ИМИТАТОР СИГНАЛОВ ТЕНЗОРЕЗИСТОРА

Полезная модель относится к измерительной технике и предназначена для формирования заданного количества дискретных приращений сопротивления относительно номинального сопротивления имитируемого тензорезистора при проведении метрологических исследований, поверки и калибровки быстродействующих измерительных систем в автоматическом режиме.
Повышение точности установления функции преобразования при проведении метрологических исследований и калибровке измерительной системы может быть достигнуто при увеличении количества эталонных значений приращения сопротивления (не менее 20) в пределах диапазона измерения системы. В основном для выполнения этих исследований применяют магазины сопротивлений, задавая вручную приращения сопротивления относительно номинального сопротивления имитируемого тензорезистора. Проведение метрологических исследований с применением магазинов сопротивлений требует больших затрат времени, ручного труда и неизбежных ошибок в задании величины приращения сопротивления при большом количестве поверяемых каналов в системе. Для исключения этих недостатков измерительные системы стали оснащать автоматическими тензокалибраторами, в которых для формирования приращений сопротивления используют имитаторы сигналов тензорезисторов. К сожалению, в известных имитаторах сигналов тензорезисторов или имеется возможность задавать необходимое количество ступеней приращения сопротивления, но они не могут использоваться в быстродействующих системах, или они применяются в быстродействующих системах, но с малым количеством ступеней. В связи с этим появилась необходимость создания имитатора сигналов тензорезисторов, в котором реализована возможность увеличения количества дискретных приращений сопротивления относительно номинального сопротивления имитируемого тензорезистора с требуемой точностью. Один из возможных вариантов такого имитатора сигналов является предметом настоящей полезной модели.
Известен имитатор сигналов тензорезисторов, в котором формируется заданное количество ступеней приращения сопротивления (Беклемишев А.И., Судаков В.А. Устройство для автоматизации исследований метрологических характеристик. Труды ЦАГИ, вып. 2105, 1981, с. 75, рис. 3). Имитатор сигналов представляет собой цепочку из последовательно соединенных между собой пяти опорных резисторов, каждый из которых через контакт реле соединен со своим шунтирующим резистором. Свободные выводы первого и пятого резисторов подсоединяют соответственно к первой и второй паре выходов, один из которых является токовым, а второй - измерительным выходом имитатора. Величины опорных и шунтирующих резисторов рассчитаны, исходя из полного диапазона приращения сопротивления имитируемого тензорезистора, величины максимального сопротивления имитируемого тензорезистора (номинального сопротивления имитируемого тензорезистора плюс половина полного диапазона приращения сопротивления тензорезистора), количества ступеней, числа разрядов двоичного кода. Для управления подключением шунтирующих резисторов применяется двоичный код. В имитаторе сигналов тензорезисторов можно сформировать 31 ступень приращения сопротивления относительно номинального сопротивления тензорезистора 120 Ом в полном диапазоне 4,8 Ом (±2,4 Ом). В имитаторе влияние сопротивлений выводных проводников исключается четырехпроводным включением имитатора в измерительную цепь с использованием измерительных и токовых выводных проводников. Однако влияние сопротивления элемента соединительной связи шунта со схемой имитатора, куда входит сопротивление соединительного провода и коммутирующего элемента включения шунта, не позволяет применять известный имитатор сигналов тензорезистора при быстрых (порядка нескольких тысяч в секунду) переключениях, необходимых для поверки быстродействующих измерительных приборов и систем. Требование высокого быстродействия обязывает использовать для включения шунта в измерительную схему имитатора бесконтактные переключатели типа МОП-транзисторов. Проведенные расчеты показывают, что даже при применении лучших бесконтактных переключателей с сопротивлением ключей в открытом состоянии 4 Ом, минимальная относительная погрешность от влияния ключевых элементов в имитаторе примерно равна 0,4%, что недопустимо для точных измерений. Поэтому недостаток известного имитатора сигналов тензорезистора заключается в том, что этот имитатор нельзя применять в быстродействующих системах для исследования их метрологических характеристик и поверки с требуемой точностью.
Известен имитатор сигналов тензорезистора, в котором опорный резистор, шунтируют через бесконтактный ключевой элемент сопротивлением. Сопротивление опорного резистора равно номинальному сопротивлению имитируемого тензорезистора. Величину сопротивления шунтирующего резистора рассчитывают из условия, заключающегося в том, чтобы при шунтировании опорного резистора его величина уменьшилась на расчетную величину. Имитатор сигналов с предложенной схемой формирования одной ступени приращения сопротивления тензорезистора может быть использован для формирования заданного количества ступеней приращения сопротивления при применении шунтирования опорного резистора различным количеством шунтирующих резисторов. Величина опорного резистора в исходном состоянии при этом должна быть равна сумме номинального сопротивления имитируемого тензорезистора и половины полного диапазона приращения сопротивления имитируемого тензорезистора, а величина сопротивлений шунтирующих резисторов рассчитывается из условия формирования ступеней приращения сопротивления с заданным шагом ступени.
