ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СИГНАЛОВ ОДИНОЧНЫХ ТЕНЗОРЕЗИСТОРОВ (ВАРИАНТЫ)
CONVERTER OF SIGNALS FROM SINGLE RESISTANCE STRAIN GAUGES (VERSIONS)

Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности к электротензометрии, и предназначено для использования в качестве преобразователя сигналов удаленных одиночных четырехпроводных тензорезисторов с различными номинальными сопротивлениями в многоточечных измерительных системах для анализа напряженно-деформированного состояния конструкций.
Известен преобразователь с источником питания, подключенным к питающей диагонали моста, выходной сигнал с которого снимают с выходной диагонали моста, в одно плечо которого включен одиночный тензорезистор (Хорна О. Тензометрические мосты. - М. - Л.: Госэнергоиздат, 1962, рис.1 - стр.13). Однако сопротивление соединительных проводов и их вариации вносят существенные погрешности в результат преобразования. Например, при проведении полевых (натурных) экспериментов длина соединительных измерительных линий, связывающих датчики с измерительным оборудованием, достигает 200 м и более [Глаговский Б.А., Пивен И.Д. Электротензометры сопротивления. - Л.: Энергия, 1972, стр.59]. Многоточечные измерительные системы для переключения тензорезисторов имеют на входе коммутаторы. которые по переходному сопротивлению вносят дополнительные погрешности преобразования. Применение многопроводных схем включения тензорезистора в мост устраняет влияние начальных сопротивлений проводов и коммутирующих элементов (М.Л.Дайчик, Н.И.Пригоровский, Г.Х.Хуршудов. Методы и средства натурной тензометрии: Справочник Основы проектирования машин - М.: Машиностроение, 1989, стр.51, рис.6), но остаются погрешности из-за неидентичности их сопротивлений и их девиаций (например, температурных). Кроме того, такие преобразователи имеют существенную нелинейную зависимость от деформации [там же, стр.52], к тому же не могут быть использованы для различных номинальных сопротивлений тензорезисторов.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является преобразователь, состоящий из операционного усилителя с изолированным питанием, двух разнополярных источников одинакового опорного напряжения и опорного резистора (Волгин Л.И. Линейные электрические преобразователи для измерительных приборов и систем. Изд-во «Советское радио», 1971, стр.247, рис.4.21б). Один источник опорного напряжения подключен к инверсному входу операционного усилителя, неинверсный вход и общий вывод которого соединен с одним выводом опорного резистора, подключенного другим выводом к общей шине устройства. Сопротивление опорного резистора равно номинальному сопротивлению используемого тензорезистора. Тензорезистор включен между общей шиной устройства и выходом операционного усилителя. Выходной сигнал (напряжение) преобразователя образуется между выходами операционного усилителя и второго источника опорного напряжения. Такой преобразователь обладает малыми погрешностями. Выходной сигнал равен:
или ,
где E - напряжение источников опорного напряжения, R - сопротивление тензорезистора, R0 - сопротивление опорного резистора (номинальное сопротивление тензорезистора), ΔR - полезное (преобразуемое) приращение тензорезистора.
С другой стороны: U=E·S·ε, т.к. ,
где ε - относительная деформация и S - чувствительность тензорезистора (Клокова Н.П., Лукашик В.Ф., Воробьева Л.М., Волчек А.В. Тензодатчики для экспериментальных исследований. - М.: Машиностроение. 1972, стр.7, формула 3). Т.е. выходной сигнал преобразователи пропорционален деформации, однако имеет значительную синфазную составляющую относительно общей шины, что отрицательно сказывается на точности и стабильности преобразования, а с точки зрения агрегатирования - на построение всего измерительного оборудования в целом. Кроме того, один провод (соединения тензорезистора с общей шиной устройства) вносит дополнительные погрешности. При этом такой преобразователь может работать с тензорезисторами только одного номинального сопротивления.
Задачей настоящего изобретения является расширение функциональных и метрологических возможностей преобразователя.
Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности преобразования сигналов одиночных тензорезисторов с различными номинальными сопротивлениями и повышение точности и стабильности при работе с удаленными тензорезисторами в многоточечных измерительных системах.
С этой целью предлагаются четыре варианта устройств одинакового назначения, обеспечивающих получение одного и того же технического результата.
В первом варианте технический результат достигается тем, что в преобразователь сигналов одиночных тензорезисторов, содержащий операционный усилитель с изолированным питанием, опорный резистор и источник опорного напряжения, выход операционного усилителя с изолированным питанием подключен к одной клемме преобразователя, одни выводы опорного резистора и источника опорного напряжения подключены к общей шине преобразователя, другой вывод источника опорного напряжения подключен к инверсному входу операционного усилителя с изолированным питанием, введены второй операционный усилитель, дополнительные опорные резисторы и коммутатор на два направления и число переключений, равное числу опорных резисторов, одни выводы дополнительных опорных резисторов подключены к общей шине преобразователя, выход второго операционного усилителя образует вторую клемму преобразователя, инверсный вход второго операционного усилителя образует третью клемму преобразователя, а неинверсный вход соединен с инверсным входом операционного усилителя с изолированным питанием, один переключающий контакт коммутатора соединен с неинверсным входом операционного усилителя с изолированным питанием, а другой - с общим выводом операционного усилителя с изолированным питанием, одноименные контакты переключений обоих направлений коммутатора соответственно объединены и подключены к другим выводам опорных резисторов.
