Тензометрическое устройство Советский патент 1992 года по МПК G01B7/16 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения деформации в условиях широких диапазонов и быстроменяющихся температур.

Известно тензометрическое устройство, содержащее тензомост, источник питания, первый выход которого соединен с первой вершиной диагонали питания тензомоста, второй выход источника питания через первый резистор соединен с второй вершиной диагонали питания тензомоста, последовательно соединенные второй и третий резисторы, выводы которых соединены с первым и вторым выходами источника питания соответственно, последовательно соединенные сумматор и усилитель, входы сумматора соединены с

выходом измерительной диагонали тензомоста, и масштабный усилитель, первый вход которого соединен с вторым выходом источника питания, второй вход - со средней точкой соединения второго и третьего резисторов, а выход масштабного усилителя соединен с третьим входом сумматора.

Однако точность известного устройства невелика, поскольку корректируется только аддитивная составляющая температурного дрейфа основного сигнала.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является тензометрическое устройство, содержащее тензомост, блок питания, первый выход которого соединен с первой вершиной диагонали питания тензомоста, второй его выход через первый резистор соединен с второй

|

СЛ 00

4

вершиной диагонали питания тензомосга, усилитель, первый и второй выходы которого соединены с выходом измерительной диагонали тензомоста, первый сумматор и управляемый масштабный преобразователь.

Однако в этом устройстве не корректируются аддитивная и мультипликативная температурные погрешности усилителя, отсутствует также возможность регулировки температурного коэффициента чувствительности компенсирующего сигнала.

Кроме того, в данном устройстве коррекции подвергается только часть тензомет- рического устройства, начиная с электрического сигнала (дрейф сопротивления тензомоста), и не корректируется мультипликативная погрешность механического тракта преобразования, возникающая от воздействия температуры. Недостатком этого устройства является также его функциональная неполнота, в его структуре отсутствует на выходе регулируемый усилитель, поскольку условие коррекции температурных погрешностей не обеспечивает требуемый номинальный коэффициент преобразования.

Цель изобретения - повышение точности за счет регулирования температурного коэффициента чувствительности компенсирующего сигнала и за счет компенсации температурного дрейфа и чувствительности к температуре усилителя в условиях различного температурного воздействия на тензо- мост и усилитель.

Поставленная цель достигается тем, что в тензомстрическом устройстве, содержащем блок питания, первый вход которого соединен с первой вершиной диагонали питания тензомоста, второй его выход через первый резистор соединен с второй вершиной диагонали питания тензомоста, усилитель, первый и второй входы которого соединены с выходом измерительной диагонали тензомоста, первый сумматор и управляемый масштабный преобразователь, выход усилителя соединен с первым входом первого сумматора, последовательно соединенного с управляемым масштабным преобразователем, а устройство снабжено последовательно соединенными датчиком температуры, первым масштабным преобразователем и вторым сумматором, выход которого соединен с вторым входом управляемого масштабного преобразователя, делителем напряжения, выполненным в виде последовательно соединенных второго и третьего резисторов, вывод второго резистора соединен с вторым выходом блока питания, вывод третьего резистора соединен с вторым выходом блока питания и с земляной шиной, вторым масштабным преобразователем, выход которого соединен с третьим входом усилителя, третьим масш5 табным преобразователем, выход которого соединен с вторым входом первого сумматора, третьим .сумматором, вход которого соединен с выходом управляемого масштабного преобразователя, выход- с. входом

10 регистратора, четвертым масштабным преобразователем, выход которого соединен с вторым входом третьего сумматора, пятым масштабным преобразователем, первый вход которого соединен с второй вершиной

15 диагонали питания тензомоста, второй вход - со средней точкой соединения второго и третьего резисторов, выход - с вторым входом второго сумматора, а первый выход блока питания соединен также с третьим

20 входом второго сумматора и с входами второго, третьего и четвертого масштабных преобразователей.

На чертеже представлена блок-схема устройства.

