СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКОЙ ВЕЛИЧИНЫ
METHOD OF MEASURING PHYSICAL QUANTITY

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться для измерения физических величин системами, измеряющими суммарное приращение плеч тензорезисторов моста в тензорезисторных мостовых датчиках, которые прокалиброваны на градуировочном стенде, территориально удаленном от испытательного стенда, не оснащенного градуировочным оборудованием.
На испытательном стенде размещается исследуемая конструкция, на которой устанавливают датчики различных измеряемых физических величин: силы, перемещения, давления и др., которые применяют при исследовании напряженно-деформированного состояния авиационных и других конструкций. Испытательный стенд может быть удален от градуировочного стенда на значительном расстоянии и даже размещаться в другом городе. Метрологические службы обычно поверяют датчики один раз в год, а цикл исследования конструкции бывает значительно больше. Поэтому возникает необходимость периодически заменять датчики, у которых закончился срок поверки. Датчики, которые привозят на замену, должны обеспечить заданную точность измерения соответствующих физических величин. Для этого их градуируют с измерительными системами.
Известен способ измерения силы с применением градуировки тензометрических измерительных систем (Авторское свидетельство СССР №1352189, кл. G01B 7/18, 1987 г.). Способ основан на измерении сопротивления каждого тензорезистора датчика при ступенчатом задании уровней нагрузки с помощью силозадающей машины градуировочного стенда и моделировании этих сопротивлений на имитаторе датчика, который переносят на испытательный стенд, подключают к измерительной системе, ступенчато задают величины сопротивлений каждого тензорезистора имитатора и по результатам измерений калибруют силоизмерительный канал тензометрической измерительной системы. Полученную в результате калибровки градуировочную характеристику используют для измерения сил на испытательном стенде.
Недостаток этого способа состоит в том, что он трудоемок и требует применения высокостабильных и высокоточных регулируемых резисторов.
Известен способ измерения силы с применением градуировки тензометрической измерительной системы, стационарно установленной на испытательном стенде, не оснащенном силозадающим устройством (Авторское свидетельство СССР №1760389, кл. G01L 1/22, G01B 7/18, 1990 г., переведено в Патент РФ с 02.08 1993 г., выбран в качестве прототипа).
1
1
2
Суть способа состоит в следующем. На градуировочном стенде к входу измерительной системы стенда через линии связи L к входу системы подсоединяют имитатор сигналов мостовых датчиков, производят калибровку измерительной системы, которая заключается в том, что измеряют сигналы имитатора и по результатам измерений вычисляют коэффициенты функции преобразования измерительной системы. После чего отсоединяют имитатор сигналов мостовых датчиков и через линии связи L к входу системы подсоединяют мостовой тензометрический датчик силы, предварительно установленный в силозадающем устройстве, с помощью которого задают уровни нагрузки, и измеряют сигналы датчика силы. По результатам измерений вычисляют зависимость измеренной величины сигнала датчика от величины приложенной к датчику силы и определяют коэффициенты градуировочной характеристики. Переносят имитатор сигналов мостовых датчиков на испытательный стенд, не оснащенный силозадающим устройством, подсоединяют поочередно к каждому входу измерительной системы испытательного стенда через линии связи L, производят калибровку измерительной системы, которая заключается в том, что измеряют сигналы имитатора и по результатам измерений вычисляют коэффициенты функции преобразования каждого силоизмерительного канала измерительной системы. Вычисляют градуировочные характеристики каждого измерительного канала путем решения системы трех уравнений: градуировочной характеристики датчика силы совместно с измерительной системой градуировочного стенда, функции преобразования измерительной системы градуировочного стенда и функции преобразования соответствующего канала измерительной системы испытательного стенда. Полученные в результате калибровки градуировочные характеристики используют для измерения сил на испытательном стенде.
Недостаток известного способа состоит в том, что требуется дополнительное время на проведение градуировки датчиков силы. Это связано с тем, что измеряют выходные сигналы не только датчика, но и имитатора сигналов датчика. Поэтому для определения градуировочных характеристик каждого измерительного канала требуется решение системы трех уравнений: градуировочной характеристики датчика силы совместно с измерительной системой градуировочного стенда, функции преобразования измерительной системы градуировочного стенда и функции преобразования соответствующего канала измерительной системы испытательного стенда. Это можно выполнить только с одним и тем же имитатором сигналов датчика. Если для градуировки использовать свои имитаторы сигналов с измерительными системами градуировочного и испытательного стендов, то погрешности в задании выходных сигналов имитаторов приведут к погрешностям в соотношениях между коэффициентами градуировочных характеристик каждого измерительного канала и в целом к - дополнительной погрешности измерения силы на испытательном стенде. По этой же причине этот способ градуировки силоизмерительных каналов измерительной системы испытательного стенда не позволяет производить градуировку датчиков силы для измерительных систем других стендов и иметь в запасе проградуированные датчики силы, которые в требуемое время можно транспортировать на тот испытательный стенд, где есть в этом необходимость.
