ЧАСТОТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СИГНАЛА РАЗБАЛАНСА ТЕНЗОМОСТА
FREQUENCY CONVERTER OF STRAIN BRIDGE UNBALANCE SIGNAL

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано как в системах автоматического контроля, так и в цифровых приборах специального и универсального назначения.
Известен преобразователь сигнала разбаланса тензомоста в частоту, содержащий последовательно соединенные интегратор, компаратор и усилитель-ограничитель с трансформаторным выходом, причем одна из обмоток трансформатора подключена к диагонали питания тензомоста, а другая - к второму входу компаратора [1].
Недостатком данного устройства является пониженная точность и наличие трансформатора, затрудняющего выполнение устройства в интегральном исполнении.
Известен преобразователь сигнала разбаланса тензомоста в частоту, 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 [2].
На фиг.1 представлена функциональная электрическая схема преобразователя.
Преобразователь содержит тензомост 7, интегратор 2 на операционном усилителе 3 с конденсатором 4 в цепи отрицательной обратной связи, компаратор 5, выход которого подключен к диагонали питания тензомоста 1 и через конденсатор 6 соединен с инвертирующим входом усилителя 3, первый вход подключен к выходу интегратора 2, а второй вход - к одной из вершин измерительной диагонали тензомоста 7 и к неинвертирующему входу усилителя 3. Другая вершина измерительной диагонали моста 1 подключена к входу интегратора 2. Выходная частота данного преобразователя определяется по формуле
R
и
6
где ε - относительное изменение сопротивлений тензомоста от воздействия измеряемого давления; R - сопротивление интегратора 2, которое включает в себя выходное сопротивление тензометрического моста 1 и сопротивление кабельной линии; С - емкость конденсатора 6.
и
Как видно из формулы (1), сопротивление интегратора R, включающее в себя выходное сопротивление тензометрического моста и сопротивление кабельной линии, входят в функцию преобразования и определяют частоту выходного сигнала преобразователя, а их изменение увеличивает погрешность измерения преобразователя.
Однако формула (1) справедлива для данного устройства в случае, когда рабочая температура тензомоста не претерпевает значительных изменений.
-3
0
В реальных условиях эксплуатации датчиков (давления, силы и др. механических величин) при длительном и непрерывном времени работы и недостаточном отводе тепла рабочая температура тензомоста может изменяться за счет разогрева при протекании тока через тензорезисторы и тогда, с изменением температуры, сопротивление тензорезисторов, включенных по мостовой схеме, и сопротивление тензометрического моста в целом будет изменяться пропорционально температуре в соответствии со значением температурного коэффициента сопротивления, который, к примеру, для металлопленочных тензорезисторов имеет величину порядка 3·10 %/10°С. При этом напряжение разбаланса с выхода измерительной диагонали тензометрического моста будет равно не εU, a  где  - относительное изменение сопротивления тензометрического моста при изменении температуры.
Тогда формула (1) преобразуется к виду:
Как видно из выражения (2), частота выходного сигнала преобразователя с увеличением температуры будет уменьшаться. Относительная температурная погрешность при этом может достигать 2% и более.
Таким образом, недостатком прототипа является низкая точность при изменении сопротивлений кабельной линии и суммирующего сопротивления интегратора, а также при изменении сопротивлений тензорезисторов с изменением температуры разогрева тензомоста.
и
Техническим решением изобретения является повышение точности преобразования сигнала разбаланса тензомоста датчика за счет уменьшения влияния сопротивления интегратора R, включающего в себя выходное сопротивление тензометрического моста и сопротивление кабельной линии, а также уменьшения температуры разогрева тензорезисторов на выходной сигнал.
Это достигается тем, что в известном частотном преобразователе сигнала тензомоста, состоящем из тензомоста датчика, интегратора, выполненного на операционном усилителе с первым конденсатором в цепи отрицательной обратной связи и резистором, соединенным с инвертирующим входом операционного усилителя, выход которого подключен к первому входу компаратора, выход которого подключен к одной из вершин диагонали питания тензомоста, 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, второй конденсатор включен между выходом компаратора и входом интегратора, а вторая вершина диагонали питания тензомоста соединена с шиной «земля» через дополнительный резистор.