25 Тензометрическое устройство содержит последовательно соединенные тензо- мост 1, усилитель 2, первый сумматор 3, управляемый масштабный преобразователь 4, второй сумматор 5 и регист ратор (не

3Q показан), блок 6 питания, первый выход которого соединен с первой вершиной диагонали питания тензомоста 1, второй его выход через первый резистор 7 соединен с второй вершиной диагонали питания тензо35 моста 1, последовательно соединенные датчик 8 температуры, первый масштабный преобразователь 9 и третий сумматор 10, выход которого соединен с вторым входом управляемого масштабного преобразователи ля 4, делитель напряжения, выполненный в виде последовательно соединенных второго и третьего резисторов 11 и 12 соответственно, вывод второго резистора 12 соединен с вторым выходом блока б пита с- ния и с земляной шиной, второй масштабный преобразователь 13, выход которого соединен с третьим входом усилителя 2, третий масштабный преобразователь 14, выход которого соединен с вторым входом первого

цр сумматора 3, четвертый масштабный преобразователь 15, выход которого соединен с вторым входом второго сумматора 5, пятый масштабный преобразователь 16, первый вход которого соединен с второй вершиной диагонали питания тензомоста 1, второй вход - со средней точкой соединения второго и третьего резисторов 11 и 12, выход - с третьим входом третьего сумматора 10, а первый выход блока 6 питания соединен также с третьим входом третьего сумматора

55

10 и с входами второго, третьего и четвертого масштабных преобразователей 14. 13 и 15 соответственно.

Первый сумматор 3 предназначен для сложения сигналов с выходов третьего масштабного преобразователя 14 и усилителя 2.

Третий сумматор 10 предназначен для формирования сигнала, корректирующего мультипликативные составляющие температурных погрешностей тензомоста 1 и усилителя 2 путем сложения сигналов с выхода первого масштабного преобразователя 9, постоянного уровня с первого выхода блока 6 питания и с выхода пятого масштабного преобразователя 16.

Первый масштабный преобразователь 9 предназначен для настройки мультипликативной состав/.чющеи температурной по) решности усилителя 2 путем регулирования коэффициента передачи сигнала датчика 8 температуры и может Оыгь реализован на операционном усилителе.

Второй масштабный преобразователь

13предназначен для настройки аддитивной составляющей температурной погрешности тензомоста 1 путем формирования требуемого уровня смещения и может быть выполнен в виде резисгивного делителя или делителя на операционном усилителе.

Третий масштабный преобразователь

14предназначен для настройки аддитивной температурной погрешности усилителя 2 путем формирования необходимого уровня смещения и может быть выполнен в виде резистивного делителя или делителя на операционном усилителе.

Четвертый масштабный преобразователь 15 предназначен для настройки начального выходного уровня тензометри- ческого устройства и может быть выполнен в виде резистивмого делителя или делителя из операционном усилителе.

Пятый масштабный преобразователь 16 предназначен для настройки мультипликативной составляющей температурной погрешности тензомоста 1 и реализован по схеме дифференциального усилителя с регулируемым коэффициентом передачи.

Тензометрическое устройство работает следующим образом.

На вход тезомоста 1 действует измеряемая физическая величина и сопутствующее ей температурное воздействие ti. Вследствие возможного значительного удаления усилителя 2 от тензомоста 1 на него действует другое температурное воздействие t2, отличное от ti.

Сигнал Ui на первом входе управляемого масштабного преобразователя 4 можно представить в виде:

Ui (PKi (1 +«MI Ati) + Ua1rc i Ati +

-HI П1 ) K2 ( 1 + OMj At2 ) + Uao «a7 A t2 + + U П2 PKi K2 ( 1 + OMi A ti + CCM2 A t2 +

-I-OM1 ома Ati At2 ) + U ( K2 m -f n2 ) x

K2 Uai Oa

x(1 +

4U(K2m +П2)

ЦК2П10М2 + Ua2«a2 U (K2 П1 + П2)

Кг «M Ua2 C4i2

Г f

U(K2m +02)

Ati -t- -- --A12-I

(U

где Р - измеряемая физическая величина;

KI - коэффициент преобразования тен- зомоста 1;

К2 - коэффициент преобразования усилителя 2;

Ati - приращение температуры, воздействующей на тензомост 1; At2 - приращение температуры, РОЗ действующей на усилитель 2;

