ИМИТАТОР СИГНАЛОВ МОСТОВЫХ ТЕНЗОРЕЗИСТОРНЫХ ДАТЧИКОВ
SIGNAL SIMULATOR OF BRIDGE STRAIN SENSORS

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для имитации сигналов мостовых тензорезисторных датчиков при проведении метрологических исследований и калибровке быстродействующих измерительных систем в автоматическом режиме.
В различных областях техники нашли применение мостовые тензорезисторные датчики силы, давления, перемещения и др. Измерительные системы, к которым подключаются эти датчики, оснащаются имитаторами сигналов мостовых тензорезисторных датчиков. Такие имитаторы предназначены для метрологических поверок измерительных систем в период эксплуатации. Они применяются также при калибровке систем непосредственно перед проведением измерений для повышения точности измерений физических величин, измеряемых с помощью имитируемых мостовых тензорезисторных датчиков.
Широко известен имитатор сигналов мостовых тензорезисторных датчиков, представляющий резисторный мост, два или четыре плеча которого шунтируются дискретными проводимостями параллельного делителя напряжения [Блокин-Мечталин Ю.К. - Измерительная техника, 1978, № 4, с. 20, Волобуев B.C. и др. - Измерительная техника 1979, № 11, с. 56]. Такой имитатор содержит четыре базовых резистора, образующих четырехплечий мост, и параллельные дискретные делители напряжения с проводимостями, которые позволяют получить различные дискретные уровни (ступени) напряжения на измерительной диагонали моста вследствие шунтирования плеч моста. Такой имитатор позволяет применять бесконтактные ключи для подсоединения проводимостей к базовым резисторам моста и обеспечить высокое быстродействие.
Недостаток известного имитатора состоит в следующем. В имитаторе базовые резисторы моста шунтируются проводимостями, поэтому их сопротивления взаимозависимы. При изменении температуры окружающей среды изменяются сопротивления базовых резисторов и шунтов, например, из-за различных между собой температурных коэффициентов сопротивления (ТКС), что приводит к погрешностям в величине выходных напряжений, которые соответствуют ступеням моста имитатора. Эти погрешности компенсировать известными способами не представляется возможным.
Известен имитатор дискретного дисбаланса тензометрического моста - [Патент РФ № 2315325, МПК G01R 17/00, 2008 г.]. Устройство имитирует тензорезисторный мост и состоит из цепи последовательно соединенных между собой резисторов и двух коммутаторов. Два крайних резистора цепи, сопротивление которых равно половине сопротивления плеча имитируемого мостового тензорезисторного датчика, соединены с клеммами электропитания устройства. Выводы остальных резисторов цепи предназначены для формирования ступеней приращений напряжения и соединены с входами первого и второго коммутатора. Выходы коммутаторов имитируют измерительную диагональ тензорезисторного моста и соединены с резисторами, сопротивление которых равно половине сопротивления плеча имитируемого мостового тензорезисторного датчика. Устройство позволяет обеспечить с высокой точностью автоматизацию метрологических исследований быстродействующих измерительных систем. Ступени приращений напряжения имитатора представляют собой разности потенциалов двух различных между собой выводов цепи резисторов. Только нулевая ступень имитатора образуется при подсоединении одного и того же вывода одного из резисторов к входам обоих коммутаторов. Вследствие этого при опросе ступеней имитатора измерительной системой на нулевой ступени происходит замыкание входа нормирующего преобразователя системы. Вместо реального «нуля» нормирующего преобразователя системой измеряется нулевой потенциал короткого замыкания.
Это является недостатком известного имитатора при эксплуатации его в составе измерительных систем. Дело в том, что каждый мостовой тензорезисторный датчик имеет различную величину начального разбаланса моста, а нормирующие преобразователи измерительных устройств систем имеют различающиеся между собой величины сдвига нуля и коэффициента усиления. Поэтому для повышения точности измерения физической величины датчик совместно с измерительной системой предварительно калибруют на градуировочном стенде, а потом применяют на испытательном стенде. Значительная удаленность испытательного стенда от градуировочного стенда, невозможность использования одной и той же измерительной системы на обоих стендах, например, при стационарном расположении измерительной системы на испытательном стенде и др. приводят к тому, что на градуировочном стенде применяют свою измерительную систему, а на испытательном стенде другую измерительную систему. Для обеих систем применяют один и тот же имитатор сигналов. Это дает возможность, воспользовавшись известными способами, (например, Патент РФ № 1760389, 1993 г., - Способ градуировки тензометрической измерительной системы, стационарно установленной на испытательном стенде, не оснащенном силозадающим устройством), повысить точность измерений физической величины при использовании измерительной системы испытательного стенда.
