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

Изобретение относится к измерительной технике. Технический результат: повышение технологичности и точности настройки. Сущность изобретения производят предварительную сборку датчика с учетом герметизации внутренней полости для датчиков относительного давления. Устанавливают датчик в технологический штуцер с номинальным значением момента затяжки и определяют начальный выходной сигнал датчика при температуре эксплуатации датчика. Устанавливают технологический термонезависимый компенсационный резистор R_шт с номиналом не менее 5R, где R - номинал рабочего тензорезистора, к которому он подключается. Производят балансировку мостовой цепи при нормальной температуре путем включения термонезависимого балансировочного резистора R_бт последовательно с параллельно соединенными рабочим тензорезистором и технологическим термонезависимым компенсационным резистором. Компенсационный и балансировочный резисторы устанавливают вне зоны действия температурного поля измеряемого параметра. Их температурные коэффициенты сопротивления (ТКС) должны быть не более ±0,1% ТКС рабочих тензорезисторов. Определяют начальный выходной сигнал датчика при температуре эксплуатации. Рассчитывают ТКС плеча, к которому подключается компенсационный резистор, и номинал рабочего компенсационного термонезависимого резистора R_ш. Производят установку рабочего компенсационного термонезависимого резистора путем замены технологического термонезависимого компенсационного резистора R_шт на расчетное значение R_ш. Производят окончательную балансировку путем замены термонезависимого балансировочного резистора R_бт на термонезависимый резистор, необходимый для балансировки мостовой цепи после установки рабочего компенсационного термонезависимого резистора R_ш.

 

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

Известен способ компенсации аддитивной температурной погрешности мостовой схемы (см. патент на изобретение RU 2231752 С1 7 G01B 7/16 «Способ настройки тензорезисторных датчиков с мостовой измерительной цепью», зарегистрированный 27.06.2004 г.), заключающийся в предварительной балансировке мостовой цепи, определении температурного коэффициента сопротивления (ТКС) всех плеч сбалансированной мостовой цепи и установке в определенное плечо, параллельно с рабочим тензорезистором, термонезависимого компенсационного резистора R_ш расчетной величины с последующей балансировкой мостовой схемы.

Однако использование данного метода при настройке датчиков имеет ряд недостатков. Как видно из аналитических выражений, для определения значений компенсационных элементов необходимо знать целый ряд физических параметров элементов, входящих в состав датчика. Например, для определения ТКС тензорезистора, установленного на упругий элемент (УЭ), необходимо знать такие физические параметры, как: ТКС материала тензорезистора α_ri, температурные коэффициенты линейного расширения тензорезистора α_n и УЭ - α_э; коэффициент тензочувствительности K_о и температурный коэффициент тензочувствительности α_к тензорезисторов, установленных на упругом элементе; температурный коэффициент модуля упругости η_э материала УЭ; температурные коэффициенты сопротивления компенсационного элемента α_β 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 (металло-пленочные 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 экспериментальное определение физических параметров компенсационных элементов и элементов измерительной схемы датчика представляет 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, нарушения 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 Ома, что составляет точность измерения 0,0025% и требует применения специальных методов измерения.