U - выходное напряжения бпока 6 пи а- ния;

г,1 - коэффициент прсобразоспния вто- рою масштабного преобразователя 13;

пз коэффициент преобразования третьего масштабного преобразователя 14; ам коэффициент мультипликативной чувствительности тензомоста 1 кприра- щению температуры Ati;

ам2 коэффициент мультипликативной чувствительности усилителя 2 к приращению температуры At2;

Uai Oai - аддитивное изменение выходного сигнала тензомоста 1 на единицу изменения температуры Ati;

аддитивное изменение выходного сигнала усилителя 2 на единицу из- мепения температуры A t2;

Оъ - температурный коэффициент ухода нуля тензомоста 1:

Ga2 температурный коэффициент ухода нуля усилителя 2.

Как видно из выражения (1), дополнительная погрешпостьтензометрического устройства без коррекции определяется температурным воздействием на тензомост 1 Ati и температурным воздействием на

усилитель 2 At2. Для того, чтобы скорректировать дополнительные погрешности и от температурного воздействия Ati, и от температурного воздействия Ли, необходимо выделить дополнительные сигналы, пропорциональные как Ati, так и A tz. Сигнал, пропорциональный температурному воздействию на тензомост 1, выделяется с помощью первого резистора 7, напряжение на котором определяется температурным дрейфом сопротивления диагонали питания тензомостз 1, и скомпенсирован при начальной температуре гснзомоста 1 сигналом, снимаемым с выхода делителя, образованного вторым и третьим резисторами 11 и 12. Сигнал, пропорциональный температурному воздействию на усилитель 2, выделяют с помощью датчика 8 температуры, в качестве которого можно использовать любой термозависимый элемент (терморезистор, диод, транзистор), а дрейф пятого масштабного преобразователя 16 мохшо учесть, выполнив пересчет его величины к входу датчика 8 температуры, поскольку они находятся в одинаковых температурных условиях.

Сигнал U2 на втором входе управляемого масштабного преобразователя 4 формируется в следующем виде:

10

15

порядка малости, выражение (1) можно переписать в виде:

Ui PKi К2(1 4-otai Ati +OMZ At2) +

+u(K2n,+no(()A.,+

-f UK2ni«M2+Ua2At2). (3)

Для того, чтобы осуществить коррекцию дополнительных погрешностей в выражении (3) при приращениях температур Ati. Ata с помощью одного корректирующего сигнала U2, необходимо выполнить условий (1) и (2):

™. - KaUa1flhi . 2Q ° U(K2ni+n2)

ам2

1)32032 УП2

(4)

25 Условие (2) выполняют подстройкой коэффициента

П2

Ua2 Qag

(5)

порядка малости, выражение (1) можно переписать в виде:

Ui PKi К2(1 4-otai Ati +OMZ At2) +

u(K2n,+no(()A.,+

-f UK2ni«M2+Ua2At2). (3)

Для того, чтобы осуществить коррекцию дополнительных погрешностей в выражении (3) при приращениях температур Ati. Ata с помощью одного корректирующего сигнала U2, необходимо выполнить условий (1) и (2):

ам2

1)32032 УП2

(4)

П2

Ua2 Qag

(5)

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения деформации в условиях широких диапазонов и быстроменяющихся температур. Цель изобретения - повышение точности за счы регулирования температурного коэффициента чувствительности компенсирующего сигнала и за счет компенсации температурного дрейфа и чувствительности к температуре усилителя в условиях различного температурного воздействия на тензомост и усилитель. Тензо- метрическое устройство позволяет устранить мультипликативную погрешность не только от дрейфа электрического сопротивления тензорезисторов тензомоста, но и от температурного дрейфа параметров предшествующего механического тракта преобразования за счет регулиро1зки коэффициента передачи корректирующих сигналов. Предлагаемая схема коррекции позволяет осуществить настройку схемы температурной коррекции без изменения чувствительности к измеряемому параметру. 1 ил. сл с

П4 Ati -f

(2)

35

30

где Utiatt -изменениесигнала,снимаемого с первого резистора 7, относительно напряжения, снимаемого с делителя, образованного вторым и третьм резистора- ми 11 и 12, на единицу измерения температуры Ati:

«ti - температурный коэффициент чувствительности к изменению температуры Ati:

Ut2tft2 изменение сигнала, снимаемого с датчика 8 температуры, на единицу изменения температуры At2,

6tt2 -температурный коэффициент чув- ствительности к изменению температуры

At2I

пз - коэффициент преобразования первого масштабного преобразователя 9;

П4 - коэффициент преобразования пя- того масштабного преобразователя 16.

