Тензометрическое устройство

 

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. Тензометрическое 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

COj03 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧГСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 В 7/16 (191

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4820288/28 (22) 26.04.90 (46) 30.08.92, Вюл. N.. 32 (71) Научно-исследовательский институт физических l13I ерГний (72) В,В,Пащенко, В,ll.Màëàíèí, В.А.Фильчиков и С,А.Исаков (56) Авторское свидетельство СССР

М. 682755, кл. G 01 В 7/18, 1976, Авторское свидетельство СССР

М 1525440, кл. G 01 В 7/16, 1987, (54) ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения деформации в условиях широких диапазонов и быстроменяющихся температур. Цель изобретения — повышение точности за сч регулирования темпеИзобретение 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

„„5U„„1758414 А 1 ратурного коэффициента чувствительности компенсирующего сигнала и за счет компенсации температурного дрейфа и чувствительности к температуре усилителя в условиях различного температурного воздействия на тензомост и усилитель. Тенэометрическое устройство позволяет устранить мультипликативную погрешность не только от дрейфа электрического сопротивления тензорезисторов тензомоста, но и от температурного дрейфа параметров предшествующего механического тракта преобразования эа счет регулировки коэффициента передачи корректирующих сигналов. Предлагаемая схема коррекции позволяет осуществить настройку схемы температурной коррекции без изменения чувствительности к измеряемому параметру. 1 ил. (У} выходом измерительной диагонали тензомоста, и масштабный усилитель, первый вход которого соединен с вторым выходом источника питания, второй вход — со средней точкой соединения второго и тре-ьего 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 тензометричес кое устройство, содержащее тензомост, блок питания, первый выход которого соединен с первой вершиной диагонали питания тенэомоста, второй его выход через первый резистор соединен с второй

1758414

35

50 вершиной диагонали питания тензомоста, усилитель, первый и второй выходы которого соединены с выходом измерительной диагонали тензомоста, первый сумматор и управляемый масштабный преобразовательь, 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 тензометрического 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 эа счет компенсации температурного дрейфа и чувствительности к температуре усилителя н условиях различного температурного воздействия на тензомост и усилитель.

Поставленная цель достигается тем, что в тенэометрическом устройстве, содержащем блок питания, первый вход которого соединен с первой вершиной диагонали питания тенэомоста, второй его выход через первый резистор соединен с второй вершиной диагонали питания тенэомоста, усилитель, первый и второй входы которого соединены с выходом измерительной диагонали тенэомоста, 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 масштабным преобразователем, выход которого соединен с вторым входом первого сумматора, третьил1 сумматором, вход которого соединен с выходом управляемого масштабного преобразователя, выход — r. входом регистратора, четвертым масштабным преобразователем, выход которого соединен с вторым входом третьего сумматора, пятым масштабным преобразователем, первый вход которого соединен с второй вершиной 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 входом второго сумматора и с входами второго. третьего и четвертого масштабных преобразователей.

На чертеже представлена блок-схема устройства.

Тенэометрическое устройство содержит последовательно соединенные тенэомост 1, усилитель 2, первый сумматор 3, управляемый масштабный преобразователь 4, второй сумматор 5 и регистратор (не 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 тензомос а 1, последовательно соединенные датчик 8 температуры, первый масштабный преобразователь 9 и третий сумматор 10, выхоц которого соединен с вторым входом управляемого масштабного преобраэователя 4, делитель напряжения, BblfloflHBHHblA в ниде последовательно соединенных второго и третьего резисторов 11 и 12 соответственно, вывод второго резистора 12 соединен с вторым выходом блока 6 пита ия 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 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 тенэомоста 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

1756 114

+

Кг Ямг Uà,2 aü2

U (Кг nt + n2 ) 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 ус»4лителя

Третий сумматор 10 предназначен для формирования сигнала, корректирующего мультипликативные составля<ощие температурных погрешностей тензомоста 1 и усилителя 2 путем сложения сигналов с выхода первого масштабного преобразователя 9, Г»остоянного уровня с flppeoro выхода блока

6 питания и "". выхода пятого масштабного преобразователя 16.

Первый масштаб<<ый преобразователь

9 пред<»аэначен длл настройки мультьипликативной состав <яю<цей температурной погрешности усил<»теля 2 путем регулирования коэффицие»<та переда <и сиг<»ала датчика 8 температуры и может быть реализован !

»а операционном усилителе.

Второй масштабный преобразователь

13 предназначен для настройки аддитивной составляющей температурной погрешности тенэомоста 1 путем формирования требуемого уровня смещения и может быть выпол»»е!» в виде резистивного делителя или делителя на операционном усилителе, Третий масштабный преобразователь

14 предназначен для настройки аддитивной температур<<ой погрешности усилителя

2 путем формирования необходимого уровня смещения и может быть выполнен в виде резистивного делителя или делителя на операционном усили.геле.

Четвертый масштабный преобразователь 15 предназначен для настройки начального выходного уровня тенэометрического устройства и может быть выполнен в виде реэистивного делителя или делителя на 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.

Тенэометрическое устройство работает следу»ощим образом.