Поэтому появилась потребность разработки методики, позволяющей производить замену прямых методов измерения физических параметров конструктивных элементов датчика косвенным методов путем измерения 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 тензорезисторного датчика с относительным выходным сигналом - выходной сигнал соответствует суммарному изменению сопротивлений плеч мостовой цепи в 10 Ом. Тогда для обеспечения замера суммарного изменения сопротивлений плеч мостовой схемы в 10 Ом 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 косвенной оценке физических параметров элементов измерительной цепи через выходные сигналы появляется еще одно положительное свойство. Это свойство выражается в возможности одновременной компенсации не только аддитивной температурной погрешности датчика от технологического разброса ТКС тензорезисторов мостовой измерительной цепи в процессе изготовления, но и дополнительных аддитивных температурных погрешностей от чувствительности датчика к моменту затяжки и влияния герметизации внутренней полости в датчиках относительного давления. Действительно при проведении температурной настройки датчика с загерметизированной внутренней полостью и установкой его в технологическом штуцере с номинальным моментом затяжки изменение давления во внутренней полости и осевого усилия в резьбовой части датчика при изменении температуры непосредственно отразится на изменении начального уровня выходного сигнала датчика. То есть изменение начального уровня выходного сигнала датчика будет зависеть не только от разбросов ТКС тензорезисторов, но и от его чувствительности к моменту затяжки и изменению давления, загерметизированного во внутренней полости. Если при этом оценку ТКС тензорезисторов произвести через изменение начального выходного сигнала при изменении температуры, то расчетные значения ТКС тензорезисторов будут учитывать влияние указанных факторов. Компенсация же разбросов ТКС с учетом этих факторов позволит компенсировать и их влияние на аддитивную температурную погрешность датчика.

Сущность изобретения заключается в следующем.

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

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

Указанный технический результат достигается тем, что:

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

- определение ТКС всех резисторов мостовой цепи осуществляют через изменение начального уровня выходного сигнала датчика при изменении температуры, что позволяет произвести учет влияния всех факторов, включая и физических параметров материалов, из которых изготовлен датчик;

- расчет компенсационного термонезависимого резистора производят для предварительно сбалансированной мостовой схемы из условия выравнивания сумм ТКС тензорезисторов, попарно находящихся в противолежащих плечах мостовой схемы с учетом изменения ТКС балансируемого плеча при последовательном подключении к рабочему тензорезистору термонезависимого балансировочного резистора с ТКС, близким к нулю.

Это достигается тем, что после определения плеча подключения компенсационного резистора определяют плечо подключения балансировочного резистора из условия знака начального выходного сигнала при подключении компенсационного резистора. При параллельном подключении термонезависимого компенсационного резистора в плечи, воспринимающие деформацию растяжения (плечо R₁ или R₄), начальный выходной сигнал будет изменяться в отрицательную сторону, тогда балансировочный резистор необходимо включать либо в то же плечо, последовательно с параллельным соединением рабочего тензорезистора и компенсационного термонезависимого резистора, либо в противоположное плечо последовательно с рабочим тензорезистором, то есть в плечи, воспринимающие деформацию растяжения (плечо R₁ или R₄). При параллельном подключении термонезависимого компенсационного резистора в плечи воспринимающие деформацию сжатия (плечо R₂ или R₃), начальный выходной сигнал будет изменяться в положительную сторону, тогда, соответственно, балансировочный резистор необходимо включать в плечи, воспринимающие деформацию сжатия (плечо R₂ или R₃).

Выбор ТКС балансировочного резистора близким или равным нулю в пределах ±0,1% ТКС рабочих тензорезисторов объясняется чисто технологическими ограничениями, так как в процессе настройки приходится дважды производить балансировку мостовой цепи и подбор разных балансировочных резисторов с одинаковым ТКС представляет значительную технологическую трудность. Кроме того, для уменьшения влияния термонезависимых компенсационного и балансировочного резисторов на изменение ТКС балансируемого плеча как в процессе температурной настройки, так и в процессе эксплуатации их установку в датчике производят в местах отсутствия тепловых полей от измеряемого параметра (например, во вторичном преобразователе, где тепловые поля значительно меньше, чем поля измеряемого параметра).

Расчет ТКС всех элементов измерительной цепи производят через изменения начального выходного сигнала датчика без включения компенсационного резистора и при включении технологического термонезависимого компенсационного резистора R_шт и последующей балансировкой термонезависимым балансировочным резистором R_бт в ранее выбранное плечо. Величина резистора R_шт должна быть заведомо меньшей, чем необходимо для компенсации аддитивной температурной погрешности, но не менее пяти номиналов сопротивления плеча, в которое подключается компенсационный резистор. Для эффективной компенсации ТКС компенсационного термонезависимого резистора выбирается максимально близким к нулю, по аналогии с термонезависимым балансировочным резистором в пределах ±0,1% ТКС рабочих тензорезисторов, и по аналогии с балансировочным резистором определяется место его установки.

