Способ измерения силы

 

1 .СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СИПЫ, заключающийся в том, что снимают градуировочные характеристики V (F) и VfF) преобразователя с добавочным сопротивлением в цепипреобразователя и без добавочного сопротивления соответственно, а затем прикладывают измеряемую силу F и Измеряют въкодныё сигнальг U|; и U преобразователя при наличии добавочного сопротивления в его цепи у и без добавочного сопротивления соответственно, отличающийся тем, что, с целью уменьшения температурной ногрешнЬсти при измерениях преобразователем, выполнению по костовой схеме граду ировочные характеристики V(f) и Vjj(P) снимают при температуре ок ружающёй среды t,., соответствукяцей нижней границе рабочего диапазона и при температуре t; , соответствующей верхней границе рабочего диапазона , а при приложении иэмеряе, мой сшш F дополнительно измеряют падение напряжения Uj, на добавочжж сопротивлен}, которое вкпючшот в диагональ питания моста о величине йэмеряеной силы р по расчетной оценке р.. отфеделяемой из выражения ДД) р F tfp - F Лм ч jr ч г Я, где F - оценка величины силы F по величине вьпсодного сигнала U из.градуировочной характеристики V {F), снлтой при -fcjj без добавочного соп ротивления в цепи щтеобразователя р« то же, из градуировочной характеристики V (F) , снятой при t без добавочного сопротивления в цепи преобразовате 1я; 1VV К,- «Tt .- : jj,4. ) К--т «4

СОО3 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (!9) 00

4рц С ОГ L 1/22

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHDMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

«е оем

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3657820/24-10 (22) 02.1 1. 83 (4б) 30.05.85. Вюл. 9 20 (72) И.И. Столб.ун (53) 531,781 (088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР и 120941, кл, О 01 Ь 25/00, 1957 °

2. Авторское свидетельство СССР

1{р 887948, кл. 0 01 I 1/12, 1978 (прототип). (542 (57) 1 ..СНОСОВ ИЗМЕРЕНИЯ СИПЫ, заключающийся. в том, что снимиот градуировочные характеристики Ч„ (р } и

1/(} преобразователя с добавочным сопротивлением в цепи преобразователя и беэ добавочного сопротивления соответственно, а затем прикладывают измеряемую силу F и измеряют выходные сигналы О«си 0 преобразователя прй наличии добавочного сопротивления в его цепи, и беэ добавочного сопротивления соответственно, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью уменьшения температурной погрешности при .измерениях преобразователем, выполненным по мостовой схеме, граду ировочные характеристики Vff) и I| (F} снимают при. темиературе окружающей среды Q.;, соответствующей нижней границе рабочего диапазона, и при температуре t соответствующей верхней гранйце рабочего диапазона, а нри приложении измеряе.° мой силы F: дополнительно измеряют падение напряженйя 0;„ на добавочном сопротивлении, которое включают в . диагональ питания моста,. причем о величине измеряемой силы F судят по расчетной оценке Р», определяемой нз выражения

F р { 16„% iа,Ч i ° вla,yt где F - оценка величины силы по величине выходного сигнала

И нз, градуировочной ха» рактеристики . (F}, снятой при .Б„без добавочного сопротивления в цени преобразователя;

"« - то мер из градуировочной характеристики f (F), снятой при t без добавочного сопротивления в цепи преобразователя;

"«- /м 14

1

Оа -,{ «а р где Ч., и 7 — значения градуиров очных характернсVÄ(F) и V (F} снятых с добавечнвэе сопротивлением в цепи преобразователя при температуре t< и { СОотВетственно, которые соответст, у >, вувт значениям f

{ P и р соответствеиио, отиоиеиие крвтивви

sdV,СЮ тредрировочиик кар актер стик V«(р

{ ddVd(F)i m Ч„(с р р, ";

К. - то аер для градуирот

{ d< (И) вочвик карактерис m /,„.(Г) sß ) прн Г . где К, — сопротивление резисторов; — величина добавочного сопб ротивления;

К вЂ” величина сопротивления

Ь полумоста с тенэорезисторами, которая определяется как

On - Ubl

On On Им

R„B2, где U — напряжение источника пи( тания диагонали моста; м - падение напряжения на добавочном сопротивлении.

