Тензометрическое устройство Советский патент 1993 года по МПК G01B7/16 

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники,а именно к измерению неэлектрических величин в условиях широких диапазонов температур.

Известно устройство, содержащее мостовую схему включения тензодатчика, включенную в качестве изменяющегося от температуры плеча во внешний мост для получения дополнительного термозависимого сигнала, используемого для коррекции аддитивной погрешности датчика. Точность устройства невелика,, поскольку корректируется только линейная Составляющая аддитивной погрешности.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство, содержащее последовательно соединенные тензомост, усилитель, управляемый масштабный преобразователь и сумматор, источник питания, первый выход которого соединен с первой вершиной диагонали питания тензомоста и со вторыми входами усилителя и сумматора, второй выход - через резистор с второй вершиной диагонали питания тензомоста и с вторым входом управляемого масштабного преобразователя.

. Недостатком известного устройства является то что оно имеет низкую точность в условиях нелинейного характера температурных зависимостей аддитивной и мультипликативной составляющих погрешности датчика.

Целью изобретения является повышение точности в условиях нелинейных зависимостей составляющих температурной погрешности датчика.

Цель достигается тем, что тензометри- ческое устройство,содержащее тензомост, первый резистор, блок питания, первый выход которого соединен с первой вершиной диагонали питания тензомоста, второй выход через первый резистор соединен с второй вершиной диагонали питания тензомоста, первый усилитель, первый и второй входы которого соединены с выходами измерительной диагонали тензомоста, первый сумматор и управляемый масштабный преобразователь, первый вход которого соединен с выходом первого усилителя, а выход соединен с первым входом первого сумматора, выход которого является выходом устройства, снабжено вторым и третьим резисторами, первые выводы которых сое- . динены с выходами блока питания, а вторые выводы соединены между собой, вторым усилителем, первый вход которого соедй- .нён с вторыми выводами второго и третьего ;резисторов, а второй вход соединен с второй вершиной диагонали питания тензомоста, первым переключателем, вход которого

соединен с выходом второго усилителя, первым, вторым и третьим масштабными преобразователями, входы которых соединены соответственно с первым, вторым и третьим

выходами первого переключателя, а выходы объединены и соединены с первым входом второго сумматора, второй вход которого соединен с первым выходом блока питания, а выход соединен с вторым входом управля0 емого масштабного преобразователя, вторым переключателем вход которого соединен с первым выходом блока питания, четвертым, пятым и шестым масштабными преобразователями, входы которых соеди5 йены соответственно с первым, вторым и третьим выходами второго.переключателя, а выходы объединены и соединены с третьим входом первого усилителя, третьим пере- ; ключателем, вход которого соединен с

0 первым выходом блока питания,-седьмым, восьмым и девятым масштабными преобразователями, входы которых соединены соответственно с первым, вторым и третьим выходами третьего переключателя, а выхо5 ды объединены и соединены с вторым входом первого сумматора, первым и вторым делителями напряжения, входы которых соединены с первым выходом блока питания, сравнивающим узлом, первый вход которо0 то соединен с выходом второго усилителя, второй вход соединен с выходом первого делителя напряжения, третий вход - с выходом второго делителя напряжения, а выход с управляющими входами первого, второго и

5 третьего переключателей.

На фиг.1 представлена блок-схема устройства; на фиг,2 - зависимости: 1 - аддитивной погрешности от температуры; 2 - мультипликативной погрешности от темпе0 ратуры; 3 - сигнала на выходе второго усилителя 9 от температуры,

Тензометрическое устройство содержит последовательно соединенные тензомост 1, первый усилитель 2, управляемый

5 масштабный преобразователь 3, первый сумматор 4, по которым проходит основной измеряемый сигнал. Блок 5 питания подключен через первый резистор 6 к диагонали питания тензомоста Т. Второй 7 и третий

0 8 резисторы образуют полумост, выход которого соединен с первым входом второго усилителя 9, второй вход которого соединен с полумостом, образованным тензомостом 1 и первым резистором 6. Через первый

5 переключатель 10 второй усилитель 9 соединен с первым 11, вторым 12 и третьим 13 масштабными преобразователями, выходы которых соединены с первым входом второго сумматора 25. Элементы 9, 10. 11, 12, 13 и 25 образуют дополнительный канал для

