Патент на изобретение №2396705
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) ЧАСТОТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СИГНАЛА РАЗБАЛАНСА ТЕНЗОМОСТА
(57) Реферат:
Частотный преобразователь сигнала разбаланса тензомоста относится к области измерительной техники и предназначен для измерения давления в условиях длинных соединительных кабельных линий. Техническим результатом является повышение точности преобразования сигнала разбаланса тензомоста датчика за счет уменьшения влияния сопротивления интегратора Rи. Интегратор включает в себя выходное сопротивление тензометрического моста и сопротивление кабельной линии, а также уменьшения температуры разогрева тензорезисторов от токопрохождения на выходной сигнал. Частотный преобразователь сигнала тензомоста, состоящий из тензомоста датчика, интегратора, выполненного на операционном усилителе с первым конденсатором в цепи отрицательной обратной связи и резистором, соединенным с инвертирующим входом операционного усилителя, выход которого подключен к первому входу компаратора, выход которого подключен к одной из вершин диагонали питания тензомоста, вход интегратора соединен с одной из вершин измерительной диагонали тензомоста, а ее другая вершина подключена к неинвертирующему входу операционного усилителя интегратора и второму входу компаратора, отличающийся тем, что второй конденсатор включен между выходом компаратора и входом интегратора, а вторая вершина диагонали питания тензомоста соединена с шиной «земля» через дополнительный резистор. 2 ил.
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано как в системах автоматического контроля, так и в цифровых приборах специального и универсального назначения. Известен преобразователь сигнала разбаланса тензомоста в частоту, содержащий последовательно соединенные интегратор, компаратор и усилитель-ограничитель с трансформаторным выходом, причем одна из обмоток трансформатора подключена к диагонали питания тензомоста, а другая – к второму входу компаратора [1]. Недостатком данного устройства является пониженная точность и наличие трансформатора, затрудняющего выполнение устройства в интегральном исполнении. Известен преобразователь сигнала разбаланса тензомоста в частоту, содержащий тензомост, компаратор, выход которого подключен к диагонали питания тензомоста, и интегратор, выполненный на операционном усилителе с первым конденсатором в цепи отрицательной обратной связи, выход которого подключен к первому входу компаратора, между выходом компаратора и инвертирующим входом операционного усилителя интегратора включен второй конденсатор, вход интегратора соединен с одной из вершин измерительной диагонали тензомоста, а ее другая вершина подключена к неинвертирующему входу операционного усилителя интегратора и второму входу компаратора [2]. На фиг.1 представлена функциональная электрическая схема преобразователя. Преобразователь содержит тензомост 7, интегратор 2 на операционном усилителе 3 с конденсатором 4 в цепи отрицательной обратной связи, компаратор 5, выход которого подключен к диагонали питания тензомоста 1 и через конденсатор 6 соединен с инвертирующим входом усилителя 3, первый вход подключен к выходу интегратора 2, а второй вход – к одной из вершин измерительной диагонали тензомоста 7 и к неинвертирующему входу усилителя 3. Другая вершина измерительной диагонали моста 1 подключена к входу интегратора 2. Выходная частота данного преобразователя определяется по формуле
где Как видно из формулы (1), сопротивление интегратора Rи, включающее в себя выходное сопротивление тензометрического моста и сопротивление кабельной линии, входят в функцию преобразования и определяют частоту выходного сигнала преобразователя, а их изменение увеличивает погрешность измерения преобразователя. Однако формула (1) справедлива для данного устройства в случае, когда рабочая температура тензомоста не претерпевает значительных изменений. В реальных условиях эксплуатации датчиков (давления, силы и др. механических величин) при длительном и непрерывном времени работы и недостаточном отводе тепла рабочая температура тензомоста может изменяться за счет разогрева при протекании тока через тензорезисторы и тогда, с изменением температуры, сопротивление тензорезисторов, включенных по мостовой схеме, и сопротивление тензометрического моста в целом будет изменяться пропорционально температуре в соответствии со значением температурного коэффициента сопротивления, который, к примеру, для металлопленочных тензорезисторов имеет величину порядка 3·10-3 %/10°С. При этом напряжение разбаланса с выхода измерительной диагонали тензометрического моста будет равно не Тогда формула (1) преобразуется к виду:
Как видно из выражения (2), частота выходного сигнала преобразователя с увеличением температуры будет уменьшаться. Относительная температурная погрешность при этом может достигать 2% и более. Таким образом, недостатком прототипа является низкая точность при изменении сопротивлений кабельной линии и суммирующего сопротивления интегратора, а также при изменении сопротивлений тензорезисторов с изменением температуры разогрева тензомоста. Техническим решением изобретения является повышение точности преобразования сигнала разбаланса тензомоста датчика за счет уменьшения влияния сопротивления интегратора Rи, включающего в себя выходное сопротивление тензометрического моста и сопротивление кабельной линии, а также уменьшения температуры разогрева тензорезисторов на выходной сигнал. Это достигается тем, что в известном частотном преобразователе сигнала тензомоста, состоящем из тензомоста датчика, интегратора, выполненного на операционном усилителе с первым конденсатором в цепи отрицательной обратной связи и резистором, соединенным с инвертирующим входом операционного усилителя, выход которого подключен к первому входу компаратора, выход которого подключен к одной из вершин диагонали питания тензомоста, вход интегратора соединен с одной из вершин измерительной диагонали тензомоста, а ее другая вершина подключена к неинвертирующему входу операционного усилителя интегратора и второму входу компаратора, второй конденсатор включен между выходом компаратора и входом интегратора, а вторая вершина диагонали питания тензомоста соединена с шиной «земля» через дополнительный резистор. На фиг.2 представлена функциональная электрическая схема частотного преобразователя сигнала. Преобразователь содержит тензомост 1 датчика, интегратор 2, выполненный на операционном усилителе 3 с первым конденсатором 4 в цепи отрицательной обратной связи, компаратор 5, первый вход которого подключен к выходу интегратора 2, выход – к одной из вершин диагонали питания тензомоста 1, а второй вход соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя 3 интегратора 2 и с одной из вершин измерительной диагонали тензомоста 1, другая вершина которой подключена к входу интегратора 2. Второй конденсатор 6 включен между выходом компаратора 5 и входом интегратора 2, а вторая вершина диагонали питания тензомоста 1 соединена с шиной «земля» через дополнительный резистор 7. Преобразователь работает следующим образом. В установившемся режиме работы устройства с выхода преобразователя следуют разнополярные импульсы амплитудой ±U0. Пусть в момент времени t1 произошла смена полярности выходного напряжения с -U0 на +U0. При этом напряжение в точке “а” схемы будет изменяться по закону
где В то же время в точке “б” напряжение равно
то есть напряжение разбаланса тензометрического моста U
где
где Rи и Си – сопротивление и емкость интегратора соответственно. В результате период следования выходных импульсов определяется как решение уравнения
или
Поскольку
где T – период следования импульсов, из выражения (8) следует
При малых относительных изменениях сопротивлений тензомоста в результате разбаланса от измеряемого давления методической погрешностью от нелинейности второго порядка малости можно пренебречь и тогда выражение (10) примет вид
Выражение (11) не учитывает температурные изменения сопротивлений тензомоста, вызванные протеканием тока через тензорезисторы. С введением в выражение (11) температурного коэффициента сопротивления тензорезисторов в мостовой схеме и тензомоста в целом, равного
Изменение сопротивления тензомоста Таким образом, благодаря отличительным признакам изобретения повышается точность преобразования сигнала разбаланса тензомоста датчика давления за счет уменьшения влияния сопротивления интегратора Rи, включающего в себя выходное сопротивление тензометрического моста и сопротивление кабельной линии, а также уменьшения температуры разогрева тензорезисторов от токопрохождения на выходной сигнал. Источники информации 1. Авторское свидетельство СССР 2. Авторское свидетельство СССР
Формула изобретения
Частотный преобразователь сигнала тензомоста, состоящий из тензомоста датчика, интегратора, выполненного на операционном усилителе с первым конденсатором в цепи отрицательной обратной связи и резистором, соединенным с инвертирующим входом операционного усилителя, выход которого подключен к первому входу компаратора, выход которого подключен к одной из вершин диагонали питания тензомоста, вход интегратора соединен с одной из вершин измерительной диагонали тензомоста, а ее другая вершина подключена к неинвертирующему входу операционного усилителя интегратора и второму входу компаратора, отличающийся тем, что второй конденсатор включен между выходом компаратора и входом интегратора, а вторая вершина диагонали питания тензомоста соединена с шиной «земля» через дополнительный резистор.
РИСУНКИ
|
||||||||||||||||||||||||||
R – относительное изменение сопротивлений тензомоста от воздействия измеряемого давления; Rи – сопротивление интегратора 2, которое включает в себя выходное сопротивление тензометрического моста 1 и сопротивление кабельной линии; С6 – емкость конденсатора 6.
где 
– относительное изменение сопротивления тензометрического моста при изменении температуры.
– относительное изменение сопротивления резисторов при разбалансе тензомоста; 
– отношение сопротивлений дополнительного резистора 7 и тензомоста 1; 
– эквивалентное сопротивление разряда конденсатора 6, учитывающее параллельное соединение сопротивлений плеч тензомоста 1 и добавленного резистора 7.
д=СдRэкв. Таким образом, напряжение U
Следовательно, в результате интегрирования U
где T – температура разогрева тензомоста, получим
R(T) пропорционально связано с потребляемой мощностью тензорезисторов, которая в свою очередь зависит от номинала сопротивления и напряжения питания тензомоста (P=U2/R). При введении в схему преобразователя дополнительного резистора Rд, включенного последовательно в диагональ питания тензомоста, уменьшается падение напряжения на тензорезисторах в (1+n) раз, где n=Rд/R – отношение сопротивлений добавленного резистора и тензомоста, и следовательно, уменьшится потребляемая тензомостом мощность, приводящая к разогреву тензорезисторов, в (1+n)2 раз.
363206, М.Кл. Н03К 13/20, 29.03.71.
