Вид РИД
Изобретение
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного измерения ускорений в системах коррекции дальности полета реактивных снарядов.
Известен компенсационный акселерометр [1], содержащий чувствительный элемент, датчик положения, магнитоэлектрический силовой преобразователь с постоянным магнитом и компенсационной катушкой, первый вывод которой подсоединен к выходу усилителя, соединенные последовательно своими первыми выводами первой и второй масштабные резисторы, балластный резистор, первый и второй компараторы, логическое устройство ИЛИ, реле, первый вывод балластного резистора подключен к второму выводу компенсационной катушки, к второму выводу балластного резистора подключен второй вывод первого масштабного резистора, точка соединения балластного и первого масштабного резисторов соединена с противоположными по знаку входами первого и второго компараторов, выход первого компаратора подключен к одному входу логического устройства ИЛИ, выход второго компаратора подключен к другому входу логического устройства ИЛИ, к выходу логического устройства ИЛИ подключено реле, первый замыкающий контакт которого подключен между точкой соединения компенсационной катушки с балластным резистором и точкой соединения первого и второго масштабных резисторов, а второй замыкающий контакт подключен между точкой соединения балластного резистора с первым масштабным резистором и точкой соединения первого и второго масштабных резисторов.
Недостатком указанного акселерометра является значительная температурная нестабильность его коэффициента преобразования, минимальное значение которой определяется минимально возможной температурной нестабильностью индукции магнитов обратного преобразователя.
Известен компенсационный акселерометр [2], содержащий инерционный элемент, колебательную систему, преобразователь перемещения, усилитель, выход которого соединен с последовательно соединенными обмоткой обратного преобразователя и масштабирующим резистором, конденсатор, включенный параллельно обмотке обратного преобразователя, резистор отрицательной обратной связи усилителя, один вывод которого подключен к его инвертирующему входу, а другой вывод - к точке соединения обмотки обратного преобразователя и масштабирующего резистора.
Недостатком акселерометра является низкая температурная стабильность его коэффициента преобразования из-за отсутствия в его составе цепей термокомпенсации, обеспечивающих значение температурной нестабильности коэффициента преобразования не хуже 0,004%/°C.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является компенсационный акселерометр [3], содержащий инерционный элемент, колебательную систему, датчик перемещения, усилитель цепи уравновешивания, выход которого соединен с последовательно соединенными обмоткой обратного преобразователя и масштабирующим резистором, резистор цепи отрицательной обратной связи усилителя, один вывод которого подключен к его инвертирующему входу, дополнительный усилитель и резистор его обратной связи, подключенной к его инвертирующему входу цепью, содержащей параллельное включение медной обмотки датчика температуры и шунтирующего ее резистора RП, соединенной последовательно с резистором RШ, а также дополнительный конденсатор CДОП, подключенный параллельно к масштабирующему резистору, а свободный вывод резистора отрицательной обратной связи усилителя цепи уравновешивания подключен к его выходу. Электрические сопротивления резисторов RП, RШ определяются из выражений
где γ - назначенное значение составной части общей погрешности;
R0 - электрическое сопротивление медной катушки при температуре, соответствующей середине температурного интервала;
αR, αM - температурные коэффициенты сопротивлений резистора RП и медной катушки R0;
n - установленное отношение температурных приращений сопротивлений RП и R0 (n>1);
ΔT - приращение температур относительно середины интервала температуры, воздействующей на акселерометр.
Недостатком акселерометра является значительная сложность регулирования температурного коэффициента усиления акселерометра при решении задачи компенсации температурных погрешностей на уровне менее 0,8%/100°C вследствие значительной нелинейности скомпенсированной температурной характеристики акселерометра, обусловленной наложением некомпенсированной температурной характеристики, нелинейность которой тем больше, чем меньше ее наклон, и обратно пропорциональной температурной характеристики термокомпенсирующего усилителя.
Целью предлагаемого изобретения является уменьшение температурной нестабильности коэффициента преобразования акселерометра.
