имитатор дискретного дисбаланса тензометрического моста

Формула изобретения

1. Имитатор дискретного дисбаланса тензометрического моста, содержащий четыре базовых резистора, подключенных к соответствующим вершинам имитируемого моста, отличающийся тем, что в него введены один или несколько резисторов ступеней имитации, включенных последовательно в питающую диагональ имитируемого моста вместе с соответствующими базовыми резисторами, а свободные выводы базовых резисторов выходной диагонали имитируемого моста непосредственно или через один или два соответствующих коммутатора соединены с выводами резисторов ступеней имитации.

2. Имитатор по п.1, отличающийся тем, что последовательная цепь резисторов ступеней имитации зашунтирована дополнительным резистором диапазона имитации.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для скоростной имитации дискретного дисбаланса тензометрических мостовых датчиков (например, динамометров) при автоматизации метрологических исследований быстродействующих измерительных приборов и систем в электротензометрии.

В силу известных преимуществ наиболее распространенным и универсальным видом измерения различных физических величин (деформаций, перемещений, давлений, моментов, сил и т.д.) является электротензометрия. Количество измерительных приборов, используемых для этих целей, исчисляется сотнями тысяч. Метрологическими характеристиками этих приборов определяется степень совершенства технологических процессов промышленного производства, экономии сырья, материалов и энергоресурсов, повышения качества продукции и производительности труда во многих отраслях науки, техники и в ведущих отраслях народного хозяйства, включая авиастроение, ракетостроение, машиностроение, судостроение, тракторостроение, автомобилестроение, станкостроение, мостостроение, приборостроение, атомную, металлургическую, химическую, нефтяную, газовую, угольную, легкую, пищевую, лесобумажную, электротехническую отрасли промышленности, строительство, транспорт, сельское хозяйство, медицину, торговлю и т.д. Требования к точностным характеристикам постоянно растут и в ближайшее время погрешность тензометрических приборов и соответствующих метрологических средств, включающих имитаторы дискретного дисбаланса тензометрических мостовых датчиков, должны быть снижены до величин порядка 0,01...0,002% (Ю.С.Плискин, А.П.Ракаев. Перспективы развития приборов для тензорезисторных датчиков. Труды НИКИМПа. Вопросы совершенствования испытательных машин, приборов и средств измерения масс. Москва, 1980, с.92...95). При проведении метрологических исследований тензометрической аппаратуры широкое распространение получили устройства, имитирующие выходные сигналы измерительных преобразователей в виде тензометрического моста [1. Беклемищев А.И. и др. - Измерительная техника, 1977, №1, с.201. 2. Волобуев B.C. - Труды ЦАГИ, 1977. вып. 1847, с.42. 3. Дубов Б.С. и др. - Измерительная техника, 1977, №1, с.56].

