Файл: Эрлер, В. Электрические измерения неэлектрических величин полупроводниковыми тензорезисторами.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 14.10.2024
Просмотров: 77
Скачиваний: 0
8.1. Схемы уравновешивания |
205 |
более точного уравновешивания. Ввиду значительно большего по величине сопротивления Rv это не оказывает существенного влияния на погрешность измерений.
Следует упомянуть, наконец, о дополнительной схеме, при веденной на фиг. 8.3 и обеспечивающей более точное уравно вешивание моста. При этом предполагается, что мост с тензорезисторными ИП уже уравновешен таким образом, что в гру бом уравновешивании нулевого уровня схемы больше нет необ ходимости. Грубое уравновешивание можно тогда использовать для градуировки (например, в случае динамометрических и весовых измере ний). После грубого уравновешивания, как было показано выше, производят более точное уравновешивание моста, например до величины небаланса + 1,25% при сопротивлении
Я«м = Я02 = -т-.
Соответственно уменьшаются и упо мянутые выше погрешности. Чтобы обеспечить оптимальное соответствие характеристик двойных мостов задан ным условиям, используются спе циальные схемные решения.
Несмотря на сравнительно простое техническое выполнение и получаемую при этом относительно высокую точность, двой ные мосты с полупроводниковыми тензорезисторами имеют огра ниченное применение. Это связано с тем, что подобные устрой ства обладают относительно высоким дрейфом нуля и, кроме того, при температурной автоматической коррекции (с помощью терморезисторов) коэффициента чувствительности тензорезисторного ИП возникают трудности схемного согласования. Использование двойных мостов ограничивается поэтому слу чаями, когда:
1)измерения производят при помощи проволочных и метал лических тензорезисторов с низким температурным коэффициен том сопротивления и малым коэффициентом К\
2)тензометрические измерения осуществляют в малом ин тервале рабочих температур;
3)измерения производят посредством полу- и четвертьмостовых ИП и элементы уравновешивания подключаются парал лельно постоянным мостовым сопротивлениям без температур ных компенсаторов;
4)применяются измерительные установки с невысокими тре
бованиями к точности измерений.
206 |
8. Вторичные измерительные приборы |
Наиболее серьезным ограничением, однако, является дрейф нулевого уровня. При максимальном разбалансе уравновешен ного моста, например при его градуировке, в соответствии с вы ражением (8.5) имеем
^ 0 = 7 |
1 |
= ^ |
\ |
^ ) |
=^ном- |
(8.27) |
** |
Л у |
|
U n |
/ Н О М |
|
В этом выражении %— постоянный коэффициент, характери зующий максимальный разбаланс при градуировке, а оном— номинальный разбаланс моста, вызываемый измеряемой вели чиной.
Температурный дрейф возникает из-за температурных изме нений сопротивления Ro и характеризуется коэффициентом у. Относительный дрейф в этом случае составит
Avт |
(W ,) v e |
A/y0. |
(8.28) |
|
у ном |
Ro/^Rv^ |
|||
|
|
При y = 2-10~3 град-1 (сталь) и Я = 0,5 (т. е. 50% диапазона уравновешивания отводится для градуировки) получаем
- ^ 1 = 10_3е/оС. |
(8.29) |
^НОМ |
|
Этот результат означает, что изменение температуры на каж дые 10°С вызывает дрейф нулевого уровня, равный 1%. Подоб ный дрейф при большинстве измерений неприемлемо высок.
Для уменьшения указанного недостатка двойных мостовых схем с полупроводниковыми тензорезисторами используется ме тод дополнительного компенсирующего напряжения (в про цессе уравновешивания компенсирующее напряжение сумми руется с выходным напряжением моста). В мостах с несущей частотой компенсационное напряжение можно получить от источника питания моста при помощи трансформатора. В мо стах постоянного тока при использовании указанного метода требуется дополнительный источник напряжения. Несмотря на относительно высокие аппаратурные затраты, мосты постоян ного тока с дополнительным источником компенсирующего на пряжения благодаря присущим им многочисленным преимуще ствам достаточно широко используются на практике.