1158878

2. Способ по и. 1, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью повы.. шения точности, сначала рабочий температурный диапазон разбивают на поддиапазоны, для чего дополнительно снимают градуировочные характеристики V(f-j u g (F) при температурах „, соответствующих границам поддиапаэонов, определяют . по величине О и дополнительным гра» дуировочным характеристикам Q () величины F; и, сравнивая их с величиной I-„, определяют температурный поддиапазон, при котором проиэведено измерение силы l=, а затем, принимая границы найденного температурного поддиапазона эа границы рабочего диапазона, производят уточненный расчет F„

Изобретение относится к силоизмерительной технике и может быть использовано для измерения снл с помощью тензорезисторных преобразователей.

Известен способ измерения силы, заключающийся в том, что снимают градуировочную характеристику V(F) преобразователя, а затем прикладывают измеряемую силу F и измеряют выходной сигнал U преобразователя )1) .

Недостатком данного способа является низкая точность вследствие неучета температурной погрешности.

Наиболее близким к предлагаемому является способ. измерения силы, заключающийся в тдм, что снимают градуировочные характеристики V (F) и V(F) преобразователя е добавочным сопротивлением в цепи преобразователя и без добавочного сопротивления соответственно, а затем прикладывают измеряемую силу Р и измеряют выходные сигналы

U< и U преобразователя при наличйн добавочного сопротивления в, его цепи и без добавочного сопротив. ления соответственно (2) .

Недостатком известного способа является высокая температурная

2 погрешность и неприменимость к тензорезисторным мостовым преобразо . ателям.

Цель изобретения — уменьшение температурной погрешности при измерениях преобразователем, выполненным по мостовой схеме. указанная цель достигается тем, что согласно способу измерения силы, заключающемуся в том, что снимают градуировочные характеристики Ъ (F) и V(F) преобразователя с добавочным српротивлением в

15 цепи преобразователя и без добавочного сопротивления соответственно, а затем прикладывают измеряемую силу F и измеряют выходные сигналы U u U преобразователя при наР личин добавочного сопротивления в его цепи и без добавочного сопротивления соответственно, градуировочные характеристики V(F) и

V (F) снимают при температуре

25 окружающей среды t„, соответствующей нижней границе рабочего диапазона, и при температуре t, соответствующей верхней границе рабоче" го диапазона, а при приложении измеряемой силы Р дополнительно измеряют падение напряжения Uù на добавочном сопротивлении, которое

F (с-Г} (lh ) )Ь ф! оценка величины силы F no величине выходного сигнала 0 из градуировочной характеристики Ч„.(F), снятой при й„ без добавочного сопротивления в цепи преобразователя; то же, из градуировочной характеристики Ч (Р), снятой при и без добавочного сопротивления в цепи преобразователя; где F„ а з

,),, О,-,„ (ь: (и

Ч вЂ” значения градуироМ вочных характеристик

Ч (F) и Ч „ (Р), снятйх е добавочным сопротивлением в. цепи преобразователя при температуре t и t соотаетственно, ко» торые соответствуют значениям Р, и Р. соответственно, отношение крутизны градуировочкык характеристик Ч„„ (Р) и

|F)J . V„(F) ири F . — то же, для градуиро-. ()) вовики характеристик

Ч „(Р) и Ч (Р) при Р

Где Ч„и (a@Ä < ) (dV <Ц) 40

Снлонэмерительный преобразователь 1 имеет упругий элемент .8 F р воспринимающий измеряемую, силу Р, ы преобразующий орган в виде теизометрического моста, состоящего из двух полупроводниковых текзореэисторов 9.и 10.и двух одинаковых .резисторов 11 и 12.

Полунроводкиковый тензорезистор

З(9 являетея активным чувствительным элементом. Он деформируется вместе с упругим элемектои 6, воспринимающим измйряещ ю силу F °

Тенэорезистор 1Î является коипен зз . сационкым элементом. Он не подвержен деформациям, .зависящюю от F.

Во всем же остальном компенсационный тенэорезиетор 10 находится в

1 (F,(г ° 1," }

О где R - сопротивление резисторов;

R„ величина добавочного сопротивления;

Š— величина сопротивления полумоста с тензорезйсторами, которая определяется как

U„- О,„

Ь ll„+e-<», Ъ

1Г„z й, включают в диагональ питания моста, причем о величине измеряемой силы F судят па расчетной оценке

F, определяемой из выражения

158878 4 где U напряжение источника питания диагонали моста;

U — падение напряжения на добавочном сопротивлении.

