Тензометрическое устройство

 

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике, а именно к измерениям неэлектрических величин в условиях широких диапазонов быстроменяющихся температур. Цель изобретения - повышение точности. Тензометрическое устройство содержит тензомост 1, блок 5 питания, первый выход которого соединен с первой вершиной диагонали питания тензомоста 1, первый резистор 6, первый выход которого соединен с вторым выходом блока 5 питания , а второй вывод - с второй вершиной -is4Ј№-J титут ащененсаодатгнала. 11, с. ТВО льномереовиях ихся вышейство , перй верта 1, орого питаиной диагонали питания тензомоста 1, усилитель 2, первый и второй входы которого соединены с выходами измерительной диагонали тензомоста 1, управляемый масштабный преобразователь 3, первый вход которого соединен с выходом усилителя 2, первый сумматор 4, первый вход которого соединен с выходом управляемого масштабного преобразователя 3. Устройство снабжено вторым 7 и третьим 8 резисторами, первые выводы которых соединены с выходом блока 5 питания, вторые выводы -между собой, четвертым 16 и пятым 17 резисторами, первые выводы которых соединены с выходами блока 5 питания, вторые их выводы соединены между собой, первым масштабным преобразователем 9, первый вход которого соединен с второй вершиной диагонали питания тензомоста 1, а второй вход - с точкой соединения вторых выводов четвертого 16 и пятого 17 резисторов, вторым сумматором 15, первый вход которого соединен с выходом первого масштабного преобразователя 9, второй вход соединен с первым выходом блока 5 питания, а выход - с вторым входом управляемого масштабного преобразоватеJ is4Ј№-J ел С vi ON СО 00 ON VJ -н1 -i -Ч.Ш J

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 6 01 B 5/30

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4858215/28 (22) 08,08.90 (46) 23.09.92. Бюл. ¹ 35 (71) Пензенский политехнический институт (72) С,А.Исаков, В,А. Фильчиков, В,В,Пащенко и В.П.Маланин (56) Выгода Ю.А, и Пащенко В,В. Компенсация температурной погрешности тензодатчика с помощью дополнительного сигнала. — Измерительная техника, 1982, N 11, с.

35-37.

Авторское свидетельство СССР

¹ 1525440, кл, G 01 В 7/16, 1987. (54) ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО (57) Изобретение относится к контрольноизмерительной технике, а именно к измерениям неэлектрических величин в условиях широких диапазонов быстроменяющихся температур. Цель изобретения — повышение точности. Тензометрическое устройство содержит тензомост 1, блок 5 питания, первый выход которого соединен с первой вершиной диагонали питания тензомоста 1, первый резистор 6, первый выход которого соединен с вторым выходом блока 5 питания, а второй вывод — с второй вершиной

„„53J „„1763867A1 диагонали питания тензомоста 1, усилитель

2, первый и второй входы которого соединены с выходами измерительной диагонали тензомоста 1, управляемый масштабный преобразователь 3, первый вход которого соединен с выходом усилителя 2, первый сумматор 4, первый вход которого соединен с выходом управляемого масштабного преобразователя 3. Устройство снабжено вторым 7 и третьим 8 резисторами, первые выводы которых соединены с выходом блока 5 литания, вторые выводы — между собой, четвертым 16 и пятым 17 резисторами, первые выводы которых соединены с выходами блока 5 питания, вторые их выводы соединены между собой, первым масштабным преобразователем 9, первый вход которого соединен с второй вершиной диагонали питания тензомоста 1, а второй вход — с точкой соединения вторых выводов четвертого 16 и пятого 17 резисторов, вторым сумматором

15, первый вход которого соединен с выходом первого масштабного преобразователя

9, второй вход соединен с первым выходом блока 5 питания, а выход — с вторым входом управляемого масштабного преобразовате1763867

45 ля 3, компаратором 10, первый вход которого соединен с точкой соединения вторых выводов второго 7 и третьего 8 резисторов, а второй вход с выходом первого масштабного преобразователя 9, вторым 11 и третьим 12 масштабными преобразователями, входы которых соединены с первым выходом блока 5 питания, четвертым масштабным преобразователем 13, выход которого соединен с втоИзобретение относится к контрольноизмерительной технике, а именно к измерениям неэлектрических величин в условиях широких диапазонов и быстроменяющихся температур.