Широко известен имитатор дискретного дисбаланса тензометрических мостовых датчиков, построенный по схеме полного моста, два или четыре плеча которого шунтируются дискретными проводимостями параллельного делителя напряжения [4. Блокин-Мечталин Ю.К. - Измерительная техника, 1978, №4, с.20. 5. 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 сигнала на выходной диагонали вследствие шунтирования плеч моста. Нестабильность нулевого сигнала обусловлена нестабильностью сопротивлений плеч мостовой схемы. Достаточную стабильность нулевых показаний имитатора не удается достичь из-за неидентичности характеристик сопротивлений плеч (температурные коэффициенты сопротивлений, коэффициенты теплопередачи и др.). При этом влияют не только процессы прогрева и рассеяния тепла, выделяемого в этих сопротивлениях, но и процессы прогрева их теплом от других как внутренних, так и близкорасположенных внешних источников.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому изобретению является имитатор дискретного дисбаланса тензометрического моста с более стабильным нулевым сигналом [Волобуев B.C. - Измерительная техника, 1985, №1, с.43, рис.2], представляющий собой четырехлучевую звезду из четырех базовых резисторов и ступенчатый параллельный дискретный делитель напряжения с проводимостями (шунтами) и перекидными переключателями, обеспечивающими формирование ступеней имитации. Нестабильность нулевого сигнала имитатора с четырехлучевой звездой во много раз меньше нестабильности имитатора с мостовой схемой. Однако влияние сопротивлений, коммутирующих имитируемые ступени элементов, в особенности при быстрых (порядка нескольких тысяч в секунду) переключениях, необходимых для метрологической поверки быстродействующих измерительных приборов и систем, создает собой сложную научно-техническую проблему. Требование высокого быстродействия обязывает использовать для включения шунтов в измерительную схему имитатора бесконтактные переключатели типа МОП-транзисторов, имеющие при всех своих положительных качествах (скорость переключения - порядка 10-100 тысяч переключений в секунду) значительное сопротивление в открытом состоянии. Лучшие на настоящее время типы таких отечественных коммутирующих элементов (серия микросхем «590») обладают сопротивлением в открытом состоянии порядка 70 Ом (590КН5). При типичных значениях сопротивлений шунтов в имитаторах тензометрического моста (порядка - 15-30 кОм) относительная погрешность имитации может достигать:

что недостаточно для метрологических исследований современных быстродействующих измерительных приборов и систем.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности имитации дискретного дисбаланса тензометрического моста.

Техническим результатом изобретения является значительное, например порядка в 130 раз, снижение погрешности имитации дискретного дисбаланса тензометрического моста при автоматизации метрологических исследований быстродействующих измерительных приборов и систем в электротензометрии.

Решение поставленной задачи и технический результат достигаются тем, что в имитатор дискретного дисбаланса тензометрического моста, содержащий четыре базовых резистора, подключенных к соответствующим вершинам имитируемого моста, введены один или несколько резисторов ступеней имитации, включенных последовательно в питающую диагональ имитируемого моста вместе с соответствующими базовыми резисторами, а свободные выводы других базовых резисторов непосредственно или через один или два соответствующих коммутатора соединены с выводами резисторов ступеней имитации; последовательная цепь резисторов ступеней имитации зашунтирована дополнительным резистором диапазона имитации.

На чертеже показана схема заявляемого имитатора дискретного дисбаланса тензометрических мостовых датчиков.

Имитатор дискретного дисбаланса тензометрических мостовых датчиков (см. чертеж) для внешних электрических цепей имеет четыре вершины имитируемого моста (Пит1, Пит2, Вых1, Вых2), которые образуют две диагонали имитируемого моста: диагональ питания (Пит1, Пит2) и выходную диагональ (Вых1, Вых2). К вершинам Пит1, Пит2, Вых1, Вых2 одним выводом подключены соответственно базовые резисторы R1, R2, R3, R4. Между вторыми выводами базовых резисторов R1 и R2 диагонали питания включена последовательная цепь N штук резисторов r1, ..., rN ступеней имитации (назначение которых - формирование величин ступеней имитации). Второй вывод каждого базового резистора (R3, R4) выходной диагонали непосредственно или через один или два коммутатора (Коммутатор 1 и Коммутатор 2) связан с выводами резисторов r1, ..., rN ступеней имитации. Между вторыми выводами базовых резисторов R1 и R2 диагонали питания возможно наличие (как шунта последовательной цепи резисторов r1, ..., rN ступеней имитации) дополнительного резистора (не показано) диапазона имитации (назначение которого - установка или коррекция величины диапазона имитации). N - любое натуральное (целое) число (1, 2, 3, 4, 5, ...).

Имитатор дискретного дисбаланса тензометрических мостовых датчиков работает следующим образом.

Имитируемый мост (в зависимости от измерительного оборудования, где он используется) может быть запитан либо от источника (генератора) напряжения, либо от источника (генератора) тока. Выходная диагональ имитируемого моста подключается ко входу измерительного оборудования, имеющего большое входное сопротивление, и ток по выходной диагонали практически не течет.