Расчет номинала термонезависимого компенсационного резистора производят исходя из того, что аддитивная температурная погрешность сбалансированной мостовой схемы зависит только от равенства сумм ТКС тензорезисторов, попарно расположенных в противолежащих плечах мостовой схемы. При этом рассчитывают ТКС всех плеч мостовой цепи с учетом изменения их ТКС при подключении термонезависимых компенсационного и балансировочного резисторов.

Рабочий термонезависимый компенсационный резистор расчетной величины устанавливается в мостовую цепь путем замены в мостовой цепи технологического термонезависимого компенсационного резистора R_шт на расчетное значение R_ш, и производят окончательную балансировку мостовой цепи термонезависимым резистором путем замены термонезависимого балансировочного резистора R_бт, установленного при балансировке мостовой цепи после подключения технологического термонезависимого компенсационного резистора R_шт, на термонезависимый резистор R_б, необходимый для балансировки после установки рабочего термонезависимого компенсационного резистора R_ш. Номинал рабочего термонезависимого балансировочного резистора определяется экспериментальным путем, например, после подключения переменного резистора в выбранное плечо.

Способ осуществляется следующим образом.

В предлагаемом способе, как и в случае компенсации по прототипу, компенсация достигается за счет выравнивания ТКС тензорезисторов, включенных в противоположные плечи мостовой измерительной цепи с одновременной балансировкой мостовой схемы.

При этом в процессе настройки необходимо решить две задачи:

- разработать методику расчета номинала компенсационного резистора с учетом изменения ТКС плеч мостовой цепи при подключении термонезависимых компенсационного и балансировочного резисторов и выявить физические параметры, которые необходимо определить через изменения начального выходного сигнала при изменении температуры;

- разработать методику определения выявленных физических параметров мостовой цепи через изменения начального уровня выходного сигнала при изменении температуры.

Решение первой задачи основано на том, что изменение начального уровня выходного сигнала сбалансированной мостовой схемы зависит только от разбросов ТКС резисторов. Это означает, что для компенсации аддитивной температурной погрешности необходимо выполнить условие баланса мостовой схемы при воздействии температуры, которое будет определяться равенством сумм ТКС противолежащих плеч (α₁+α₄)-(α₂+α₃)=0, то есть необходимо выровнить ТКСы плеч мостовой цепи. Но так как параллельное включение к рабочим тензорезисторам термонезависимого компенсационного и последовательное включение термонезависимого балансировочного резисторов изменяют ТКСы плеч, к которым они подключаются, то для выполнения температурного баланса мостовой цепи при одновременной ее балансировке необходимо рассчитать ТКСы этих плеч из условия баланса мостовой цепи.

Приведем вывод выражения для расчета номинала термонезависимого компенсационного резистора R_ш, подключаемого в плечо R₁, при одновременной балансировке мостовой цепи термонезависимым балансировочным резистором R_б, подключаемым в плечо R₁, последовательно с параллельным соединением рабочего тензорезистора и компенсационного резистора R_ш. При параллельном подключении компенсационного резистора R_ш к тензорезистору R₁ сопротивление плеча станет

При последовательном подключении термонезависимого балансировочного резистора R_б к параллельному соединению тензорезистора R₁ и термонезависимого компенсационного резистора R_ш балансировочный резистор можно определить из условия баланса мостовой цепи

Откуда величина балансировочного резистора определится как

Учитывая, что для сбалансированной мостовой цепи R₁·R₄=R₂·R₃, общее сопротивление плеча после подключения термонезависимых компенсационного и балансировочного резисторов можно определить как

то приращение общего сопротивление плеча R_общ1 при изменении температуры на ΔT=Т-Т_o можно определить как

Тогда ТКС плеча R_общ1 можно определить как

где α₁ - TKC тензорезистора R₁ мостовой цепи.

