Тензометрическое устройство

 

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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

З(51) 01 L l/22

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3570190/18-10 (22) 29. 03.83 (46). 23.04.84. Бюл. № 15 (72) Г.И. Козырев и А.И. Жучков (53) 531.781 (088.8) (56) 1. Патент США № 3447362, кл. 73-88 5, 1974.

2. Авторское свидетельство СССР

¹ 800742, кл. g 01 1. 9/04, 1979.

3. Авторское свидетельство СССР № 682755, кл. С, 01 В 7/18, 1976 (прототип) . (54) (57) ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО, содержащее двухмостовой тензопреобразователь, включающий в себя первую мостовую схему s виде четырех тензорезисторов и тензорезистор во второй мостовой схеме, сумматор с усилителем на выходе, отл ича юще ес я тем, что, с целью повышения точности измерения в широком диапазоне быстроменяюшихся температур, в него введены тензорезистор, два усилителя с фикси. рованным смещением, два усилителя, две схемы вычитания, делитель, два масштабных усилителя с фиксированным смещением и умножитель, причем этот тензоре„„SU„„1087786 A зистор подключен между тензорезистором второй мостовой схемы и клеммой источника питания, входы двух усилителей с фиксированным смешением соединены с измерительной диагональю первой мостовой схемы, входы двух усилителей — с измерительной диагональю второй мостовой схемы, выход первого усилителя с фиксированным смещением и выход перmoro 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 масштабного усилителя с фиксированным смещением соединен с входом умножитеas, два других входа которого соединены с измерительной диагональю первой мостовой схемы, а выход умножителя - с входом сумматора, второй вход которого соединен с выходом второго масштабного усилителя с фиксированным смеще« нием.

1087786 т

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено дпя измерения механических нагрузок в широком диапазоне быстромеыяющихся температур.

Известно устройство, содержащее попу- 5 проводниковый тензомост, в котором с целью компенсации температурной погрешности в плечо мостовой схемы с наибольшим температурным коэффициентом включают дополнительно последовательно и параллельно термореэисторы (1 3 .

Известно также устройство, содержащее тензометрический мост, в котором компенсация температурной погрешности обеспечивается за счет введения термореэистора в измерительную диагональ тензомоста (2) .

И этих устройствах компенсация температурной погрешности осуществляется благодаря использованию полупроводнико- о вых термосопротивлений - термксторов, так или иначе подключенных к мостовой схеме тензодатчика.

Однако вследствие различной физической природы термисторов к тензорезисторов невозможно осуществитв с большой степенью точности компенсацйю температурной погрешности тензодатчика

s широком диапазоне температур, особенно в переходном тепловом режиме, так 30 как терморезисторы, имеющие тепловую инерцию, отличную от тепловой инерции тензорезисторов, дают информацию о температуре тензодатчика со сдвигом во времени. 35

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является тензометрическое устройство, содер3кащее внутреннюю мостовую схему, состоящую кз четырех тензореэисторов, 40 внешнюю мостовую схему, которая вклк чает s себя тензорезистор, два внешних резистора и внутренний тензомост в качестве одного иэ плеч, масштабный усилитель, сумматор и усилитель. Внут- 45 ренняя и внешняя мостовые схемы образуют два линейно независимых канала передачи информации о действующих на их входах механической нагрузке и темцературе 73) .

Недостатком известного устройства является отсутствие коррекции мупьтипликативной составляющей температурной погрешности, которая при работе датчиков специального назначения В широком 55 диапазоне температур мажет достигать значительной величины и заметно снижать точность измерений.

Непью изобретения является повышение точности измерения в широком диапазоне быстроменяющихся температур.