Рассмотрим, например, питание моста от источника (генератора) тока.

Выходной сигнал мостового тензометрического датчика в этом случае, как известно, имеет вид:

где U - выходное напряжение мостового тензометрического датчика, I - ток питания мостового тензометрического датчика, Rпл1, Rпл2, Rпл3, Rпл4 - резисторы плеч моста (тензорезисторы).

Для полного активного мостового тензометрического датчика:

Rпл1=Rпл3=RH+ R;

Rпл2=Rпл4=RH- R;

где Rн - номинальное сопротивление тензорезистора (плеч моста), R - рабочее текущее приращение тензорезистора.

Тогда: U=I R.

Для конкретных реальных значений:

Rн=200 Ом, I=10 мА, R=DR=±2 Ом (1% от Rн),

где DR - диапазон рабочих приращений тензорезистора,

имеем: U=10 мА · ±2 Ом = ±20 мВ.

Для имитации пяти симметричных точек характеристики данного тензометрического моста потребуются следующие значения выходного сигнала (при соответствующих приращениях тензорезисторов):

-20 мВ (-2 Ом), -10 мВ (-1 Ом), 0 мВ (0 Ом), +10 мВ (+1 Ом), +20 мВ (+2 Ом).

В рамках настоящего изобретения для реализации изложенного примера рассмотрим конфигурацию имитатора со следующими особенностями:

- используем четыре одинаковых резистора ступеней имитации (r1, r2, r3, r4) с сопротивлением r=1 Ом;

- второй вывод резистора R3 соединен со средней точкой последовательной цепи резисторов ступеней г1, r2, r3, r4 (Коммутатор 1 - вырождается в непосредственное соединение);

- Коммутатор 2 имеет N+1 выходов, подсоединенных последовательно ко всем выводам резисторов ступеней r1, r2, r3, r4.

Для обеспечения одинаковости условий для цепей питания (сопротивление диагонали питания) и входных цепей (сопротивление выходной диагонали) измерительного оборудования при работе с реальным мостовым тензометрическим датчиком и соответствующим имитатором сопротивления базовых резисторов R1, R2, R3, R4 должны иметь величину Rн/2 (здесь - 100 Ом). Нетрудно заметить, что указанные условия при этом соблюдаются: в обоих случаях работы измерительного оборудования сопротивления диагоналей моста равны 200 Ом (наличие резисторов малого сопротивления ступеней r1, r2, r3, r4 для обеспечения этих условий - не принципиально).

Ток питания протекает только по диагонали питания, т.к. выходная диагональ практически не нагружена (входным сопротивлением измерительного оборудования). С другой стороны, в данном примере (питание от генератора тока) ток питания не зависит от сопротивлений резисторов диагонали питания и равен I=10 мА.

Падение напряжения на каждом резисторе (1 Ом) ступеней имитации будет равно 10 мВ.

Нетрудно заметить, что, переключая последовательно выход Коммутатора 2 от "1" до "N+1", будем иметь на выходной диагонали имитатора требуемую последовательность ступеней имитации:

-20 мВ (-2 Ом), -10 мВ (-1 Ом), 0 мВ (0 Ом), +10 мВ (+1 Ом), +20 мВ (+2 Ом).

Как известно, выходная диагональ моста (имитатора) подключается к измерительной цепи (прибора, системы), имеющей большое входное сопротивление (порядка 10-100 МОм и более). Погрешность имитации в этом случае приблизительно можно оценивать как отношение сопротивления ключевого элемента ко входному сопротивлению измерительной цепи. При том же сопротивлении открытого ключевого элемента (что и у прототипа) 70 Ом и входном сопротивлении измерительной цепи даже в 2 МОм погрешность имитации будет иметь величину порядка:

что в 130 раз лучше прототипа.

