Косвенный способ настройки тензорезисторных датчиков с мостовой измерительной цепью по мультипликативной температурной погрешности

Изобретение относится к измерительной технике. Технический результат: повышение технологичности и точности. Сущность: производят предварительную сборку датчика и устанавливают в цепь питания мостовой измерительной схемы технологический термозависимый компенсационный резистор с максимально возможным температурным коэффициентом сопротивления и коэффициентом тензочувствительности, близким к единице. Этот резистор изготавливают по технологии рабочих тензорезисторов и устанавливают на упругом элементе в зоне установки рабочих тензорезисторов. Номинал этого резистора должен быть заведомо большей величины, чем это необходимо для компенсации мультипликативной температурной погрешности датчика. Устанавливают датчик в технологический штуцер с номинальным значением момента затяжки. Закорачивают технологический термозависимый компенсационный резистор перемычкой. Определяют девиацию выходного сигнала датчика от номинального измеряемого параметра при нормальной и рабочей температурах. Одновременно измеряют входное сопротивление мостовой цепи при нормальной температуре. Снимают перемычку и вновь определяют девиацию выходного сигнала датчика от номинального измеряемого параметра при нормальной и рабочей температурах. Рассчитывают номинал рабочего термозависимого компенсационного резистора и устанавливают его в схему датчика путем частичного задействования технологического термозависимого компенсационного резистора.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при настройке тензорезисторных датчиков с мостовой измерительной цепью по мультипликативной температурной погрешности.

Известен способ компенсации мультипликативной температурной погрешности мостовой схемы (см. «Проектирование датчиков для измерения механических величин» под редакцией Е.П.Осадчего, 1979 г.), заключающийся в установке в цепь питания мостовой измерительной схемы термозависимого компенсационного резистора R_α и расчете его номинала через физические характеристики элементов, входящих в состав датчика.

Однако использование данного метода при настройке датчиков имеет ряд недостатков. Как видно из аналитического выражения, для определения значения термозависимого компенсационного резистора необходимо знать целый ряд физических параметров элементов, входящих в состав датчика. Например, для определения температурного коэффициента сопротивления (ТКС) α_к термозависимого компенсационного резистора R_α, установленного на упругий элемент (УЭ), необходимо знать такие физические параметры как: ТКС материала резистора α_r, температурные коэффициенты линейного расширения (ТКЛР) резистора α_n и УЭ - α_э. Для определения температурного коэффициента чувствительности (ТКЧ) датчика α_д, необходимо знать такие физические параметры, как: коэффициент тензочувствительности K_о и ТКЧ тензорезисторов α_m, установленных на упругом элементе; температурный коэффициент модуля упругости η_э материала УЭ, и др. Как правило, данную информацию можно получить из сертификатов на применяемые материалы, однако существующие технологические разбросы при изготовлении этих материалов не позволяют использовать данную информацию, в силу значительных разбросов, получаемых при определении значений компенсационных элементов. Кроме того, если датчик выполнен с применением микроэлектронной технологии (металлопленочные или полупроводниковые диффузионные датчики), данная информация отсутствует вообще. Поэтому, чтобы использовать аналитические выражения, необходимо осуществить экспериментальное определение требуемых параметров элементов, входящих в состав датчика.

Однако прямые методы определение физических параметров компенсационных элементов и элементов измерительной схемы датчика представляют определенную сложность.

Во-первых, это чисто конструктивные и технологические затруднения, связанные с тем, что:

- определение всех физических параметров, как элементов измерительной схемы, так и компенсационных элементов, необходимо проводить в собранном датчике, так как существующие перепады температур и температурных деформаций по телу датчика могут вызвать недопустимо большие погрешности при определении компенсационных элементов;

- определение всех физических параметров отдельных элементов требует, как правило, нарушение электрических связей в собранном датчике, что может привести к значительному ухудшению метрологических характеристик (в особенности это касается датчиков, выполненных с применением микроэлектронной технологии, так как эти связи заложены на самых ранних этапах формирования измерительной схемы).

