Тензометрическое устройство

(И)5 С 01 1. 9/04 С 01 В 7/18 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Х АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Х ГОСУДЮфСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОЧНРЫТИЯМПРИ ЮНТ ССОф(71) Государ ст венный науч но-иссл едовательский институт теплоэнергетич еского приборостроения(56) Авторское свидетельство СССРКф 932212, кл. С 01 В 7/18, 1982.(57) Изобретение относится к измери"тельной технике и может быгь использовано для измерения давления. Цельизобретения - повышение точности измерения. Устройство содержит источник 1 питания, первый делитель напряжения, состоящнй из резисторов 22 и 3, средняя точка которого подключена к инвертирующему входу операционного усилителя 4, второй делитель напряжения, содержащий тензорезисторы 5 и 6, средняя точка которого подключена к неинвертирующему входу усилителя 4, третий делитель напряжения, средняя точка которого подключена к инвертирующему входу второго операционного усилителя 7, В свою очередь, резистор 10 включен между резистором 11 и вторьм резистором, а резистор 2 - между инвертирующим входом усилителя 4 и неинвертирующим входом усилителя 7. Устройство дополнительно снабжено вторым сумматором 13, буферным усилителем 14 и вторым масштабным усилите" лем 15, 1 ил.Изобретение относится к измерительной технике, а именно к тензометрическим устройствам с тенэорезисторной измерительной схемой, и может быть использовано для измерения механических нагрузок, например давления, в условиях значительного воздействия быстроменяющихся температур,Цель изобретения - повышение точ 1 О ности измерения путем уменьшения нелинейности преобразования и мультипликативной составляющей температурной погрешности.На чертеже изображена блок-схема предлагаемого устройства.Устройство содержит заземленный источник 1 питания, формирующий для тензосхемы в качестве опорного сигнала напряжения постоянного тока, первый 2 и второй 3 резисторы, обра 20 зующие делит ель напряжения, операционный усилитель 4 с дифференциальными инвертирующим и неинвертирующим входами, к инвертирующему входу которого подключена средняя точка этого делителя, два последовательно соединенных тензорезистора 5 и 6, один из которых (тенэорезистор 6) эаземлен, образующие другой (второй) делитель напряжения, средняя точка которого подключена ко второму (неинвертирующему) входу операционного усилителя 4, в цепь отрицательной обратной связи которого включен резистор 3, последовательно соединенные 35 второй операционный усилитель 7, также с дифференциальными входами, масштабный усилитель 8 и сумматор 9, второй вход которого подклю" ен к выходу первого операционного усилителя 40 4, а также последовательно соединенные между собой третий 10, четвертый 11 и пятый 12 резисторы, При этом четвертый и пятый резисторы образуют третий делитель напряжения, средняя 45 точка которого подключена к инвертирующему входу операционного усилителя 7, в цепь отрицательной обратной связи которого включен резистор 12, В свою очередь резистор 10 включен 50 между резистором 11 и тензорезистором 5, а резистор 2 включен между инвертирующим входом операционного усилителя 4 и неинвертирующим входом операционного усилителя 7, 55Кроме этого, устройство дополнительно снабжено вторым сумматором "13 с тремя входами, буферным усилителем 14, с единичным усилением ивторым масштабным усилителем 15, причем источник 1 питания подключен к одному из входов сумматора 13, к двум другим входам которого подключены соответственно выход буферного усилителя и выход масштабного усилителя 15, вход которого подключен к выходу операционного усилителя 7, а вход буферного усилителя подключен к общей точке соединения тензорезистора 5 с резистором 10, общая точка соединения которого с резистором 11 непосредственно подключена к выходу сумматора 13, при этом неинвертирующий вход операционного усилителя 7 подключен к выходу буферного усилит еля,Тензометрическое устройство содержит внутренний и внешний псевдомосты, соединенные между собой по так называемой схеме "мост в мосте",Внутренний псевдомост образуют операционный усилитель 4, тенэорезисторы 5 и б, резисторы 2 и 3, а также буферный усилитель 14 с единичным коэффициентом усиления.