Тензометрическое устройство
Изобретение относится к контрольноизмерительной технике, а именно к измерениям неэлектрических величин в условиях широких диапазонов быстроменяющихся температур. Целью изобретения является повышения чувствительности. Тензометрическое устройство содержит источник питания 24, последовательно соединенные тензодатчик 1, усилитель 2, управляемый масштабный преобразователь 3 и сумматор 4, а также первый резистор 16. Устройство снабжено стабилизатором питания тензодатчика 5. блоком опорных уровней 6, суммирующим усилителем 7, первым масштабным преобразователем 8, выход которого соединен с третьим входом усилителя 2 и вторым масштабным преобразователем 9, выход которого соединен с вторым входом сумматора 4. 1 ил.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 В 7/16
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР (/
К АВТОРСК0МУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (54) ТЕНЗОМЕТРИЧ ЕСКОЕ УСТРОЙСТВО (57) Изобретение относится к контрольноизмерительной технике, а именно к измерениям неэлектрических величин в условиях ввЪ (21) 4889920/28 (22) 30,10.90 (46) 15,11.92, Бюл. N. 42 (71} Научно-исследовательский институт физических измерений (72) С.А.Исаков, B.À.ÔL;ëü÷èêîâ, Н.Т.Гузненков, В.П.Маланин и В.В,Пащенко (56) Авторское свидетельство СССР
N 682755, кл. G 01 В 7/16, 1978, Авторское свидетельство СССР
N 1525440, кл. G 01 B 7/16, 1987.
„„5U „„1775596 А1 широких диапазонов быстроменяющихся температур, Целью изобретения является повышения чувствительности. Тензометрическое устройство содержит источник питания 24, последовательно соединенные тензодатчик 1, усилитель 2, управляемый масштабный преобразователь 3 и сумматор
4, а также первый резистор 16. Устройство снабжено стабилизатором питания тензодатчика 5. блоком опорных уровней 6, суммирующим усилителем 7, первым масштабным преобразователем 8, выход которого соединен с третьим входом усилителя 2 и вторым масштабным преобразователем 9, выход которого соединен с вторым входом сумматора 4. 1 ил.
1 775595
Изобоетение относится к контрольно::: lepIIte, ьной >ехнике, а именно rl измерениям неэлектрических величин в условиях широких диапазонов быстроменяющихся температур, Известно устройство, содержащее "хему включения тензодатчика "мост B мосте", позволяющую выделять два линейно независимых сигнала, один из которых является основным, а другой — дополнительным и используется для температурной коррекции основного сигнала. Точность устройства невелика, поскольку коррекции подвергается только аддитивная составляющая температурного дрейфа основного сигнала. Кроме того, устройство имеет низкую чувствительность к основному измеряемому параметру, поскольку часть напряжения блока питания падает на дополнительном резисторе, включенном между выводом диагонали питания тензодатчика и нулевой шиной. Недостатком устройства является то, что тензодатчик не связан с нулевой шиной. что приводит к увеличению синфазного сигнала на выходах тензодатчика и может привести к увеличению шума в основном сигнале.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство, содер>кащее последовательно ссединенные тензомост, усилитель, управляемый масштабный преобразователь и сумматор, источник питания, первый выход которого соединен с первой вершиной диагонали питанля тензомоста и со вторыми входами усиллтеля и сумматора, второй выход — через резистор со в. орой вершиной диагонали питания тензомоста и со вторым входом управляемого масштабно о преобразователя, Недостатком известного устройства является то, что блок питания подключен к диагонали питания тензодатчика через дополнительный резистор, вследствие чего часть напряжения питания тензодатчика п»дает на резисторе, а следовательно, снижается чувствительность тензодатчика к основному измеряемому параметру. Уменьшение значения сопротивления дополнительного резистора приводит к снижению чувствительности схемы съема дополнительного сигнала о температурном влияющем факторе. Увеличение значения сопротивления резистора приводит к снижению чувствительности измерительной схемы тензодатчика к основному измеряемому параметру, росту синфазного уровня выходных сигналов тензодатчика.