Основной недостаток этого имитатора состоит в том, что при формировании больших приращений сопротивления (порядка нескольких Ом) величина сопротивления шунтирующего резистора составит единицы кОм. Поэтому на больших значениях приращения сопротивления будет сказываться влияние сопротивления ключевого элемента на погрешность формирования ступени. Например, для имитатора, который рассчитан на 5 ступеней приращения сопротивления (две положительные: +2 Ом и +1 Ом, нулевая: 0 Ом, и две отрицательные: -1 Ом и - 2 Ом) относительно номинального сопротивления имитируемого тензорезистора 100 Ом, в исходном состоянии сопротивление опорного резистора должно быть 102 Ом. Это соответствует максимальной положительной ступени приращения сопротивления (+2 Ом) относительно номинального сопротивления имитируемого тензорезистора 100 Ом. Соответственно полный диапазон имитируемых приращений сопротивления тензорезистора 4,0 Ом (100±2 Ом). Выберем коммутирующий элемент переключателя с сопротивлением в открытом состоянии 4 Ом. Для формирования второй отрицательной ступени требуется уменьшить сопротивление опорного резистора на 4 Ом (до 98 Ом). Применяемый при этом шунтирующий резистор должен иметь сопротивление 2499 Ом. Относительная погрешность имитации приращения сопротивления из-за влияния сопротивления ключевого элемента в открытом состоянии в данном случае примерно равна 0,31%, что недопустимо для точных измерений. С уменьшением величины приращения эта погрешность уменьшается. Кроме того, в такой схеме имитатора с параллельными шунтами для уменьшения количества разрядов управления переключателем необходимо проводить суммирование разрядов. Однако суммирование разрядов в этом случае приводит к нелинейной зависимости приращения сопротивления на каждой ступени. Для обеспечения линейной зависимости приращения сопротивления на каждой ступени необходимо подключать каждый шунтирующий резистор с помощью своего бесконтактного ключевого элемента, как это было рассмотрено в приведенном примере. Это ведет к тому, что переключатель ступеней должен иметь количество входов равное количеству шунтирующих резисторов. А это в свою очередь ведет к увеличению количества оборудования и увеличению влияния сопротивления «закрытых» ключей.
Известен четырехпроводный имитатор сигналов тензорезистора (Патент РФ №2251115 "Четырехпроводный имитатор дискретного приращения сопротивления тензорезисторов", выбран в качестве прототипа). Известный имитатор сигналов тензорезистора состоит из переключателя и формирователя ступеней приращения сопротивления тензорезистора. Переключатель имеет n+1 входов и один выход. Формирователь ступеней представляет собой цепь последовательно соединенных резисторов, один из которых является опорным и с одной стороны соединен с первой парой выводов, один из которых является токовым, а второй измерительным выводом имитатора. С другой стороны опорный резистор через цепь последовательно соединенных с ним n резисторов ступеней имитации соединен с токовым выходом второй пары выводов имитатора. Измерительный вывод второй пары выводов имитатора подключен к выходу переключателя, а его входы соединены последовательно со всеми выводами n резисторов ступеней имитации. Имитатор позволяет сформировать n+1 ступеней приращения сопротивления с требуемой погрешностью.
Недостаток известного имитатора сигналов тензорезистора для обеспечения формирования n+1 количества ступеней приращения сопротивления состоит в том, что при увеличении количества ступеней до заданного значения m, которое больше n+1, необходимо увеличивать количество резисторов ступеней имитации до величины m-1. Это приведет к увеличению количества входов переключателя до величины m и увеличению количества оборудования.
Техническим результатом полезной модели является расширение функциональных возможностей четырехпроводного имитатора дискретного приращения сопротивления тензорезистора на n+1 ступеней, где n количество резисторов, предназначенных для формирования ступеней приращения сопротивления тензорезистора, заключающееся в увеличении количества ступеней приращения сопротивления тензорезистора в таком имитаторе до величины 2n+1 при сокращении общего количества резисторов и каналов управления, предназначенных для формирования ступеней приращения сопротивления тензорезистора.
Технический результат достигается тем, что имитатор сигналов тензорезистора, содержащий соединенную с токовым входом цепь последовательно соединенных резисторов, бесконтактный переключатель, входы которого соединены последовательно со всеми выводами цепи последовательно соединенных резисторов, а выходы соединены между собой и образуют первый измерительный вывод, и опорный резистор, с одной одной стороны соединенный с выходом цепи последовательно соединенных резисторов, а с другой стороны - с токовым и вторым измерительным выводами, дополнительно содержит шунтирующий резистор и бесконтактный ключевой элемент, при этом шунтирующий резистор подсоединен параллельно опорному резистору через бесконтактный ключевой элемент.
