Компенсация мультипликативной температурной погрешности тензорезисторных датчиков

Дубинина Мария Михайловна, магистр кафедры «Измерительно-вычислительные комплексы» Ульяновского государственного технического университета, инженер расчётно-теорети-ческого отдела ОАО «Ульяновское конструкторское бюро приборостроения».

Сорокин Михаил Юрьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Измерительно-

вычислительные комплексы» Ульяновского государственного технического университета, начальник расчётно-теоретического отдела ОАО «Ульяновское конструкторское бюро приборостроения».

УДК 681.586

А. В. ТИХОНЕНКОВ, Д. А. СОЛУЯНОВ

КОМПЕНСАЦИЯ МУЛЬТИПЛИКАТИВНОЙ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ПОГРЕШНОСТИ ТЕНЗОРЕЗИСТОРНЫХ ДАТЧИКОВ

Рассматривается схемный способ компенсации мультипликативной температурной погрешности тензорезисторных датчиков с учётом положительной нелинейности температурной характеристики девиации выходного сигнала.

Ключевые слова: температура.

компенсация, мостовая схема, мультипликативная погрешность, нелинейность,

Современные системы контроля и управления в различных отраслях промышленности предъявляют высокие требования к точности и стабильности средств измерения.

Большое распространение в данной области получили тензорезисторные датчики. Одним из наиболее мощных дестабилизирующих факторов тензодатчиков является температура. Компенсация температурной погрешности является одной из приоритетных задач при разработке и изготовлении тензорезисторных датчиков.

В настоящее время предложены способы компенсации температурной погрешности, которые позволяют учесть нелинейность температурной характеристики девиации выходного сигнала (НТХДВС) датчика благодаря использованию микропроцессоров и микроконтроллеров. Один из них основан на использовании двух каналов: информационного и температурного [1]. Для подобного решения характерны следующие недостатки:

© Тихоненков В. А., Солуянов Д. А., 2013

1) усложнение измерительной схемы из-за наличия двух измерительных каналов;

2) высокие требования к точности и стабильности канала измерения температуры;

3) разница между среднеинтегральной температурой тензорезисторов измерительного канала и температурой, воспринимаемой вторым каналом, может составлять десятки градусов;

4) значительная температурная погрешность при нестационарных тепловых режимах эксплуатации из-за разности температур измерительного и температурного канала;

5) уменьшение частотного диапазона измеряемого физического параметра, которое вызвано необходимой цифровой обработкой измерительной информации.

В другом способе мостовую цепь используют в качестве дополнительного канала, измеряющего температуру [2]. Подобное решение устраняет дополнительную температурную погреш-

ность, вызванную нестационарным тепловым режимом, но не решает вопрос возникновения температурной погрешности. В этом случае селективность датчика к измеряемой физической величине приводит к уменьшению чувствительности дополнительного канала к температуре на 1-2 порядка по сравнению с предыдущим случаем. В результате снижается нижний порог чувствительности температурного канала, что не позволяет получить требуемую точность компенсации температурной погрешности.

Существующие схемные способы компенсации температурной погрешности лишены данных недостатков, но не позволяют учесть НТХДВС датчика в рабочем диапазоне температур. По этой причине ведётся разработка схемных способов, которые позволят учесть нелинейность температурной характеристики датчика.

В [3] предлагается схемный способ компенсации мультипликативной температурной погрешности с учётом отрицательной НТХДВС датчика микроэлектронного исполнения. Способ заключается во включении в выходную диагональ мостовой цепи термозависимого резистора Яавых, зашунтированного термонезависимым резистором Ядвых, при работе датчика на низкоомную нагрузку ЯН(Ян < 2  Я-ьх, где Явых — выходное сопротивление мостовой цепи). Область применения данного способа определяется системой:

I «+ > 0, 325 • • + 0, 05 • 10-4 1 / °С; [Аадо = а+о -а-о <-2,0 • 10-6 1 / °С,

где до — ТКЧ мостовой цепи при температуре 1+, соответствующей верхнему пределу рабочего диапазона температур;

0С~

до — ТКЧ мостовой цепи при температуре ^, соответствующей нижнему пределу рабочего диапазона температур.

Как видно из (1), разработанный схемный способ компенсации мультипликативной температурной погрешности позволяет учесть только отрицательную НТХДВС. По этой причине был

разработан схемный способ компенсации мультипликативной температурной погрешности с учётом положительной НТХДВС.

Как показано в [3], нелинейность ТКЧ мостовой цепи включает в себя две составляющие:

1) нелинейность, вносимая тензорезисторами, установленными на упругом элементе, которая может принимать как отрицательное, так и положительное значение;

2) нелинейность, вносимая измерительной схемой, которая всегда является отрицательной при использовании мостовой цепи.

В соответствии с пунктом 2 можно произвести компенсацию мультипликативной температурной погрешности с учётом НТХДВС в два этапа:

1) преобразовать положительную НТХДВС в отрицательную;

2) произвести компенсацию с учётом полученной отрицательной НТХДВС путём включения резисторов в выходную диагональ мостовой цепи в соответствии со способом, описанным в

[3].