Кроме того, с целью повышения точности сначала рабочий температурный диапазон разбивают на поддиапазоны, для чего дополнительно снимают градуировочные характеристики

1O V(F) и V<(F) при температурах С1 ., соответствующих границам подциапазонов, определяют по величине U и дополнительным градуировочным ха рактеристикам Ч„ (F) величины Р и, 1$, сравнивая их с величиной Р„,определяют температурный поддиапазок, при котором произведено измерение силы F, а затеи, принимая границы . найденного температурного поддиа2О пазона за границы рабочего диапазона, производят уточненный расчет Р„, На фиг. 1 представлена схема устройства, осуществляющего предлагаемый способ; на фиг. 2 — графи-

2$ ки градуировочных характеристик

V(F) и Ч, (F) при нормальной температуре; на фиг. 3 - графики .градуировочных характеристик V(F), соответствующие границам и середине

Зб диапазона изменения температуры окружающей среды.

Силоизмернтельное .устройство (фиг. 1) содержит измеритепьный преобразователь 1 с преобраэующнм органом, чувствительные элементы которого включены в мостовую цепь, источник 2 питания коммутатор 3, --цифровой измерительный прибор 4, микро-ЭВИ 5, резистор 6 и ключ 7.

1 158878 тех же условиях, в которых находится активный тенэореэистор 9.

В диагональ питания моста, подключенную к зажимам 13 и 14, пос.ледовательно Включены источник 2 питания и резистор 6. Параллельно с резистором 6 включен ключ 7.

Резистор 6 и ключ 7 образуют двузначную:меру сопротивления. При эамк нутом ключе 7 сопротивление меры равно нулю, а при разомкнутом— сопротивлению резистора 6.

Через коммутатор 3 с.входом из" мерительного прибора 4 могут быть соединены зажимы 15 и 16 либо зажимы 13 и 17 или зажимы 14 и 17. С зажимов 13 и 17 на вход измерительного прибора подается напряжение питания моста, с зажимов 15 и 16выходное напряжение, с зажимов 14 и 17 — напряжение, действующее на резисторе 6, когда ключ 7 разомкнут.

Измерительный прибор 4 связан с микро-ЭВИ 5 каналами для передачи измерительной информации и сигналов управления. Цепи управления связывают микро-ЭВИ 5 с коммутатором 3 и ключом 7.

Измерительная информация в цифровом коде из прибора 4 передается в микро-3ВМ 5. Управление цифровым измерительным прибором, коммутатором и ключом осуществляется с помощью микро-ЭВМ 5, которая выполняет также все вычислительные операции, предусмотренные процедурой измерения.

Предлагаемый способ заключается в том, что если при какой-либо температуре окружакнцей среды -(например 20 С) снять градуировочные характеристики мостового тензорезисторного преобразователя без добавочного сопротивления в дйагонали питания моста V(F) (см. график

18 на фиг. 2) и с добавочным сопротивлением в диагонали питания

-моста Ч (Р) (см. график 19 на фиг. 2), а затем при какой-либо иной температуре окружающей среды нагрузить преобразователь известной силой g и замерить выходные . сигналы U u U с преобразователя при наличии добавочного сопротивления.н без него соответственно, то вследствие зависимости чувствительности тензорезисторов от температуры оценка нагружающей силы, (g „л ) Р

R,(г ° ""1 гR. (4) где R - сопротивление резисторов

11 и 12;

R„- сопротивление. резистора 6; . Р - величина сопротивления полумоста с тенэорезисторами 9 и 10, которая опреде" ляется из выражения произведенная по выходным сигналам

U, UR и градуировочным характеристи кам, не совпадет со значением g.

Более того оценки g u g нагружаю5 щей силы по градуировочным характеристикам V(F) и Ч (Р) не совпадут между собой. Это несовпадение, обусловленное нелинейностью вольтамперной характеристики тензоре10 эисторов, содержит в себе информацию а температурной погрешности преобразователя. При этом температурная погрешность преобразователя по градуировке V(F) (фиг. 2) состав15 ляет V(g)-U = b<, a температурная погрешность преобразователя по градуировке Ч (Р) .составляет Ч (g)

- U = а .. Иэ графиков на фиг. 2 несложно установить равенство

20 ) -Ч„(g1= 6;) ) (1) где. Ч„(8 ) — значение градуировочной характеристики

Ч (Р), соответствующее

g, т.е. оценке силы g по градуировочной характеристике Ч(Р).