Зная ТКСы всех плеч мостовой цепи с учетом подключения компенсационного и балансировочного резисторов, можно, используя выражение (2), составить уравнение температурного баланса мостовой цепи

где α₂, α₃, α₄ - ТКСы соответствующих плеч мостовой цепи.

Преобразуя уравнение (3), получим

Полученное выражение (4) позволяет рассчитать номинал термонезависимого компенсационного резистора с учетом последующей балансировки мостовой цепи термонезависимым резистором R_б.

Анализ выражения (4) показывает, что для расчета номинала термонезависимого компенсационного резистора необходимо определить, через изменения начального выходного сигнала при изменении температуры: TKC плеча мостовой цепи, в которое включается компенсационный и балансировочный резисторы α₁, и выражение α₂+α₃-α₄. То есть для реализации данного условия необходимо определить ТКСы всех тензорезисторов, что потребует составления четырех независимых уравнений, через экспериментально определенные начальные выходные сигналы датчика. Это возможно только при определении начальных выходных сигналов при подключении трех, отличных по номиналу, но с одинаковыми TKC, технологических термонезависимых компенсационных резисторов с последующей балансировкой для каждого компенсационного резистора. Однако это значительно усложнит весь процесс настройки.

Поэтому поступим следующим образом. Так как TKC мостовой цепи для сбалансированного датчика без подключения технологического компенсационного резистора, можно определить как α_r=α₁+α₄-α₂-α₃, то искомое выражение α₂+α₃-α₄ может быть определено через ТКС мостовой цепи в виде

α₂+α₃-α₄=-α_r+α₁.

Тогда, заменяя в уравнении (4) искомое выражение через ТКС мостовой цепи, получим выражение для расчета компенсационного резистора с двумя неизвестными

которое требует составления только двух независимых уравнений через начальные выходные сигналы датчика с искомыми параметрами α₁ и α_r.

Решение второй задачи состоит в определении выявленных параметров мостовой цепи (ТКС плеча мостовой цепи, в которое включаются термонезависимые компенсационный и балансировочный резисторы α₁ и ТКС мостовой цепи α_r) через начальные выходные сигналы датчика и, используя формулу (5), расчете величины компенсационного резистора R_ш.

Для этого собранный с учетом герметизации внутренней полости и установленный в технологический штуцер с номинальным значением момента затяжки и сбалансированный при нормальной температуре Т_о датчик подвергают воздействию температуры эксплуатации Т и снимают начальный выходной сигнал U_ot. Тогда для сбалансированного датчика можно записать аналитическое выражение начального выходного сигнала при воздействии температуры

где α₁, α₂, α₃, α₄ - ТКСы соответствующих плеч мостовой цепи;

α_r - ТКС мостовой цепи;

- коэффициент симметрии мостовой цепи;

U_n - напряжение питания мостовой цепи;

ΔT=Т-Т_o - перепад температур в процессе испытаний.

Тогда, учитывая, что при нормальной температуре датчик сбалансирован, то есть его начальный выходной сигнал U_o=0, из выражения (6) можно определить ТКС мостовой цепи

Аналитическое выражение для определения начального выходного сигнала U_ошt, при подключении технологического термонезависимого компенсационного резистора R_шт, и сбалансированной при нормальной температуре мостовой цепью с помощью последовательного включения термонезависимого балансировочного резистора R_бт в то же плечо, что и резистор R_шт, будет иметь вид

где α_общ1 - ТКС плеча R₁ после подключения к нему термонезависимых технологического компенсационного и балансировочного резисторов.

