МНОГОТОЧЕЧНОЕ ЧАСТОТНОЕ УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ, МАССЫ И ДЕФОРМАЦИЙ
MULTIPOINT FREQUENCY DEVICE FOR MEASURING PRESSURE, WEIGHT AND DEFORMATIONS

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в различных отраслях промышленности и транспорта для измерения давления, быстрого и высокоточного определения массы транспортного средства с различными грузами, при перемещении грузов различного рода подъемными механизмами и одновременном их взвешивании, а также для исследования деформаций и напряжений в деталях и конструкциях и в системах автоматического контроля.
Известно устройство, реализующее способ многоопорного взвешивания (патент РФ №121570 G01L 25/00, опубл. 27.10.2012), в котором размещают многокомпонентные тензорезисторные датчики веса, каждый из которых содержит основной мост тензорезисторов для измерения силы и по два дополнительных моста тензорезисторов, измеряющих моменты сил, приложенных к их силовводящим и опорным узлам на эталонной силовоспроизводящей установке, и судят об измеряемом весе по сумме сигналов основных мостов тензорезисторов всех датчиков, контролируя при этом сигналы дополнительных мостов тензорезисторов. Измерение сигналов дополнительных мостов тензорезисторов позволяет контролировать правильность ориентации многокомпонентных датчиков веса на эталонной силовоспроизводящей машине.
Недостатками применения этого устройства и реализуемого им способа являются малая мощность выходного сигнала и влияние малозаметных дестабилизирующих факторов (просадки и наклона фундамента и платформы) на погрешность измерения.
Известен преобразователь сигнала разбаланса тензомоста в частоту (АС СССР №828406 МКИ Н03K 13/20, опубл. 07.05.81. Бюл. №17), 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. Преобразователь содержит тензомост, интегратор на операционном усилителе с конденсатором в цепи отрицательной обратной связи, компаратор, выход которого подключен к диагонали питания тензомоста и через конденсатор соединен с инвертирующим входом усилителя, первый вход подключен к выходу интегратора, а второй вход - к одной из вершин измерительной диагонали тензомоста и к неинвертирующему входу усилителя. Другая вершина измерительной диагонали моста подключена к входу интегратора. Выходная частота данного преобразователя определяется по формуле
R
где ε - относительное изменение сопротивлений тензомоста от воздействия измеряемого давления;
и
R - сопротивление интегратора, которое включает в себя выходное сопротивление тензометрического моста и сопротивление кабельной линии;
д
С - емкость дозирующего конденсатора.
Недостатками устройства, содержащего тензорезисторный датчик давления и частотный преобразователь сигнала с выхода тензомоста датчика, являются низкая точность при изменении сопротивлений тензорезисторов с изменением температуры разогрева тензомоста и работа преобразователя только при разбалансе тензомоста в одну сторону, а при нулевом разбалансе выходная частота преобразователя равна нулю.
Наиболее близким по технической сущности является датчик давления на основе нано- и микроэлектромеханической системы (НиМЭМС) с частотным выходным сигналом (Патент РФ №2408857, МПК G01L 9/04; В82В 1/00, опубл. 10.01.2011), содержащий тензорезисторный датчик, состоящий из корпуса, установленной в нем НиМЭМС с упругим элементом в виде мембраны с основанием, сформированной на ней гетерогенной структурой из тонких пленок материалов, в которой образованы тензорезисторы, объединенные в тензомост, частотный преобразователь сигнала с выхода тензомоста, содержащий компаратор и интегратор, выполненный на операционном усилителе с первым конденсатором в цепи отрицательной обратной связи, выход которого подключен к первому входу первого компаратора, инвертирующий вход операционного усилителя интегратора через второй конденсатор соединен с первой вершиной диагонали питания тензомоста и через резистор интегратора - с одной из вершин измерительной диагонали тензомоста, а ее другая вершина подключена к неинвертирующему входу операционного усилителя интегратора, отличающийся тем, что резистор интегратора выполнен из того же материала, что и тензорезисторы тензомоста датчика, установлен за периферией мембраны на ее основании, введены три дополнительных резистора и второй компаратор, при этом первый дополнительный резистор соединяет первую вершину диагонали питания тензомоста с выходом первого компаратора и с первым входом второго компаратора, выход которого через второй дополнительный резистор соединен со второй вершиной диагонали питания тензомоста, которая через третий дополнительный резистор соединена с инвертирующим входом операционного усилителя интегратора, при этом вторые входы компараторов подключены к шине «земля».
Недостатками датчика давления на основе НиМЭМС с частотным выходным сигналом являются специфическая область применения, использование НиМЭМС, изготавливаемых по особой технологии, возможность измерения лишь в локальной точке, низкая помехоустойчивость выходного сигнала импульсной формы, ограничивающая дальность передачи информации.
Задачей заявляемого изобретения является повышение помехоустойчивости информативного сигнала с возможностью его дистанционной передачи по двухпроводной линии связи при использовании большого количества однотипных стандартных тензорезисторов для контроля значительных площадей и протяженных участков исследуемых объектов с усреднением и линеаризацией измерений без дополнительных вычислительных операций, устранение влияния нестабильности напряжения питания измерительной схемы, просадки, наклона фундамента и платформы весов, а также смещения центра масс грузов на погрешность измерения.