Во-вторых, прямые методы измерения этих параметров, кроме большой трудоемкости, не обеспечивают требуемую точность. Так при измерении ТКС тензорезисторов порядка 1·10^-5 1/°С с точностью до 5% требуется замер сопротивления номиналом 1000 Ом при перепаде температур в 50°С с точностью до 0,025 Ом, что составляет точность измерения 0,0025% и требует применение специальных методов измерения.

Поэтому появилась потребность разработки методики, позволяющей производить замену прямых методов измерения физических параметров конструктивных элементов датчика измерением его выходных сигналов при различных температурах. Это не только упрощает настройку датчиков, но и переход к реализации выходных сигналов датчика, как минимум, на два порядка повышает точность измерения, а соответственно расчета и компенсации температурных погрешностей. Действительно, для рассматриваемого примера при оценке ТКС мостовой цепи с относительным выходным сигналом - выходной сигнал при воздействии номинального измеряемого параметра соответствует суммарному изменению сопротивлений плеч мостовой цепи в 10 Ом. Тогда для обеспечения замера суммарного изменения сопротивлений плеч мостовой схемы в 10 Ом через выходные сигналы датчика, с точностью 0,025 Ом, потребуется использование вольтметра класса не выше 0,25%, что доступно в настоящее время на любом производстве. Увеличение же класса точности используемых приборов позволит повысить точность определения ТКС и соответственно точность расчета компенсационных резисторов.

Кроме того, при переходе к оценке физических параметров элементов измерительной цепи через выходные сигналы появляется еще одно положительное свойство. Это свойство выражается в возможности одновременной компенсации не только мультипликативной температурной погрешности датчика от несоответствия ТКЧ тензорезисторов и температурного коэффициента модуля упругости УЭ, но и дополнительных мультипликативных температурных погрешностей от чувствительности датчика к моменту затяжки. Действительно, при проведении температурной настройки датчика с установкой его в технологическом штуцере с номинальным моментом затяжки, изменение осевого усилия в резьбовой части датчика при изменении температуры, непосредственно отразится на изменении выходного сигнала датчика. То есть изменение выходного сигнала датчика будет зависеть не только от несоответствия ТКЧ тензорезисторов и температурного коэффициента модуля упругости УЭ, но и от чувствительности датчика к моменту затяжки. Если при этом оценку ТКЧ датчика произвести через изменение выходного сигнала при изменении температуры, то расчетное значения ТКЧ датчика будет учитывать влияние чувствительности датчика к моменту затяжки.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка способа настройки тензорезисторных датчиков с мостовой измерительной цепью по мультипликативной температурной погрешности, который позволил бы повысить технологичность и точность компенсации мультипликативной температурной погрешности в процессе настройки.

Технический результат - повышение технологичности и точности в процессе настройки тензорезисторных датчиков с мостовой измерительной цепью по мультипликативной температурной погрешности.

Указанный технический результат достигается тем, что:

- температурную настройку датчика осуществляют после его предварительной сборки и установки в технологический штуцер с номинальным значением момента затяжки, что позволяет в процессе настройки компенсировать дополнительные мультипликативные температурные погрешности датчика от чувствительности к моменту затяжки при изменении температуры;

- определение физических параметров элементов, входящих в состав датчика, производят через определение девиации выходных сигналов датчика при разных значениях температуры без подключения и при подключении технологического термозависимого компенсационного резистора;

- изготовление и установку технологического термозависимого компенсационного резистора производят по технологии изготовления тензорезисторов;

- материал, из которого изготавливается технологический термозависимый компенсационный резистор, должен обладать максимальным ТКС и ТКЧ, близким к единице, а номинал его должен быть таким, чтобы обеспечить компенсацию максимально возможной мультипликативной температурной погрешности датчика, выполненного по принятой технологии;

- расчет рабочего термозависимого компенсационного резистора производят по экспериментально определенным девиациям выходного сигнала датчика от номинального значения измеряемого параметра при разных значениях температур с подключением и без подключения технологического термозависимого компенсационного резистора;

- установку в схему датчика рабочего термозависимого компенсационного резистора производят путем частичного задействования технологического термозависимого компенсационного резистора.