Подставляя выражение (2), с учетом его решения для резистора R_шт, в последнее уравнение получим

Вычитая уравнение (8) из уравнения (6) и преобразовывая относительно выражения α₁, получим

Тогда, решая уравнение (9) относительно α₁ и подставляя его и уравнение (7) в выражение (5), можно определить величину термонезависимого компенсационного резистора R_ш через начальные выходные сигналы датчика при разных температурах и известный номинал технологического термонезависимого компенсационного резистора R_шт.

Следующим этапом является установка расчетного термонезависимого компенсационного резистора в датчике. Рабочий термонезависимый компенсационный резистор расчетной величины устанавливается в мостовую цепь путем замены в мостовой цепи технологического термонезависимого компенсационного резистора R_шт на расчетное значение R_ш, и производится окончательная балансировка мостовой цепи термонезависимым балансировочным резистором путем замены термонезависимого балансировочного резистора R_бт, установленного при балансировке мостовой цепи после подключения технологического термонезависимого компенсационного резистора R_шт, на резистор R_б, необходимый для балансировки после установки рабочего компенсационного резистора R_ш.

Аналогичный расчет искомых параметров мостовой цепи через начальные выходные сигналы и известное значение технологического термонезависимого компенсационного резистора можно провести для всех вариантов подключения термонезависимых компенсационного и балансировочного резисторов. Однако анализ выражений для расчета термонезависимого компенсационного резистора через начальные выходные сигналы (вывод этих выражений здесь не приводится) при установке термонезависимого балансировочного резистора в противолежащее плечо показывает необходимость составления не менее трех независимых уравнений. Выполнение этого условия требует определения не менее двух значений начального выходного сигнала при разных значениях термонезависимых технологических компенсационных резисторов. Однако это значительно усложняет процесс настройки датчика при незначительном выигрыше, который будет выражаться только в расширении выбора плеча установки балансировочного резистора, что несравнимо с уменьшением технологичности в процессе настройки.

Поэтому остановимся на вариантах включения термонезависимого компенсационного резистора в любое плечо мостовой цепи, при включении термонезависимого балансировочного резистора в то же плечо, последовательно параллельному соединению рабочего тензорезистора и компенсационного резистора.

При подключении термонезависимых компенсационного и балансировочного резисторов в плечо R₄ уравнения для расчета R_ш и α₄ примут вид

Выражение для определения ТКС мостовой цепи одинаково для всех (случаев включения компенсационного и балансировочного резисторов и определяется согласно выражению (7).

При подключении резисторов в плечо R₂

При подключении резисторов в плечо R₃

Сравнивая полученные выражения для расчета термонезависимого компенсационного резистора, установленного параллельно с тензорезисторами, воспринимающими деформацию растяжения (R₁ и R₄), с выражениями для расчета термонезависимого компенсационного резистора, установленного параллельно с тензорезисторами, воспринимающими деформацию сжатия (R₂ и R₃), можно вывести общее выражение для расчета термонезависимого компенсационного резистора для всех возможных случаев подключения термонезависимых компенсационного и балансировочного резисторов

где R_к, R_n, R_c1, R_c2 - номиналы тензорезисторов: плеча установки термонезависимого компенсационного резистора, противолежащего ему плеча и смежных ему плеч мостовой цепи соответственно;

α_к - ТКС плеча мостовой цепи, к которому подключаются термонезависимые компенсационный и балансировочный резисторы;

арифметические знаки (+) и (-) берутся по верхним значениям при установке термонезависимого компенсационного резистора в плечи, воспринимающие деформацию растяжения, а по нижним значениям при установке термонезависимого компенсационного резистора в плечи, воспринимающие деформацию сжатия.

Для оценки точности расчета номинала термонезависимого компенсационного резистора, через начальные выходные сигналы датчика и известное значение номинала технологического термонезависимого компенсационного резистора, проведем расчет компенсации аддитивной температурной погрешности тензорезисторного датчика.

