Патент на изобретение №2300735
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) СПОСОБ НАСТРОЙКИ ТЕНЗОРЕЗИСТОРНЫХ ДАТЧИКОВ С МОСТОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ЦЕПЬЮ ПО ТЕМПЕРАТУРНОЙ ПОГРЕШНОСТИ
(57) Реферат:
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при настройке тензорезисторных датчиков с мостовой измерительной цепью одновременно по аддитивной и мультипликативной составляющим температурной погрешности. Технический результат: повышение технологичности и точности настройки. Сущность: расчет компенсационных элементов-резисторов производят с учетом установки их в определенные места измерительной схемы и их взаимного влияния друг на друга путем решения системы трех уравнений. Устанавливают резисторы в выбранные места мостовой цепи с ТКС, используемыми при расчете.
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при настройке тензорезисторных датчиков с мостовой измерительной цепью одновременно по аддитивной и мультипликативной составляющим температурной погрешности. Известны способы раздельной компенсации аддитивной и мультипликативной температурных погрешностей мостовой схемы (см. «Проектирование датчиков для измерения механических величин» под редакцией Е.П.Осадчего, 1979 г.), заключающиеся: – при компенсации аддитивной температурной погрешности, в определенное плечо устанавливают термозависимый компенсационный резистор R – при компенсации мультипликативной температурной погрешности в цепь питания мостовой измерительной схемы устанавливают термозависимый компенсационный резистор R Однако использование этих методов при настройке датчиков имеет существенный недостаток, заключающийся в жесткой взаимной корреляции компенсационных элементов друг на друга. Так при компенсации мультипликативной температурной погрешности датчика, скомпенсированного по аддитивной температурной погрешности, появляется дополнительная аддитивная температурная погрешность, то есть приходится корректировать номинал термозависимого компенсационного резистора R 1. Для рассмотрения влияния элементов компенсации аддитивной температурной погрешности (термозависимого компенсационного резистора R В связи с вводом в плечо моста балансировочного резистора Rб или термозависимого компенсационного резистора R где R – сопротивление плеча, к которому подключается термозависимый компенсационный резистор R
Тогда, согласно патенту на изобретение RU 2259537 C1 G01В 7/16, с учетом температурного изменения сопротивлений R и R где
Произведя математические преобразования и пренебрегая величинами второго порядка малости, можно определить приращение относительного изменения сопротивления плеча мостовой цепи при изменении температуры: Тогда, переходя к конечным приращениям, мультипликативную температурную чувствительность плеча мостовой цепи датчика можно записать: где Skt – мультипликативная температурная чувствительность плеча мостовой цепи датчика без подключения термозависимого компенсационного элемента; Переходя к мостовой измерительной цепи и принимая Так как где
Uпит – напряжение питания мостовой цепи. Тогда можно найти мультипликативную температурную чувствительность датчика с включенным компенсационным резистором в плечо R1. Переходя к конечным приращениям, с учетом выражений где Анализируя полученные формулы (1) и (2), можно сделать следующие выводы: – включение в мостовую измерительную цепь компенсационных элементов (балансировочного резистора Rб и компенсационного термозависимого резистора R – величина и знак дополнительной мультипликативной температурной погрешности зависят как от величины компенсационных элементов, так и от их ТКС; – если включение резисторов Rб в плечи R1 и R4 мостовой измерительной цепи приводит к увеличению общей мультипликативной температурной погрешности из-за малого значения ТКС данного резистора (второе слагаемое уравнений имеет знак плюс), то включение этих элементов в плечи R2 и R3, приводит к ее уменьшению; – включение термозависимого компенсационного резистора R 2. Для выявления механизма влияния термозависимого компенсационного элемента R где Механизм же компенсации мультипликативной температурной погрешности состоит в уменьшении напряжения питания с ростом температуры за счет увеличения номинала термозависимого компенсационного резистора R Для количественной оценки корреляции компенсационных элементов рассмотрим два примера. Пример 1 Определить изменение мультипликативной температурной чувствительности тензорезисторного датчика, настроенного по Skt=0, при подключении в плечо R1 термозависимого компенсационного резистора R ТКС плеч R1 и R2 равны сопротивления тензорезисторов R1=R2=700 Ом; относительное изменение сопротивлений плеч мостовой цепи от номинального измеряемого параметра Решение Воспользовавшись выражением (2), определим дополнительную мультипликативную температурную погрешность при подключении компенсационных элементов R Пример 2 Определить изменение аддитивной температурной чувствительности тензорезисторного датчика, настроенного по Sot=1·10-4 1/°С, при подключении в цепь питания термозависимого компенсационного резистора R Решение Напряжение питания моста при подключении термозависимого компенсационного резистора R Воспользовавшись выражением (3), можно определить дополнительную аддитивную температурную чувствительность при подключении термозависимого компенсационного резистора R Таким образом, дополнительные температурные чувствительности от взаимного влияния компенсационных элементов достигают более 50% от допустимых значений температурных чувствительностей и при раздельной компенсации в процессе настройки можно получить температурные погрешности датчика, выходящие за допустимые пределы. Это приводит к повторной перенастройке датчика по температурным погрешностям. Для исключения данного явления необходимо разработать способ одновременной настройки датчиков по аддитивной и мультипликативной температурным погрешностям, учитывающий взаимное влияние компенсационных элементов друг на друга. Сущность изобретения заключается в следующем. Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка способа настройки тензорезисторных датчиков с мостовой измерительной цепью по температурным погрешностям, который позволил бы повысить технологичность и точность компенсации как аддитивной, так и мультипликативной температурных погрешностей в процессе настройки. Технический результат – повышение технологичности и точности в процессе настройки тензорезисторных датчиков с мостовой измерительной цепью по аддитивной и мультипликативной температурным погрешностям. Указанный технический результат достигается тем, что расчет компенсационных элементов производят одновременно с учетом их влияния друг на друга путем решения системы уравнений с тремя неизвестными R Разработку методики одновременной компенсации аддитивной и мультипликативной температурных погрешностей проведем в два этапа. 1 этап На первом этапе выведем аналитическое выражение для расчета термозависимого компенсационного элемента R Выходной сигнал датчика, при установке всех компенсационных элементов в измерительную цепь, будет иметь вид: где
Тогда выходной сигнал при воздействии температуры будет иметь вид: где Rвх – входное сопротивления мостовой цепи.