формирования термозэвисимого сигнала, управляющего коэффициентом передачи управляемого масштабного преобразователя 3. Вход второго переключателя 14 соединен с первым выходом блока 5 питания, а выходы - с четвертым 15, пятым 16 и шестым 17 масштабными преобразователями, выходы которых соединены с третьим входом первого усилителя 3. Элементы 14, 15, 16, 17 служат для задания требуемого уров- ня смещения на первом входе управляемого масштабного преобразователя 3. Вход третьего переключателя 18 соединен с первым выходом блока 5 питания, а выходы - с седьмым 19, восьмым 20 и девятым 21 мае- штабными преобразователями, выходы которых соединены со вторым входом первого сумматора 4. Элементы 18. 19, 20 и 21 служат для компенсации постоянного смещения на выходе всего тензометрического устройства, Первый-22 и второй 23 делители напряжения соединены с первым выходом блока 5 питания и со вторым и третьим входами сравнивающего узла 24. Элементы 22 и 23 предназначены для формирования по- роговых напряжений на втором и третьем входах сравнивающего узла 24, первый вход которого соединен с выходом второго усилителя 9. Выход сравнивающего узла 24 соединен со входами переключателей 10,14 и i8. Сигнал с выхода сравнивающего узла 24 предназначен для управления положением переключателей 10, 14 и 18 в зависимости от величин сигнала с выхода второго усилителя 9, пропорционального темпера- туре тензомоста 1.

Тензометрическое устройство работает следующим образом.

На тензодатчик 1 воздействует измеряемая физическая величина X и температура Т. Сигнал U1 на первом входе управляемого масштабного преобразователя 3 на любом из участков аппроксимации можно представить в виде.

U.1 К X (1 + Ом t|) + U3 Ы ti + Unl, (1)

где Х -изменяемая физическая величина;

К - коэффициент преобразования; ttMi относительная мультипликативная чувствительность датчика к температу- ре из i-ом участке;

Ua ctai - абсолютная аддитивная чувствительность датчика к температуре на 1-ом участке;

Oai - относительная аддитивная чувст- вительность датчика к температуре на 1-ом участке;

U - выходное напряжение блока 5 питания;

Uni - напряжение смещения на первом входе управляемого масштабного преобразователя на 1-ом участке;

m - коэффициент передачи четвертого, пятого или шестого масштабного преобразователя в соответствии с f-тым участком аппроксимации температурной погрешности;

ti - приращение температуры на 1-ом участке аппроксимации погрешности.

Как видно из выражения (1) сигнал на первом входе управляемого масштабного преобразователя 3 при одном и том же значении измеряемой величины X, в зависимости от температуры и количества выбранных участков аппроксимаций температурной погрешности (в данном случае 3 участка, соответствующих трем выходным сигналам сравнивающего узла 24 и трем положениям второго переключателя 14) будет иметь три различных смещения Uni, зависящих от коэффициента передачи ni подключенного в. данный момент времени масштабного преобразователя.

п| ni - на первом участке аппроксимации ti ц. .

ni яг - на втором участке аппроксимаций ti -М . ni пз - на третьей участке аппроксима ЦИИ t| t3.

Участки аппроксимации выбраны так, что диапазону температур Тз-Ti соответствуют первый участок с текущим значением приращения температуры ti, диапазону Гз Та соответствует второй участок аппроксимации с текущим приращением температуры 12, диапазону температур Тз соответствует третий участок аппроксимации с параметром т.з. Полумост на сопротивлениях 7, 8 совместно со вторым усилителем 8 введен для получения нулевого сигнала на выходе термоканала при начальной температуре Т 20°С. Это обеспечивает постоянную чувствительность тензометрического устройства к измеряемой величине при изменении коэффициента передачи термоканала на различных участках аппроксимации.

Сигнал 1)2 на втором входе управляемого масштабного преобразователя 3 может быть представлен 8 виде

U2 U «tljtj,(2) где Uok - абсолютная чувствительность сигнала на выходе второго усилителя 9 к температуре;

сск -. относительная чувствительность этого сигнала к температуре;

li - коэффициент передачи первого 11, второго 12 или третьего 13 масштабных преобразователей, подключаемых через второй переключатель 10 к выходу второго усилителя 9 в зависимости от номера участка , 2.3,

Сигнал на выходе управляемого масштабного преобразователя 3 равен:

Kp X

К х (1 4- ам ti) + Ua aa ti + Unt

ХU20+UOKlit|

Кр Км

где К2

.(3) (4)

Uao +UOKl ltl 1 +«к lltt

Кг -коэффициент передачи управляемого. масштабного преобразователя 3;

too KP/U20 - коэффициент передачи управляемого масштабного преобразователя (УМП) 3 при Т 20°С;

U20 - напряжение, формируемое вне термоканала и обеспечивающее конечное значение коэффициента передачи УМПЗ приТ 20°С:

Кр - размерный коэффициент преобразования УМПЗ;.

i U

«к тт- относительная чувствительность термрканала к температуре.

Аддитивная составляющая сигнала Ui может быть представлена в виде:

Ua од ti + Un| Uni (1 + «ai1 ti),(5)

где Oai

UaOal

- относительная аддитив;

ная чувствительность сигнала Ui на 1-ом участке..

