ЧАСТОТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СИГНАЛА РАЗБАЛАНСА ТЕНЗОМОСТА С УМЕНЬШЕННОЙ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ПОГРЕШНОСТЬЮ
FREQUENCY CONVERTER FOR DISBALANCE SIGNAL OF STRAIN GAUGE BRIDGE WITH LOW TEMPERATURE ERROR

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано как в системах автоматического контроля, так и в цифровых приборах специального и универсального назначения.
Известны тензорезисторные датчики давления с тензомостом из тензорезисторов, расположенных на мембране [1, 2]. Их общим недостатком является низкая точность в условиях воздействия температур измеряемой среды, они требуют дополнительных термокомпенсационных элементов (терморезисторов) и их подстройки. Это связано с наличием температурного коэффициента сопротивления тензорезисторов. В результате появляется разбаланс мостовой измерительной цепи, не связанный с измеряемым давлением, точность измерения давления резко снижается. Погрешность от воздействия температур может достигать несколько процентов.
2
Известен тензорезисторный датчик давления [3], работающий с аналоговым преобразователем выходного сигнала измерительной цепи, который содержит вакуумированный корпус 1 (фиг.1), упругий элемент в виде круглой жесткозащемленной мембраны 2, выполненной за одно целое с основанием 3, на которой расположены соединенные в мостовую схему окружные 4 и радиальные 5 тензорезисторы. Они выполнены в виде соединенных низкоомными перемычками 6 и равномерно размещенных по периферии мембраны идентичных тензоэлементов 7. Каждый из них касается двумя вершинами 8 границы 9 мембраны. Диэлектрик 10 выполнен в виде тонкопленочной структуры Cr-SiO-SiO, тензоэлементы 7 - в виде структуры Х20Н75Ю, перемычки 6 - в виде структуры V-Au.
i
Поскольку тензоэлементы идентичны и находятся на периферии мембраны на одинаковом расстоянии от ее центра, то при нестационарном характере изменения температуры (T) на планарной стороне мембраны температуры тензоэлементов окружных и радиальных тензорезисторов, изменяясь, со временем будут одинаковы в каждый момент времени. Одинаковая температура радиальных и окружных тензорезисторов в каждый момент времени вызывает практически одинаковые изменения сопротивлений тензорезисторов, которые вследствие включения тензорезисторов в мостовую схему взаимно компенсируются.
Недостатком известной конструкции является то, что с изменением температуры изменяется сопротивление плеч тензомоста (тензорезисторов), которое приводит к изменению чувствительности, повышению нелинейности, соответственно, увеличению погрешности и уменьшению точности измерения. Введение добавочного резистора в цепь питания тензомоста для температурной компенсации при постоянном напряжении питания уменьшает напряжение выходного сигнала с измерительной диагонали тензомоста, которое и без того составляет единицы милливольт. При этом уменьшается помехозащищенность полезного сигнала при передаче его по линии связи к устройствам обработки информации.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является 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 [4].
Недостатком данного преобразователя является фактор, не учитывающий влияние температуры тензомоста в широком диапазоне температур на выходные параметры преобразователя.
На фиг.2 представлена функциональная электрическая схема преобразователя.
Преобразователь содержит тензомост 1, 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 1 и к неинвертирующему входу операционного 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.
Однако формула (1) справедлива для данного устройства в случае, когда рабочая температура тензомоста не претерпевает значительных изменений.
-3
В реальных условиях эксплуатации датчиков (давления, силы и др. механических величин) рабочая температура тензомоста может изменяться в широком диапазоне (от минус 200°С до 150°С и даже шире) 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  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 пониженная точность при изменении рабочей температуры тензомоста датчика.
Техническим результатом изобретения является повышение точности преобразования сигнала разбаланса тензомоста датчика за счет уменьшения влияния температуры тензомоста на выходной сигнал.
Rн
н
и
Т
6
Это достигается тем, что в известном преобразователе, содержащем тензомост датчика, компаратор 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 подключен 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, диагональ питания тензомоста соединена с выходом компаратора через дополнительный резистор, сопротивление которого определено по соотношению:  где ε - номинальное значение относительного изменения сопротивлений тензорезисторов мостовой измерительной цепи; f - номинальное значение частоты выходного сигнала устройства (при номинальном давлении); R - сопротивление интегратора; ε - относительное изменение сопротивления мостовой измерительной цепи при изменении температуры в заданном интервале; С- емкость конденсатора, включенного между инвертирующим входом интегратора и выходом компаратора; R - сопротивление тензомоста.
На фиг.3 представлена функциональная электрическая схема частотного преобразователя сигнала тензомоста с уменьшенной температурной погрешностью.
Преобразователь содержит тензомост 1 датчика, интегратор 2 на операционном усилителе 3 с конденсатором в цепи отрицательной обратной связи 4, компаратор 5, выход которого через конденсатор 6 соединен с инвертирующим входом усилителя 3, а через дополнительный резистор 7 подключен к диагонали питания тензомоста, первый вход подключен к выходу интегратора 2, а второй вход - к одной из вершин измерительной диагонали тензомоста 1 и к неинвертирующему входу операционного усилителя 3. Другая вершина измерительной диагонали тензомоста 1 соединена со входом интегратора 2.
Преобразователь работает следующим образом.