Условием компенсации мультипликативной температурной погрешности является равенство Uвых=Uвыхt. Тогда, приравнивая два предыдущих уравнения и решая полученное выражение относительно термозависимого компенсационного резистора R Аналогично рассуждая, выведем в общем виде выражение для расчета термозависимого компенсационного резистора R
При этом арифметические знаки (+) и (-) ставятся по верхнему ряду при подключении термозависимого компенсационного резистора R Таким образом получили уравнение с тремя неизвестными R 2 этап На втором этапе выведем аналитические выражения для расчета термозависимого компенсационного элемента R Для рассматриваемого примера начальный уровень выходного сигнала при одновременном подключении всех компенсационных элементов будет иметь вид: При воздействии температуры начальный уровень выходного сигнала будет иметь вид: где Условием компенсации аддитивной температурной погрешности является равенство начальных уровней выходного сигнала датчика. Тогда, приравнивая два последних уравнения, получим выражение, удовлетворяющее условию компенсации аддитивной температурной погрешности датчика Аналогично рассуждая, можно получить данное выражение в общем виде, при подключении резисторов R
При этом, арифметические знаки (+) и (-) ставятся по верхнему ряду при подключении термозависимого компенсационного резистора R Таким образом получили второе уравнение. Для получения третьего уравнения воспользуемся уравнением для расчета балансировочного резистора из условия баланса мостовой цепи Аналогично рассуждая, можно получить данное выражение в общем виде, при подключении резисторов R Таким образом, решая систему из трех уравнений (5), (7) и (8) можно определить одновременно номиналы всех компенсационных элементов, используемых для компенсации как аддитивной, так и мультипликативной температурных погрешностей. Количественная оценка предлагаемого способа одновременной минимизации аддитивной и мультипликативной температурных погрешностей представлена на примере. Пример 3 Рассчитать номиналы компенсационных элементов R – сопротивления плеч R1=R2=R3=R4=1000 Ом; – ТКСы указанных плеч – ТКС входного сопротивления мостовой цепи – ТКЧ тензорезисторов – Температурный коэффициент модуля упругости УЭ – ТКСы резисторов R – ТКС балансировочного резистора Rб – относительные изменения сопротивлений плеч мостовой цепи – напряжение питания мостовой цепи Un=10В; – диапазон рабочих температур Решение В связи с тем, что ТКС тензорезистора R1 меньше ТКС остальных тензорезисторов, то для компенсации аддитивной температурной погрешности термозависимый компенсационный резистор R Учитывая, что в исходном состоянии мостовая цепь сбалансирована (все сопротивления плеч равны), выражение (7) приводится к виду Тогда, подставляя в полученное выражение известные физические характеристики мостовой цепи и учитывая, что для сбалансированной мостовой цепи балансировочный резистор по номиналу равен компенсационному резистору, то есть R Подставляя в выражение (4) полученные значения резисторов R Примем технологически выполнимыми компенсационные резисторы R Для полученных значений компенсационных резисторов рассчитаем аддитивную и мультипликативную температурные чувствительности. Для этого в соответствии с выражением (6) определим ТКСы плеч, в которые подключаются резисторы R Тогда аддитивная температурная чувствительность датчика определится как: Для определения мультипликативной температурной чувствительности необходимо определить выходные сигналы датчика при разных значениях температуры. Выходной сигнал при нормальной температуре: Выходной сигнал при температуре Т: Тогда мультипликативная температурная чувствительность датчика определится как: Анализ полученных результатов использования предлагаемого способа одновременной компенсации аддитивной и мультипликативной температурных погрешностей показывает высокую точность компенсации как аддитивной, так и мультипликативной составляющих температурной погрешности датчика. При этом предлагаемый способ позволил исключить появление дополнительных температурных погрешностей, характерных при раздельной компенсации составляющих температурной погрешности.
Формула изобретения
Способ настройки тензорезисторных датчиков с мостовой измерительной цепью по температурной погрешности, заключающийся в раздельной компенсации аддитивной и мультипликативной составляющих температурной погрешности, при этом для компенсации аддитивной температурной погрешности в определенное плечо устанавливают последовательно с рабочим тензорезистором термозависимый компенсационный резистор R где
Rвх – входное сопротивление мостовой цепи без подключения термозависимого компенсационного резистора R
MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Дата прекращения действия патента: 14.02.2008
Извещение опубликовано: 27.07.2009 БИ: 21/2009
|
||||||||||||||||||||||||||