Недостаток известного имитатора состоит в том, что он не позволяет измерять реальный «нуль» нормирующего преобразователя измерительного устройства системы. Поэтому этот имитатор сигналов допустим только для калибровки той системы, с которой калибруется мостовой тензорезисторный датчик. Использование коэффициентов градуировочной характеристики, полученной в результате калибровки мостового тензорезисторного датчика совместно с измерительной системой градуировочного стенда, в системе испытательного стенда при применении известного имитатора сигналов приведет к погрешности измерений.
Известен имитатор сигналов мостовых тензорезисторных датчиков - [Патент РФ № 2620895, МПК G01R 17/00, 2017 г., выбран в качестве прототипа].
Имитатор предназначен для формирования ступеней напряжения. Напряжение каждой последующей ступени больше напряжения предыдущей ступени на величину, пропорциональную приращению сопротивления. Имитатор состоит из двух коммутаторов и резисторного моста. В мосте сопротивления четырех базовых резисторов попарно соединены своими выводами с одной стороны с вводами электропитания, а с другой стороны с соответствующими вводами цепей, состоящих из m-1 и n-1 последовательно соединенных резисторов. Цепь, состоящая из m-1 резисторов, имеет m выводов, которые соединены с соответствующими входами первого коммутатора. Цепь, состоящая из n-1 резисторов, имеет n выводов, которые соединены с соответствующими входами второго коммутатора. Выходы коммутаторов представляют измерительную диагональ моста, на которой формируются m×n ступеней напряжения имитатора. Формируемые в имитаторе ступени напряжения, имеющие одинаковые номера, но разные знаки, попарно равномерно отстоят относительно нулевой ступени, напряжение которой равно нулю. В имитаторе при подключении нулевой ступени с измерительной диагонали моста на вход нормирующего преобразователя измерительного устройства подается разность потенциалов, а не происходит замыкание входа нормирующего преобразователя, как в рассматриваемом прототипе. Поэтому этот новый по сравнению с его прототипом имитатор можно применять не только для градуировки измерительной системы градуировочного стенда, но и для градуировки измерительной системы испытательного стенда, к которой после транспортировки с градуировочного стенда подключаются проградуированные на этом стенде датчики.
17
58
57
16
Недостаток известного имитатора состоит в том, что разности напряжений по абсолютной величине между двумя рядом стоящими номерами ступеней для некоторых соседних ступеней могут отличаться от остальных рядом расположенных номеров ступеней, для которых эти разности напряжений равны. В прототипе разность между двумя рядом стоящими в Таблице 1 напряжениями, которые отличаются между собой двумя индексами, не равна разности между двумя рядом стоящими в Таблице 1 напряжениями, которые отличаются между собой только одним индексом. Для напряжений, отличающихся только одним индексом, эта разность по абсолютной величине равна разности напряжений между первой и нулевой ступенями. Для представленной в прототипе схемы имитатора, а также и для предлагаемой схемы имитатора, напряжениями, которые рядом стоят в Таблице 1 и отличаются между собой двумя индексами, являются U и U, U и U, оба индекса которых 17 и 58, 57 и 16 отличаются между собой. При этом, чем на большее количество ступеней рассчитан имитатор, тем больше таких отличных от остальных разностей напряжения будет формироваться в имитаторе. Вследствие этого дискретная шкала известного имитатора становится неравномерной.
Проблемой, которую необходимо решить в настоящем изобретении, является нелинейность формируемых имитатором сигналов приращений напряжения в пределах диапазона выходного напряжения имитируемого мостового тензорезисторного датчика.
Техническим результатом настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей имитатора сигналов мостовых тензорезисторных датчиков за счет формирования равных по абсолютной величине приращений напряжения на каждой ступени имитатора и обеспечение заданной точности воспроизведения ступеней напряжения имитатора.