Поставленная цель достигается тем, что в компенсационный акселерометр, содержащий инерционный элемент, колебательную систему, датчик перемещения, усилитель цепи уравновешивания, выход которого соединен с последовательно соединенными обмоткой обратного преобразователя и масштабирующим резистором, резистор цепи отрицательной обратной связи усилителя, один вывод которого подключен к его инвертирующему входу, а его свободный вывод - к выходу усилителя цепи уравновешивания, термокомпенсирующий усилитель, резистор его обратной связи, подключенную к инвертирующему входу термокомпенсирующего усилителя цепь, содержащую параллельное включение медной обмотки датчика температуры и шунтирующего резистора RШ, соединенное последовательно с резистором RП, a также дополнительный конденсатор CДОП, подключенный параллельно к масштабирующему резистору, в цепь отрицательной обратной связи термокомпенсирующего усилителя согласно изобретению дополнительно введена цепь из датчика температуры R01, подключенного одним выводом к инвертирующему входу операционного усилителя, другим выводом - к резистору обратной связи RОС операционного усилителя, и зашунтированного дополнительным резистором RШ1, электрическое сопротивление которого выбирается из следующего условия
где
где K∑(t) - скомпенсированное значение температурной нестабильности коэффициента преобразования акселерометра;
Kt0(t0), Kt0(Δt1), Kt0(Δt2) - температурная характеристика усилителя термокомпенсации при отключенных датчиках температуры в условиях воздействия номинальной, пониженной и повышенной рабочих температур акселерометра соответственно;
KA(t0), KA(Δt1), KA(Δt2) - температурная характеристика акселерометра при отключенных датчиках температуры в условиях воздействия номинальной, пониженной и повышенной рабочих температур акселерометра соответственно;
Kt(t0), Kt(Δt1), Kt(Δt2) - температурная характеристика выбранной конфигурации термокомпенсирующего усилителя в условиях воздействия номинальной, пониженной и повышенной рабочих температур акселерометра соответственно;
R0, R01 - электрическое сопротивление медных катушек, подключенных ко входу термокомпенсирующего усилителя и в цепь его отрицательной обратной связи соответственно, при номинальном значении температуры окружающей среды;
αR, αM - температурные коэффициенты сопротивления резисторов RП, RП1 и медных катушек R0, R01 соответственно;
Δt - приращение значения температуры окружающей среды акселерометра относительно ее номинального значения.
Подключение дополнительного датчика температуры в обратную связь термокомпенсирующего усилителя позволяет линеаризовать скомпенсированную температурную характеристику акселерометра, что обеспечивает уменьшение температурной нестабильности его коэффициента преобразования и снижение трудоемкости процесса его температурной отладки.
На фиг. 1 представлена обобщенная структурная схема компенсационного акселерометра, содержащего:
1 - инерционный элемент;
2 - колебательную систему;
3 - преобразователь перемещения;
4 - усилитель цепи уравновешивания;
5 - обратный преобразователь;
6 - узел подключения масштабирующего резистора;
7 - термокомпенсирующий усилитель.
На фиг. 2 представлена обобщенная конфигурация термокомпенсирующего усилителя, содержащего:
RП - последовательный резистор цепи, подключенной к инвертирующему входу термокомпенсирующего усилителя;
RОС - резистор обратной связи термокомпенсирующего усилителя;
R0(t), R01(t) - медные датчики температуры;
RШ, RШ1 - шунтирующие резисторы;
DA - операционный усилитель.
На фиг. 3 представлены результаты моделирования процесса термокомпенсации средствами программы Mathcad с термокомпенсирующим усилителем согласно [3] и согласно предложенному техническому решению:
а - при конфигурации термокомпенсирующего усилителя [3], содержащей цепь из датчика температуры R0(t), зашунтированного резистором RШ, подключенную к инвертирующему входу термокомпенсирующего усилителя;
б - при конфигурации термокомпенсирующего усилителя, содержащей цепь из датчика температуры R0(t), зашунтированного резистором RШ, подключенную к инвертирующему входу термокомпенсирующего усилителя, и дополнительную цепь, состоящую из датчика температуры R01(t), зашунтированного резистором RШ1.
