ИМИТАТОР СИГНАЛОВ МОСТОВЫХ ТЕНЗОРЕЗИСТОРНЫХ ДАТЧИКОВ
SIGNAL SIMULATOR OF STRAIN GAUGE BRIDGE 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. Имитаторы сигналов позволяют проводить как исследования метрологических характеристик новых систем для определения их соответствия требованиям технического задания на разработку, так и используются при проведении метрологических поверок систем в период эксплуатации в соответствии с установленным межповерочным периодом. На некоторых измерительных системах для повышения точности имитаторы сигналов применяют для калибровки системы непосредственно перед проведением измерений.
Имитаторы должны обеспечивать возможность исследования метрологических характеристик систем в условиях эксплуатации (быстродействие системы, длина линий связи от датчика до измерительного устройства, диапазон измерения, температурный диапазон эксплуатации системы, погрешность измерения и др.).
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) сигнала на измерительной диагонали вследствие шунтирования плеч моста. Такой имитатор позволяет применять бесконтактные ключи для подсоединения проводимостей к базовым резисторам моста и обеспечить высокое быстродействие.
Основной недостаток этого имитатора состоит в нестабильности выходных сигналов имитатора при изменении температуры окружающей среды. В имитаторе базовые резисторы шунтируются проводимостями и их сопротивления взаимозависимы, поэтому при изменении температуры окружающей среды сопротивления базовых резисторов и шунтов, например, из-за различных между собой температурных коэффициентов сопротивления (ТКС) изменят свою величину, что приведет к изменению выходных сигналов моста. Величины этих сигналов будут отличаться от величины сигналов, которые выдавал имитатор, при температуре его наладки, на величину погрешности. Эту погрешность компенсировать известными способами не представляется возможным.
Известен имитатор дискретного дисбаланса тензометрического моста - [Патент РФ №2315325, МПК G01R 17/00, 2008 г., выбран в качестве прототипа]. Устройство имитирует тензорезисторный мост и состоит из цепочки последовательно соединенных между собой резисторов и двух коммутаторов. Два крайних резистора цепочки, сопротивление которых равно половине сопротивления плеча мостового тензорезисторного датчика, соединены с клеммами электропитания устройства. Выводы остальных резисторов цепочки образуют ступени имитатора сигналов и соединены с входами коммутаторов. Выходы коммутаторов имитируют измерительную диагональ тензорезисторного моста и соединены с резисторами, сопротивление которых равно половине сопротивления плеча мостового тензорезисторного датчика. Устройство позволяет обеспечить с высокой точностью автоматизацию метрологических исследований быстродействующих измерительных систем. Сигналы ступеней имитатора представляют собой разности потенциалов двух различных выводов цепочки 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 измерительного устройства системы. Вместо реального "нуля" нормирующего преобразователя системой измеряется нулевой потенциал короткого замыкания.
Это является недостатком известного имитатора сигналов 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, 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, что 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.
Вследствие того, что известный имитатор не позволяет измерять реальный "нуль" нормирующего преобразователя измерительного устройства системы, 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.
Реальный "нуль" нормирующего преобразователя измерительного устройства системы позволяет измерять мостовой резисторный имитатор сигналов, с измерительной диагонали которого на вход нормирующего преобразователя подается разность потенциалов при подключении нулевой ступени имитатора. Поэтому для решения задачи измерения физической величины с помощью измерительной системы испытательного стенда при проведении калибровки мостового тензорезисторного датчика совместно с измерительной системой градуировочного стенда необходимо применять мостовой резисторный имитатор сигналов. В этом имитаторе желательно снизить погрешность воспроизведения сигналов ступеней, воспользовавшись преимуществами прототипа, и уменьшить температурную нестабильность сигналов ступеней.
Задачей и техническим результатом настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей имитатора сигналов мостовых тензорезисторных датчиков для обеспечения измерения физических величин измерительной системой испытательного стенда, удаленной от измерительной системы градуировочного стенда, при заданной точности воспроизведения сигналов имитатора.