На фиг.2 представлена функциональная электрическая схема частотного преобразователя сигнала.
Преобразователь содержит тензомост 1 датчика, интегратор 2, выполненный на операционном усилителе 3 с первым конденсатором 4 в цепи отрицательной обратной связи, компаратор 5, первый вход которого подключен к выходу интегратора 2, выход - к одной из вершин диагонали питания тензомоста 1, а второй вход соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя 3 интегратора 2 и с одной из вершин измерительной диагонали тензомоста 1, другая вершина которой подключена к входу интегратора 2. Второй конденсатор 6 включен между выходом компаратора 5 и входом интегратора 2, а вторая вершина диагонали питания тензомоста 1 соединена с шиной «земля» через дополнительный резистор 7.
Преобразователь работает следующим образом.
0
1
0
0
В установившемся режиме работы устройства с выхода преобразователя следуют разнополярные импульсы амплитудой ±U. Пусть в момент времени t произошла смена полярности выходного напряжения с -U на +U. При этом напряжение в точке "а" схемы будет изменяться по закону
где  - относительное изменение сопротивления резисторов при разбалансе тензомоста;  - отношение сопротивлений дополнительного резистора 7 и тензомоста 1;  - эквивалентное сопротивление разряда конденсатора 6, учитывающее параллельное соединение сопротивлений плеч тензомоста 1 и добавленного резистора 7.
В то же время в точке "б" напряжение равно
ε
то есть напряжение разбаланса тензометрического моста U(t) изменяется по закону
д
д
экв
ε
д
ε
и
где τ=СR. Таким образом, напряжение U(t) в начальный момент времени имеет положительное значение и по мере заряда конденсатора С стремится к отрицательному значению  Следовательно, в результате интегрирования U(t) напряжение на емкости интегратора будет сначала скачкообразно возрастать, а затем экспоненциально убывать. Математически изменение напряжения на выходе интегратора U описывается выражением
и
и
где R и С - сопротивление и емкость интегратора соответственно. В результате период следования выходных импульсов определяется как решение уравнения
или
д
Поскольку τ выбирается из условия
где T - период следования импульсов, из выражения (8) следует
При малых относительных изменениях сопротивлений тензомоста в результате разбаланса от измеряемого давления методической погрешностью от нелинейности второго порядка малости можно пренебречь и тогда выражение (10) примет вид
Выражение (11) не учитывает температурные изменения сопротивлений тензомоста, вызванные протеканием тока через тензорезисторы. С введением в выражение (11) температурного коэффициента сопротивления тензорезисторов в мостовой схеме и тензомоста в целом, равного  где T - температура разогрева тензомоста, получим
2
2
д
д
Изменение сопротивления тензомоста ΔR(T) пропорционально связано с потребляемой мощностью тензорезисторов, которая в свою очередь зависит от номинала сопротивления и напряжения питания тензомоста (P=U/R). При введении в схему преобразователя дополнительного резистора R, включенного последовательно в диагональ питания тензомоста, уменьшается падение напряжения на тензорезисторах в (1+n) раз, где n=R/R - отношение сопротивлений добавленного резистора и тензомоста, и следовательно, уменьшится потребляемая тензомостом мощность, приводящая к разогреву тензорезисторов, в (1+n) раз.
и
Таким образом, благодаря отличительным признакам изобретения повышается точность преобразования сигнала разбаланса тензомоста датчика давления за счет уменьшения влияния сопротивления интегратора R, включающего в себя выходное сопротивление тензометрического моста и сопротивление кабельной линии, а также уменьшения температуры разогрева тензорезисторов от токопрохождения на выходной сигнал.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №363206, М.Кл. Н03К 13/20, 29.03.71.
2. Авторское свидетельство СССР №828406, М.Кл. Н03К 13/20. Опубл. 07.05.81. Бюл. №17.