Задачей изобретения является обеспечение заданной точности измерения физической величины на испытательном стенде и сокращение времени, затрачиваемого на градуировку датчиков, измеряющих физическую величину, за счет того, что измерительные системы градуировочного и испытательного стендов оснащены имитаторами сигналов мостовых датчиков, и не требуется транспортировка имитатора сигналов мостовых датчиков с испытательного стенда на градуировочный стенд и обратно, а также расширение функциональных возможностей градуировочного стенда, основанное на вычислении коэффициентов градуировочной характеристики датчиков, как функции физической величины от приращения сопротивления тензометрического моста датчика, что позволяет проводить градуировку датчиков, измеряющих различные физические величины, непосредственно на градуировочном стенде и иметь парк проградуированных датчиков, готовых для использования с однотипными измерительными системами различных испытательных стендов.
Техническим результатом изобретения является измерение приращения сопротивления тензометрического моста датчика физической величины, как при его калибровке на градуировочном стенде, так и при измерении этой величины, прикладываемой к исследуемой конструкции на испытательном стенде, что позволяет применять свои имитаторы сигналов для систем градуировочного и испытательного стендов, это приводит к сокращению времени на градуировку датчика без ухудшения точности измерения физической величины и позволяет иметь на градуировочном стенде парк проградуированных датчиков, готовых для измерения различных физических величин без ухудшения погрешности на различных испытательных стендах в системах, измеряющих приращения сопротивлений тензометрических мостов датчиков различных физических величин.
Решение поставленной задачи и технический результат достигаются в способе тем, что на градуировочном стенде к входу измерительного устройства тензометрической измерительной системы градуировочного стенда подсоединяют имитатор выходных сигналов тензометрической мостовой схемы датчика, измеряют сигналы имитатора, отсоединяют имитатор от входа измерительного устройства, закрепляют тензорезисторный мостовой датчик измеряемой физической величины в установке, предназначенной для задания значений этой физической величины, и линией связи соединяют с входом измерительного устройства системы, с помощью установки задают значения физической величины, измеряют выходные сигналы датчика, затем датчик перемещают на испытательный стенд, на котором к входу измерительного устройства тензометрической измерительной системы испытательного стенда подсоединяют имитатор выходных сигналов тензометрической мостовой схемы датчика, измеряют сигналы имитатора, отсоединяют имитатор от входа измерительного устройства, и линией связи этого стенда соединяют вход измерительного устройства с датчиком, прикладывают к исследуемой на этом стенде конструкции внешнее воздействие, измеряют сигнал датчика и вычисляют значение физической величины, дополнительно введены устройства и операции: в каждой из измерительных систем градуировочного и испытательного стендов применяют относящиеся к этим системам имитаторы сигналов, воспроизводящие в заданных диапазонах суммарные приращения сопротивления тензорезисторного моста, после измерений сигналов имитаторов вычисляют зависимость результатов измерений систем градуировочного и испытательного стендов от приращения сопротивления имитаторов этих систем, при калибровке измерительной системы градуировочного стенда с датчиком физической величины используют зависимость результатов измерений системы градуировочного стенда от приращения сопротивления имитаторов этих систем и находят градуировочную характеристику системы градуировочного стенда в виде функции измеряемой физической величины от приращения сопротивления тензорезисторного моста датчика физической величины, эту градуировочную характеристику применяют для вычисления значения физической величины при проведении измерений системой испытательного стенда, для чего подставляют в нее приращения сопротивлений тензометрического моста датчика физической величины, которые находят из зависимости результатов измерений системы испытательного стенда от приращения сопротивления имитаторов этой системы.
1
2
Структурная схема устройства, реализующего способ, приведена на чертеже, где 1 - установка для задания значений физической величины, 2 - тензорезисторный мостовой датчик физической величины, 3 - имитатор сигналов мостовых датчиков измерительной системы градуировочного стенда, 4 - измерительная система градуировочного стенда, 5 - исследуемая конструкция, 6 - имитатор сигналов мостовых датчиков измерительной системы испытательного стенда, 7 - измерительная система испытательного стенда, L - линия связи градуировочного стенда, L - линия связи испытательного стенда.
При питании тензометрической мостовой схемы датчика током применяют четырехпроводную линию связи. В качестве имитатора сигналов мостовых датчиков применяют известные устройства, которые позволяют задавать измеренные при их метрологической поверке величины приращений сопротивления. Допускается применение вместо имитатора сигналов магазина сопротивлений.
1
Способ осуществляют следующим образом. На градуировочном стенде через линию связи L к входу измерительной системы 4 подсоединяют имитатор сигналов мостовых датчиков 3, который обеспечивает ступенчатое задание приращения сопротивлений в заданном диапазоне. С его помощью калибруют измерительную систему 4: задают приращения сопротивления, измеряют выходной сигнал имитатора 3 и определяют зависимость выходного сигнала системы от приращения сопротивления имитатора сигналов мостовых датчиков (вычисляют коэффициенты функции преобразования измерительной системы 4). Способ применим для измерительных устройств с нелинейной функцией преобразования.