Решение задачи и технический результат в имитаторе сигналов мостовых тензорезисторных датчиков достигаются тем, что имитатор сигналов мостовых тензорезисторных датчиков, содержащий два коммутатора, ко входам которых подсоединены выводы резисторов, последовательно соединенных между собой и запитываемых от источника электропитания, выполнен по схеме резисторного моста, в котором сопротивления плеч равны номинальному сопротивлению плеч тензорезисторов мостового датчика, между каждой парой резисторов, образующих плечи моста, к которым подведено электропитание моста, включены цепочки из последовательно соединенных резисторов, при этом одна цепочка состоит из m-1 резисторов и имеет m выводов, которые соединены с соответствующими входами первого коммутатора, вторая цепочка состоит из n-1 резисторов и имеет n выводов, которые соединены с соответствующими входами второго коммутатора, на выходах коммутаторов, представляющих измерительную диагональ моста, количество ступеней сигналов имитатора равно m×n; при наличии одной цепочки из m-1 резисторов количество ступеней сигналов имитатора равно m.
На фигуре 1 представлена схема заявляемого имитатора сигналов мостовых тензорезисторных датчиков.
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 измерительную диагональ моста. Коммутаторы выполнены на бесконтактных ключевых элементах. Управляющие входы коммутаторов предназначены для подсоединения к контроллеру измерительной системы при использовании имитатора в составе системы или подсоединены к специальному устройству 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 цепочек резисторов. Одна цепочка включает базовые резисторы R1 и R4, сопротивление которых равно номинальному сопротивлению плеч тензорезисторов мостового датчика, и последовательно соединенные между собой резисторы r1, …, r4. Величины сопротивлений резисторов r1, …, r4 равны между собой. Резистор r1 с одной стороны соединен с резистором R1, а с другой стороны - с резистором r2, резистор r4 с одной стороны соединен с резистором R4, а другой стороны - с резистором r3. Вторая цепочка включает базовые резисторы R2 и R3, сопротивление которых равно номинальному сопротивлению плеч тензорезисторов мостового датчика, и последовательно соединенные между собой резисторы r5, r6. Сопротивления резисторов r5, r6 равны. Резистор r5 с одной стороны соединен с резистором R2, а с другой стороны - с резистором r6, резистор r6 с одной стороны соединен с резистором R3, а другой стороны - с резистором r5. Резисторы R1 и R2 соединены между собой и с клеммой Пит. 1, а резисторы R3 и R4 соединены между собой и с клеммой Пит.2. Выводы резисторов r1, …, r4 соединены с соответствующими входами коммутатора 1. Количество выводов равно m, поэтому количество резисторов r1, …, r4 должно быть m-1.
На фиг. 1 количество резисторов r1, …, r4 m-1=4, количество выводов резисторов m=5 (на фиг. 1 они обозначены номерами с 1 по 5). Выводы резисторов r5, r6 соединены с соответствующими входами коммутатора 2. Количество выводов равно n, поэтому количество резисторов r5, r6 должно быть n-1. На фиг. 1 количество резисторов r5, r6 n-1=2, количество выводов резисторов n=3 (на фиг. 1 они обозначены номерами 6, 7, 8). Величина m×n представляет собой количество ступеней сигналов имитатора (имитатор, представленный на фиг. 1, формирует 5×3=15 ступеней сигналов).
Заявляемый имитатор сигналов может иметь следующие варианты исполнения.
При n=1 имитатор состоит из одной цепочки резисторов r1, …, r4 (цепочка включает m-1 резисторов), соединенной с резисторами R1 и R4. Вторая цепочка состоит из резисторов R2 и R3, точка соединения которых представляет Вых. 2, поэтому коммутатор 2 может отсутствовать. Применение имитатора с одной цепочкой из m-1 резисторов целесообразно с точки зрения количества применяемых в нем резисторов в том случае, когда количество ступеней не превышает 5. При количестве ступеней 7 и больше рекомендуется применять имитатор с двумя цепочками, состоящими из m-1 и n-1 резисторов, так как количество резисторов, применяемых для формирования ступеней, будет меньше. Кроме того, имитатор по схеме фиг. 1 имеет лучшую симметрию плеч моста, поэтому позволяет компенсировать температурную нестабильность сигналов ступеней более простыми способами.
Цепочка резисторов r5, r6 (цепочка включает n-1 резисторов) может быть постоянно зашунтирована резистором, который предназначен для уменьшения диапазона воспроизведения сигналов имитатора.
Имитатор может быть выполнен на любое количество ступеней. В этом случае большие номера ступеней не используются.