0
0
1
0
ш
k
ш
1
1
0
ш
ш
1
1
1
Схема имитатора сигналов тензорезистора представлена на фиг. 1. Имитатор сигналов тензорезистора состоит из переключателя К с n+1 входами и одним выходом и формирователя ступеней приращения сопротивления тензорезистора, представляющего собой цепь последовательно соединенных резисторов, один из которых является опорным R и с одной стороны соединен с первой парой выводов, один из которых является токовым, а второй измерительным выводом имитатора. С другой стороны опорный резистор R через цепочку последовательно соединенных с ним n резисторов ступеней имитации R, сопротивления которых равны между собой, соединен с токовым выходом второй пары выводов имитатора, измерительный вывод которой подключен к выходу переключателя, а его входы соединены последовательно со всеми выводами n резисторов ступеней имитации. При этом величина сопротивления каждого резистора ступеней имитации соответствует величине полного диапазона приращения сопротивлений имитатора, деленной на количество резисторов n, а количество резисторов ступеней имитации соответствует четному числу. Параллельно опорному резистору R через бесконтактный ключевой элемент Кл, с сопротивлением во включенном состоянии равное r, подсоединен шунтирующий резистор R. Величина опорного резистора равна разности величины номинального сопротивления имитируемого тензорезистора и суммы сопротивлений n-1 резисторов ступеней имитации, деленной на два. Величина сопротивления шунтирующего резистора при известном сопротивлении ключевого элемента в открытом состоянии выбирается из условия, что величина опорного резистора при подключении шунтирующего резистора равна разности величины номинального сопротивления имитируемого тензорезистора и суммы сопротивлений n резисторов ступеней имитации, деленной на два. В качестве примера рассмотрим схему имитатора сигналов тензорезисторов, предназначенного для формирования 21 ступени приращения сопротивления тензорезистора с номинальным сопротивлением 100 Ом и диапазоном изменения сопротивления ±2 Ом. Такой имитатор имеет следующие параметры: количество резисторов R равно 10, сопротивление резистора R равно 0,4 Ом, расчетное сопротивление резистора R равно 98,2 Ом, сопротивление бесконтактного ключевого элемента Кл в открытом состоянии равно 4 Ом, расчетное сопротивление R равно 48118 Ом. Относительная погрешность формирования максимальной отрицательной ступени из-за влияния сопротивления ключевого элемента составляет 0,0008%. Для упрощения подбора сопротивления резисторов R до 0,4 Ом можно, например, выбрать сопротивление каждого резистора R равным 2 Ом и все 10 резисторов R зашунтировать сопротивлением 5 Ом. При этом сопротивление 5 Ом можно сформировать при последовательном соединении двух резисторов, имеющих сопротивление 2 Ом и 3 Ом.
0
ш
ш
ш
0
1
ш
0
Имитатор сигналов тензорезистора работает следующим образом. Перед началом работы имитатор подсоединяется к измерительному устройству, источник тока которого обеспечивает токовое питание имитатора, а измерительные выводы имитатора соединяются с измерительными выводами этого устройства. В начале работы имитатора к опорному резистору R через бесконтактный ключевой элемент Кл подключается шунтирующий резистор К. Включается бесконтактный ключевой элемент переключателя К, и подсоединяется первый вход переключателя к измерительному выводу имитатора. На измерительных выводах имитатора сформировано напряжение, пропорциональное приращению сопротивления первой ступени из 21 относительно номинального сопротивления тензорезистора (максимальному отрицательному - 2 Ом для приведенного в качестве примера имитатора). После измерения этого напряжения шунтирующий резистор R отключается от опорного резистора R и при подключенном первом входе переключателя К на измерительных выводах имитатора сформируется напряжение, пропорциональное сопротивлению второй ступени приращения сопротивления относительно номинального сопротивления тензорезистора (-1,8 Ом). Шаг приращения ступени равен половине сопротивления резистора R (0,2 Ом). Далее шунтирующий резистор снова подключается к опорному резистору, второй вход переключателя подсоединяется к измерительному выводу имитатора. На измерительных выводах имитатора формируется напряжение, пропорциональное третьей ступени приращения сопротивления относительно номинального сопротивления тензорезистора (-1,6 Ом). После измерения этого напряжения шунтирующий резистор R отключается от опорного резистора R и при подключенном втором входе переключателя К на измерительных выводах имитатора сформируется напряжение, пропорциональное приращению сопротивления четвертой ступени относительно номинального сопротивления тензорезистора (-1,4 Ом). Последующие ступени с пятой по 2n (с пятой по двадцатую) в имитаторе формируются аналогичным образом. Отличается лишь формирование в имитаторе 2n+1 ступени (21 ступени). Эта максимальная положительная ступень (+2 Ом) формируется при подключении шунтирующего резистора к опорному резистору и подсоединении n+1 входа переключателя (11 входа) к измерительному выводу имитатора.
Изготовлен макет на прецизионных резисторах С2-29В и проведены исследования, которые подтвердили работоспособность предложенного имитатора сигналов тензорезистора. Применение данной полезной модели позволит сформировать в имитаторе 2n+1 ступеней приращения сопротивления, сократить количество оборудования и обеспечить проведение с заданной погрешностью калибровки, метрологических исследований и поверки каналов измерения сигналов тензорезисторов быстродействующих измерительных систем.