Пренебрегая произведениями погрешностей при произведении приращений температур AtiAtz как величинами второго

а условие (1) выполняют подстройкой коэффициента

. Dai Oat Uag 1 U «М2 К2

(6)

Напряжение U2 определяет коэффициент преобразования сигнала Ui управляемым масштабным преобразователем 4:

K-f(U2),

(7)

следовательно, если выполнить следующие условия:

QMi

-TJ-OM

(8)

Ut2

U

atana,

(9)

то при реализации отношения Ut/lfe можно добиться коррекции температурных погрешностей.

Условие (8) выполняют подстройкой коэффициента гм:

OM U П4 U,i

(Ю)

а условие 9 выполняют подстройкой коэффициента лз:

U (11)

ССМ2

пз --

Ut2

Величины Dai «a1 . aWl aM2

Uti a Ut.«t2 определяют экспериментальным путем, а затем вычисляют значения

КОЭффИЦИеНТОВ Щ, П2, ПЗ, ГМ.

Деление сигнала Ui на первом входе управляемого масштабного преобразователя 4 на сигнал U2, формируемый на его втором входе, позволяет получить на выходе управляемого масштабного преобразователя 4 сигнал Уз. пропорциональный измеряемой физической величине, но функционально не зависящей от температурного воздействия на тензомост 1 Ati и температурного воздействия на усилитель 2 ДЦг:

U3 Ui/U2 UiK Uf(U2)

РК1К2- U(K2ni+ П2)

(12)

Начальное смещение в формуле (2) компенсируется с помощью второго сумматора 5 и четвертого масштабного преобразователя 15.

Таким образом, выходной сигнал устройства Увых определяется только измеряемой физической величиной Р и коэффициентами преобразования тензо- датчика 1 и усилителя 2.

Формула изобретения Тензометрическое устройство, содержащее тензомосг, блок питания, первый выход которого соединен с первой вершиной диагонали питания тензомоста, второй его выход через первый резистор соединен с второй вершиной диагонали питания тензомоста, усилитель, первый и второй входы

0

0

которого соединены с выходом измерительной диагонали тензомоста, первый сумматор и управляемый масштабный преобразователь, отличающееся тем. что, с цель повышения точности за смет регулирования температурного коэффициента чувствительности компенсирующего сигнала и за счет компенсации температурного дрейфа и чувствительности к температуре усилителя в условиях различного температурного воздействия на тензомост и усилитель, выход усилителя соединен с первым входом первого сумматора, последовательно соединенного с управляемым масштаб- 5 ным преобразователем, а устройство снабжено последовательно соединенными датчиком температуры, первым масштабным преобразователем и вторым сумматором, выход которого соединен с вторым входом управляемого масштабного преобразователя, делителем напряжения, выполненным в виде последовательно соединенных второго и третьего резисторов, вывод второго резистора соединен с вторым выходом блока питания и с земляной шиной, вторым масштабным преобразователем, выход которого соединен с третьим входом усилителя, третьим масштабным преобразователем, выход которого соединен с вторым входом первого сумматора, третьим сумматором, вход которого соединен с выходом управляемого масштабного преобразователя, выход - с входом регистратора, четвертым масштабным преобразователем, выход которого соединен с вторым входом третьего сумматора, пятым масштабным преобразователем, первый сход которого соединен с второй вершиной диагонали питания тензомоста, втором вход - со средней точкой соединения второго и третьего резисторов, выход - с вторым входом второго сумматора, а первый выход блока питания соединен также с третьим входом второго сумматора и с входами второго, третьего и четвертого масштабных преобразователей.

5

0

5

0