Известно устройство содержащее схему включения датчика "мост в мосте", позволяющую выделять два линейно независимых сигнала, один из которых является основным, а другой дополнительным и используется для температурной коррекции основного сигнала f1) Точность устройства невелика, поскольку корректируется только аддитивная составляющая температурного дрейфа основного сигнала, Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство, содержащее последовательно соединенные тензомост, усилитель, управляющий 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 со второй вершиной диагонали питания тензомоста и со вторым входом управляемого масштабного преобразователя (2).

Недостатком известного устройства является его низкая точность в условиях нелинейного характера температурного дрейфа нуля датчика.

Цель — повышение точности, Цель достигается тем, что тензометрическое устройство, которое содержит блок питания, первый выход которого соединен с первой вершиной диагонали питания тензомоста, первый резистор, первый вывод которого соединен со вторым выходом блока питания, а второй вывод — с второй вершиной диагонали питания тензомоста, усилитель, первый и второй входы которого соединены с выходами измерительной диагонали тензомоста, управляемый масштабный преобразователь, первый вход которого соединен с выходом усилителя и

35 рым входом первого сумматора 4, переключателем 14, первый вход которого соединен с выходом второго масштабного преобразователя 11, второй вход соединен с выходом третьего масштабного преобразователя 12.

Управляющий вход соединен с выходом компаратора 10, а выход с входом четвертого масштабного преобразователя 13 и третьим входом усилителя 2, 2 ил. первый сумматор, первый вход которого соединен с выходом управляемого масштабного преобразователя, снабжено вторым и третьим резисторами, первые выводы которых соединены с выходами блока питания, вторые их выводы соединены между собой, четвертым и пятым резисторами, первые выводы которых соединены с выходами блока питания, вторые их выводы соединены между собой, первым масштабным преобразователе, первый вход которого соединен с второй вершиной диагонали питания тензомоста, а второй вход — с точкой соединения вторых выводов четвертого и пятого резисторов, вторым сумматором, первый вход которого соединен с выходом первого масштабного преобразователя, второй вход соединен с первым выходом блока питания, а выход — с вторым входом управляемого масштабного преобразователя и компаратором, первый вход которого соединен с точкой соединения вторых выводов второго и третьего резисторов, а второй вход соединен с выходом первого масштабного преобразователя. вторым и третьим масштабными преобразователями, входы которых соединены м первым выходом блока питания четвертым масштабным преобразователем, выход которого соединен с вторым входом первого сумматора, переключателем, первый вход которого соединен с выходом второго масштабного преобразователя, второй вход соединен с выходом третьего масштабного преобразователя, управляющий вход соединен с выходом компаратора, а выход соединен с входом четвертого масштабного преобразователя и третьим входом усилителя, На фиг.1 представлена блок-схема устройства; на фиг.2 — нелинейная температурная зависимость дрейфа аддитивной погрешности.

Тензометрическое устройство содержит последовательно соединенные тензомост 1, усилитель 2, управляемый масштабный преобразователь 3, первый

1763867 сумматор.4; Блок 5 питания подключен через первый резистор 6 к питающей диагонали тензомоста 1. 50

Сигнал характеризующий температурный дрейф параметров тензодатчика 1 поступает в виде напряжения, снимаемого с первого резистора 6, компенсированного в начальном состоянии постоянным сигналом, снимаемым с делителя, образованного 55 четвертым и пятым резисторами 16 и 17, через первый масштабный преобразователь

9 на первый вход второго сумматора 15 и на первый вход компаратора 10. На второй вход второго сумматора 15 подается постоянное смещающее напряжение питания тензодатчика 1, а выходной сигнал второго сумматора 15 является управляющим коэффициентом преобразования управляемого 5 масштабного преобразователя 3.

Резистивный делитель на втором и третьем резисторе 8 и 7 задает точку излома ломанной линии, аппроксимирующей нелинейную температурную зависимость нуле- 10 вого сигнала тензодатчика 1. По уровню выходного сигнала компаратора 10 переключатель 14 подает на третий вход усилителя 2 и вход четвертого масштабного преобразователя 13 выходной сигнал либо 15 со второго масштабного преобразователя

11, либо с третьего масштабного преобразователя 12.