Технический результат в имитаторе сигналов мостовых тензорезисторных датчиков достигается тем, что имитатор сигналов мостовых тензорезисторных датчиков, содержащий два коммутатора, выходы которых являются измерительными выходами имитатора, и резисторный мост, состоящий из двух параллельно соединенных цепей последовательно соединенных резисторов, первый и последний из которых в каждой цепи являются базовыми резисторами, которые своими выводами соединены с вводами питания моста, а остальные резисторы цепи являются дополнительными, при этом первая цепь включает четное количество m-1 дополнительных резисторов с равными сопротивлениями, а вторая цепь включает четное количество n-1 дополнительных резисторов с равными сопротивлениями, m выводов первой цепи между базовыми сопротивлениями соединены с соответствующими входами первого коммутатора, а n выводов второй цепи между базовыми сопротивлениями соединены с соответствующими входами второго коммутатора, дополнительно сопротивление каждого дополнительного резистора второй цепи в m раз больше каждого сопротивления дополнительного резистора первой цепи, сопротивления базовых резисторов первой цепи отличаются от сопротивлений базовых резисторов второй цепи и выбраны из условия равенства сопротивлений каждого плеча резисторного моста имитатора номинальному Сопротивлению каждого тензорезистора имитируемого мостового датчика.
На фигуре 1 представлена схема заявляемого имитатора сигналов мостовых тензорезисторных датчиков.
Имитатор сигналов состоит из двух коммутаторов и резисторного моста. Для внешних электрических цепей имитатор имеет два входа (Пит. 1 и Пит. 2) для подсоединения питания от измерительной системы к диагонали питания имитатора и два выхода (Вых. 1 и Вых. 2) коммутатора 1 и коммутатора 2, представляющих измерительные выходы имитатора. Коммутаторы выполнены на бесконтактных ключевых элементах. Управляющие входы коммутаторов предназначены для подачи на них управляющих сигналов, с помощью которых в имитаторе сигналов формируются ступени напряжения. Управляющие сигналы поступают от измерительной системы при использовании имитатора в составе системы или от специального устройства управления. В частном случае коммутатор 1 и коммутатор 2 могут быть выполнены на тумблерах, которые включаются оператором, производящим задание ступеней имитатора. Мост имитатора состоит из двух параллельно соединенных цепей последовательно соединенных резисторов. Одна цепь включает два базовых резистора с равными между собой сопротивлениями R2 и последовательно соединенные между собой m-1 дополнительных резисторов первой цепи. Сопротивления r1 этих резисторов равны между собой. Свободные выводы цепи из m-1 дополнительных резисторов первой цепи соединены с первыми вводами соответствующих базовых резисторов, сопротивления которых R2. Вторые вводы этих базовых резисторов соединены соответственно с входами питания моста имитатора Пит. 1 и Пит. 2. Вторая цепь включает два базовых резистора с равными между собой сопротивлениями R1 и последовательно соединенные между собой n-1 дополнительных резисторов второй цепи. Сопротивления этих резисторов r2 равны между собой. Свободные выводы цепи из n-1 дополнительных резисторов второй цепи соединены с первыми вводами базовых резисторов первой цепи сопротивлением R1, вторые вводы которых соединены соответственно с входами питания моста имитатора Пит. 1 и Пит. 2. Выводы резисторов, имеющих сопротивление r1, соединены с соответствующими входами коммутатора 1. В соответствии с тем, что количество резисторов, имеющих сопротивление r1, равно m-1, количество выводов этих резисторов равно m, Выводы резисторов, имеющих сопротивление г2, соединены с соответствующими входами коммутатора 2. Количество выводов этих резисторов равно n. Имитатор может быть выполнен на количество ступеней равное произведению m×n. В случае использования имитатора на меньшее, чем расчетное, количество ступеней, управляющие сигналы для формирования ступеней с большими номерами ступеней не формируются. Величина сопротивления базовых резисторов, имеющих сопротивление R2 и входящих в первую цепь, отличается от величины сопротивлений R1 базовых резисторов второй цепи. Сопротивления базовых резисторов R1 и R2 выбираются из условия, что сопротивления каждого плеча моста имитатора равны номинальному сопротивлению R каждого тензорезистора имитируемого мостового датчика. При этом в имитаторе сопротивления каждого из двух плеч моста соответственно равны  и
На фиг. 1 в качестве примера приведена схема имитатора сигналов мостовых тензорезисторных датчиков на 15 ступеней напряжения. Для такого имитатора должно выполняться условие m×n=15. Для обеспечения этого условия выбрано m=5, n=3. Соответственно количество дополнительных резисторов первой цепи, имеющих сопротивление r1, равно 4, а количество дополнительных резисторов второй цепи, имеющих сопротивление r2, равно 2. Выводы резисторов с сопротивлением r1 на фиг. 1 обозначены с 1 по 5, выводы резисторов с сопротивлением r2 имеют номера с 6 по 8. Для приведенной на фиг. 1 схемы имитатора R1=R-r2, R2=R-2r1. Далее производится расчет схемы имитатора и установление соответствия между рассчитанными выходными напряжениями моста имитатора и номерами ступеней имитатора.