Метод определения термозависимого компенсационного резистора R_α через девиации выходных сигналов датчика состоит в определении ТКЧ датчика α_д, ТКС α_к резистора R_α, выраженные через девиации выходных сигналов датчика, и входного сопротивления мостовой цепи R_вх, через замеры входного сопротивления моста при нормальной температуре, и используя выражение, приведенное в книге «Проектирование датчиков для измерения механических величин» под редакцией Е.П.Осадчего, 1979 г., расчете величины термозависимого компенсационного резистора R_α по формуле

где α_м - ТКС входного сопротивления мостовой цепи датчика.

Для выполнения указанных требований на УЭ, непосредственно в зоне установки тензорезисторов, устанавливают технологический термозависимый компенсационный резистор величиной, заведомо большей, чем это необходимо для компенсации мультипликативной температурной погрешности датчика, например для металлопленочных датчиков его величина должна быть в пределах 300-500 Ом. При этом технология установки технологического термозависимого компенсационного резистора на УЭ должна быть той же, что и технология установки рабочих тензорезисторов. Место и технология установки резистора определяются требованием получения минимальных отклонений от рабочих тензорезисторов по температурным режимам в процессе эксплуатации. Материал, из которого выполняется технологический термозависимый компенсационный резистор, с целью обеспечения максимальной эффективности компенсации, см. (1), должен обладать максимальным значением ТКС, для выбранной технологии его изготовления и установки на УЭ, и коэффициентом тензочувствительности, близким к единице, для исключения влияния на его номинал деформаций в месте установки на УЭ. Изготовленный указанным образом резистор включается в цепь питания мостовой измерительной схемы.

Для определения ТКЧ датчика α_д закорачивают резистор перемычкой и снимают значения девиации выходного сигнала датчика U_выхо и U_выхt при номинальном значении измеряемого параметра Х_н и температурах Т_о и T соответственно.

Но, с другой стороны, девиацию выходных сигналов датчика при воздействии измеряемого параметра Х_н можно представить в виде

- при температуре Т_o

- при температуре Т

где S_д - чувствительность датчика к измеряемому параметру.

Разделив второе уравнение на первое, можно определить ТКЧ датчика, выраженный через девиации выходных сигналов при разных значениях температуры

ТКС входного сопротивления мостовой цепи можно определить по экспериментально снятым, при температурах Т_o и Т, значениям входного сопротивления R_вх и R_вхt соответственно

Для определения α_к снимают перемычку с резистора и определяют выходные сигналы датчика при воздействии номинального значения измеряемого параметра Х_н и температурах Т_o и T соответственно.

Тогда выражения (2) и (3) для девиации выходных сигналов датчика с подключенным технологическим термозависимым компенсационным резистором будут иметь вид:

- при температуре Т_о

- при температуре Т

Разделив второе уравнение на первое, подставляя выражения (4) и (5) и решая его относительно α_к, можно получить аналитическое выражение ТКС термозависимого компенсационного резистора R_α через величину технологического термозависимого компенсационного резистора и девиации выходных сигналов датчика от измеряемого параметра, снятых при разных значениях температур

Подставляя формулы (4), (5) и (8) в уравнение (1) и решая относительно R_α, можно получить аналитическое выражение величины термозависимого компенсационного резистора для компенсации мультипликативной погрешности, выраженное через величину технологического термозависимого резистора и девиации выходных сигналов датчика, снятых при разных значениях температур

Полученное выражение (9) позволяет определить номинал термозависимого компенсационного резистора без применения прямых методов измерения физических параметров элементов датчика.

С целью исключения изменения ТКС термозависимого компенсационного резистора R_α относительно ТКС, используемого при расчете, рабочий резистор R_α выполняется путем частичного задействования в схеме датчика технологического термозависимого компенсационного резистора .

Для оценки точности предлагаемого метода минимизации мультипликативной температурной погрешности проведем расчет мультипликативной температурной чувствительности на примере.