Указанная цель достигается тем, что в тензометрическое устройство, содержащее двухмостовой тензопреобразователь, включающий в себя первую мостовую схе му 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 умножитепь, причем этот тензорезистор подключен между тензорезистором второй мостовой схемы и клеммой источника питания, входы двух усилителей с фиксированным смещением соединены с измерительной диагональю первой мостовой схемы, входы двух у=илителей — с измерительной диагональю второй мостовой схемы, выход первого усклителя. с фиксированным смещением и выход первого усилителя соединены с входами первой схемы вычитания, выход второго усилителя с фиксированным смешением и выход второго усилителя - с входамк второй схемы вычитания, выходы обеих схем вычитания соединены с входами делителя, выход которого соединен с входами двух масштабных усилителей с фиксированным смещением, выход первого масштабного усилителя с фиксированным смещением соединен с входом умножитепя, два других входа которого соединены с измерительной диагональю первой мостовой схемы, а выход умножителя - с входом сумматора, второй вход которого соедк0 нен с выходом второго масштабного усилителя с фиксированным смещением.

На чертеже показана блок-схема устройства.

1 . Устройство содержит тензореэисто > ры 1-6, усилители 7 и 8 с фиксированным смешением,, усилители 9 и 10, схемы 11 и 12 вычитания, делитель 13, масштабные усилители 14 и 15 с фиксированным смещением, умножитель 16, сумматор 17 к усилитель 18. Тензорезисторы 1-6 являются тензопреобразователями и образуют две мостовые схемы 19. и 20 с общей диагональю в виде тенэорезисторов 3 и 4. Точки 21 и 22 общей диагонали мостовых схем подключены к клеммам 23 и 24 питания. Точ« ки 25 и 26 измерительной диагонали

7786

45 Отсюда

"а"г ((е ol î" < (g -ra< I+3<„V„- л„Ч

V =X„(I.,ò), Чг Х2 (I- т) 50

При представлении градуировочной ха рактеристики двухмостового тензопреобразователя в виде (1), как это сделано или

3 108 мостовой схемы 19 соединены с входами усилителей 7 и 8 с фиксированным смешением. Точки 25 и 27 измерительной диагонали тенэомоста 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 соединен 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 смешением.

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 подклеен к выходу усилителя 15 с фиксированным смещением.

Выход сумматора 17 подключен к выходу усилителя 18.

Электрическая схема тензопреобразо вателя состоит иэ двух мостовых схем 19 и 20. Тензомост 19 образуют четыре тензореэистора 3-6, причем тензореэисторы 3 и 6 воспринимают деформацию растяжения, а тензорезисторы 4 и 5деформацию сжатия. енэомост 20 образуют четыре тензорезистора 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 тензомоста 19 снимают сигнал Ч., а с точек 25 и 27 измерительной диагонали тенэомоста 20 снимают сигнал Ч2

Оба сигнала Ч„и Yz йесут информацик об измеряемой механической нагрузке 1. и о температуре Т тенэорезисторов, т.е. где f „è f - нелинейные, в общем случае, функции. в известном устройстве, принципиально невозможно получить математическое выражение в явном виде для коррекции мультипликативной температурной погреш5 ности тензопреобраэователя с дальнейшей реализацией его на существующей элементной базе, так как не существует прямых методов решения системы нелинейных уравнений, и применяются итера10 ционные методы. уС

Поэтому градуировочную характеристику тензопреобразователя состоящего из двух мостовых схем 19 и 20, представим в виде

I.= (T)+ (Ò)V= + Т+Ч Ц 1(Ц Т, Ь-т(Т)+п(Т}Ч -щ +п1 Т+и 9+ Ч Т, 20 гдеО- и тТ- коэффициенты, характеризующие & ддитивную чувствитель» ность к температуре мос» товых схем 19 и 20 соот25 ветственно;

k < и и, — коэффициенты, характеризующие мупьтипликативную чувствительность к температуре мостовых схем 19 и 20.

Зо

Озффициенты Ф, %1, ko, %1, нi, rn1, по и» 11 нахОдятся с пОМОщью Обработки экспериментальных данных в процессе метрологических испытаний тензометрического устройства.

Учитывая, что тензорезисторы тензомостов 19 и 20 находятся в одинаковых, условиях по, и Т, выразим температуру Т через YÄ s. Ч и известные коэффициенты g, 1с, rn s; w . Для этого лриразняем между собой первое и второе урав.нения системы (2) + т+ Ч+aЧ Т=+m +nV+nVТ.