Пример

В качестве примера возьмем датчик с равноплечей мостовой цепью, сопротивления тензорезисторов которого равны R₁=R₂=R₃=R₄=R=1000 Ом. Номинал технологического термонезависимого компенсационного резистора равен R_шт=5R=5000 Ом. Принципиально в процессе настройки ТКСы тензорезисторов и технологического термонезависимого компенсационного резистора неизвестны, однако для оценки начальных выходных сигналов при изменении температуры зададимся ТКС всех плеч тензорезисторов и ТКС технологического компенсационного и балансировочного резисторов и в дальнейшем не будем их использовать при расчете компенсационного резистора: α₁=4,5·10^-4 1/°С; α₂=α₃=α₄=4,0·10^-4 1/°С; α_ш=α_б=0. Тогда можно определить начальные выходные сигналы датчика при изменении температуры. Начальный выходной сигнал датчика без подключения технологического термонезависимого компенсационного резистора при нормальной температуре равен нулю (все номиналы тензорезисторов равны). При изменении температуры на ΔT=100°С начальный выходной сигнал датчика для рассматриваемого случая можно определить как

Тогда аддитивная температурная чувствительность нескомпенсированного датчика может быть определена как

Так как при изменении температуры начальный разбаланс датчика изменяется в положительную сторону, то установку технологического термонезависимого компенсационного резистора необходимо производить в плечи, воспринимающие деформацию растяжения, выберем плечо R₁. Тогда термонезависимый балансировочный резистор R_бт необходимо устанавливать в плечи, воспринимающие деформацию растяжения, выберем плечо R₁. Величину термонезависимого балансировочного резистора при установке технологического термонезависимого компенсационного резистора можно определить из условия баланса мостовой цепи (R_общ1+R_б)·R₄=R₂·R₄. Откуда U_ош=0 при величине балансировочного резистора, определенного в соответствии с (1)

При изменении температуры начальный разбаланс датчика, при включении термонезависимых технологического компенсационного резистора и балансировочного резистора, может быть определен как

Таким образом, исходными данными для расчета номинала компенсационного резистора в процессе настройки датчика по аддитивной температурной погрешности будут являться:

- сопротивления тензорезисторов R₁=R₂=R₃=R₄=R=1000 Ом;

- сопротивление технологического термонезависимого компенсационного резистора R_βm=5000 Ом;

- диапазон изменения температуры в процессе настройки ΔT=100°С;

- начальный выходной сигнал сбалансированного датчика при изменении температуры на величину ΔT, без подключения технологического термонезависимого компенсационного резистора, U_ot=+11,99·10^-4 U_n;

- начальный выходной сигнал сбалансированного датчика при изменении температуры на величину ΔT, при подключении технологического термонезависимого компенсационного резистора, U_оβt=-21,685·10^-4 U_n;

- относительный суммарный выходной сигнал датчика от номинального значения измеряемого параметра

- допустимое значение аддитивной температурной чувствительности после настройки S_ot=±1·10^-4 1/°С.

В процессе настройки необходимо определить величину термонезависимого компенсационного резистора R_ш и получаемое при этом значение аддитивной температурной чувствительности.

В связи с тем, что компенсационный и балансировочный резисторы подключаются к плечу R₁, то, воспользовавшись выведенными ранее выражениями для расчета ТКС плеча, в которое включаются компенсационный и балансировочный резисторы

6·10⁵·α₁ ²+10,919·10³·α₁-4,8492=0,

получим α₁=4,3376·10^-4 1/°С.

ТКС мостовой цепи соответственно будет

Подставляя полученные значения в уравнение (5), получим выражение

0,124313·10⁶R² _ш-2,043376·10⁹R_ш-1,043376·10¹²=0,

решая которое получим R_ш=16933 Ом.