На вход тезомоста 1 действует измеряемая физическая величина и сопутству»ощее ей температурное воздействие t!. Вследствие возможного значительного удаления усилителя 2 от тензомоста 1 на»»e» о действует другое температурное воздействие, отличное оТ 1! °

4»0

GG

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

U! =(PK! (1 +гам! At! )+ Uà.»,т4! Лс! +

+ U и ) Кг (1 + «мг Лтг ) + U» «аг Л t2 +

+ 0 пг = РК! Кг (1 + ам Л t + «мг Л t +

+»7м !».»мг Л t Л 12 ) + U (К2 и + п2 ) x

К2»-»а! %

x(1+ u (K ) Л1! + -»Кг»1»» "2 + -<аг Оа2

+ 1»- +

0 (Кг и! + пг) где Р— измеряемая физическая величина;

К! — коэффициент преобразования тенэомоста 1;

K2 — коэффициент преобразова»<ия усилителя 2;

At> — приращение температуры, воздействующей на тензомост 1;

Лt2 -- приращение температуры, воэ действующей на усилитель 2;

U — выходное напряжения блока 6 пи ания: и! — коэффициент преобразования второго масштабного преобразователя 13; пз — коэффициент преобразования третьего масштабного преобразователя 14; ٠— коэффициент мультипликативной чувствительности тензомоста 1 к приращению температуры Лт1, амг — коэффициент мультипликативной чувствительности усилителя 2 к приращению температуры At2, 141 с4! — аддитивное изменение выходного сигнала тензомоста 1 на единицу изменения температуры Лt»;

Оагааг — аДДИтИВНОЕ ИЗМЕНЕНИЕ ВЫходного сигнала усилителя 2 на единицу изме»»ения температуры Л 4; йа1 — тЕМПЕРатУРНЫй КОЗффИЦИЕНт УХОда нуля тензомоста 1; ааг — тЕМПЕратурНЫй КОЭффИцИЕНт уХОда нуля усилителя 2.

Как видно из выражения (1), дополнительная погрешностьтензометрического устройства без коррекции определяется температурным воздействием на тенэомост

1 hatt и температурным воздействием на

1758414

01 = Р 1 K2 (1 + Qhll1 A т1 + аллг 6 t2 ) +

10 2 Оа1 1а1

К2 п1+ п2

Оаг ааг

U п2 (4) Оа2а2 пг— (5) 30

ОЦ

611;

012а12 — изменение сигнала, снимаемого с датчика 8 температуры, на единицу изменения температуры Ьt2, атг -температурный коэффициент чув- 50 ствительности K изменению температуры

Л 2; пз — коэффициент преобразования пер- . вого масштабного преобразователя 9;

n4 — коэффициент преобразования пя- 55 того масштабного преобразователя 16. йренебрегая произведениями погрешностей при произведении приращений температур h,t1At2 как величинами второго

К $02), Ut1 ам1 0 %1 п4 (8) 0 ам2 — U %2 пАз усилитель 2 ht2. Для того, чтобы скорректировать дополнительные погрешности и от температурного воздействия h t1, и от температурного воздействия Л t2, необходимо выделить дополнительные сигналы, пропорциональные как Л t1, так и A t2. Сигнan, пропорциональный температурному воздействию на тензомост 1, выделяется с помощью первого резистора 7, напряжение на ксторол1 определяется температурным дрейфом сопротивления диагонали питания тензомоста 1, и скомпенсирован при начальной температуре тензомоста 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 (термореэистор, диод, транзистор). а дрейф пятого масштабного преобразователя 16 можно учесть, выполнив пересчет его величины к входу датчика 8 температуры, поскольку они находятся в одинаковых температурных условиях.

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

02 = U (1 + n4ht1+

U<1 ац

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

+ ОK2 п1 амг + Оаг Л t2 ) . (3) Для того, чтобы осуществить коррекцию дополнительных погрешностей в выражении (3) при приращениях температур

Лt1, Лтг с помощью одного корректирующего сигнала 02, необходимо выполнить условия (1) и (2):

Условие (2) выполняют подстройкой коэффициента а условие (1) выполняют подстройкой коэффициента

0 1 а 1 Оа2 1282 п1

0 ам1 О амг К2

Напряжение U2 определяет коэффициент преобразования сигнала U1 ynpasляемым масштабным преобразователем

4: следовательно. если выполнить следующие условия: то при реализации Отношения Uf/U2 можно добиться коррекции температурных погрешностей, Условие (8) выполняют подстройкой коэффициента п4:

1758414 аМ1 U п1= ——

%1 U11 (10) Оз =- U1(Uz =%К = U<(Uz)== PI 1Kz+ U(KzrI1+ пг) (12) Начальное смещение в формуле (2) компенсируется с помощью второго сумматора

5 и четвертого масштабного преобразователя 15.

Таким образом, выходной сигнал устройства Upgx определяется только измеряемой физической величиной Р и коэффициентами преобразования тензодатчика 1 и усилителя 2.

Формула изобретения

Тенэометрическое устройство, содер- 4р жащеетензомост, 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 а условие 9 выполняют подстройкой коэффициента пз . пз= М2 U

t (11)

%z Utz

ВЕЛИЧИНЫ Оа1 1 а1 Оа2 AZ O M1

011 йц, Urz <12 определяют экспериментальным путем, а затем вычисляют значения коэффициентов п1, п2, пз, п1.

Деление сигнала U1 на первом входе управляемого масштабного преобразователя 4 на сигнал Uz, формируемый на его втором входе, позволяет получить на выходе управляемого масштабного преобразователя 4 сигнал 0з, пропорциональный измеряемой физической величине, но функционально не зависящей от темпера- 2О турного воздействия на тензомост 1 ЛЦ и температурного воздействия на усилитель

2 Ь|z . которого соединены с выходом измерительной диагонали тензомоста, первый сумматор и управляемый масш rahIIIICI преобразователь, о т л и ч а ю щ е е с я те ь что, с цель повышения 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 тензомост и усилитель, 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 BTophlM 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 масштабнь1м преобразователем, первый вход которого соединен с второй вершиной 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 входом второго сумматора и с входами второго, третьего и четвертого масштабных преобразователей.