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, которые последовательно включают бесконтактные ключевые элементы и подсоединяют выводы резисторов r1, …, r4 к выходу коммутатора 1, а выводы резисторов r5, r6 подсоединяют 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 сигналы ступеней имитатора сигналов. Последовательность подключения выводов резисторов к коммутаторам следующая: 1-6, 2-6, 3-6, 4-6, 5-6, 1-7, 2-7, 3-7, 4-7, 5-7, 1-8, 2-8, 3-8, 4-8, 5-8. Таким образом, формируется 15 ступеней сигналов имитатора. При подключении выводов 3-7 формируется нулевая ступень имитатора.
k
вx
Погрешность воспроизведения сигналов заявляемого изобретения не превышает погрешности воспроизведения сигналов прототипа и зависит от величины сопротивления бесконтактных ключевых элементов коммутаторов r и входного сопротивления измерительной цепи системы R.
k
вx
Например, при сопротивлении одного ключа в открытом состоянии r=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 величин сигналов ступеней имитатора при питании имитатора от источника тока I. Введены следующие обозначения: R1=R2=R3=R4=R; r1=r2=r3=r4=r; r5=r6=r0.
1
Величина тока I, протекающего через резисторы r1, …, r4, равна
величина тока, протекающего через резисторы r5, r6, равна
Выходной сигнал имитатора на ступени
Выходной сигнал имитатора на ступени
Выходной сигнал имитатора на ступени
Выходной сигнал имитатора на ступени
Выходной сигнал имитатора на ступени
Выходной сигнал имитатора на ступени
Выходной сигнал имитатора на ступени
Выходной сигнал имитатора на ступени
Выходной сигнал имитатора на ступени
Выходной сигнал имитатора на ступени
Выходной сигнал имитатора на ступени .
Выходной сигнал имитатора на ступени
Выходной сигнал имитатора на ступени
Выходной сигнал имитатора на ступени
Выходной сигнал имитатора на ступени
Из расчета следует, что величины сигналов ступеней имитатора попарно, но с разным знаком, равны между собой и могут быть равномерно расположены симметрично относительно нуля. В Таблице 1 приведены номера ступеней имитатора и соответствующие им значения сигналов.
Величины сопротивлений резисторов r(r=r1=r2=r3=r4) и r0 (r0=r5=r6) вычисляются при решении системы уравнений:
min
U=I×k
max
U=I×D
min
min
27
max=
18
где U - выходной сигнал имитатора, соответствующий величине ступени к имитатору сигналов (для приведенного на фиг. 1 имитатора U=U),  - выходной сигнал имитатора, соответствующий величине диапазона D воспроизведения положительных ступеней сигналов имитатора (для приведенного на фиг. 1 имитатора UU). С достаточной степенью точности величина k равна половине величины сопротивления r.
В связи с тем, что в каждом плече моста предлагаемого имитатора резисторы не шунтируются, а представляют цепочки последовательно соединенных резисторов с постоянной величиной сопротивления при постоянной температуре окружающей среды, уменьшить температурную нестабильность сигналов на каждой ступени имитатора при изменении температуры можно известными способами. Температурная нестабильность приводит к сдвигу нуля на нулевой ступени имитатора.
Например, один из способов компенсации температурной нестабильности нуля заключается в подборе сопротивлений резисторов по номиналу и величине температурного коэффициента сопротивления. Оставшийся дисбаланс моста, обусловленный возможным отклонением сопротивлений моста от номиналов, сводится к нулю путем выравнивания сопротивления плеч резисторного моста при температуре около 20°С. Для этого в соответствующее плечо (плечи) моста припаивается провод, материал которого по ТКС близок к ТКС резисторов, например медный провод, сопротивление которого рассчитывается из условия баланса моста. В совокупности это позволяет уменьшить погрешность воспроизведения величины сигналов имитатора на каждой ступени.
Изготовлен имитатор сигналов тензометрического моста на резисторах С2-29В. В имитаторе применен описанный выше способ компенсации температурной нестабильности нуля. Имитатор выполнен по схеме m=3, n=3 на 7 ступеней сигналов (ступени -4 и 4 не использовались). При токе питания 10 мА диапазон сигналов имитатора равен ±33 мВ. В диапазоне работы измерительной системы от 10°С до 30°С погрешность от температурной нестабильности нуля имитатора не превышала ±0,05% от диапазона воспроизведения сигналов имитатора.
Применение данного изобретения позволит повысить точность воспроизведения сигналов мостового резисторного имитатора и точность измерения физических величин при использовании измерительной системы испытательного стенда, удаленной от градуировочного стенда, на котором проводилась калибровка мостовых тензорезисторных датчиков различных физических величин (силы, давления, перемещения и др.), с помощью измерительной системы испытательного стенда.