Во втором варианте технический результат достигается тем, что в преобразователь сигналов одиночных тензорезисторов, содержащий операционный усилитель с изолированным питанием, опорный резистор и источник опорного напряжения, выход операционного усилителя с изолированным питанием подключен к одной клемме преобразователя, одни выводы опорного резистора и источника опорного напряжения подключены к общей шине преобразователя, другой вывод источника опорного напряжения подключен к инверсному входу операционного усилителя с изолированным питанием, введены второй операционный усилитель, дополнительные опорные резисторы и коммутатор на два направления и число переключений, равное числу опорных резисторов, одни выводы дополнительных опорных резисторов подключены к общей шине преобразователя, выход второго операционного усилителя образует вторую клемму преобразователя, инверсный вход второго операционного усилителя образует третью клемму преобразователя, а неинверсный вход второго операционного усилителя и один переключающий контакт коммутатора соединен с неинверсным входом операционного усилителя с изолированным питанием, а другой переключающий контакт коммутатора соединен с общим выводом операционного усилителя с изолированным питанием, одноименные контакты переключений обоих направлений коммутатора соответственно объединены и подключены к другим выводам опорных резисторов.
В третьем варианте технический результат достигается тем, что в преобразователь сигналов одиночных тензорезисторов, содержащий операционный усилитель с изолированным питанием, опорный резистор и источник опорного напряжения, выход операционного усилителя с изолированным питанием подключен к одной клемме преобразователя, одни выводы опорного резистора и источника опорного напряжения подключены к общей шине преобразователя, введены второй операционный усилитель, дополнительные опорные резисторы и коммутатор на два направления и число переключений, равное числу опорных резисторов, одни выводы дополнительных опорных резисторов подключены к общей шине преобразователя, выход второго операционного усилителя образует вторую клемму преобразователя, инверсные входы операционных усилителей объединены и образуют третью клемму преобразователя, неинверсный вход второго операционного усилителя соединен с другим выводом источника опорного напряжения, один переключающий контакт коммутатора соединен с неинверсным входом операционного усилителя с изолированным питанием, а другой - с общим выводом операционного усилителя с изолированным питанием, одноименные контакты переключений обоих направлений коммутатора соответственно объединены и подключены к другим выводам опорных резисторов.
В четвертом варианте технический результат достигается тем, что в преобразователь сигналов одиночных тензорезисторов, содержащий операционный усилитель с изолированным питанием, опорный резистор и источник опорного напряжения, выход операционного усилителя с изолированным питанием подключен к одной клемме преобразователя, одни выводы опорного резистора и источника опорного напряжения подключены к общей шине преобразователя, введены второй операционный усилитель, дополнительные опорные резисторы и коммутатор на два направления и число переключений, равное числу опорных резисторов, одни выводы дополнительных опорных резисторов подключены к общей шине преобразователя, выход второго операционного усилителя образует вторую клемму преобразователя, инверсный вход операционного усилителя с изолированным питанием образует третью клемму преобразователя, неинверсный вход второго операционного усилителя соединен с другим выводом источника опорного напряжения, инверсный вход второго операционного усилителя и один переключающий контакт коммутатора соединен с неинверсным входом операционного усилителя с изолированным питанием, а другой - с общим выводом операционного усилителя с изолированным питанием, одноименные контакты переключений обоих направлений коммутатора соответственно объединены и подключены к другим выводам опорных резисторов.
Проведенные патентные исследования не выявили идентичных и сходных технических решений. Предлагаемый преобразователь сигналов одиночных тензорезисторов, может быть изготовлен в промышленных масштабах и пригоден для определение деформаций, напряжений, перемещений и усилий, вызываемых силовыми нагрузками, измерительными системами, способными измерять сигналы с различных тензорезисторных датчиков, представляющих собой одиночные тензорезисторы Заявляемое устройство успешно прошло испытания. Совокупность существенных признаков заявляемого устройства не следует явным образом из изученного уровня техники, имеет существенные отличия от рассмотренных аналогов. Поэтому заявитель считает, что заявляемое устройство соответствует критерию «новизна» и имеет изобретательский уровень.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 показана схема первого варианта выполнения преобразователя, на фиг.2 - схема второго варианта выполнения преобразователя, на фиг.3 - схема третьего варианта выполнения преобразователя, на фиг.4 - схема четвертого варианта выполнения преобразователя.