При питании имитатора от генератора тока (как сказано выше) точность реализации ступеней имитации практически не зависит от величин сопротивлений базовых резисторов (их может и не быть как таковых), их рекомендуется вводить для обеспечения реальных условий работы самого измерительного оборудования, причем это могут быть резисторы любого обычного исполнения (стабильность и точность - не обязательна). При питании имитатора от генератора напряжения точность и стабильность резисторов R1 и R2 все же должны быть соответствующими точности и стабильности самого имитатора.

При реализации конкретных диапазонов имитации могут потребоваться номинальные сопротивления ступеней имитации нестандартных значений, т.е. не выпускаемые промышленностью. В этом случае следует использовать резисторы ступеней имитации с несколько большим стандартным номинальным сопротивлением и ввести дополнительный шунтирующий резистор между крайними выводами последовательной цепи резисторов ступеней имитации, сопротивление которого рассчитывается по обычным законам электротехники. Это обстоятельство, кроме экономических выгод, существенно положительно влияет на стабильность получаемых точностных характеристик имитатора в процессе использования. Причем таким образом с помощью только одного резистора (дополнительного, шунтирующего) можно менять диапазон имитируемых сигналов, не меняя сами резисторы ступеней.

Диапазон имитации может быть реализован и не симметричным относительно нуля. Такая задача может возникнуть при имитации тензометрического моста в динамометре, работающем как на растяжение, так и на сжатие, причем при неодинаковой величине внешней нагрузки. В этом случае номинальные сопротивления резисторов ступеней имитации выбирают соответствующим (требуемым) образом или такую несимметрию можно обеспечить и подключением базового резистора R3 (непосредственно или через Коммутатор 1) не к средней точке последовательной цепи резисторов имитации, а к любой необходимой. Если не требуется реализовывать знакопеременный выходной сигнал имитатора, то базовый резистор R3 следует присоединить непосредственно к одному из концов последовательной цепи резисторов ступеней имитации.

Кроме того, используя разные (неодинаковые) номинальные сопротивления резисторов ступеней имитации с помощью Коммутатора 1 и Коммутатора 2, подключая резисторы R3 и R4 к различным выводам резисторов ступеней имитации, можно реализовать любые комбинации величин ступеней имитации (даже различных не только абсолютных значений величин, но и их знаков).

В отношении диапазонов, симметричных относительно нуля, следует отметить дополнительное (экономическое и техническое) преимущество данного изобретения, заключающееся в возможности реализации имитатора с количеством резисторов ступеней имитации, в два раза меньшим, чем в уже описанном выше примере.

В этом случае при реализации всего диапазона имитации (включая смену знака имитируемого сигнала) переключение коммутаторов должно быть, например, следующим образом:

- первое положение:

Коммутатор 1 - на «N+1»/выходе, Коммутатор 2 - на «1»/выходе;

- второе положение:

Коммутатор 1 - на «N»/выходе, Коммутатор 2 - на «1»/выходе;

- третье положение:

Коммутатор 1 - на «N-1»/выходе, Коммутатор 2 - на «1»/выходе;

- и т.д. ...

- среднее положение (нулевое значение имитации);

Коммутатор 1 - на «1»/выходе, Коммутатор 2 - на «1»/выходе;

- дальнейшее положение:

Коммутатор 1 - на «1»/выходе, Коммутатор 2 - на «2»/выходе;

- дальнейшее положение:

Коммутатор 1 - на «1»/выходе, Коммутатор 2 - на «3»/выходе;

- и т.д. ...

- предпоследнее положение:

Коммутатор 1 - на «1»/выходе, Коммутатор 2 - на «N»/выходе;

- последнее положение:

Коммутатор 1 - на «1»/выходе, Коммутатор 2 - на «N+1»/выходе.

Переключение, естественно, может быть и в обратном (указанному) порядке, и при переключении указанных выходов, но для взаимозамененных номеров коммутаторов.