Поставленная задача решается многоточечным частотным устройством измерения давления, массы и деформаций путем измерения частоты генератора, зависящей от параметров тензорезисторов, которые расположены в контрольных точках по площади или участку исследуемого объекта и соединены с внешними конденсаторами, образуя фазирующую RC-цепочку, составляющую совместно с усилителем генератор, соединенный через функциональный преобразователь частота-код и микроконтроллер, программа которого снабжена градуировочной характеристикой зависимости частоты от контролируемой массы или деформации, с цифровым индикатором.
Технический результат достигается использованием тензорезисторов в качестве элементов фазирующей цепочки генератора.
Сущность технических решений поясняется чертежами, где:
- на фиг. 1 представлена принципиальная схема фазирующей CR-цепочки;
- на фиг. 2 - принципиальная схема фазирующей RC-цепочки;
- на фиг. 3 - схема измерения с использованием тензорезисторов в качестве элементов фазирующей цепочки RC-генератора.
Устройство реализуется использованием типовых тензорезисторов, не менее трех, расположенных в необходимых точках контроля и образующих вместе с внешними конденсаторами фазирующую RC-цепочку генератора гармонических колебаний, частота которого зависит от средней массы (деформации, давления) объекта. В случае использования одного или двух тензорезисторов, другие заменяются на типовые резисторы.
Рекомендуемая электрическая схема RC-фазирующей цепочки (ФЦ) представлена на Фиг. 1. Например, при исследованиях деформаций по длине целесообразно использовать ФЦ (Фиг. 2) из цепочечных тензорезисторов (Достоверные измерения и прогнозы. Тезорезисторы и аксессуары. С. 35-38) [электронный ресурс. http://www.hbm.ru>pic/pdf/1372416324], выпускаемых промышленностью и представляющих собой комбинацию из 10 тензорезисторов на одной подложке.
0
Частоты квазирезонанса ω n-плечих ФЦ (фиг. 1), составленных из тензорезисторов с сопротивлением R в поперечных плечах и конденсаторов емкостью С в продольных, и у ФЦ (Фиг. 2) составленных из тензорезисторов с сопротивлением R в продольных, а конденсаторов С в поперечных плечах определяются согласно (см. Гулин А.И. Проектирование многозвенных регенераторов // Изв. вузов «Приборостроение» 2012. Т. 15. №1 (41). С. 14-118) как
и
n
соответственно, где коэффициент k вычисляется из уравнения
где р=0,25n-1 - для четных 0,5n;
р=0,25(n+2)-1 - для нечетных 0,5n.
n
Из всех вещественных положительных корней уравнения необходимо использовать наименьшее значение k, т.к. использование других значений приведет к сдвигу фаз ФЦ на 2π радиан и более.
При больших площадях и протяженных участках контролируемого объекта число тензорезисторов увеличивают до необходимого количества (нескольких сот), располагая их в необходимых точках контроля.
Для расчета более сложных ФЦ можно воспользоваться программой (см. Гулин А.И., Сухинец Ж.А. и др. Расчет частоты квазирезонанса и коэффициента передачи многозвенных RC-структур // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2003611147 / 16.05.2003. Роспатент. Москва. 2003).
Подобный подход к построению измерительных устройств массы устраняет необходимость точной выдержки горизонтальности авто- и вагонных весов, возникающих вследствие просадки, наклона фундамента и платформы весов, а также смещения центра масс грузов на погрешность измерения, т.к. увеличение нагрузки на одни тензорезисторы и соответственно уменьшение нагрузок на другие не влияет на среднюю частоту квазирезонанса.
Многоточечное частотное устройство измерения массы и деформаций (Фиг. 3) на протяженном объекте или объекте большой площади содержит тензорезисторы 1, составляющие с внешними конденсаторами элементы фазирующей цепочки 2 для образования совместно с усилителем 3 генератора 4, соединенного через функциональный преобразователь частота-код 5 и микроконтроллер 6 с цифровым индикатором 7.
Программу микроконтроллера снабжают градуировочной характеристикой зависимости частоты от массы (деформации) объекта.
Измерение массы или деформаций на объекте осуществляется следующим образом. Однотипные стандартные тензорезисторы (тензодатчики) 1 размещают в контролируемых точках объекта, соединяют с внешними конденсаторами для образования фазирующей цепочки 2, составляющей совместно с усилителем 3 генератор 4, выход которого соединяют через функциональный преобразователь частота-код 5 и микроконтроллер 6 с цифровым индикатором 7.
При изменениях массы (давлений, деформаций) контролируемого объекта меняются значения сопротивлений тензорезисторов, образующих фазирующую цепочку 2 генератора 4. В соответствии с величинами этих сопротивлений устанавливается частота генератора 4, которая преобразуется функциональным преобразователем частота-код 5, обрабатывается микроконтроллером, программу которого снабжают градуировочной характеристикой зависимости частоты от контролируемой массы или деформации, и индицируется на цифровом индикаторе 7 в соответствующих единицах измерения.
Итак, заявляемое изобретение позволяет частотным способом непрерывно измерять давление, массу и деформацию объекта с использованием двухпроводной линии связи и однотипных стандартных тензорезисторов (тензодатчиков) с усреднением и линеаризацией измерений без дополнительных вычислительных операций, что обеспечивает высокую надежность и помехоустойчивость устройства при дистанционных измерениях.
Кроме того, устройство устраняет влияние просадки, наклона фундамента и платформы весов, а также смещения центра масс грузов, т.к. увеличение сопротивлений одних тензорезисторов будет соответствовать уменьшению сопротивлений других, а также нестабильности напряжения питания измерительной схемы на выходную частоту генератора.