вх.
Погрешность воспроизведения ступеней напряжения в заявляемом изобретении не превышает погрешности воспроизведения ступеней напряжения в прототипе. Эта погрешность зависит от величины сопротивления бесконтактных ключевых элементов коммутаторов rk и входного сопротивления измерительной цепи системы R
вх.
Например, при сопротивлении одного ключа в открытом состоянии rk=4 Ом, входном сопротивлении измерительной цепи системы R=2 МОм погрешность воспроизведения сигналов заявляемого изобретения будет иметь величину порядка 0,0004%.
Питание имитатора может осуществляться как от источника напряжения, так и от источника тока. Ниже приведен расчет величины напряжений для каждой ступени имитатора при питании имитатора от источника напряжения U.
1
Величина тока I, протекающего через резисторы r1 равна
величина тока, протекающего через резисторы r2 также равна  где R - величина сопротивления каждого плеча моста имитатора, которое равно номинальному сопротивлению каждого тензорезистора имитируемого мостового датчика.
16
1
2
Выходное напряжение на выходах 1-6 моста имитатора U=I(R2+4r1)-I(R1+2r2).
1
2
После подстановки в эту формулу вышеприведенных значений I, I, R1, R2 вычисляется напряжение  Аналогично рассчитываются напряжения на других выходах моста имитатора.
Выходное напряжение имитатора на выходах 2-6
Выходное напряжение имитатора на выходах 3-6
Выходное напряжение имитатора на выходах 4-6
Выходное напряжение имитатора на выходах 5-6
Выходное напряжение имитатора на выходах 1-7
Выходное напряжение имитатора на выходах 2-7
37
Выходное напряжение имитатора на выходах 3-7 U=0
Выходное напряжение имитатора на выходах 4-7
Выходное напряжение имитатора на выходах 5-7
Выходное напряжение имитатора на выходах 1-8
Выходное напряжение имитатора на выходах 2-8
Выходное напряжение имитатора на выходах 3-8
Выходное напряжение имитатора на выходах 4-8
Выходное напряжение имитатора на выходах 5-8
В Таблице 1 по результатам расчета приведены номера ступеней имитатора и соответствующие им значения напряжений.
Из расчета следует, что токи, протекающие через первую и вторую цепь моста имитатора, равны, поэтому величины напряжений соответствующих ступеней имитатора вычисляются по упрощенным по сравнению с прототипом формулам. Такие же простые формулы для расчета ступеней напряжения получаются при питании моста имитатора от источника тока. Соответствие значений напряжения номерам ступеней имитатора в Таблице 1 не зависит от того осуществлялось питание моста имитатора напряжением или током.
58
17
16
57
Одной из особенностей предлагаемой схемы имитатора сигналов является выдерживаемое для схем имитаторов с различным количеством ступеней соотношение сопротивлений между дополнительными резисторами первой и второй цепей, Это соотношение представлено в виде равенства r2=m×r1. Так как соотношение r2=m×r1 выдерживается для схем имитаторов с различным количеством ступеней, то в предлагаемых имитаторах все разности напряжений по абсолютной величине между двумя соседними ступенями, в том числе и разности U - U, U - U, равны между собой. Поэтому дискретная шкала предлагаемого имитатора будет равномерной.
Величины сопротивлений r1 и r2 вычисляются при решении системы уравнений:
min
min
27
max
18
где U - выходное напряжение имитатора, соответствующее величине ступени под номером 1 (для приведенного на фиг. 1 имитатора U=U), k=m×n - количество ступеней напряжения, формируемых имитатором, D - диапазон положительных ступеней напряжения, на которые рассчитан имитатор. Для приведенного на фиг. 1 имитатора U=U, k=15. Если необходимо изготовить имитатор на меньшее количество ступеней, то расчеты производятся из учета требуемого количества ступеней. Например, требуется рассчитать калибратор на k=13 ступеней напряжения, мост имитатора запитывается от источника напряжении U=10 В, диапазон воспроизведения положительных ступеней напряжения имитатора D=30 мВ, номинальное сопротивление каждого тензорезистора имитируемого мостового датчика R=350 Ом.
