Тензометрическое устройство

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления. Цель изобретения - повышение точности измерения. Устройство содержит источник 1 питания, первый делитель напряжения, состоящий из резисторов 2 и 3, средняя точка которого подключена к инвертирующему входу операционного усилителя 4, второй делитель напряжения, содержащий тензорезисторы 5 и 6, средняя точка которого подключена к неинвертирующему входу усилителя 4, третий делитель напряжения, средняя точка которого подключена к инвертирующему входу второго операционного усилителя 7. В свою очередь, резистор 10 включен между резистором 11 и вторым резистором 5, а резистор 2 - между инвертирующим входом усилителя 4 и неинвертирующим входом усилителя 7. Устройство дополнительно снабжено вторым сумматором 13, буферным усилителем 14 и вторым масштабным усилителем 15. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) 28 А1

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Х АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ fHHT CCOP (21) 4628439/24-10 (22) 29. 12.88 (46) 30.11.90. Бюл. У 44 (71) Государ ст венный науч но-иссл едовательский институт теплоэнергетич еского приборостроения (72) А.У.Яльппев (S3) 531. 787 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 932212, кл. С 01 В 7/18, 1982. (54) ТЕН 3ОМЕТРИЧ ЕСКОЕ УСТРОЙСТВО (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быгь использовано для измерения давления. Цель изобретения — повышение точности измерения. Устройство содержит источник 1 питания, первый делитель напряжения, состоящнй из резисторов (5))5 G 01 L 9/04 С 01 В 7/18

2 и 3, средняя точка которого подключена к инвертирующему входу операционного усилителя 4, второй делитель напряжения, содержащий тензорезисторы 5 и 6, средняя точка которого подключена к неинвертирующему входу усилителя 4, третий делитель напряжения, средняя точка которого подключена к инвертирующему входу второго операционного усилителя 7.

В свою очередь, резистор 10 включен между резистором 11 и вторьм резистором, а резистор 2 — между инвертирующим входом усилителя 4 и неинвертирующим входом усилителя 7. Устройство дополнительно снабжено вторым сумматором 13, буферным усилителем 14 и вторым масштабным усилите" лем 15. 1 ил.

1610328

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к тензометрическим устройствам с тенэорезисторной измерительной схемой, и может быть использовано для измерения механических нагрузок, например давления, в условиях значительного воздействия быстроменяющихся температур, Цель изобретения — повышение точ10 ности измерения путем уменьшения нелинейности преобразования и мультипликативной составляющей температурной погрешности.

На чертеже изображена блок-схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит заземленный источник 1 питания, формирующий для тензосхемы в качестве опорного сигнала напряжения постоянного тока, первый 2 и второй 3 резисторы, обра20 зующие делит ель напряжения, операционный усилитель 4 с дифференциальными инвертирующим и неинвертирующим входами, к инвертирующему входу которого подключена средняя точка этого делителя, два последовательно соединенных тензорезистора 5 и 6, один из-которых (тенэорезистор 6) эаземлен, образующие другой (второй) делитель напряжения, ср едняя точ ка которого подключена ко второму (неинвертирующему) входу операционного усилителя 4, в цепь отрицательной обратной связи которого включен резистор 3, последовательно соединенные 35 второй операционный усилитель 7, также с дифференциальными входами, масштабный усилитель 8 и сумматор 9, второй вход которого подклю" ен к выходу первого операционного усилителя 40

4, а также последовательно соединенные между собой третий 10, четвертый

11 и пятый 12 резисторы, При этом четвертый и пятый резисторы образуют третий делитель напряжения, средняя 45 точка которого подключена к инвертирующему входу операционного усилителя 7, в цепь отрицательной обратной связи которого включен резистор 12.

В свою очередь резистор 10 включен 50 между резистором 11 и тензорезистором 5, а резистор 2 включен между инвертирующим входом операционного усилителя 4 и неинвертирующим входом операционного усилителя 7. 55

Кроме этого, устройство дополнительно снабжено вторым сумматором

"13 с тремя входами, буферным усилителем 14, с единичным усилением и вторым масштабным усилителем 15, причем источник 1 питания подключен к одному из входов сумматора 13, к двум другим входам которого подключены соответственно выход буферного усилителя и выход масштабного усилителя 15, вход которого подключен к выходу операционного усилителя 7, а вход буферного усилителя подключен к общей точке соединения тензорезистора 5 с резистором 10, общая точка соединения которого с резистором 11 непосредственно подключена к выходу сумматора 13, при этом неинвертирующий вход операционного усилителя 7 подключен к выходу буферного усилит еля.

Тензометрическое устройство содержит внутренний и внешний псевдомосты, соединенные между собой по так называемой схеме "мост в мосте".

Внутренний псевдомост образуют операционный усилитель 4, тенэорезисторы 5 и б, резисторы 2 и 3, а также буферный усилитель 14 с единичным коэффициентом усиления.