Целью изобретения является повышение чувствительности тензодатчика к основному измеряемому параметру за счет
1Î
25 70
4О
55 ис;<лючения дополнительного резистора из контура питания тензодатчика.
Цель достигается тем, что усовершенствуется устройство„содержащее последовательно соединенные тензодатчик, усилитель, управляемый масштабный преобразователь и сумматор, первый резистор, причем выходы измерительной диагонали тензодатчика соединены с первым и вторым входами усилителя, Отличительными признаками ус.грс гHB является то, что в него введены стаб, изатор питания тензодатчика, содержащий первый операционный усилитель и первый транзистор, блок опорных уровней, содержащий второй и третий операционные усилители, стабилитрон, второй транзистор, второй, третий и четвертый резисторы, суммирующий усилитель, содер>кащий четвертый операционный усилитель. пятый, шестой седьмой и восьмой резисторы, первый масштабный преобразователь, выход которого соединен с третьим входом усилителя, второй масштабный преобразователь, выход которого соединен с вторым входом сумматора, первый вход стабилизатора питания датчика соединен с источником питания, второй его вход соединен с первым выходом блока опорных уровней, первый его выход соединен с первой вершиной диагонали питания тензодатчика, а второй выход соединен с первым входом суммирующего усилителя. вторая вершина тензодатчика связана с нулевой шинол, вход блока опорных уровней соединен с внешним источником питания, второй его выход соединен с вторым входом суммирующего усилителя, выход которого соединен с вторым входом управляемого масштабного преобразователя, коллекторы первого и второго транзисторов и первый вывод второго резистора соединены с источником питания, выход первого операционного усиллтеля соединен с базой первого транзистора. эмиттер которого соединен с первыми выводами первого и пятого резисторов, инвертирующий вход первого операционного усилителя соединен со вторым выводом первого резистора и первым выводом диагонали питания тенэодатчика, неинвертирующий вход первого операционного усилителя соединен с вторым выводом второго резистора, неинвертирующими входами второго и третьего операционных усилителей л первым выводом стабилитрона второй вывод которого соединен с нулевой шиной, инвертирующий вход второго операционного усилителя соединен с вторыми выводами третьего и четвертого резистора, 1775596
10 первый вывод четвертого резистора соединен с нулевой шиной, выход второго операционного усилителя соединен с базой второго транзистора, эмиттер которого соединен с первыми выводами третьего и шестого резисторов, инвертирующий вход третьего операционного усилителя соединен с его выходом, первым выводом восьмого резистора и входами первого и второго масштабных преобразователей, инвертирующий вход четвертого операционного усилителя соединен со вторыми выводами пятого и седьмого резисторов, неинвертирующий вход соединен со вторыми выводами шестого и восьмого резисторов, а выход с первым выводом седьмого резистора и вторым входом управляемого масштабного преобразователя, На чертеже приведена схема тензометрического устройства.
Устройство содержит тензодатчик 1, усилитель 2, управляемый масштабный преобразователь 3, сумматор 4, стабилизатор питания тензодатчика 5, блок опорных уровней б, суммирующий усилитель 7, первый и второй масштабные преобразователи 8 и 9, четыре операционных усилителя 10 — 12, 25, первый и второй транзисторы 13 и 14, стабилитрон 15, восемь резисторов 16-23, источник питания 24.