Процесс термокомпенсации реализуется следующим образом. Предварительно экспериментальным путем определяется температурная характеристика акселерометра KA(t) при отключенных датчиках температуры. В том случае, если полученные значения KA(Δt1) и KA(Δt2) не удовлетворяют заданным требованиям, по результатам моделирования, реализующего алгоритм нахождения корней уравнений, описывающих условие (1) ,определяется конфигурация термокомпенсирующего усилителя, обеспечивающая минимизацию температурной нестабильности коэффициента преобразования акселерометра:
- на основе полученных значений KA(Δt1), KA(Δt1) выбирается оптимальная конфигурация термокомпенсирующего усилителя;
- задаются начальные условия задачи: KA(t), RП, RОС, R0, R01;
- выполняется поиск решений (RШ, RШ1) системы неравенств, реализующих условие (1);
- оценивается соответствие заданным требованиям расчетной характеристики K∑(t) с выбранной конфигурацией термокомпенсирующего усилителя.
После подключения выбранной конфигурации термокомпенсирующего усилителя в измерительную цепь акселерометра экспериментальным путем определяется скомпенсированная характеристика K∑(t) акселерометра.
Результаты оценки эффективности предлагаемого решения на основе моделирования средствами программы Mathcad приведены в таблице 1.
Моделирование процесса термокомпенсации при конфигурации термокомпенсирующего усилителя с предложенной конфигурацией (Фиг. 3) при значениях , дает результат , , что подтверждает существенное расширение возможностей по минимизации температурной нестабильности коэффициента преобразования акселерометра.
Эффективность решения подтверждена результатами серийного изготовления и испытаний в составе изделия акселерометров АЛЕ 055-01 по КД, откорректированной с применением предлагаемого технического решения, в 2012 году.
Источники информации
1. RU патент № 2155965, G01 Р 15/13. Компенсационный акселерометр. Опубл.10.09.2000.
2. RU патент № 2138822, G01 P 15/08. Компенсационный аселерометр. Опубл.27.09 1999.
3. RU патент № 2341805, G01 P 15/13. Компенсационный акселерометр. Опубл. 2012.2008.
Компенсационный акселерометр, содержащий инерционный элемент, колебательную систему, датчик перемещения, усилитель цепи уравновешивания, выход которого соединен с последовательно соединенными обмоткой обратного преобразователя и масштабирующим резистором, резистор цепи отрицательной обратной связи усилителя, один вывод которого подключен к его инвертирующему входу, а его свободный вывод - к выходу усилителя цепи уравновешивания, термокомпенсирующий усилитель, резистор его обратной связи, подключенную к инвертирующему входу термокомпенсирующего усилителя цепь, содержащую параллельное включение медной обмотки датчика температуры и шунтирующего резистора R, соединенное последовательно с резистором R, а также дополнительный конденсатор C, подключенный параллельно к масштабирующему резистору, отличающийся тем, что в цепь отрицательной обратной связи термокомпенсирующего усилителя дополнительно введена цепь из датчика температуры R, подключенного одним выводом к инвертирующему входу операционного усилителя, другим выводом - к резистору обратной связи R операционного усилителя, и зашунтированного дополнительным резистором R, электрическое сопротивление которого выбирается из следующего условия где где K(t) - скомпенсированное значение температурной нестабильности коэффициента преобразования акселерометра;K(t), K(Δt), K(Δt) - температурная характеристика усилителя термокомпенсации при отключенных датчиках температуры в условиях воздействия номинальной, пониженной и повышенной рабочих температур акселерометра соответственно;K(t), K(Δt), K(Δt) - температурная характеристика акселерометра при отключенных датчиках температуры в условиях воздействия номинальной, пониженной и повышенной рабочих температур акселерометра соответственно;K(t), K(Δt), K(Δt) - температурная характеристика выбранной конфигурации термокомпенсирующего усилителя в условиях воздействия номинальной, пониженной и повышенной рабочих температур акселерометра соответственно;R, R - электрическое сопротивление медных катушек, подключенных ко входу термокомпенсирующего усилителя и в цепь его отрицательной обратной связи соответственно, при номинальном значении окружающей среды;α, α - температурные коэффициенты сопротивления резисторов R, R и медных катушек R, R соответственно;Δt - приращение значения температуры окружающей среды акселерометра относительно ее номинального значения..