Внешнийпсевдомост образуют операционный усилитель.7, буферный усилитель 14, резисторы 11 и 12, а также резистор 10 и тензорезисторы 5 и 6, При этом буферный усилитель осуществляет потенциальную развязку внутреннего псевдомоста от внешнего, на вьг ходе которых формируются напряжения Б и Б соответственно.Устройство работает следующим образом.При воздействии давления Р тензорезисторы 5 и 6 воспринимают соответ- ственно деформацию сжатия и растяжения таким образом, что сопротивление К 5 тензорезистора 5 уменьшается, а сопротивление К тензорезистора 6 увеличивается, Так как тензорезисторы находятся в одинаковых температурных условиях, то изменение их сопротивлений происходит практически на равную величину от действия линейной деформации Е,С выхода операционного усилителя 4, входящего в вышеуказанный внутренний псевдомост, снимается основной информативный сигнал 01, изменяющийся по алгоритму гК 6 ВзВ0328 5 10 где ОЗ Кн При матора+ кь 1 а)Кю К 3воздействии дав 1- кА -едк (Д новремен темпера ой пары, сторов 5 ижении и ни р енциал ьтензорезвом прибл Так ка ство К имости,опротивл е зав новного Н налов запи менени м: исторов 5 161 где 04 - напряжение, снимаемоес выхода буферногоусилит еля,К и К - сопротивление резисто 2. 3ров 2 и 3 соответственно.В свою очередь с вькода усилителя 7, входящего в вышеуказанный внешний псевдомост, снимается дополнительный сигнал У, используемый в устройстве для температурной коррекции; ц = -- ц+ (1+ - ) П (2) К Кц . Кн К ф) напряжение, снимаемое с вькода сумматора 13; и К, - сопротивления резисторов 11 и 12 соответственно.этом выходное напряжение сум формируется по зависимости П 3 П 4 5 Я 1 где П - выходное напряжение источиника 1 питания,К, - коэффициент масштабированиямасштабного усилителя 15.На выходе буферного усилителя 14 формируется сигнал У, равный где К - сопротивление резистора 10.С учетом выражений (1)-(4) патучим следующие основные зависимости для схемы "мост в мосте"; Како - ККуКко К+ К 6 Бм) К 1 о5) уры ЬТ для диффесостоящей изи 6, можно в передставить следуюарактериэующие изний этих тензоре 6К,(Р,ДТ) - К,(1:;Дт):к,1 +ст) р - ка 1+х),( 7.) к,(р,дт) = к,(Е,дт 1=Ко(1 +МД Т) 1 + К (1 + ДТ)где К - коэффициент тензочувствительности (КТЧ) тензорезистора,К - температурный коэффициентсопротивления (ТЕС) тензор еэис тора,- температурный коэффициенттензочувствительности (ТКЧ)тензорезистора,К - номинальное значение сопроотивления тензорезистора приградуировочной темп ературе оС учетом выражений (7) получим: К(1 ДТ) + К 6 Ю Т)2 К (1 +оД т).25 Таким образом, одно из плеч внешнего псевдомоста с тенэорезисторами5 и 6 является термозависимыми, аизменение его сопротивления определяется в основном ТКС этих тензорезисторов.Выполнив при градуировочной температуре То условие, при которомотношение сопротивлений резисторов11 и 12 внешнего псевдомосза соот 119 К 5 + Кб 35ветствует равенству1 к 1 от.е. - = из выражений (5)и42 2 КоКИ Кю(6) получим: Ко- изменение сопротивлениятензорезистора под воздействием быстроменяющейся температуры Т,при этом ДТ = Т - То реально имеет место нера 2 ак (ДТ)1, то для осКши дополнительного Б сиг- й(1 =Цд КК55 к+ Кб Ка) ( 1)я ко кяИз выражения (11) следует, чтоосновной сигнал 04 чувствителен как 1 Ок давлению Р так и к температуре,в то же время дополнительный сигналц чувствителен главным образом квоздействию температуры в местерасположения тензорезисторов 5 и 6. 15Следовательно, согласно выражения(12) внешний псевдомост работаетпрактически как датчик температуры,формирующий на выходе сигнал 1)2, вкотором (в отличие от прототипа)20не содержится параметрического члена,зависящего от измеряемого давления,Другими словами, введение в схемуустройства сумматора 13. и буферногоусилителя 14 позволило существенно 25ослабить влияние измеряемого давления на температурную зависимостьсигнала ППоэтому для расширения температурного диапазона работы тензометрического устройства сигнал П 2 может бытьэффективно использован в качествекорр ектирующег о,Сформированный таким образом дополнительный сигнал Б 2 поступает намасштабные усилители 8 и 15., с помощью которых формируются соответственно корректирующие сигналы К 802 иК Б . Величина коэффициента К 8 масш 2 фтабирования определяет глубину компенсации аддитивной составляющейтемпературной погрешности, а величина коэффициента К, масштабированияопределяет амплитуду корректирующегосигнала, обеспечивающего компенсацию 45мультипликативной составляющей температурной погрешности.