Внешний псевдомост образуют операционный усилитель.7, буферный усилитель 14, резисторы 11 и 12, а также резистор 10 и тензорезисторы 5 и 6.

При этом буферный усилитель осуществляет потенциальную развязку внутреннего псевдомоста от внешнего, на вьг ходе которых формируются напряжения

U и U соответственно.

Устройство работает следующим образомм.

При воздействии давления P тензорезисторы 5 и 6 воспринимают соответ- ственно деформацию сжатия и растяжения таким образом, что сопротивление

R5 тензорезистора 5 уменьшается, а сопротивление R< тензорезистора 6 увеличивается, Так как тензорезисторы находятся в одинаковых температурных условиях, то изменение их сопротивлений происходит практически на равную величину от действия линейной деформации Е.

С выхода операционного усилителя

4, входящего в вышеуказанный внутренний псевдомост, снимается основной информативный сигнал U, изменяющийся и о алг ор итму

RzR6 ° ВЭББ

= Uq. )r

5 161 где U4 - напряжение, снимаемое с выхода буферного усилит еля, R u R — сопротивление резисто2. 3 ров 2 и 3 соответственно.

В свою очередь с вькода усилителя 7, входящего в вышеуказанный внешний псевдомост, снимается дополнительный сигнал U<, используемый в устройстве для температурной коррекции;

U, = - — U, + (1 + — ) U (2)

R(g Ry .

Rö R(() где 01 напряжение, снимаемое с вькода сумматора 13; и R - сопротивления резисторов 11 и 12 соответственно. этом вькодное напряжение сум13 формируется по зависимости

R„

При матора

Пп + 04 + К,або ) (3) где U — выходное напряжение источи ника 1 питания, К, — коэффициент масштабирования масштабного усилителя 15.

На выходе буферного усилителя 14 формируется сигнал U< равный

4 3 Rг+ R6+ R10 где R — сопротивление резистора 10.

С учетом выражений (1)-(4) пситучим следующие основные зависимости для схемы "мост в мосте": п и RqRg- RqRq 1 +

Rg чо

К (В5 + кб 42)

+ 1 у(5)

Re) 1о Rn

Rg(PRAT) Rq(E; AT) = R ((+oh((T) Ql — KE(t +tg((T)J; (7.) 0328

К,(Р,ДТ) = К,(Я,ДТ)=

= Ro(1 +03 4 Т) (1 + Кб (I + ДТ)1, где К вЂ” коэффициент тензочувствительности (КТЧ) тензорезистора, б(. - температурный коэффициент сопротивления (TKC) тензор еэис тора, g — - температурный коэффициент тензочувствительности (ТКЧ) т ензорезистора, R — номинальное значение сопроо тивления тензорезистора при градуировочной температуРе lo °

С учетом выражений (7) получим:

Ry(E)AT) + Rg(f,ДТ)"- (8)

2Ro(1 ++RA Т), Таким o6pasoM, одно из плеч внешнего псевдомоста с тензорезисторами

5 и 6 является термозависимыми, а изменение его сопротивления опреде ляется в основном TKC этих тензорезис торов.

Выполнив при градуировочной температуре T(, условие, при котором отношение сопротивлений резисторов

11 и 12 внешнего псевдомосча соот-! RS + R6

З5 ветствует равенству

R1< R o т.е. — - = из выражений (5) и 42 2Ro 1 И ю (6) получим:

R R < — R R< () (9) 45

П П (R5 + R6 (2) х

Re R><

1 х .(6)

1-к, (— "— к- — ) so

При одновременном воздействии давления P и температуры ДТ для дифференциальной пары, состоящей из тензорезисторов 5 и 6, можно в пер вом приближении представить следующие зависимости, характеризующие изменение сопротивлений этих тензорезисторов:.2 ДК (ДТ) к(о

2 (10) — к, (о где A R (ДТ) — изменение сопротивления тензорезистора под воздействием быстроменяющейся температуры Т, при этом ДТ = T — Т о .

Так как реально имеет место нера2AR (ДТ) венство К <с 1, то для octo новного U и дополнительного U сигналов запишем:

1610328

КТК g — RgRy

R2R о

24R (ДТ) R<0

2ДК (ДТ) Кво (12) КдКв — КвКд, (13)

КК, 55

Из выражения (11) следует, что основной сигнал Бв чувствителен как 10 к давлению Р так и к температуре, в то же время дополнительный сигнал

U чувствителен главным образом к воздействию температуры в месте расположения тензорезисторов 5 и 6. 15

Следовательно, согласно выражения (12) внешний псевдомост работает практически как датчик температуры, формирующий на выходе сигнал U<, в котором (в отличие от прототипа)

20 не содержится параметрического члена, зависящего от измеряемого давления.

Другими словами, введение в схему устройства сумматора 13. и буферного усилителя 14 позволило существенно ослабить влияние измеряемого давления на температурную зависимость сигнала U °

Поэтому для расширения температурного диапазона работы тензометричес- 30 кого устройства сигнал U< может быть эффективно использован в качестве корр ектирующег о.