При симметричном диапазоне и равенстве сопротивлений резисторов ступеней имитации возможен еще и другой, например, порядок переключения коммутаторов:

- первое положение:

Коммутатор 1 - на «N+1»/выходе, Коммутатор 2 - на «1»/выходе;

- второе положение:

Коммутатор 1 - на «N+1»/выходе, Коммутатор 2 - на «2»/выходе;

- третье положение:

Коммутатор 1 - на «N+1»/выходе, Коммутатор 2 - на «3»/выходе;

- и т.д. ...

- среднее положение (нулевое значение имитации):

Коммутатор 1 - на «N+l»/выходе, Коммутатор 2 - на «N+1»/выходе;

или

Коммутатор 1 - на «1»/выходе, Коммутатор 2 - на «1»/выходе;

- дальнейшее положение:

Коммутатор 1 - на «1»/выходе, Коммутатор 2 - на «2»/выходе;

- дальнейшее положение:

Коммутатор 1 - на «1»/выходе, Коммутатор 2 - на «3»/выходе;

- и т.д. ...

- предпоследнее положение:

Коммутатор 1 - на «1»/выходе, Коммутатор 2 - на «N»/выходе;

- последнее положение:

Коммутатор 1 - на «1»/выходе, Коммутатор 2 - на «N+1»/выходе.

Переключение, естественно, может быть и в обратном (указанному) порядке, и при переключении указанных выходов, но для взаимозамененных номеров коммутаторов.

В последнем случае, как нетрудно заметить, один из коммутаторов может иметь только два выхода.

У данного изобретения имеется еще положительное свойство, которое позволяет реализовать большее количество ступеней при меньшем количестве резисторов ступеней имитации. Например, возможна реализация 7-ми равномерных симметричных ступеней при использовании только 2-х резисторов имитации. Для этого (при наличии обоих Коммутаторов 1 и 2) следует использовать 2 резистора r1 и r2 с соотношением сопротивлений, например: r2=2*r1 (например, r1=1 Ом, r2=2 Ом при I=10 мА, как ранее).

Поскольку (как было уже указано выше) возможно с помощью Коммутаторов 1 и 2 подать на выходную диагональ любые комбинации падений напряжений на резисторах ступеней имитации, 7 равномерных симметричных ступеней имитации будут следующими:

- нулевая ступень:

Коммутаторы 1 и 2 выходами подсоединены к одному и тому же (любому) выводу любого резистора ступеней имитации;

- знакопеременная первая ступень:

Коммутаторы 1 и 2 выходами подсоединены (в прямом или обратном положении) к разным выводам резистора r1 ступени имитации, реализуя «+1» и «-1» ступени с напряжением ±10 мВ;

- знакопеременная вторая ступень:

Коммутаторы 1 и 2 выходами подсоединены (в прямом или обратном положении) к разным выводам резистора r2 ступени имитации, реализуя «+2» и «-2» ступени с напряжением ±20 мВ;

- знакопеременная третья ступень:

Коммутаторы 1 и 2 выходами подсоединены (в прямом или обратном положении) к разным выводам последовательной цепи резисторов r1 и r2 ступеней имитации, реализуя «+3» и «-3» ступени с напряжением ±30 мВ.

Учитывая очень высокую стоимость высокостабильных образцовых резисторов, это положительное качество является весьма существенным.

Естественно при необходимости имитации лишь одной ступени имитируемого сигнала Коммутатор 1 и Коммутатор 2 вырождаются в непосредственное (требуемое) соединение.

По данному предложению в институте выполнены соответствующие теоретические и экспериментальные исследования по созданию конкретных имитаторов дискретного дисбаланса тензометрических мостовых датчиков, которые подтверждают реализуемость рассмотренного имитатора и возможность получения заявленного технического эффекта.

Реализация предложения в быстродействующих измерительных информационных системах для прочностных исследований авиационных конструкций позволит существенно повысить достоверность результатов испытаний, а следовательно, надежность рекомендаций, выдаваемых промышленности, по совершенствованию конструкций летательных аппаратов.