Тензометрическое устройство

(51)5 6 01 В 5/3 НИЕ ИЗОБРЕТЕН ОПИСА К АВТОРСКО ЕЛЬСТ 3 3) ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(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, М 11, с.35-37.Авторское свидетельство СССР М 1525440, кл, 8 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 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 40 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 1 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 и реобразователя (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 5 10 15 20 25 30 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, первыйсумматор.4. Блок 5 питания подключен через первый резистор 6 к питающей диагонали тензомоста 1. 50Сигнал характеризующий температурный дрейф параметров тензодатчика 1 поступает в виде напряжения, снимаемого спервого резистора 6, компенсированного вначальном состоянии постоянным сигналом, снимаемым с делителя, образованного 55четвертым и пятым резисторами 16 и 17,через первый масштабный преобразователь9 на первый вход второго сумматора 15 и напервый вход компаратора 10, На второйвход второго сумматора 15 подается постоянное смещающее напряжение питаниятензодатчика 1, а выходной сигнал второгосумматора 15 является управляющим коэффициентом преобразования управляемого 5масштабного преобразователя 3.Резистивный делитель на втором итретьем резисторе 8 и 7 задает точку изломаломанной линии, аппроксимирующей нелинейную температурную зависимость нулевого сигнала тензодатчика 1. По уровнювыходного сигнала компаратора 10 переключатель 14 подает на третий вход усилителя 2 и вход четвертого масштабногопреобразователя 13 выходной сигнал либо 15со второго масштабного преобразователя11, либо с третьего масштабного преобразователя 12,Тензометрическое устройство работаетследующим образом, 20На вход тензодатчика 1 воздействуетизмеряемая физическая величина и сопутствующее ей температурное воздействие т,Сигнал Ч на первом входе управляемогомасштабного преобразователя 3 можно 25представить Ч 1 = (Р К 1(1+ йм Ь т) + Ча са Л т ) К 2 + Ч и, (1) где Р - измеряемая физическая величина;К 1 - коэффициент преобразования тен зодатчика 1,Кг - коэффициент преобразования усилителя 2;Ж - приращение температуры, воздействующей на тензодатчик 1; 30Ч - выходное напряжение блока 5 питания;и - коэффициент преобразования, равный либо коэффициенту преобразования п 1 второго масштабного преобразователя 11, 35 либо коэффициенту преобразования пг третьего масштабного преобразователя 12 в зависимости от состояния переключателя 14;ам - коэффициент мультипликативной чувствительности тензодатчика 1 к прира щению температуры Л 1; Ча аа - аддитивное изменение нулевого выходного сигнала тензодатчика 1 на единицу изменения температуры А-;аа - 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 тг (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 11 и Л 12, Можно повысить точность коррекции, выполнив настройку коэффициентов преобразования п 1 и п 2 второго и третьего масштабных преобразователей отдельно в интервалах Ь 1 и Ь тг.Выражение (1) представляется в виде систем двух уравнений, соответствующих двум интервалам температур Ьт 1 и Л сг.Ч 1 = РК 1 Кг(1++ а, Лтг) +Чпг (1+ -- сЪ 1 Ле 1);(3)Кг Ча 1п 2 Чгде п 1 и пг - коэффициенты преобразованиявторого и третьего масштабных преобразователей 11 и 12,Ча 12 а 1 И Ча 2 СЪ 2 - ЭДДИТИВНЫЕ ИЗМЕНЕния нулевого выходного сигнала тензодатчика 1, соответствующие интерваламтемператур Л т 1 и Лг:аа 1 И ааг - тЕМПЕРатУРНЫЕ КОЭффИЦИенты дрейфа нулевого сигнала тензодатчика1 соответственно в интервалах температурЛО и Лтг,Сигнал Ч 2 на втором входе управляемого масштабного преобразователя 3, определяющий его коэффициент преобразователя3, определяющий его коэффициент преобразования формируется в виде:Чг = Ч(1+ - а 1 пз Ь с),(4)где Ч 1 (к - изменение сигнала, снимаемого спервого резистора 6 относительно напряжения, снимаемого с делителя, образованногочетвертым и пятым резисторами 17 и 16, наединицу изменения температуры;а - температурный коэффициент чувствительности к изменению температуры й;пз - коэффициент преобразования первого масштабного преобразователя 9.