На чертежах обозначены: операционный усилитель 1 с изолированным питанием, опорные резисторы 2, источник 3 опорного напряжения, одна клемма 4 преобразователя, второй операционный усилитель 5, коммутатор 6 на два направления и число переключений, равное числу опорных резисторов 2, вторая клемма 7, третья клемма 8 преобразователя, один переключающий контакт 9, другой переключающий контакт 10 коммутатора 6, соответственно объединенные одноименные контакты 11 и 12 переключений коммутатора 6, точка 13 съема выходного сигнала преобразователя. Позицией 14 отмечен тензорезистор, контролируемый преобразователем, а позицией 15 - общая шина преобразователя. Так как операционные усилители показаны на чертежах стандартным образом, их выходы, инверсные и неинверсные входы не обозначены, чтобы не перегружать чертеж, так как, по мнению заявителя, это не затрудняет понимание и реализацию технического решения.
Во всех вариантах предложение реализуется следующим образом: клемму 4 преобразователя подключают через подсоединительный провод к одному выводу тензорезистора 14. К этому же выводу (точка 13) и общей шине 15 преобразователя подключают измерительный прибор для съема выходного сигнала, клеммы 7 и 8 преобразователя через другие подсоединитнельные провода присоединяют к другому выводу тензорезистора 14. Коммутатор 6 устанавливают в положение, при котором номинал подключенного опорного резистора 2 равен номиналу тензорезистора 14.
Потенциалы на входах операционных усилителей 1 и 5 и подключенного коммутатором 6 опорного резистора 2 равны напряжению источника 3 опорного напряжения, так как в первом варианте напряжение источника 3 опорного напряжения поступает на инверсный вход операционного усилителя 1 и неинверсный вход операционного усилителя 5 непосредственно, а потенциалы на неинверсном входе операционного усилителя 1 и инверсном входе операционного усилителя 5 также практически равны напряжению источника 3 (из-за наличия отрицательной обратной связи этих операционных усилителей). Во втором варианте напряжение источника 3 поступает непосредственно на инверсный вход операционного усилителя 1, потенциал на объединенных неинверсных входах операционных усилителей 1 и 5 практически равны напряжению источника 3 (также из-за наличия отрицательной обратной связи этих операционных усилителей), и далее потенциал на инверсном входе операционного усилителя 5 аналогично также равен напряжению источника 3. В третьем варианте напряжение источника 3 опорного напряжения поступает непосредственно на неинверсный вход операционного усилителя 5, потенциал на объединенных инверсных входах операционных усилителей 1 и 5 практически равны напряжению Е (также из-за наличия глубокой отрицательной обратной связи этих операционных усилителей), и далее потенциал на неинверсном входе операционного усилителя 1 аналогично также равен напряжению источника 3. В четвертом варианте напряжение источника 3 опорного напряжения поступает непосредственно на неинверсный вход операционного усилителя 5; потенциал на объединенных инверсном входе операционного усилителя 5 и неинверсном входе операционного усилителя 1 практически равны напряжению источника 3 (из-за наличия отрицательной обратной связи этих операционных усилителей), и далее потенциал на инверсном входе операционного усилителя 1 также равен напряжению Е. Потенциал на подключенном коммутатором 6 опорном резисторе 2 также равен напряжению источника 3, поскольку этот резистор 2 в каждом предлагаемом варианте схемы соединен с неинверсным (находящимся под потенциалом источника 3) входом операционного усилителя 1 через коммутатор 6.
Использование коммутатора 6 на два направления позволяет исключить влияние на точность измерения падения напряжения на внутреннем переходном сопротивлении самого коммутатора 6.
Т.к. потенциал на опорном резисторе 2 равен напряжению источника 3, ток через него (и по всей указанной цепи) будет равен:
и, протекая через тензорезистор 14, создает на нем падение напряжения:
Ur=IR или .
Вывод тензорезисторе 14, подключенный к выходу операционного усилителя 5, находится под потенциалом источника 3, т.к. связан проводом, на котором нет падения напряжения, с одним из входов, находящихся под потенциалом источника 3 операционных усилителей 1 и 5.
Следовательно, с учетом падения напряжения сигнал (полезный) на другом выводе тензорезистора 1 будет равен;
,
или U=E·S·ε, т.к. ,
где Е - напряжение источника 3 опорного напряжения;
Ri - сопротивление опорного резистора 2;
R - сопротивление тензорезистора 14;
S - чувствительность тензорезистора 14;
ε - относительная деформация тензорезистора 14;
U - выходной сигнал;
ES - чувствительность преобразователя.
Заметим, что при равенстве номиналов опорного резистора 2 и тензорезистора 14 чувствительность ES преобразователя относительно деформации ε сохраняется постоянной. Это позволяет не менять коэффициент усиления используемого далее усилителя полезного сигнала, что упрощает использование и увеличивает надежность и стабильность всего измерительного оборудования в целом.
Следует заметить, что выходной провод (точка 13) не принадлежит собственно преобразователю, т.к. не участвует в процессе выработки полезного сигнала, а лишь снимает (выводит) его - полезный сигнал уже сформирован на соответствующем выводе тензорезистора 14. Этот провод даже может быть отведен не в сторону расположения преобразователя, а совсем в другую. Его наличие или отсутствие не влияет на формирование положительного эффекта. К полезным характеристикам заявляемого технического решения следует отнести также простоту автоматизации переключения номиналов тензорезисторов преобразователя выполнением коммутатора 6 на базе электронных КМОП-схем с управляющим входом.