Измеряемый сигнал с выхода измерительной диагонали тензодатчика 1 поступает на первый и второй входы усилителя 2, далее на вход управляемого масштабного преобразователя 3, и первый вход сумматора 4, с выхода которого сигнал поступает на регистратор (не показан). Напряжение питания тензодатчика 1 формируется с помощью стабилизатора питания тенэодатчика 5, на первый вход которого поступает сигнал от источника питания 24, а на второй вход — опорное напряжение с первого выхода блока опорных уровней 6, которое поступает на неинвертирующий вход первого операционного усилителя 10 и повторяется на его инвертирующем входе с помощью отрицательной обратной связи, образованной первым транзистором 13 и первым резистором 16. Напряжение питания тензодатчика 1 с первого выхода стабилизатора питания тензодатчика 5 поступает на первую вершину диагонали питания тензодатчика 1. Отличительным признаком применения стабилизатора питания тензодэтчика 5 является то, что наряду с обеспечением функции питания тензодатчика 1 он осуществляет функцию выделения термозависимого сигнала, участвующего в коррекции температурных погрешностей тензодатчика 1. Термозависимый сигнал со
55 второго выхода стабилизатора питания тенэодатчика 5 поступает на первый вход суммирующего усилителя 7. Блок опорных уровней б формирует на первом выходе и третьем выходе стабильное напряжение, определяемое напряжением стабилизации стабилитрона 15, который запитывается от источников питания 24 через второй резистор 17. Цепь, сформированная на втором операционном усилителе 11, втором транэисторе 14, третьем 18 и четвертом 19 резисторах, формирует нэ втором выходе блока опорных уровней б опорный сигнал, компенсирующий начальный постоянный сигнал в термозависимом сигнале, поступающий на первый вход суммирующего усилителя 7. Операционный усилитель 25 повторяет опорный сигнал со стабилитрона
15 на третьем выходе блока опорных уровней б, который поступает на третий вход суммирующего усилителя 7 для осуществления постоянного сдвига выходного сигнала суммирующего усилителя 7. на входы первого 8 и второго,9 масштабных преобразователей. Первый масштабный преобразователь 8 необходим для регулировки аддитивного температурного дрейфа тензодатчика 1, а второй для устранения постоянного аддитивного сдвига в выходном сигнале устройства. Масштабные преобразователи 8 и 9 могут быть выполнены на резистивных делителях. Суммирующий усилитель 7, включающий четвертый операционный усилитель 12, а также 20-23 резисторы формируют корректирующий сигнал, который поступает на второй вход управляемого масштабного преобразователя 3 и используется для устранения температурных погрешностей тензодатчика 1.
Тенэометрическое устройство работает следующим образом, На вход тензодатчика 1 воздействует измеряемая физическая величина P и температурное воздействие t, Сигнал U> на первом входе управляемого масштабного преобразователя 3 представляется
U) =(PKt (1+eMht}+ baht) Кг+ 0 п =
= р К1.К2(1+а Л )+0п1(1 + — — сцЬт), 0 п1 (1) где P — измеряемая физическая величина;
K> — коэффициент преобразования тензодэтчикд 1;
Кг — коэффициент преобразования усилителя 2;
Лt- приращение температуры, воздействующей на тензодатчик 1;
1775596
U — выходное напряжение стабилизатора питания тенэодатчика 5;
nt — коэффициент преобразования первого масштабного преобразователя 8;
Q — коэффициент мул ьтипликативной чувствительности тензодатчика 1 к приращению температуры A t;
0 а — аддитивное изменение нулевого выходного сигнала тензодатчика 1 на единицу изменения температуры Л t; и — температурный коэффициент ухода нулевого сигнала тензодатчика 1.
Сигнал Uz, с помощью которого корректируются мультипликативная и аддитивная составляющие температурной погрешности, отраженные в выражении (1), формуется с помощью схемы, образованной стабилизатором питания тенэодатчика 5, блоком опорных уровней 6 и суммирующим усилителем 7, Стабилизатор питания тензодатика 5 представляет собой параметрический стабилизатор. Второй резистор 17 задает ток, протекающий через стабилитрон 15. Напряжение U, снимаемое со стабилитрона 15, является опорным для стабилизатора питаHMR тензодатчика 5. При этом первый операционный усилитель 10 повторяет за счет отрицательной обратной связи стабильное напряжение на первом выводе диагонали питания тензодэтчика 1, чем достигается стабилизация напряжения питания тензодатчика 1.