И для диапазонов температур ЬИ и Ь 12:Ч 2 = Ч(1+ - а + пз Ж 1) (5)Ч 1ЧЧ 1 10Чг = Ч(1+ -а + пз Ьт 2)Ч(6)Управляемым масштабным преобразователем 3 реализуют функцию отношенияВходных сигналов Ч 1 и Ч 2,В диапазоне температур Лт 1, реализуют отношение сигналов Ч 1/Ч 2 определяемых выражениями (2) и (5), а в диапазонетемператур Лт 2 реализуют отношение сигналов Ч 1/Ч 2 определяемых выражениями (3)и (6).20То есть выражение Ч 2 определяет коэффициент Кз преобразования управляемогомасштабного преобразователя 3. В диапазонах температур Лт 1 и Лт 2 коэффициентыКзопределяютсогласно выражениям(5) и(6) 25Кз =Кз(7)1+ - ас пз Лт 1ЧКЯ%1+ - а пЗЛт 1Чгде Кз - начальный коэффициент преобраозования управляемого масштабного преобразователя 3, определяемый начальным 35уровнем Ч в выражениях (5) и (6).Для того, чтобы осуществить температурную коррекцию мул ьтипликативной и аддитивной погрешностей, показанных ввыражении (2) для температурного диапазона Ж 1, необходимо выполнить условияК 2 Ча 1 Ч 1ам = -- аа 1= - а 1 ПЗп 1 Ч ЧЭти условия выполняют установэффициентов п 1 и пзЧа 1 ГАЪа 1п 1=К 2 Ч 2Ч сЪпз= -Ч, агГдЕ Ча 1, аа 1, Ч 1,а 1, а м ОПрЕдЕЛявт В рЕЗуЛЬтате экспериментального воздействия натензодатчик . 1 температуры в пределах диапаэансв А 1,Для того, чтобы осуществить температурную коррекцию мультиплиткативной иаддитивной погрешностей, показанных ввыражении (3) для температурного диапазона Лт 2, необходимо дополнительно выполнить условиеКг Чагам = -- аа 2,пг ЧЕго выполняют установкой коэффициента п 2 Ч 1/Ч 2 = Ч 1 Кз 1+ - ат пз ЛОЧ 1 Ч Ч. Ку(1+КЧ" . т ) Ч1 + -ас + пз Л т 1=Р К 1 К 2 КЗ + Чп 2 КЗ функционально независимой от температуРы й 2.Остаточное аддитивное смещение ЧпКз либо Чп 2 Кз, присутствующее в выходномОсигнале управляемого масштабного преобразователя 3, устраняют с помощью первого сумматора 4, подачей на его вычитающий второй вход сигнала с выхода переключателя 14, через четвертый масштабный преобразователь 13, имеющий коэффициент КзВыходной сигнал Чвцх тензометрического устройства определяют выражениемЧвых = РК 1 К 2 КЗ0 Ча 2 Оа 2п 2 =К 2 - = -Ч ймгДе Ча 2 и аа 2 опРеДелЯют в РезУльтате экспериментального воздействия на тензодатчик 1 температуры вы диапазоне й 2.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,й 1 на выходе управляемого масштабного преобразователя 3 формируют сигналво 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 бло ка питания, а вторые их выводы соединенымежду собой, первым масштабным преобразователем, первый вход которого соединен с второй вершиной диагонали питания тензомоста, а второй вход - с точкой соеди нения вторых выводов четвертого и пятогорезисторов, 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 управляемогомасштабного преобразователя, компаратором, первый вход которого соединен с точкой соединения вторых выводов второго и третьего резисторов, а второй вход соеди нен с выходом первого масштабного преобразователя, вторым и третьим масштабными преобразователями, входы которых соединены с первым выходом блока питания, четвертым масштабным преоб разователем, выход которого соединен свторым входом первого сумматора, и переключателем, первый вход которого соединен с выходом второго масштабноо 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, фы