0 4 01 11 Ф 1 Og 12 где Т - оценка температуры, действующей на тензопреобраэова = тель..

При использовании выражения (3)

55 необходимо выполнить условие (y -1п )+% -fl V 40 (4-) 1087786

+ с Ч ф +0V

i=4+a,т (К0+М„Т)М„, (Ч где Т - есть функция от V,и ч согласно (3); — сигнал, равный по величине измеряемой механической на % грузке.

Работа устройства осу шес твля ется в соответствии с алгоритмом, определяемым выражением (3) и (5).

СигналЧ.„снимаемый с точек 25

25 и 26 мостовой схемы 19, подается одновременно на входи усилителей 7 и 8 с фиксированным смешением. На выходе усилителя 7 формируется сигнал, равный (фд- tno ) 4. Зс„Ч, который подается на один иэ входов схемы 11 вычитания ЗО

С выхода усилителя 8 с фиксированным смещением сигнал, равный(, -m )+ô, подается на один из входов схемы 12 вычитания (структура ее аналогична схеме 11}. 35

Сигнал Ч, снимаемый с точек 25 и 27 мостовой схемы 20, подается одновременно на входы усилителей 9 и 10 (структура их аналогична структуре усилителей 7 и 8 при отсутствии фик«

40 сированного смещения, подаваемого от источника питания) .

Сигнал с выхода усилителя 9,- равный

Ио Vq, подается на другой вход схемы 11 вычитания, а выходной сигнал усилителя 10, равный „Ч, подается на другой вход схемы 12 вычитания.

Сигнал с выхода схемы 11, равнтй оЧа-((о- о)+ оЧ,3, и выходной сигнал схемы 12, равный („-m }+ ®„Ч„-в„Ч, подаются на входи делителя 13.

На в; ходе делителя 13 согласно выражению (3) формируется сигнал 7., Таким образом, схемы 7-13 полностью реализуют выражение (3).

Работа остальной части устройства связана с реализацией выражения (5). что указывает на необходимость соблюдения независимости и асимметрии каналов передачи информации î L и Т . сповие (4) . выполняется путем подбора величин тензореэисторов 1-6 и соответствующего их размещения на упругом эле-. менте измерительного устройства.

Подставляя выражение (3) в первое

10 уравнение системы (2}, получаем сигнал, скорректированный по температуре

Выходной сигнал делителя 13, равЛ ный 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, л равный 1ñ„+k„Т, подается на один иэ входов умножителя 16, на другой вход которого поступает сигнал Ч с точек 25 и 26 мостовой схемы 19. Выходной сиг нал умножителяс16, равный (со+ „) Ч„ о подается на один из входов сумматора 17, на другой вход которого поступает выходной сигнал масштабного усилителя 15 с фиксированным смещением, равный + „1 . На выходе сумматора 17 формируется сигнал, равный по величине измеряемой механической нагрузке L ф©+ p„9 t(ko+ М„Т } М„, т.е. не зависящий от температуры тензорезисторов 1-6. После этого усилитель 18 усиливает выходной сигнал сумматора 17 до величины, удобной для регистрации сигнала.

Таким образом, введение тензореэистора 2 между тенэорезистором 1 и клеммой 24 питания и образования за счет этого двух мостовых схем дает возможность получить два независимых сигнала при использовании только шести тензореэисторов без привлечения резисторов.

Один иэ сигналов является основным, другой - дополнительным и может быть использован для температурной коррекции ,основного сигнала.

Представление градуировочной харак =теристики тензообразователя в виде сис= темы уравнений (2) позволяет осуществить коррекцию как аддитивной, так и мультипликативной температурной погрешности основного сигнала.

Использование для аадитивной и мультипликативной коррекции только самих тенэорезисторов 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 тензореэис торного устройства в диапазоне измеряемых давлений 0-20 атм и изменения температуры -60 - 90 С позволит повысить точность устройства примерно в

7 раз по сравнению с известным.

i08778G

ВНИИПИ Заказ 2б44/35 Тирам 823 Подписное

Фипиал ППП "Патвит", г Уагород, уа.Провктыаа, 4