Тензометрическое устройство работает следующим образом, 20

На вход тензодатчика 1 воздействует измеряемая физическая величина и сопутствующее ей температурное воздействие с, Сигнал V» на первом входе управляемого масштабного преобразователя 3 можно 25 представить

V1 = (P K1(1+ ам Л t) + Va Qe A t ) K2 + V A, (1) где P — измеряемая физическая величина;

К1 — коэффициент преобразования тен- 25 зодатчика 1, Кг — коэффициент преобразования усилителя 2;

Ж вЂ” приращение температуры, воздействующей на тензодатчик 1; 30

V — выходное напряжение блока 5 питания; и — коэффициент преобразования, равный либо коэффициенту преобразования п1 второго масштабного преобразователя 11, 35 либо коэффициенту преобразования пг третьего масштабного преобразователя 12 в зависимости от состояния переключателя 14; ໠— коэффициент мультипликативной чувствительности тензодатчика 1 к прира- 40 щению температуры Лt;

Ч Qa — аддитивное изменение нулевого выходного сигнала тензодатчика 1 на единицу изменения температуры Ж; а — температурный коэффициент ухода нулевого сигнала тензодатчика 1.

То есть дополнительная погрешность тензометрического устройства включает и мультипликативную и аддитивную составляющие, и аддитивная погрешность температурной погрешности тензодатчика 1 имеет характерную нелинейность в интервале температур Л tz (фиг.2) — сплошная кривая. Аппроксимация этой кривой прямой линией при коррекции, обусловит значительные погрешности, Повысить точность можно, выполнив аппроксимацию нелинейной температурной зависимости дрейфа аддитивной погрешности с помощью линейно-ломаной кривой (фиг,2). Температурная зависимость дрейфа нулевого уровня тензодатчика 1 приобретает свойства линейности в интервалах температур Л t1 и

Л tz Можно повысить точность коррекции, выполнив настройку коэффициентов преобразования п1 и п2 второго и третьего масштабных преобразователей отдельно в интервалах Л t1 и Л t2.

Выражение (1) представляется в виде систем двух уравнений, соответствующих двум интервалам температур Ьt1 и Л tz.

V1 = PK1K2(1+

+ а„Лt1) + Vn1(1+ „ " а,1ЛУ1);(2)

V2 = PK1K2(1+

+ ац Л 12 ) + Чл2 (1 + — — аа1 Л Е1 );(3)

Kz Ча1

П2 где п1 и пг — коэффициенты преобразования второго и третьего масштабных преобразователей 11 и 12, Ча1Яз1 и Чаг сЪ2 аддитивные изменения нулевого выходного сигнала тензодатчика 1, соответствующие интервалам температур Л т1 и Л t2; а,1 и а,г — температурные коэффициенты дрейфа нулевого сигнала тензодатчика

1 соответственно в интервалах температур

Лт1и Лтг, Сигнал Чг на втором входе управляемого масштабного преобразователя 3, определяющий его коэффициент преобразователя

3, определяющий его коэффициент преобразования формируется в виде:

Чг = V(1+ — а1 пз Л t), Ч1 (4) где Ч1 а — изменение сигнала, снимаемого с первого резистора 6 относительно напряжения, снимаемого с делителя, образованного

1763867

Ч1/Ч2 = Ч1Кз

1+ — а1 пз Лtt

Vt

V (8) 30

V1/V2 = Ч1Кз

1 + — а1 пз Лс1

Vt

V четвертым и пятым резисторами 17 и 16, на единицу изменения температуры; а — температурный коэффициент чувствительности к изменению температуры Ж; пз — коэффициент преобразования первого масштабного преобразователя 9. и для диапазонов температур Att и Ь|г:

Чг = V(1+ — а + noAt1) (5)

Ч1

Чг = V(1+ — а + пз At2)

V (6)

Управляемым масштабным преобразователем 3 реализуют функцию отношения

Входных сигналоВ Ч1 и Ч2.

В диапазоне температур Лt1, реализуют отношение сигналов V1/V2 определяемых выражениями (2) и (5), а в диапазоне температур Лt2 реализуют отношение сигналов V1/V2 определяемых выражениями (3) и (6).

То есть выражение V2 определяет коэффициент Кз преобразования управляемого масштабного преобразователя 3. В диапазонах температур Att и At2 коэффициенты

Кз определяют согласно выражениям (5) и (6)

Kç= б (7)

1 + — а ng Att

К9

Vt

1+ — а1 пзЛtj

V где Кз — начальный коэффициент преобрао зования управляемого масштабного преобразователя 3, определяемый начальным уровнем V в выражениях (5) и (6).

