Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ НАСТРОЙКИ ТЕНЗОРЕЗИСТОРНЫХ ДАТЧИКОВ С МОСТОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ЦЕПЬЮ ПО МУЛЬТИПЛИКАТИВНОЙ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ПОГРЕШНОСТИ С УЧЕТОМ ПОЛОЖИТЕЛЬНОЙ НЕЛИНЕЙНОСТИ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЫХОДНОГО СИГНАЛА ДАТЧИКА

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при настройке тензорезисторной датчиковой аппаратуры с мостовой измерительной цепью по мультипликативной температурной погрешности.

Известен способ настройки тензорезисторных датчиков с мостовой измерительной цепью по мультипликативной температурной погрешности с учетом нелинейности температурной характеристики выходного сигнала датчика (см. Патент на изобретение RU 2443973 C1, G01B 7/16 «Способ настройки тензорезисторных датчиков с мостовой измерительной цепью по мультипликативной температурной погрешности с учетом нелинейности температурной характеристики выходного сигнала датчика», опубликованный 27.02.2012 в Бюл. №6), принятый за прототип, в котором для компенсации мультипликативной температурной погрешности при сопротивлении нагрузки R_н>500кОм определяют ТКЧ мостовой цепи α⁺ _до и α^- _до для диапазона температур Δt⁺=t⁺-t₀ и Δt^-=t^--t₀, где t₀, t⁺, t^- - нормальная температура, верхний и нижний предел рабочего диапазона температур соответственно. Вычисляют нелинейность ТКЧ мостовой цепи (Δα_до-α⁺ _до-α^- _до). Если Δα_до принимает отрицательное значение, то датчик подключают к нагрузке R_н≤2кОм. Определяют выходное сопротивление мостовой цепи и ТКС выходного сопротивления датчика. Проверяют нахождение ТКЧ мостовой цепи и его нелинейности в области применения, если данные параметры датчика оказываются в области применения способа, вычисляют требуемый номинал термозависимого резистора R_αвых и термонезависимого резистора R_двых. Устанавливают резистор R_αвых, зашунтированный резистором R_двых, последовательно с нагрузкой.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что нелинейность ТКЧ мостовой цепи может принимать как отрицательные, так и положительные значения, как показано в описании прототипа. Прототип позволяет производить полную компенсацию мультипликативной температурной погрешности с учетом отрицательной нелинейности ТКЧ мостовой цепи, удовлетворяющей неравенству Δα_до≤-2·10^-6 1/°С.

В описании прототипа показано, что отсутствие учета нелинейности ТКЧ мостовой цепи позволяет произвести компенсацию мультипликативной температурной погрешности в одной крайней точке рабочего диапазона температур, для которой вычислялись номиналы компенсационных резисторов R_αвых и R_двых, что позволяет получить мультипликативную чувствительность датчика к температуре в пределах ±1·10^-4 1/°С в данной точке рабочего диапазона температур. В другой крайней точке рабочего диапазона температур мультипликативная чувствительность датчика к температуре составляет порядка ±2·10^-4 1/°С и более, что превышает допустимое значение, которое составляет ±1·10^-4 1/°С.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка способа настройки тензорезисторных датчиков с мостовой измерительной цепью по мультипликативной температурной погрешности, который позволил бы повысить точность компенсации мультипликативной температурной погрешности в процессе настройки при положительной нелинейности ТКЧ мостовой цепи.

Технический результат заключается в повышении точности в процессе настройки тензорезисторных датчиков с мостовой измерительной цепью по мультипликативной температурной погрешности при положительной нелинейности ТКЧ мостовой цепи.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что производят предварительное преобразование положительной нелинейности ТКЧ мостовой цепи датчика в отрицательную и последующую компенсацию мультипликативной температурной погрешности в соответствии с прототипом.