При компенсации аддитивной составляющей устанавливают условие: К, = 0и К Ф О, в результате чего из тыражений (5) и (6) получим соответственно следующие зависимости; Сигнал П с выхода операционного усилителя 4 поступает на один из входов сумматора 9, на второй вход которого с выхода масштабного усилителя 8 подается корректирующий сигнал К 802 для компенсации аддитивной составляющей температурной погрешности.В этом случае на выходе сумматора 9 будет формироваться сигнал БравныйКгкб - Кзк 5+ К П (К+ Кб КЮ)В и Кили же с учетом выражения (12) получим:Кгкв (Р,Ь Т) - КК (Р, Д Т)вы)( и К,г. К)э2 ДК (ДТ)81 ОПри выполнении условия К = Кэ = = сопят последнее выражение упрощается и приводится к виду1кс(ю,ат) -.к (Р,дт) + к гьк (ат),вь( Д кою(16)Анализ выражения (16) показывает, что в предлагаемом устройстве компенсация аддитивной составляющей температурной погрешности осуществляется более эффективно, чем в прототипе, при этом Функции преобразования для сигналов П 1 и П являются более ли 2нейными по сравнению с подобными функциями преобразования прототипа,Для компенсации мультипликативной составляющей используется масштабный усилитель 15, выходной сигнал с которого (при К,Ф О) подается на один из входов сумматора 13. При этом происходит изменение напряжения пи.тания тензосхемы по сравнению с опорным напряжением Бл, формируемым источником 1, который подключен к второму входу сумматора 13. На третий вход сумматора 13 подается сигнал ПФ с выхода буферного усилителя 14, величина которого практически равна напряжению питания тензореэисторов 5 и 6 измерительной схемы, Указанная связь буферного усчлителя 14 с сумматором 13 исключает влияние измерительной диагонали внутреннего псевдомоста на измерительную диаго1 О 1610328 1 гь - КФ П 11Вых кгфо и2 ДК (Ь Т)2 ЬР (6 Т),Формула изобр ет ения Тензометрическое устройство, содержащее два тензорезистора, источник питания, два операционных усилителя, масштабный делитель, сумматор и пять резисторов, причем инвертирующий вход первого операционного усилителя ч ер ез первый р езистор соедиСоставитель М,ЖуковТехред М.Дидык Корректор М,Еароши Редактор А.Ревин Заказ 3731 Тираж 477 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4 /5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул,. Гагарина, 101 нал ь внешнего псевд омоста, пр еднаэначенного для формирования дополнительного сигнала У о воздействии температуры. Это одно иэ основных функциональных отличий схемы предла 5 гаемого устройства от схемы прототипа. Таким образом, при Ке 1 О и К, г О с учетом выражений (11) и (12) на выходе сумматора 9 сформируется информативный сигнал О содержащий составляющие для компенсации температурных уходов нуля и диапазона изме р ения: Из анализа выражения (17) следует,что в предлагаемом устройстве можнопри быстроменяющейся температуре вшироких прецелах раздельно осуществлять автокомпенсацию как аддитивной,так и мультипликативной составляющихтемпературной погрешности. нен с неинвертирующим входом второго операционного усилителя и черезвторой резистор - с собственнымвыходом и одним входом сумматора,а неинвертирующий вход первого операционного усилителя через первыйтензорезистор заэемлен и через последовательно соединенные второй тензорезистор, третий и четвертый резисторы подключен к инвертирующемувходу второго операционного усилителя, выход которого через пятыйрезистор соединен с собственньи инвертирующим входом через масштабныйусилитель подключен к другому входусумматора, выход которого являетсявыходом устройства, о т л и ч а ю -щ е е с я тем, что, с целью повышения точности за счет уменьшениянелинейности преобразования и мультипликативной составляющей температурной погрешности, оно снабжено дополнительным сумматором, первый входкоторого подключен к выходу источника питания, а выход - к точке соединения третьего и четвертого резисторов, буферным усилителем, вход которого подключен к точке соединениятретьего резистора и второго тензорезистора. а выход - с неинвертирующим входом второго операционногоусилителя и вторым входом дополнительного сумматора, и дополнительныммасштабным усилителем, вход которогосоединен с выходом второго операционного усилителя, а выход - с третьимвходом дополнительного сумматора.1