Сигнал, снимаемый со второго выхода стабилизатора питания тензодатчика 5, является выходным сигналом параметрического стабилизатора нап ряжения.
Транзистор 13 является регулирующим элементом, Одновременно транзистор 13 позволяет повысить мощность, рассеиваемую на тенэодатчике 1, или ток питания тензодатчика 1. Напряжение Uc, формируемое на выходе параметрического стабилизатора, определяется выражением и URl Вл) UR|. 0 (2) с где Rg — значение сопротивления диагонали питания тензодатчика 1;
Я1 — значение сопротивления первого резистора 16.
Так как напряжение питания тенэодатчика 1 стабильно, сопротивление Яя определяет ток через первый резистор 16 и напряжение Uc.
Если сопротивление диагонали питания тензомоста 1 Rg изменяется под воздействием температуры At, то и величина выходного напряжения Uc параметрического стабилизатора изменяется.
Напряжение Uc которое снимается с
I дополнительного резистора величиной R, и используется в качестве термоэависимого, можно представить выражением
Uc (3)
Сравнивая выражения (2) и (3), можно заметить, что при одинаковых значениях сопротивлений R и R>, величина термозависимого сигнала Uc больше величины Uc .
Кроме того, чтобы повысить чувствительность тензодатчика 1 к основному измеряемому параметру s прототипе, величину сопротивления R следует уменьшить до уровня 0,1 Яя, что приводит к снижению уровня термоэависимого сигнала Uc, В
I предложенном решении, величину резистора Rt можно увеличить до уровня Rt=Rg и выше, что позволяет увеличить чувствительность сигнала Uc к температурному изменению значения сопротивления R< без снижения чувствительности тензодатчика 1 к основному измеряемому параметру.
Следовательно, предложенное решение позволяет повысить уровень дополнительного термозависимого сигнала, что особенно важно, когда сопротивление диагонали питания тензодатика 1 Rg имеет низкое значение ТКС и требуется значительное усиление термозависимого сигнала, что приводит к повышению уровня шумов и дрейфов в корректирующем термозависимом сигнале, а следовательно, и к увеличению погрешности коррекции и устройства в целом.
Схема формирования опорного уровня, собранная на втором операционном усилителе 11, втором транзисторе 14, третьем и четвертом резисторе 18 и 19 необходима, чтобы скомпенсировать постоянный выходной уровень в сигнале Uc в начальных температурных условиях. Разность между опорным уровнем и термозависимым сигналом Uc выделяется с помощью суммирующего усилителя 7 путем подачи этих сигналов на первый и второй дифференциальные входы суммирующего усилителя 7. Стабилизатор питания тензодатчика 5 и блок опорных уровней 6 формируют сигналы с помощью одного опорного уровня, задаваемого одним стабилитроном 15, так, что даже возможный дрейф его параметров будет подаваться в суммирующем усилителе 7. На третий вход суммирующего усилителя, а также на входы первого и второго масштабных преобразователей 8 и 9 подается опорное . напряжение U, равное напряжению питания тензодатчика 1. Это напряжение подается через повторитель напряжения, сформированный на тре ьем о-;есчщионном усилителе 25, для того, чтобы исключить влияние резист IBHb(x цепей на режим работы стабилитрона 15 и снизить выходное сопротивление источника oliGpHÎãî напря>кения. С помощью опорного сигнала U, поданного на тре)ий вход суммирующего усилителя 7. сигнал. iàра!<теризуюьций дрейф параметров тензодатчика 1. смещается на величину U.
Таким образам, сигнал V2,. формируемь)й на в-ором входе управляемого масштабного поеобразователя 3. Можно представ.1гь В виE ip.