Это достигается тем, что в диагональ питания мостовой цепи включают термозависимый резистор R_αвх, что дает смещение нелинейности ТКЧ мостовой цепи датчика в сторону отрицательных значений. Номинал термозависимого резистора R_αвx выбирают исходя из необходимости обеспечения отрицательной нелинейности ТКЧ мостовой цепи Δα_до≤-2·10^-6 1/°С, при которой появляется возможность использовать прототип для компенсации температурной погрешности. Для этого, если нелинейность ТКЧ мостовой цепи является положительной, при R_н>500кОм определяют ТКЧ тензорезисторов α⁺ _д и α^- _д для диапазона температур Δt⁺ и Δt^- соответственно и вычисляют нелинейность ТКЧ тензорезисторов Δα_д=α⁺ _д-α^- _д. Определяют величину входного сопротивления R_вх, ТКС входного сопротивления α⁺ _вх, α^- _вх для диапазона температур Δt⁺ и Δt^- соответственно. Проверяют принадлежность α⁺ _д и Δα_д области преобразования положительной нелинейности ТКЧ мостовой цепи в отрицательную, заданную таблицей 3. Если α⁺ _д и Δα_д удовлетворяют области, заданной таблицей 3, то вычисляют номинал термозависимого резистора R_αвх. Устанавливают резистор R_αвx в диагонали питания мостовой цепи. Вычисляют ТКЧ мостовой цепи и его нелинейность после включения термозависимого резистора R_αвx.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлено влияние термозависимого резистора R_αвх на нелинейность ТКЧ мостовой цепи, на фиг.2 - область преобразования положительной нелинейности ТКЧ мостовой цепи в отрицательную, на фиг.3 - схема включения резисторов R_αвx, R_αвых и R_двых.

Способ осуществляется следующим образом.

Как показано в описании прототипа, нелинейность ТКЧ мостовой цепи включает в себя две составляющие:

1) нелинейность, вносимая тензорезисторами, установленными на упругом элементе, которая может принимать как отрицательное, так и положительное значение;

2) нелинейность, вносимая измерительной схемой, которая всегда является отрицательной при использовании мостовой цепи.

В соответствии с пунктом 2 можно получить отрицательную нелинейность ТКЧ мостовой цепи, изменив составляющую, вносимую измерительной схемой. Для этого в мостовую цепь следует включить резистор, который увеличит отрицательную составляющую нелинейности. Рассмотрим включение термозависимого резистора R_αвх.

В соответствии с прототипом выходное напряжение мостовой цепи после включения резистора R_αвх при воздействии температуры может быть представлено следующим образом:

где U_выхt - выходное напряжение мостовой цепи при воздействии температуры;

U_пит - напряжение питания мостовой цепи;

k=R₁/R₂=R₃/R₄ - коэффициент симметрии мостовой цепи;

R_вх - входное сопротивление мостовой цепи датчика;

α_вх - ТКС входного сопротивления;

Δt=t-t₀ - изменение температуры;

α_д - ТКЧ тензорезисторов;

R_αвx - номинал термозависимого резистора, включенного в цепь питания;

t - воздействующая температура;

t₀ - нормальная температура;

ε_i - относительное изменение сопротивления плеча R_i мостовой цепи;

α_к - ТКС термозависимого резистора R_αвх.

Анализ знаменателя зависимости (1) позволяет сделать вывод о том, что после включения резистора R_αвx у зависимости напряжения питания от температуры будет составляющая, обратно пропорциональная росту температуры, что приведет к смещению зависимости нелинейности ТКЧ мостовой цепи в сторону отрицательных значений.

При нормальной температуре выходное напряжение датчика после включения термозависимого резистора R_αвx с учетом (1) может быть представлено следующим образом:

где U_вых - выходное напряжение мостовой цепи при нормальной температуре.

Как показано в прототипе, ТКЧ мостовой цепи может быть определен через выходные напряжения:

Подставляя (1) и (2) в (3) можно получить зависимость ТКЧ от параметров датчика:

Нелинейность ТКЧ мостовой цепи может быть представлена следующим образом:

где Δt⁺=t⁺-t₀, Δt^-=t^--t₀ - положительный и отрицательный диапазон температур;

t₀ - нормальная температура;

t⁺, t^- - верхний и нижний предел рабочего диапазона температур;

α⁺ _до, α^- _до - ТКЧ мостовой цепи датчика при температуре t⁺ и t^- соответственно;

α⁺ _д, α^- _д - ТКЧ тензорезисторов при температуре t⁺ и t^- соответственно;

α⁺ _вх, α^- _вх - ТКС входного сопротивления мостовой цепи датчика при температуре t⁺ и t^- соответственно;

Δα_до - нелинейность ТКЧ мостовой цепи.

Для оценки влияния номинала резистора R_αвx на нелинейность ТКЧ мостовой цепи была вычислена искомая Δα_до при следующих исходных данных:

1. Входное сопротивление мостовой цепи: R_вх=1000Ом;

2. ТКЧ тензорезистора принимает следующие значения: α_д=(1, 5, 10)·10^-4 1/°С;

3. Нелинейность ТКЧ тензорезистора принимает следующие значения: Δα_д=(1, 5, 10)·10^-6 1/°С;

4. ТКС входного сопротивления: α_вх=5·10^-4 1/°С;

5. нелинейность ТКС входного сопротивления: Δα_вх=α⁺ _вх-α^- _вх=-5·10^-6 1/°С;

6. ТКС компенсационного резистора: α_к=4·10^-3 1/°С;

7. Величина термозависимого резистора: Rα_вx=(1, 100, 200, 300) Ом. Собранный материал представлен в таблице 1.