Рассмотрим подробнее преобразование положительной НТХДВС в отрицательную. Для этого в диагональ питания мостовой цепи следует включить термозависимый резистор Raвх. Выходное напряжение мостовой цепи после включения термозависимого резистора Яавх при воздействии температуры определяется выражением:

к Я (1+ а А )(1 + алА) 4

и , =и к ,--^-

вЫХ' ""т (к + 1)2 Ях (1+ а-х^)+Яавх (1+ а^) =1 '

где ивЬ1Х( - выходное напряжение мостовой цепи при воздействии температуры;

ипит - напряжение питания мостовой цепи;

к = Я1 /Я2 = Я3 /Я4 - коэффициент симметрии мостовой цепи;

Явх - входное сопротивление мостовой цепи датчика;

авх - ТКС входного сопротивления;

= ^ - ^0 - изменение температуры;

ад - ТКЧ тензорезисторов;

Raex - номинал термозависимого резистора, включённого в цепь питания;

ак - ТКС термозависимого резистора Raexx;

t - воздействующая температура;

t0 - нормальная температура.

Анализ зависимости (2) позволяет сделать следующие выводы:

1) После включения резистора Raex у зависимости напряжения питания от температуры будет составляющая, обратно пропорциональная росту температуры, что приведёт к смещению зависимости НТХДВС в сторону отрицательных значений.

2) С уменьшением ТКС входного сопротивления влияние термозависимого резистора Raex на отрицательную составляющую НТХДВС возрастает, числитель выражения (2) меньше увеличивается при воздействии температуры, что увеличивает смещение НТХДВС в область отрицательных значений. Таким образом, уменьшение ТКС входного сопротивления расширяет область преобразования положительной НТХДВС в отрицательную путём включения термозависимого резистора Raex.

Для уменьшения ТКС входного сопротивления следует произвести шунтирование входного сопротивления термонезависимым резистором Ru, номинал которого должен быть не менее входного сопротивления мостовой цепи. При меньших номиналах Rш существенно уменьшается чувствительность датчика. По этой причине номинал шунта Ru следует брать равным входному сопротивлению мостовой цепи Rex, что позволит максимально расширить область преобразования НТХДВС.

Поскольку, в соответствии с (1), включение резисторов Raeux и Rдвых позволяет произвести компенсацию мультипликативной температурка, <-2,0 -10-61 / °C ной погрешности при до ' , то

вычисление номинала резистора Raex следует производить исходя из обеспечения равенства:

Аад =-2,0-10-61 / °C.

Для этого необходимо решить следующее уравнение:

Rex< (1 + "A ) + Raex (а+х + - "к + ) -

Rex

Rex"

= -2,0 -10-61 / °C,

а

где вх - ТКС входного сопротивления мостовой цепи при температуре ^ ;

а

а

- ТКС резистора Raex при температуре t+;

- ТКС резистора Яавх при температуре Г.

На основе численных экспериментов было установлено, что область преобразования НТХДВС в отрицательную ограничена. На рис. 1 представлена зависимость области преобразования НТХЖВС от ТКЧ тензорезисторов, ТКС входного сопротивления при различных значениях.

10~4,[/°С

10

Область

иреоор; LiüBii ния г

* ** —

-- **

*

***

Ooj асть отс; (ТСТЕ и я

пре обра Job а НИЯ

3 4 5 6 7

9 10"

10 Л/°С

Jcr,= 0,1/"С а

"Лог, = 10 1/'С о

-6

----Аа, = 5- 10 , 1/°С

-5

'zier, = 10 , 1/°С

Рис. 1. Область преобразования положительной НТХДВС в отрицательную

При принадлежности а+ и Аад области преобразования, пред- ставленной на

рис. 1, возможно преобразование положительной НТХДВС в отрицательную путём включения резисторов Яавх и Яш в диагональ питания мостовой цепи. Если после включе-

ния резисторов Яавх, Яш пара- а+о метры и Аадо удовлетворяют системе (1), то возможна

компенсация мультипликативной температурной погрешности путём включения резисторов Я авых и Я двых при работе датчика на нагрузку Ян < 2  Явы1х. Результирующая схема включения компенсационных резисторов представлена на рисунке 2.

/г

авх

6

ипит [ Кш

о

Рис. 2. Схема включения компенсационных резисторов

На основе численных экспериментов было установлено, что погрешность после компенсации мультипликативной температурной погрешности рассмотренным способом при положительной НТХДВС не превышает 0,01 %. Погрешность компенсации зависит только от точности изготовления компенсационных резисторов и точности определения физических характеристик тензорезисторов.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Пат. 2304762 Российская Федерация, МПК G01L9/04 Способ и устройство измерения давления / В. И. Садовников, А. Н. Кононров, А. Я. Аникин, В. А. Ларионов, А. Л. Шестаков;

заявитель и патентообладатель ЮжноУральский государственный университет. -№2006110266/28; заявл. 20.08.2007; опубл. 20.08.2007, Бюл. №23.

2. Дружинин, А. А. Многофункциональный датчик давления и температуры на основе твёрдых растворов [текст]/ А. А. Дружинин, И. П. Островский, С. Н. Матвиенко, А. М. Вуй-цик// Технология и конструирование в электронной аппаратуре. - 2005. - №6. - С. 24-26.

3. Пат. 2443973 Российская Федерация, МПК О 01 В 7 / 16 Способ настройки тензорези-сторных датчиков с мостовой измерительной цепью по мультипликативной температурной погрешности с учётом нелинейности температурной характеристики выходного сигнала датчика / В. А. Тихоненков, Л. Н. Винокуров; заявитель и патентообладатель Ульяновский государственный технический университет. -№ 2010142328/28; заявл. 15.10.2010; опубл. 27.02.2012, Бюл. №6.

Тихоненков Владимир Андреевич, кандидат технических наук, профессор кафедры «Измерительно-вычислительные комплексы» УлГТУ. Солуянов Денис Александрович, аспирант кафедры «Измерительно-вычислительные комплексы» УлГТУ.