)->2 = U (1 - -- — (/., (I3! ) ii,) . (-)1
) (r2)0 ) )1, Qt, Г)3 " И31 )Е l! t-: Ие СИ Г((а/i H а ВЫХО де суммиру(още>-о ус f/Ii Напря)1 К„0 КЗ = U; 1i + — - (; г:- 1. (< 11 где Кз — (Вяз „- " .);))3()цие:; ПОBco;:.=ЗОВан"!Fi уп)рав»яе(" ))(О мrBCЖ та !!ОГО Г .р80б ра3038 гел!> 3, оп)<)2 )2»че(.;biй ье/)ичи)to(1 НВЧа»ЬНОГа ПОС-"ЯННОГ)) С )ЕШЕНИЯ Hc: ЕГО В ГОРОМ ВХОЛЕ. Д)1Я > О(О, Ч; Ql;f-.! С ()0)Г>10)!),ЫО ДОГOiiHI!T8/1bHOI TBpin)O3c ВИСИМОГО СИГH)/ 3 12 C I< O p p B K T L1 р 0 B B T f l B T Q ") G in д Е Л )З Н И Я . l а д д ИТ>i! B! I У(Q A M )//i, T! 1rf /I !fêB 1 необходимо выполнить усЛОВИЯ 4 К, Ji /, /./" — — — — - (Т-. = — — (1 il3 >, >), !.) -):, u ВЕЛИЧИНЫ .)а, () . ). .1, (>а, )i . ОПРЕ;).В»Я(от ся эксперимен-; альHblM путем. услов(>я (4) Вь! Г(ол ня ют ПО/.,стройкой > oзффИЦИ81(ТОВ Rp800p(B30BBI1(fr и l первоГО масштаб toro преабразОВат2»Я 8 и П3 сумми pg(ott)BI усилите/:Я 7 U4 иа П.) — -- — = — - 1.2 (! >у i ) ),,; пав у > )) /праBляемый ")ас)В! абныЙ IipPОбраза ватель 3 реалиbó8, КI . <.2 ) 1 -1 < .>, . >1i (1/V2 = U; /I:3-1 + — -, (.., r)3 Ut )-4 К2,. и J„j (1+ — — — -. ЛЦ Кз 1 1 Р :1К2КЗ 1 + — )(.((ПЗЛ1 U ,1») Ê3", Напряжение U„i КЗ, присутству(о.цее в > выхо) ном сигнале управляемого 1".асштаб-)гго преобразователя,компенсиру!от с по> , Г),)!ЬН СУМл)ата а 4 ПУТЕМ РЕГУ.»ИРОВ(<И зффициента пресбразования п второго масш-а<)ного поеобразова-еля 1. . О п2= и":КЗ )7 ыхов IOB i!дп,. ение Ц,„.гензомет . 1 " BC Ub()х=-Р К1 Ка КЗ функциОна»ьllo сBîj))одн0 от f!óëbòèïëèêà(/ тивной и аддитивнзй температурных погс-;шн< стей тен.".о/ атчика 1. Техникг-зкс,,!0M(Ii;еск()л)и пре) мущест:.:-1);1 предложе()»агс техничес)<аго решения яс».-;8)ся тг чтг в "лм искл)<)чена По.еря О час",:,,; п(па;)-гце(.-: 1-;,. -Iрч кеы)/)я на дополни>ВЛЬг. <)11 РЕЗ(1СТО "2 а СЛ<=..ДОВа > 8»b!10, Г)авь(L 8Hа ЧУ В С) >3 ;; ), )1 ЬН ССТ - ТBH ЗОДа1))! .!<а К асио )IIOMy;13I tepePмому параметру и повь(ш8(!;) IуасГB!118)) 3 I>ccTb ох<)мь: с1:8 ма дог(0 1 НИТЕЛЬНОЙ I. .Нф РМВЦИ>\ 0 ТЕ . 08РГ)ТУ "))0(1 B)33ЦBfnС-гB)n!) HB i BHРОГВ ГЧИ, <р 0;) м, л ."-. . 3 о б О 8 т е if . Те(зc! .)е.р,:::с >ое устройс-,-во, ссдепжав.. )3 I)CTQЧН: К П > dl-ИЯ. ПОС!:ЕДСВBTB.IÜHQ с.) еди 8 I н ь с ) )3".;: .)да) тчиf<. ус ил() ;, i!i> ))и рав»"-.Bлл и )В(((": 3 ь)Й Греабра зовате/I ь и "./;v :l,p пе:))1- и I;c!Bile)oр, Bb!ходы из)(ej . : f ÜHC,BÈ rC. H ÝË ni —,8ÍÇÎÄB) ÈÊà СОЕДИНЕ) () i)bi с гервы(< и Вторы(, входами усилителя, 0 i . Ч а lË i " Е ). Я )Е" "ТО С ЦЕЛЬЮ itOBb :)PH(>fR !i>BCTBViTB lbftOCTrf, ОНО 1<а()жЕно стаби/:изаторам (!