Анализ данных позволяет сделать следующие выводы:

1. Нелинейность ТКЧ мостовой цепи зависит от номинала термозависимого резистора R_αвx.

2. При малых значениях номинала компенсационного резистора порядка 1Ом нелинейность ТКЧ мостовой цепи определяется нелинейностью ТКЧ тензорезисторов, установленных на упругом элементе (фиг.1).

3. Включение резистора R_αвx приводит к смещению нелинейности ТКЧ мостовой цепи в область отрицательных значений (фиг.1).

В соответствии с п.3 подбором номинала термозависимого резистора R_αвx можно преобразовать положительное значение нелинейности ТКЧ мостовой цепи в отрицательное, находящееся в области применения прототипа, которая определяется системой неравенств:

Для получения отрицательной нелинейности ТКЧ мостовой цепи Δαдo≤-2·10^-6 1/°С, позволяющей использовать прототип, для подбора номинала резистора Rαвx, следует решить уравнение:

С целью определения областей преобразования положительной нелинейности ТКЧ мостовой цепи датчика в отрицательную была произведена оценка номинала термозависимого резистора R_αвх, необходимого для преобразования положительной нелинейности ТКЧ мостовой цепи в отрицательную, когда это возможно. Для этого численным путем было решено уравнение (7) при следующих условиях:

1. Входное сопротивление мостовой цепи: R_вх=1000 Ом;

2. ТКЧ тензорезистора принимает значения: α_д=(0…10)·10^-4 1/°С;

3. нелинейность ТКЧ тензорезистора принимает следующие значения: Δα_д=(0, 1, 5, 10)·10^-6 1/°С;

4. ТКС входного сопротивления: α_вх=(0, 1, 5)·10^-4 1/°С;

5. нелинейность ТКС входного сопротивления: Δα_вх=-5·10^-6 1/°С;

6. ТКС компенсационного резистора: α_к=4·10^-3 1/°С.

При оценке области преобразования положительной нелинейности ТКЧ мостовой цепи в отрицательную рассматривалось одного из предельных значений нелинейности ТКС входного сопротивления (Δα_вх=-5·10^-6 1/°С), поскольку ранее был проведен численный эксперимент, который позволил установить, что влияние нелинейности ТКС входного сопротивления на предельное значение нелинейности ТКЧ мостовой цепи, при котором возможно преобразование положительной нелинейности ТКЧ мостовой цепи в отрицательную, во всем диапазоне возможных значений ТКС входного сопротивления и его нелинейности является малым (не более чем на 2%).

Поскольку с ростом номинала термозависимого резистора R_αвx происходит уменьшение чувствительности датчика, то при расчетах номинала резистора R_αвx следует выбирать меньший из корней.

Результаты вычислений приведены в таблице 2, в которую вносили меньший из корней уравнения (7), когда преобразование положительной нелинейности ТКЧ мостовой цепи в отрицательную возможно.

Анализ полученных данных, приведенных в таблице 2, позволяет сделать следующие выводы:

1. Область преобразования положительной нелинейности ТКЧ тензорезисторов в отрицательную рассматриваемым схемным способом ограничена снизу (см. таблицу 3 и фиг.3).

2. Область преобразования положительной нелинейности ТКЧ тензорезисторов в отрицательную сокращается линейно с ростом положительной нелинейности ТКЧ тензорезисторов для всех значений ТКС входного сопротивления (см. фиг 2, таблица 3).

3. Область преобразования положительной нелинейности ТКЧ тензорезисторов в отрицательную сокращается с ростом ТКС входного сопротивления, при α⁺ _вх=8·10^-6 1/°С преобразование положительной нелинейности ТКЧ мостовой цепи в отрицательную не возможно при α_д≤10^-4 1/°С (см. фиг.2, таблица 3);

Для проверки правильности предложенного решения произведем расчет компенсационных элементов и мультипликативной чувствительности датчика после компенсации.