Для того, чтобы осуществить температурную коррекцию мул ьтипликативной и аддитивной погрешностей, показанных в выражении (2) для температурного диапазона Att, необходимо выполнить условия

К2 Ча1 Vt а„= — — аа1 = — at ПЗ п1 V V

Эти условия выполняют установкой коэффициентов п1 и пз

Va1 аа1 п1= К2 V а„

V ам пз=—

Vt %

ГдЕ Ча1, а 1, Ч1,а t, а м ОПрЕдЕЛявт В рЕЗуЛЬтате экспериментального воздействия на тензодатчик . 1 температуры в пределах диапаэансв At1, Для того, чтобы осуществить температурную коррекцию мультиплиткативной и аддитивной погрешностей, показанных в выражении (3) для температурного диапазона Лтг, необходимо дополнительно выполнить условие

Кг Va2 ам = — — ааг. пг V

Его выполняют установкой коэффициента п2

5 Ча2 аа2 п2 =К2 — =—

V ам гДе Чаг и ааг опРеДелЯют в РезУльтате экспериментального воздействия на тензодатчик 1 температуры вы диапазоне At2.

В зависимости от результата сравнения сигнала, снимаемого с выхода первого масштабного преобразователя 9 с опорным уровнем, определяющим точку перегиба ломаной кривой (фиг.2), аппроксимирующей нелинейный температурный дрейф начального уровня тензодатчика 1, определяемого делителем, образованным вторым и третьим резисторами 7 и 8, компаратор 10 подключает на третий вход усилителя 2 выходной сигнал либо второго, либо третьего масштабных преобразователей 11 и 12.

В диапазоне температур,й1 на выходе управляемого масштабного преобразователя 3 формируют сигнал

Чп1 Ю(1 + Ч" Oa1Att )

1 + — а + пз Л т1

V, Ч

35 Р К1 К2 Кз + Vnt Кз

40 пг V

Vn2 К3 (1 + — аа1At2)

К2 Va2

1+ — а+ пз Лtt

Vt

45 =р К1 К2 Кзо+ Vn2 Кзо функционально независимой от температуры Аг.

Остаточное аддитивное смещение VnКз

50 либо Члгкз, присутствующее в выходном сигнале управляемого масштабного преобразователя 3, устраняют с помощью первого сумматора 4, подачей на его вычитающий второй вход сигнала с выхода переключате55 ля 14, через четвертый масштабный преобразователь 13, имеющий коэффициент Кз

Выходной сигнал Чаях тензометрического устройства определяют выражением

Чвых = РК1К2КЗ о

1763867

10 во всем рабочем температурном диапазоне й,Предложенное тензометрическое устройство повышает точность коррекции температурной погрешности тензодэтчика в условиях нелинейности температурной зависимости аддитивной погрешности путем линейной аппроксимации и коррекции в каждом из линейных участков характеристики, является функционально законченным не требует дополнительного усиления по выходу для обеспечения номинального коэффициента преобразования в процессе коррекции аддитивного и мультипликативного температурных дрейфов.

Формула изобретения

Тензометрическое устройство, содержащеетензомост, блок питания, первый выход которого соединен с первой вершиной диагонали питания тензомоста, первый резистор, первый выход которого соединен с вторым выходом блока питания, а второй вывод — с второй вершиной диагонали питания тензомоста, усилитель, первый и второй входы которого соединены с выходами измерительной диагонали тензомоста, управляемый масштабный преобразователь, первый вход которого соединен с выходом усилителя, первый сумматор, первый вход которого соединен с выходом управляемого масштабного преобразователя, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью повышения точности, оно снабжено вторым и третьим резисторами, первые выводы которых соединены с выходами блока питания, а вторые их выводы соединены между собой, четвертым и пятым резисторами, первые выводы которых соединены с выходами бло5 ка питания, а вторые их выводы соединены между собой, первым масштабным преобразователем, первый вход которого соединен с второй вершиной диагонали питания тензомоста, а второй вход — с точкой соеди10 нения вторых выводов четвертого и пятого резисторов, вторым сумматором, первый вход которого соединен с выходом первого масштабного преобразователя, второй вход соединен с первым выходом блока питания, 15 а выход — с вторым входом управляемого масштабного преобразователя, компаратором, первый вход которого соединен с точкой соединения вторых выводов второго и третьего резисторов, а второй вход соеди20 нен с выходом первого масштабного преобразователя, вторым и третьим масштабными преобразователями, входы которых соединены с первым выходом блока питания, четвертым масштабным преоб25 разователем, выход которого соединен с вторым входом первого сумматора, и переключателем, первый вход которого соединен с выходом второго масштабного преобразователя, второй вход соединен с

30 выходом третьего масштабного преобразователя, управляющий вход соединен с выходом компаратора, а выход соединен с входом четвертого масштабного и реобразо- вателя и третьим входом усилителя. гъ