Сформированный таким образом дополнит ельный сигнал U g поступает HG масштабные усилители 8 и 15., с помощью которых формируются соответственно корр ектир ующн е си г нал ы К8 U < и

KP . Величина коэффициента К8 масш2 табирования опред ляет глубину ком- 40 пенсации аддитивной составляющей температурной погрешности, а величина коэффициента К,< масштабирования определяет амплитуду корректирующего сигнала, обеспечивающего компенсацию 45 мультипликативной составляющей температурной погрешности.

При компенсации аддитивной составляющей устанавливают условие: К, = 0 и Kg ф 0 B pезультате Rего из tblpажений (5) и (6) получим соответственно следующие зависимости:

Сигнал U с выхода операционного усилителя 4 поступает на один из входов сумматора 9, на второй вход которого с выхода масштабного усилителя 8 подается корректирующий сигнал K8U для компенсации аддитивной составляющей температурной погрешности.

В этом случае на выходе сумматора

9 будет формироваться сигнал 1) равный

КгКв — R R s.

"в) ix "п

+ KU (Rg+ Кб

R К ) или же с учетом выражения (12) получим:

К & К в (Р Т) — К.в К (Р, h Т) вы)(R К)о

2ДК (ДТ)

8 п

IO

При выполнении условия R = К

С

= const последнее выражение упрощается и приводится к виду

Кв(Р ЬТ) - R (Р ЬТ) + К 2&В (ЬТ) вв)в Rî ю (16)

Анализ выражения (16) показывает, что в предлагаемом устройстве компенсация аддитивной составляющей температурной погрешности осуществляется более эффективно, чем в прототипе, при этом функции преобразования для сигналов 01 и U являются более ли2 нейными по сравнению с подобными функциями преобразования прототипа.

Для компенсации мультипликативной составляющей используется масштабный усилитель 15, выходной сигнал с которого (при К,<4 О) подается на один из входов сумматора 13. При этом происходит изменение напряжения пи.тания тензосхемы по сравнению с опорным напряжением U, формируемым источником 1, который подключен к второму входу сумматора 13. На третий вход сумматора 13 подается сигнал U

t с выхода буферного усилителя 14, величина которого практически равна напряжению питания тензореэисторов

5 и 6 измерительной схемы, Указанная связь буферного ус члителя 14 с сумматором 13 исключает влияние измерительной диагонали внутреннего псевдомоста на измерительную диагоI0

16103 28 г ь — ROARS П (1 + вых

2ДК (hT)Q 2ЬР. (Т), Формула и э обр ет ения

Тензометрическое устройство, содержащее два тензорезистора, источник питания, два операционных усилителя, масштабный делитель, сумматор и пять резисторов, причем инвертирующий вход первого операционного усилителя ч ер ез первый резистор соедиСоставитель И.Жуков

Техред М.Дидык

Корректор И, Еа р оши

Редактор А.Ревин

Заказ 3731 Тираж 477 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул.. Гагарина, 101 нал ь внешнего псевд омоста, пр еднаэначенного для формирования дополнительного сигнала U< о воздействии температуры. Это одно иэ основных функциональных отличий схемы предла5 гаемого устройства от схемы прототипа.

Таким образом, при Кц Ф 0 и K Ф 0 с учетом выражений (11) и (12) на выходе сумматора 9 сформируется информативный сигнал U содержащий составляющие для компенсации температурных уходов нуля и диапазона изме- 15 р ения:

Из анализа выражения (17) следует, что в предлагаемом устройстве можно при быстроменяющейся температуре в широких прецелах раздельно осуществ- 25 лять автокомпенсацию как аддитивной, так и мультипликативной составляющих температурной погрешности. нен с неинвертирующим входом второго операционного усилителя и через второй резистор - с собственным выходом и одним входом сумматора, а неинвертирующий вход первого операционного усилителя через первый тензорезистор заэемлен и через последовательно соединенные второй тензорезистор, третий и четвертый резисторы подключен к инвертирующему входу второго операционного усилителя, выход которого через пятый резистор соединен с собственньи инвертирующим входом через масштабный усилитель подключен к другому входу сумматора, выход которого является выходом устройства, о т л и ч а ю— щ е е с я тем, что, с целью повышения точности за счет уменьшения нелинейности преобразования и мультипликативной составляющей температурной погрешности, оно снабжено дополнительным сумматором, первый вход которого подключен к выходу источника питания, а выход — к точке соединения третьего и четвертого резисторов, буферным усилителем, вход которого подключен к точке соединения третьего резистора и второго тензорезистора. а выход — с неинвертирующим входом второго операционного усилителя и вторым входом дополнительного сумматора, и дополнительным масштабным усилителем, вход которого соединен с выходом второго операционного усилителя, а выход — с третьим входом дополнительного сумматора.