0
1
0
0
R
4
6
п
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 на выходе интегратора 2 обусловлено положительным "скачком" напряжения с одной из вершин измерительной диагонали тензомоста 1, равным  где ε=ΔR/R - относительное изменение сопротивления тензометрического моста 1 под действием давления,  - относительное изменение сопротивления тензомоста при изменении температуры, и отрицательным "скачком" через конденсатор 6, равным  где C- емкость конденсатора 4, С - емкость конденсатора 6. Напряжение питания тензомоста U при подключенном дополнительном резисторе 7 будет определяться выражением
д
где R- сопротивление дополнительного резистора 7,  - относительное изменение сопротивления дополнительного резистора 7 при изменении температуры, R - сопротивление тензомоста,  - отношение сопротивлений дополнительного резистора и тензомоста.
С учетом начальных условий имеем:
Под действием напряжения разбаланса тензомоста 1, равного -  напряжение на выходе интегратора 2 будет увеличиваться до положительного порогового уровня компаратора 5, равного
В момент равенства порога срабатывания и напряжения на выходе интегратора вновь произойдет смена полярности выходного напряжения.
При этом напряжение на выходе интегратора будет равно
и
и
4
и
2
1
k
k
где τ=RC - постоянная времени интегратора 2, R - сопротивление интегратора, t-t=T/2; T - период колебаний выходного сигнала.
Для момента равенства напряжений на выходе интегратора и порогового уровня компаратора справедливо выражение
п
к
Подставляя в выражение (6) значение U из (3) и решая его относительно периода следования импульсов выходного сигнала т, получим выражение для выходной частоты преобразователя
дТ
Для случая, когда дополнительный резистор 7 расположен в схеме преобразователя при стационарной температуре и не подвержен ее влиянию, можно считать ε=0, и тогда выражение (7) примет вид
6
2
Как видно из формулы (8), влияние температуры на выходные параметры частотного преобразователя сигнала разбаланса тензомоста уменьшается примерно в (m+1) раз, где  Уменьшение выходной частоты преобразователя за счет введения дополнительного резистора 7 можно компенсировать уменьшением величины емкости конденсатора С во столько же раз. Уменьшение напряжения питания тензомоста за счет введения дополнительного резистора, соединенного с выходом компаратора, снижает мощность, выделяемую тензорезисторами, и не сказывается на чувствительности устройства, поскольку функция преобразования не зависит от напряжения питания. Снижение мощности, выделяемой тензорезисторами, позволяет снизить температуру разогрева тензорезисторов от протекающего через них тока. При этом снижается энергопотребление датчика примерно в m раз.
д
д
R
-3
Подставляя в формулу (8) реальные значения элементов схемы (фиг.3), были получены данные выходной частоты преобразователя при различных отношениях (m=R/R) сопротивлений добавленного резистора R и сопротивления тензомоста R, представленные в таблице 1, при разбалансе тензомоста ε=0,01 в диапазоне температур от минус 50°С до плюс 150°С для металлопленочных тензорезисторов с температурным коэффициентом сопротивления 3×10%10°С.
Из таблицы 1 видно, что с увеличением m в 4 раза уменьшается влияние температуры на частоту выходного сигнала и относительная погрешность преобразования уменьшается в 4,86 раз.
д
Величину сопротивления добавочного резистора R можно определить из формулы (8):
Rн
н
где ε - номинальное значение относительного изменения сопротивлений тензорезисторов мостовой измерительной цепи; f - номинальное значение частоты выходного сигнала устройства (при номинальном давлении).
Rн
н
и
6
T
д
-3
Так, если подставить в формулу (9); ε=6·10, f=4 кГц, R=7,45 кОм, С=10 пФ, ε=0,03 (для диапазона температур 100°С), R=700 Ом, то R=2802 Ом. В данном случае .
Проведенные экспериментальные исследования подтвердили преимущества предлагаемого преобразователя сигнала разбаланса тензомоста с уменьшенной температурной погрешностью по сравнению с прототипом.
На фиг.4 представлена электрическая схема преобразователя, собранная с использованием программы «Micro-Cap».
На фиг.5 и в таблице 2 приведены результаты моделирования схемы предлагаемого преобразователя (в программе «Micro-Cap»).
На фиг.6 представлена зависимость выходной частоты преобразователя от температуры тензомоста (датчика). Как видно из фиг.5, в указанном диапазоне температур (от минус 50 до плюс 150°С) у предлагаемого преобразователя (при m=4) относительное изменение частоты выходного сигнала с изменением температуры уменьшено по сравнению с прототипом (m=0) более чем в 6 раз.
Таким образом, благодаря отличительным признакам изобретения повышается точность преобразования сигнала разбаланса тензомоста датчика давления за счет уменьшения влияния температуры тензомоста на выходной сигнал.
Источники информации
1. Васильев В.А. Технологические особенности твердотельных мембранных чувствительных элементов // Вестник Московского государственного технического университета. Сер. Приборостроение, - М., 2002 - №4 - с.97-108.
2. Белозубов Е.М. Патент РФ №2031355, 6G01B 7/16. Способ термокомпенсации тензомоста. Опубл. 20.03.95. Бюл. №8.
3. Белозубов Е.М. Патент РФ №1615578, 5G01L 9/04. Датчик давления. Опубл. 23.12.90. Бюл. №47.
4. Авторское свидетельство СССР №828406, М. Кл. Н03К 13/20. Опубл. 07.05.81. Бюл. №17.