игания теч"..0;lатчика, СОДЕР>КЛЩ(лМ IPPB:!1 Qr.BPВЦИОННЫЙ УСИЛИ) тель il пе)вь)й гран:llcToi., блока опорнь(х !p0B,B(1>. c0>r),Bp:::.;.)gl1I" Вта;)ай! i Tpi rять. .л еагьмай >08зисторы, псрВы(и мас(>) Та»)>Н Ы>М rlpBQ)op>>3081 Те/>Ем, ВЫход КОТOporio С08ДИHBH С ТРЕтьим ВХОДОМ Уi. (.»)<ТЕЛ \, BTQ р =I 1 f 18сштаб;ым пр(-..- бра.зова, » 1;, в: хОд .OT0P0rO СОBДИН2H "„. 8TOPb! M B Yo»>>ОЛ(C )/MÓB) (),))), г!еовыЙ B"0/l стабилиза-. )(За питания датчика coB;li1нен с исто )ник0.-1 питания, Второй его вход соединен с первым выходом блока опорHû> уровней, первый его выход соединен с первой вершиной д(;агонали пи1775596 Составитель С.Исказов Техред М Моргентал Корректор А,Козориз Редактор Заказ 4028 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101 тания тензодатчика, а второй выход соединен с первым входом суммирующего усилителя, вторая вершина тензодатчика связана с нулевой шиной, вход блока опорных уровней соединен с источником питания, второй 5 его выход соединен со вторым входом суммирующего усилителя, выход которого соединен с вторым входом управляемого масштабного преобразователя, коллекторы первого и второго транзисторов и первый 10 вывод второго резистора соединены с источником питания, выход первого операционного усилителя соединен с базой первого транзистора, змиттер которого соединен с первыми выводами первого и пятого рези- 15 сторов, инвертирующий вход первого операционного усилителя соединен с вторым выводом первого резистора и первым выводом диагонали питания тензодатчика, неинвертирующий вход первого операционного 20 усилителя соединен с вторым выводом второго резистора, неинвертирующими входами второго и третьего операционных усилителей и первым выводом стэбилитрона, второй вывод которого соединен с нулевой шиной, инвертирующий вход второго операционного усилителя соединен с вторыми выводами третьего и четвертого резисторов, первый вывод четвертого резистора соединен с нулевой шиной, выход второго операционного усилителя соединен с базой второго транзистора, эмиттер которого соединен с первыми выводами третьего и шестого резисторов, инвертирующий вход третьего операционного усилителя сог синен с его выходом, первым выводом восьмого резистора и входами первого и второго масштабных преобразователей, инвертирующий вход четвертого операционного усилителя соединен с вторыми выводами пятого и седьмого резисторов, неинвертирующий его вход соединен с вторыми выводами шестого и восьмого резисторов, а выход с первым выводом седьмого,резистора и вторым входом управляемого масштабного преобразователя.