С учетом (4) и (5 выражение (3) может быть записано следующим образом Us-Kzox

KX(r+OMiti) + Unt(i + rev хГ+lvTtj-W

Как видно из выражения (6) линейные составляющие температурной погрешности могут быть скомпенсированы на каждом из 1-тых участков аппроксимации, если выбором коэффициентов передачи li и щ элементов 1, 2.3,4,5, 6 обеспечит на этих участках следующие равенства:

«к li - ctMi

, , Ua Oal „(7) од ,

При обеспечении условий (7) сигнал на выходе УМП равен:

Уз - К20 КХ + K2oUni

и состоит из полезного сигнала КгоКХ и смещения KaoUni, которое устраняется в первом сумматоре 4, на второй вход которого подается через масштабные преобразователи 19,20 или 21 соответствующие каждому участку компенсирующие смещения от блока 5 питания

UCM Um .-KzoUh l, .

Обеспечение равенства

mi -K200I

необходимо для компенсации смещения выходного сигнала на каждом из участков аппроксимации.

Сравнивающий узел 24 управляется сигналом от второго усилителя 9 (кривая 3 на фиг.2). Опорные напряжения, формируемые делителями 22.и 23 напряжения соответствуют по уровню сигналам с выхода

0 усилителя 9 при температурах Тз и 12 (см, фиг.2). Когда сигнал с выхода второго усилителя 9 достигнет значения первого опорного напряжения на выходе сравнивающего узла 24 формируется сигнал, переводящий пере5 ключатели 10, 14, 18 в положение, соответствующее следующему участку аппроксимации.

Точность предлагаемого устройства зависит от числа выбранных участков алпрок0 симации и может быть увеличена при выборе большего числа участков. При заданном числе участков аппроксимации для обеспечения большей точности их следует выбирать исходя из минимума суммарной

5 погрешности на этих участках по наиболее нелинейной из зависимостей, представленной на фиг.2.

Технико-экономическими преимуществами тензометрическоро устройства по

0 сравнению с прототипом является повышение точности коррекции температурной погрешности тензодатчика в условиях нелинейности температурных зависимостей мультипликативной и аддитивной со5 ставляющих температурной погрешности тензодатчика путем их линейной аппроксимации и коррекции по каждой из линейных составляющих на рассматриваемом участ- - ке.- .. . -

0 Ф-ррму.ла изобретен ия .

Тензометрическое устройство, содержащее тензомост, первый резистор, блок питания, первый выход которого соединен с первой вершиной диагонали питания тензо5 моста, второй выход через первый резистор соединен с второй вершиной диагонали питания тензомоста, первый усилитель, первый и второй входы которого соединены с выходами измерительной диагонали тензо0 моста, первый сумматор и управляемый масштабный преобразователь, первый вход которого соединен с выходом первого усилителя, а выход соединен с первым входом первого сумматора, выход которого являет5 ся выходом устройства, бтличающее- с я тем, что, с целью повышения точности, оно снабжено вторым и третьим резисторами, первые выводы которых соединены с выходами блока питания, а вторые выводы оединены между собой, вторым усилителем, первый вход которого соединен с вторыми выводами второго и третьего резисторов, а второй вход - с второй вершиной диагонали питания тензомрста, первым пе- реключателем;ёход которого соединен с вы- ходом второго усилителя, первым, вторым и третьим масштабными-преобразователями, входы которых соединены соответственно с первым, вторым и третьим выходами первого переключателя, а выходы объединены и соединены с первым входом второго сумматора, второй вход которого соединен с первым выходом блока литания, а выход соединен с вторым входом управляемого масштабного преобразователя, вторым пе- реключателем, вход которого соединен с первым выходом блока питания, четвертым, пятым и шестым масштабными преобразователями, входы которых соединены соответственно С первым, вторым и третьим

выходами второго переключателя, а выходы объединены и соединены с третьим входом первого усилителя, третьим переключателем, вход которого соединен с первым выходом блока питания, седьмым, восьмым и девятым масштабными преобразователями, входы которых соответственно соединены с первым, вторым и третьим выходами третьего переключателя, а выходы обьеди- нены и соединены с вторым входом первого сумматора, первым и вторым делителями напряжения, входы которых соединены с первым входом блока питания, сравнивающим узлом, первый вход которого соединен с выходом второго усилителя, второй вход соединен с выходом первого делителя напряжения, третий вход соединен с выходом второго делителя напряжения, а выход - с управляющими входами первого, второго и третьего переключателей.

Изобретение относится к-контрольно- измерительной технике, а именно к измерению неэлектрических величин в условиях широких диапазонов температур. Цель - повышение точности за счет отстройки температурных зависимостей аддитивной и мультипликативной составляющих погрешности датчика. Выбирают участки аппроксимации, так что диапазону температур Tjj-T i соответствует первый участок с текущим значением приращения температуры ti. диапазону Тз-Т2 соответствует второй участок с t2 и диапазону Т4-Тз соответствует третий участок с t.3. Полумост на сопротивлениях 7 и 8 совместно с вторым усилителем 9 обеспечивает нулевой сигнал на выходе тёрмо- канала при начальной температуре. Что обеспечивает постоянную чувствительность тензометрического устройства к измеряемой величине при йзменеййи коэффициента передачи термоканала на различных участках аппроксимации. 2 ил. СП С