Отнош/ение крутизны градуировочных

ЗО характеристик V, (Р) и V(F) находим по формуле

„(-"М) <,> Щ) (. Исходя.из равенства (1) с учетом чувствительности тензореэисторов к деформации и температуре путем системы аналитических выкладок можно найти оценку температурной погрешности 4„, которая определяется из выражения

6 1

6 К ) (3)

43 где m - коэффициент, определяемый из выражения! 58878

45 (7)

) 0ц )-1м

Р = )

О„!-)о-!4„(5} о 2 о б где U — напряжение источника 2 питания;

U — падение напряжения на резисторе 6.

Полученная из выражения (3) оценка температурной погрешности по

:.градуировке V(F) в общем случае не равна ей, но пропорциональна. Если имеются градуировочные характеристики V„(F) и )7к(F), снятые по кр ям рабочего температурного диапазона (см. графики..20 и 22 на фиг.3), то при измерении при произвольной температуре внутри рабочего диапазона температурная погрешность преобразователя, приведенная к его входу, по градуировочной характеристике V„ (F) равна отрезку ас, а по градуировочной характеристике

V<(F) — соответственно cr . Учитывая пропорциональность между о!с и ь,,W, а также между сп и а Y

z погрешность преобразователя, приведенная к его входу, определяется выражением

ac= F -F ) (6) ! !), Ч l ! о V! )б Yl где Р и F - соответственно оцен2. ки величины силы g по величине выходного сигнала из градуировочных характерис» т и V, (Р) и V,(F).

Результат вычисления погрешности можно утбчнить. Если (фиг.3), то уточненное значение погрешности определяется в температурном поддиапазоне й„ вЂ” t, где

В " температура, при которой снята градуировочная характеристи" ка 7 (F} (график 21 на фиг. 3).

Если ю ав, то уточнение следует производить в температурном под» .диапазоне С - С

Таким образом, в общем случае оценка измеряемой силы произнодится по выражению где индексы 1 и 2 соответствуют краям принятого температурного дйапаэона.

8

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

Производится нулевая балансировка измерительного преобразователя.

Для этого ключом 7 резистор 6 включается в диагональ питания моста, а через коммутатор 3 к прибору 4 подключаются зажимы 15 и 16, между которыми действует выходное на ряжение измерительного преобразователя. Измеряется выходное напряжение .цифровым измерительным прибором 4 и с помощью подстроечных резисторов (не показаны) устанавливается ноль выходного напряжения.

При градуировке получают три пары функций преобразования измерительного преобразователя при трех значениях температуры окружающей среды, которые соответствуют границам и средине температурного ° диапазона работы преобразователя.

При снятии. каждой пары функций преобразования при каждом фиксируемом значении эталонной входной величины F выходное напряжение U измеряют дважды. Первое измерение делается при замкнутом накоротко резисторе б. Ключ 7 нключен. Второе измерение делается после включения в диагональ питания моста резистора 6. При этом ключ 7 разомкнут. Измерения выходных напряжений .производят через равные интервалы действующей на измерительный преобразователь силы F, значение которой контролируется образцовым .динамометром.

Градуировочные характеристики вместе- со значением К© записываются н запоминающее устройство микро-ЭВМ 5.

При рабочем измерении к измерительному преобразователю прикладывают силу Р и измеряют его выход" ное напряжение на зажимах 15 и 16 измерительной диагонали моста. Результат нерного измерения, когда резистор б замкнут накоротко U.

Результат второго измерения, когда н диагональ питания места включен резистор 6, U . .Кроме выходных напряженйй .U и U< при рабочем измерении измеряются напряжение источника.2 питания и напряжение

: на резисторе 6. Для этого после измерения U через коммутатор 3 вместо зажимов 15 и 16 к входу при9 бора 4 присоединяют зажимы 13 и 17 и измеряется напряжение 0„, а затем к входу прибора присоединяют зажимы 14 и 17 и измеряется напряжение U .

По результатам измерения напряжений U U, U u U с использованием градуировочных характерис1158878 о . тик в микро-ЭВМ 5 по аналитическим выражениям (2), (Э), (4), (5) и (7) вычисляется оценка измеряемой силы.

Применение предлагаемого способа позволяет уменьшить температурную погрешность мостового тенэореэисторного преобразователя.

Фиг, 1

1158878

1! 58878

У Fs

Фиг..з

Составитель А. Аиаханов

Редактор Ю. Ковач Техред А.Кикемезей "

Корректор О. Билак

Подписное филиал ППП "Патент", г.ужгород, уа. Проектная, 4

Заказ 3577/42 Тираж 897

ВНИИПИ Государственного: комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5