Пример

Произвести компенсацию мультипликативной температурной погрешности и определить температурные чувствительности датчика с равноплечей мостовой измерительной цепью при температурах, соответствующих пределам рабочего диапазона температур, с учетом следующих исходных данных:

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

- ТКС термозависимого резистора R_αвых: α_к=4·10^-3 1/°С;

- ТКС выходного сопротивления при температурах, соответствующих пределам рабочего диапазона температур: α⁺ _вых=5·10^-4 1/°С, α^- _вых=5,05·10^-4 1/°С;

- ТКС входного сопротивления при температурах, соответствующих пределам рабочего диапазона температур: α⁺ _вх=5·10^-4 1/°С, α^- _вх=5,05·10^-4 1/°С;

- ТКЧ тензорезисторов при температурах, соответствующих пределам рабочего диапазона температур: α⁺ _д=1,01·10^-3 1/°С, α^- _д=1,0·10^-3 1/°С;

- суммарное относительное изменение сопротивления тензорезисторов при номинальном значении измеряемого параметра:

- температурный диапазон эксплуатации датчика: 20±100°С;

- напряжение питания U_пит=10 В.

Поскольку нелинейность ТКЧ мостовой цепи Δα_д=α⁺ _д-α^- _д=10^-5 1/°С и сопротивление источника питания пренебрежимо мало, то для обеспечения отрицательной нелинейности ТКЧ мостовой цепи датчика следует включить термозависимый резистор R_αвх в цепь питания. Для проверки возможности применения предлагаемого схемного способа следует проверить принадлежность ТКЧ мостовой цепи и его нелинейности области, заданной таблицей 3. В соответствии с таблицей 3 и с учетом того, что Δα_д=10^-5 1/°С, α⁺ _вых=5·10^-4 1/°С и α^- _д=1,0·10^-3 1/°С, неравенство, определяющее область преобразования положительной нелинейности в отрицательную, примет вид:

.

Выполнение приведенного неравенства позволяет сделать вывод о возможности получения отрицательной нелинейности ТКЧ мостовой цепи Δα_до≤-2·10^-6 1/°С рассмотренным выше схемным способом. Для выбора номинала термозависимого резистора R_αвx необходимо при подключении датчика к нагрузке с номиналом R_н>500 кОм решить уравнение (6):

Решением данной системы уравнений является номинал компенсационного резистора Rαвx=55,274 Ом.

В этом случае выходной сигнала датчика при нормальной температуре в соответствии с (2) составит:

В соответствии с (1) при воздействии температур выходной сигнал составит:

Тогда ТКЧ мостовой цепи после включения резистора R_αвх в соответствии с (3) составит:

Таким образом, включение термозависимого резистора R_αвx в цепь питания позволило получить требуемую отрицательную нелинейность ТКЧ мостовой цепи Δα_до=-2·10^-6 1/°С. С учетом ТКС выходного сопротивления мостовой цепи (α⁺ _вых=5·10^-4 1/°С), полученного значения ТКЧ мостовой цепи (α⁺ _до=8,211·10^-4 1/°С) и его нелинейности система (6), определяющая область применения прототипа, примет вид:

Приведенная система подтверждает, что в соответствиис прототипом для компенсации мультипликативной температурной погрешности можно включить термозависимый резистор R_αвых, зашунтированный термонезависимым резистором R_двых, в выходную диагональ мостовой цепи датчика при сопротивлении нагрузки R_н≤2 кОм. Допустим, что датчик после включения компенсационных резисторов будет подключен к нагрузке R_н=2 кОм. Для вычисления номиналов компенсационных резисторов необходимо решить следующую систему уравнений в соответствии с прототипом:

Решением данной системы уравнений является следующие номиналы компенсационных элементов: R_αвых=619,501 Ом и R_двых=547016,800 Ом.

Электрическая схема после включения компенсационных резисторов примет вид, представленный на фиг.3.

Для оценки мультипликативной чувствительности следует вычислить выходной сигнал датчика при нормальных условиях и при воздействии температуры. При нормальной температуре сопротивление резистора R_αвых, зашунтированного резистором R_двых, в соответствии с прототипом составит:

Следовательно, выходное напряжение в соответствии с прототипом составит:

t⁺=120°C:

При t^-=-80°C:

Тогда мультипликативные температурные чувствительности датчика составят:

Таким образом, полученная после компенсации чувствительность значительно меньше предельно допустимого значения температурной чувствительности (S_ktдоп=10^-4 1/°С).

Предлагаемый способ полной компенсации мультипликативной температурной погрешности показал высокую точность компенсации при положительной нелинейности температурной характеристики девиации выходного сигнала датчика, которая зависит только от точности изготовления компенсационных резисторов и точности определения физических характеристик тензорезисторов.