При расчете имитатора на 13 ступеней напряжения ступени с номерами -7 и +7 исключаются. Система уравнений для расчета величины сопротивления r1 и r2 представлена в виде
При решении системы уравнений находятся сопротивления r1 и r2  После подстановки в эти зависимости известных значений k, U, D и R производится вычисление расчетных значений r1=0,35 Ом и r2=1,75 Ом. Из расчетов следует, что величина сопротивления r2 в 5 раз больше величины сопротивления r1. Для представленной на фиг. 1 схемы имитатора m=5. В связи с тем, что такие величины сопротивлений r1 и r2 в номинальном ряду сопротивлений резисторов не предусмотрены, требуется заменить их эквивалентными сопротивлениями из номинального ряда, которые в схеме имитатора с достаточной степенью точности обеспечат воспроизведение расчетных величин сопротивлений r1 и r2. Одним из способов воспроизведения таких эквивалентных сопротивлений является включение дополнительных резисторов первой и второй цепи, имеющих сопротивления r3 и r4 вместо r1 и r2. В рассматриваемом имитаторе резисторы с сопротивлениями r3ш и r4ш шунтируют соответственно цепи из четырех резисторов, имеющих сопротивление r3, и двух резисторов с сопротивлением r4. Величины сопротивлений r3 и r3ш находятся из решения уравнения  Но в этом уравнении имеется два неизвестных r3 и r3ш. Поэтому при решении уравнения задается величина r3 и вычисляется величина r3ш. Методом последовательного перебора находятся такие величины r3 и r3ш, при подстановке которых в указанное уравнение величина 4r1 с достаточной степенью точности будет равна расчетной. Аналогично величины сопротивлений r4 и r4ш находятся из решения уравнения  Для рассматриевого имитатора r3=2,8 Ом, r3ш=1,6 Ом, r4=14 Ом, резистор с сопротивлением r4ш состоит из двух последовательно соединенных резисторов, сопротивления каждого из которых равно 2 Ом. Найденные эквивалентные сопротивления равны расчетным сопротивлениям r1 и r2. В результате подстановки сопротивлений R, r2 и r1 в уравнения R1=R-r2 и R2=R-2r1 вычисляются сопротивления R1=348,25 Ом и R2=349,3. Из номинального ряда выбираются сопротивления резисторов, которые в сумме равны сопротивлению резисторов R1 и R2. Вместо резистора с сопротивлением R1 выбираются два последовательно соединенных резистора сопротивлением 340 Ом и 8,25 Ом, а вместо резистора с сопротивлением R2 выбираются два последовательно соединенных резистора с сопротивлением 348 Ом и 1,3 Ом.
Возможный дисбаланс моста имитатора, связанный с отклонениями сопротивлений резисторов относительно номиналов, устраняется путем установки в соответствующие плечи моста компенсирующих сопротивлений. Материал этих сопротивлений должен иметь температурный коэффициент сопротивления (ТКС) близкий к ТКС применяемых в имитаторе резисторах.
Имитатор сигналов мостовых тензорезисторных датчиков работает следующим образом. На управляющие входы коммутатора 1 и коммутатора 2 поступают импульсы от контроллера измерительной системы или отдельного устройства управления, с помощью которых включаются бесконтактные ключевые элементы и подсоединяются выводы резисторов с сопротивлением r1 к выходу коммутатора 1, а выводы резисторов с сопротивлением r2 подсоединяются к выходу коммутатора 2. В частном случае, если коммутаторы выполнены на тумблерах, тумблеры включаются оператором. В результате на выходах коммутатора 1 и коммутатора 2 последовательно формируются разности потенциалов Uвых. 1 - Uвых. 2, которые представляют собой напряжения ступеней имитатора сигналов. Последовательность подключения выводов резисторов к коммутаторам осуществляется в соответствии с Таблицей 1. Для имитатора на 13 ступеней выводы резисторов к коммутаторам подключаются в следующей последовательности: 4-6, 3-6, 2-6, 1-6, 5-7, 4-7, 3-7, 2-7, 1-7, 5-8, 4-8, 3-8, 2-8. Таким образом, формируется 13 ступеней напряжений имитатора от максимальной отрицательной (-6) ступени до максимальной положительной (+6). При подключении выводов 3-7 формируется нулевая ступень имитатора.
Изготовленный макет имитатора и проведенные исследования подтвердили работоспособность предложенного имитатора сигналов мостовых тензорезисторных датчиков. Применение данного изобретения расширяет функциональные возможности имитаторов за счет признаков отличительной части и соответствующего в результате этого формирования в имитаторах сигналов мостовых тензорезисторных датчиков ступеней напряжения с равными по абсолютной величине приращениями напряжения и, таким образом, позволяет изготавливать имитаторы с равномерной дискретной шкалой. При этом обеспечивается заданная точность воспроизведения ступеней напряжения имитатора.