учетом (2), (4) выражение (5) можно переписать в виде

2AU К- Ki Ui - a -At

N

UiK4-Ui K3 + Ui K3aAt

:2-4У(. Hi V

к

Ui

К - Кз+ КзаДг

Ro

) +

+ кз

(1}

Ro

(1-aAt)

Анализ выражения (7) показывает следующее. Первый член выражения характеризует полезный сигнал, пропорциональный напряжению A U. Выбором значений коэффициентов Кз и KU добиваются минимального температурного коэффициента чувствительности преобразователя (при этом достигается компенсация температурного коэффициента чувствительности самого измерительного моста А).

Второй член выражения не зависит от полезного сигнала Аи, выбирая определенные значения коэффициентов Ki, K2 (как это показано), минимизируют термозависимость начального напряжения смещения измерительного моста 4,

В случае, если компенсировать начальное смещение не требуется (например, используется микросхема АЦП с автоматической коррекцией нуля или ручная балансировка измерительного моста 4), то коэффициенты Ki и Ка выбирают равным 0. Формула (7) при этом будет иметь вид AUК

Ui

N 2

Rs Ro

.(8)

К4-Кз(1-аДО

Варьируя значения коэффициентов Кз и , добиваются необходимой степени термокомпенсации чувствительности преобразователя.

Следует отметить, что коэффициенты , Ki, Кз и К/, могут иметь как положительный, так и отрицательный знак.

Коэффициент К выбирается, исходя из необходимости согласования уровня полез

ного сигнала на выходе измерительного моста м чувствительности АЦП.

Коэффициенты Ki и К2 выбирают, исходя из условия компенсации температурного 5 коэффициента оь начального смещения измерительного моста (коэффициент «о приводится в справочниках из расчета на 1 В питающего напряжения и на 1°С). Математически условие компенсации, исходя из 10 формулы (3), записывается как

Ki (ob/aHRa/Ro),(9)

К2 Ki(R0/R3) оь la (10)

Б частном случае, когда R0 Rs, имеем Ki К2.

15 Аналогично для компенсации температурного коэффициента д чувствительности моста, коэффициенты Кз и Кз должны удовлетворять уравнению, полученному из формул (7) или (8):

201 + d К4 - Кз(1 -a XR3/Ro),(11)

откуда получаем окончательно

K3 (cV2XR3/Ro),(12)

К4 1 + K3(R0/R3) 1 + б/а (13) Как это следует из приведенных формул 25 (9)-(13), для точного расчета коэффициентов Ki-K4 необходимо значение коэффициентов , (Хо , б мерительногомоста.Однаковозможно использование эмпирического метода настройки. Для этого предварительно сбалан30

сированный при нормальной температуре

мост и при отключенной физической (измеряемой) величине помещают в термокамеру. Нагревают мост до предельной рабочей температуры и, регулируя Ki и К2, добиваютСя минимального разбаланса моста.

Затем то же самое, но при подключенной физической величине, проделывают в отношения коэффициентов Кз и , добиваясь одинаковых показаний при двух температурах.

Для достижения высокой точности процесс регулировки можно проводить итерационно, в несколько приемов.

В предложенном решении сигнал с выходной диагонали используется собственно для измерения, а сигнал с питающей диагонали - для термокомпенсации, т.е. по сути работают одни и те же элементы, один и тот же мост. Нет ни временного ни физического

разделения первичных элементов канала

измерения и канала компенсации. Это обусловливает более высокую, чем в аналогах, точность измерения ввиду отсутствия неизбежных при разделении этих каналов тем- пературных ошибок, и упрощает устройство, так как снимается необходимость в использовании дополнительных термопреобразователей канала термокомпенсации.

Формула изобретения

Термокомпенсированный параметрический преобразователь, содержащий параметрический измерительный мост, источник опорного напряжения, операционный усилитель, аналого-цифровой преобразователь, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в него введены два масштабных алгебраических сумматора и токозадающий резистор, причем питающая диагональ измерительного моста включена между выходом и инвертирующим входом операционного усилителя, выходная диагональ измерительного моста соединена с первым и вторым входами первого масштабного алгебраического сумматора, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход операционного усилителя соединен с третьим входом первого и первым входом второго алгебраического сумматоров, первый вывод источника опорного, напряжения соединен с

четвертым входом первого и вторым входом второго масштабных алгебраических сум- маторов, токозадающий резистор включает между первым выводом источника опорного напряжения и инвертирующим входом

операционного усилителя, второй вывод источника опорного напряжения и неинвертирующий вход операционного усилителя соединены с общей шиной, выход второго масштабного алгебраического сумматору

соединен с входом опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя, выход аналого-цифрового преобразователя является выходом термокомпенсированного параметрического преобразователя.

Изобретение относится к измерительной технике, автоматике и может найти применение, в частности, втензометрическойи фотометрической аппаратуре. Цель изобретена - повышение точности измерения за счет компенсации температурных погрешностей параметрического измерительного моста -достигается тем, что в преобразователь, содержащий измерительный четырех- плечий мост, источник 1, опорного напряжения, операционный усилитель 2, аналого-цифровой преобразователь 10, введены два масштабных алгебраических сумматора 9 и 11 и токозадающий резистор 3. Для минимизации термозависимости начального напряжения смещения измерительного моста 4 выбирают определенные значения коэффициентов, варьируя значениями коэффициентов, получают необходимую степень термокомпенсации чувствительности преобразователя.1 ил.