Для оценки точности настройки подставим полученное значение термонезависимого компенсационного резистора в уравнение, по которому рассчитывался начальный разбаланс датчика при изменении температуры и при включении термонезависимых технологического компенсационного и балансировочного резисторов

Тогда аддитивную температурную чувствительность датчика после настройки датчика можно определить как

Анализ полученных результатов показывает, что допущения, введенные в процессе вывода аналитических выражений для расчета компенсационного резистора, приводят к некомпенсации аддитивной температурной погрешности с ошибкой, не превышающей 0,25S_otдоп, где S_otдоп=1·10^-4 1/°С. При этом необходимо учитывать, что предложенный способ компенсации позволяет одновременно производить компенсацию не только аддитивной температурной погрешности от технологического разброса ТКС тензорезисторов, как прототип, но и компенсировать дополнительные температурные погрешности от чувствительности датчика к моменту затяжки и изменению давления в загерметизированной внутренней полости датчика. Так как последние могут превышать допустимое значение температурной погрешности в десятки раз, то в конечном итоге данный способ не только позволяет повысить технологичность в процессе изготовления датчика, но и дает значительное повышение точности температурной настройки по сравнению с прототипом.

Косвенный способ настройки тензорезисторных датчиков с мостовой измерительной цепью по аддитивной температурной погрешности, заключающийся в предварительной балансировке мостовой схемы при нормальной температуре и определении плеча сбалансированного датчика, в которое подключают термонезависимый компенсационный резистор параллельно рабочему тензорезистору, отличающийся тем, что производят предварительную сборку датчика с учетом герметизации внутренней полости для датчиков относительного давления и устанавливают его в технологический штуцер с номинальным значением момента затяжки, определяют начальный выходной сигнал датчика U_ot, при температуре эксплуатации датчика Т устанавливают в определенное ранее плечо технологический термонезависимый компенсационный резистор R_шт с номиналом не менее 5R, где R - номинал рабочего тензорезистора, к которому он подключается, после установки технологического термонезависимого компенсационного резистора, при нормальной температуре Т_о, производят балансировку мостовой цепи путем включения в то же плечо, что и технологический термонезависимый компенсационный резистор, последовательно с параллельно соединенными рабочим тензорезистором и технологическим термонезависимым компенсационным резистором, термонезависимого балансировочного резистора R_бт, технологический термонезависимый компенсационный резистор и термонезависимый балансировочный резистор устанавливаются вне зоны действия температурного поля измеряемого параметра и их температурный коэффициент сопротивления (ТКС) должен быть не более ±0,1% ТКС рабочих тензорезисторов, определяют начальный выходной сигнал датчика U_ошt при температуре эксплуатации и, решая уравнение, рассчитывают ТКС плеча α_к, к которому подключается технологический термонезависимый компенсационный резистор

по определенному α_к, решая уравнение, рассчитывают номинал рабочего компенсационного термонезависимого резистора R_ш

где - ТКС мостовой цепи датчика без подключения технологического термонезависимого компенсационного резистора;

R_к, R_n, R_c1, R_c2 - номиналы тензорезисторов: плеча установки компенсационного резистора, противолежащего ему плеча и смежных ему плеч мостовой цепи соответственно;

U_ot и U_ошt - начальные выходные сигналы датчика при температуре эксплуатации без подключения и при подключении технологического компенсационного резистора соответственно;

U_n - напряжение питания мостовой цепи;

ΔT=T-T_о - перепад температур от нормального значения Т_о до температуры эксплуатации Т,

арифметические знаки (+) и (-) берутся по верхним значениям при установке компенсационного термонезависимого резистора в плечи, воспринимающие деформацию растяжения, и по нижним значениям при установке компенсационного термонезависимого резистора в плечи, воспринимающие деформацию сжатия, производят установку рабочего компенсационного термонезависимого резистора путем замены в мостовой цепи технологического термонезависимого компенсационного резистора R_шт на расчетное значение R_ш и производят окончательную балансировку мостовой цепи путем замены термонезависимого балансировочного резистора R_бт, установленного при балансировке мостовой цепи после подключения технологического термонезависимого компенсационного резистора R_шт на термонезависимый резистор R_б, необходимый для балансировки после установки рабочего компенсационного термонезависимого резистора R_ш.