Для системы с линейной характеристикой зависимости выходного сигнала от входного сигнала функция преобразования будет иметь вид
i1
01
11
i
N=A+AΔR,
i1
i
01
11
где N - измеренный сигнал имитатора 3 в кодах аналого-цифрового преобразователя измерительной системы 4 для каждого i-го приращения сопротивления ΔR, А и A - коэффициенты функции преобразования измерительной системы 4.
Далее по тексту вычисления будут приведены для измерительных систем 4 и 7 с линейной характеристикой зависимости выходного сигнала от входного сигнала.
1
iД
Отсоединяют имитатор 3 и через ту же линию связи L подсоединяют к входу измерительной системы 4 тензорезисторный мостовой датчик измеряемой физической величины 2. Закрепляют датчик в установке, предназначенной для задания значений этой физической величины. С помощью установки градуируют датчик совместно с измерительной системой: ступенями задают значения этой физической величины и на каждой ступени измеряют выходной сигнал датчика 2. Используют функцию преобразования измерительной системы 4 и преобразуют измеренный сигнал датчика 2 в приращение сопротивления ΔR на каждой i-й ступени задания физической величины
,
iД
01
11
где N - выходной сигнал датчика 2 в кодах аналого-цифрового преобразователя измерительной системы 4 для каждой i-й ступени задания физической величины (i задают от 0 до n), А и A - коэффициенты функции преобразования измерительной системы 4.
i
Вычисляют градуировочную характеристику измерительной системы градуировочного стенда с датчиком физической величины в виде зависимости приращения сопротивления тензорезисторного моста датчика 2 от приложенной к датчику физической величиной P на i-й ступени задания физической величины (i задают от 0 до n)
iД
Д0
i
ΔR=ΔR+bP,
Д0
где ΔR и b - коэффициенты градуировочной характеристики.
Из этого выражения находят зависимость между приложенной к датчику физической величиной и приращением сопротивления тензорезисторного моста датчика 2
i
iД
Д0
P=k(ΔR-ΔR),
где .
Эту зависимость заносят в паспорт датчика 2.
2
Транспортируют датчик 2 на испытательный стенд и устанавливают его на исследуемой конструкции 5. Линией связи L соединяют имитатор сигналов мостовых датчиков 6 с тем входом измерительной системы 7, к которому после калибровки системы 7 при измерении силы будет подсоединен датчик силы 2. С помощью имитатора сигналов мостовых датчиков 6 калибруют измерительную систему 7: задают приращения сопротивления, измеряют выходной сигнал имитатора 6 и вычисляют коэффициенты функции преобразования измерительной системы 7:
i2
02
12
i
N=A+AΔR,
i2
i
02
12
где N - измеренный сигнал имитатора 6 в кодах измерительной системы 7 для каждого i-го приращения сопротивления ΔR, A и А - коэффициенты функции преобразования измерительной системы 7. Диапазон приращения сопротивлений имитатора сигналов мостовых датчиков 6 может быть меньше диапазона приращения сопротивлений имитатора сигналов мостовых датчиков 3, что при необходимости измерений значений физической величины в меньшем диапазоне, чем диапазон измерения датчика 2, повышает точность измерения.
Из функции преобразования измерительной системы 7 находят зависимость
2
изм
изм
i
изм
i2
изм
Отсоединяют имитатор сигналов мостовых датчиков 6 и через линию связи L подсоединяют датчик 2. Воздействуют физической величиной на исследуемую конструкцию 5 и измеряют выходной сигнал N датчика 2. В связи с тем, что система 7 была калибрована с помощью имитатора 6, приращение сопротивления ΔR датчика силы 2 равно приращению сопротивления ΔR имитатора 6, если измеренный системой 7 выходной сигнал N датчика 2 равен измеренному этой же системой 7 сигналу N имитатора 6. Поэтому измеренная системой 7 величина приращения сопротивления ΔR датчика 2 равна
i
iД
Д0
iД
изм
Так как значение физической величины зависит только от величины приращения сопротивления моста датчика 2, то не имеет значения, на какой из систем было измерено это приращение сопротивления. Поэтому в формулу зависимости физической величины от приращения сопротивлений тензорезисторного моста датчика 2, вычисленную по результатам градуировки датчика 2 совместно с измерительной системой 4 на градуировочном стенде P=k(ΔR-ΔR), вместо ΔR подставляют значение ΔR, вычисленное в результате преобразования результата измерения сигнала датчика 2 измерительной системой 7 на испытательном стенде, и находят формулу для измерения соответствующей физической величины Р системой 7 испытательного стенда
изм
Д0
Р=k(ΔR-ΔR)
Применение изобретения позволит сократить время на градуировку датчиков физических величин и на подготовку измерительной системы испытательного стенда к проведению измерений без ухудшения точности измерения физической величины и позволяет иметь на градуировочном стенде парк проградуированных датчиков, готовых для измерения различных физических величин без ухудшения погрешности на различных испытательных стендах в системах, измеряющих приращения сопротивлений тензометрических мостов датчиков различных физических величин.
Изобретение опробовано, подтверждено испытаниями, получены хорошие результаты.