Пример

Провести минимизацию мультипликативной температурной погрешности тензорезисторного датчика с мостовой измерительной цепью, входное сопротивление которой R_вх=1000 Ом, технологический термозависимый компенсационный резистор напряжение питания U_n=10 В, температурный диапазон ΔT=100°С, суммарное относительное изменение сопротивления мостовой цепи при воздействии номинального значения измеряемого параметра

Решение

Для расчета термозависимого компенсационного резистора R_α необходимо экспериментально определить девиацию выходных сигналов датчика при температурах Т_о и T для двух случаев:

- без включения технологического термозависимого компенсационного резистора

- при включенном технологическом термозависимым компенсационном резисторе .

Однако если просто задаться указанными параметрами, можно получить нереальные значения термозависимого компенсационного резистора R_α. Поэтому произведем расчет девиации выходных сигналов исходя из реальных значений физических параметров элементов датчика. Пусть: ТКС входного сопротивления α_м=5·10^-4 1/°С, температурный коэффициент чувствительности датчика α_д=1·10^-3 1/°С, ТКС технологического термозависимого компенсационного резистора α_к=4·10^-3 1/°С. Используем принятые значения физических параметров только для расчета девиации выходных сигналов, которые необходимо определить экспериментально, и в дальнейшем при расчете величины термозависимого компенсационного резистора R_α и мультипликативной температурной чувствительности не будем принимать в расчет, а их оценку будем проводить в соответствии с предлагаемой методикой.

Девиацию выходных сигналов датчика для указанных случаев, по принятым физическим параметрам, можно рассчитать следующим образом:

Величину термозависимого компенсационного резистора, по полученным значениям девиации выходных сигналов, определим в соответствии с выражением (9)

Для оценки точности компенсации необходимо определить мультипликативную температурную чувствительность при включении расчетного значения термозависимого компенсационного резистора R_α. Для этого рассчитаем ТКЧ датчика и ТКС компенсационного резистора через девиацию выходных сигналов по формулам (4) и (8) соответственно:

Тогда девиации выходных сигналов датчика после установки термозависимого компенсационного резистора R_α при температурах Т_o и Т можно определить следующим образом:

По полученным значениям девиации выходных сигналов, после подключения расчетного значения резистора R_α, определим мультипликативную температурную чувствительность датчика

.

Полученное значение мультипликативной температурной чувствительности датчика говорит о достаточной точности минимизации мультипликативной температурной погрешности предложенным способом компенсации. Кроме того, предложенный способ компенсации мультипликативной температурной погрешности позволяет одновременно минимизировать дополнительную температурную погрешность датчика от влияния чувствительности его к моменту затяжки.

Косвенный способ настройки тензорезисторных датчиков с мостовой измерительной цепью по мультипликативной температурной погрешности, заключающийся в установке в цепь питания мостовой измерительной схемы термозависимого компенсационного резистора R_α, отличающийся тем, что производят предварительную сборку датчика, устанавливают в цепь питания мостовой измерительной схемы технологический термозависимый компенсационный резистор с максимально возможным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) и коэффициентом тензочувствительности (ТКЧ), близким к единице, которые можно получить при выбранных материале и технологии изготовления, технологический термозависимый компенсационный резистор изготавливают по технологии рабочих тензорезисторов и устанавливают на упругом элементе в зоне установки рабочих тензорезисторов, а его номинал должен быть заведомо большей величины, чем это необходимо для компенсации мультипликативной температурной погрешности датчика, устанавливают датчик в технологический штуцер с номинальным значением момента затяжки, закорачивают технологический термозависимый компенсационный резистор перемычкой и определяют девиацию выходного сигнала датчика от номинального измеряемого параметра при нормальной температуре Т_о и рабочей температуре Т - U_выхо и U_выхt соответственно и одновременно измеряют входное сопротивление мостовой цепи R_вх при нормальной температуре, снимают перемычку и вновь определяют девиацию выходного сигнала датчика от номинального измеряемого параметра при нормальной температуре Т_о и рабочей температуре Т - и соответственно, рассчитывают номинал рабочего термозависимого компенсационного резистора по формуле

где R_вх - входное сопротивление мостовой цепи датчика при температуре Т_о, рабочий термозависимый компенсационный резистор R_α выполняется путем частичного задействования в схеме датчика технологического термозависимого компенсационного резистора