8.1.3. Уравновешивание компенсирующим напряжением
Принципиальная схема моста, уравновешиваемого компенси рующим напряжением, представлена на фиг. 8.4. В этой схеме выходное напряжение разбаланса независимо от вызвавшей его причины компенсируется регулируемым напряжением UK0мп. Разбаланс моста без особых трудностей может быть скомпен
8.1. Схемы уравновешивания |
207 |
сирован во всем диапазоне измерений. При этом термокомпен сирующие сопротивления не оказывают влияния на процесс уравновешивания. Однако и этому способу также присущи не которые недостатки. При его реализации требуются два галь ванически несвязанных, высокостабилизированных источника напряжения с возможно более близкими температурными и другими характеристиками.
Кроме того, необходимо обеспечить постоянство внутреннего сопротивления источника компенсирующего напряжения Rit так как в противном случае делитель напряжения, образованный
Фиг. 8.4. Схема уравнове^ шивания моста методом ком пенсирующего напряжения.
Терморезисгор Ду, предназначен
для стабилизации передаточного коэффициента схемы.
внутренним сопротивлением этого источника и выходным со противлением моста, явится причиной дополнительных погреш ностей при измерениях. Постоянство внутреннего сопротивле ния Ri можно обеспечить в источнике, построенном с примене нием мостовых схем, посредством которых осуществляется также грубое и точное регулирование компенсирующего напря жения. При выполнении указанных условий погрешности из мерений, о которых говорилось в разд. 8.1.2, отсутствуют.
Тем не менее при градуировке мостовой измерительной схемы обнаруживается один недостаток, оказывающий влияние на результаты уравновешивания. При градуировке сначала при определенном напряжении питания моста компенсируют разба ланс нуля. Затем тензорезистор подвергают воздействию номи нальной нагрузки и, регулируя напряжение питания моста, до биваются номинального показания прибора. Нагрузку с тензорезистора затем снимают, вновь уравновешивают нулевой уровень, и процесс повторяется. В измерительных устройствах типов HLA и HLS описанный процесс градуировки благодаря использованным схемным решениям существенно упрощен.
В случае если известна чувствительность моста, его градуи ровку можно осуществить и чисто электрически, путем точной установки напряжения питания. Этот простой в принципе метод
208 |
8. Вторичные измерительные приборы |
позволяет реализовать различные комбинации в приборах на полупроводниковых резисторах. В многопредельных измеритель ных приборах для реализации этого метода необходимо распо лагать соответствующим количеством источников питания. По этому в обычных тензометрических мостах для уравновешива ния используют рассмотренный выше метод двойного моста.
8.2. Безусилительные измерительные приборы для полупроводниковых сопротивлений
8.2.1.Предварительные замечания
Всоответствии с предъявляемыми требованиями, измери тельные приборы с полупроводниковыми сопротивлениями дол жны обеспечивать питание мостовых схем ИП, их градуировку
иуравновешивание нулевого уровня. В большинстве случаев уровень выходных сигналов полупроводниковых резисторных ИП оказывается достаточным для измерений без предварительного усиления. Благодаря этому конструкция приборов получается простой, а обслуживание их несложным.
Для универсального использования полупроводниковых ре зисторных ИП разработан целый ряд безусилительных измери тельных приборов. Они предназначены в первую очередь для подключения к ним полупроводниковых тензорезисторов, полу проводниковых резисторных ИП перемещения, давления и силы.
Подобные приборы в случае достаточного уровня выходных сигналов соответствующих ИП можно использовать также и для измерения ускорений.
8.2.2.Принцип действия приборов
8.2.2.1.Основные положения
Современные тензометрические системы строятся в боль шинстве случаев на основе мостовых схем с полупроводнико выми тензорезисторными ИП, которые питаются от источников постоянного тока с высокостабилизированным напряжением. Измерительное напряжение, возникающее в диагонали моста, прямо пропорционально изменению сопротивления тензорезистора, а вместе с тем и измеряемой механической величине, вы звавшей это изменение.
Измерительные устройства с полупроводниковыми тензоре зисторными ИП описываемых ниже типов содержат от одного до семи идентичных канальных блоков. Схема подобного одно канального блока типа HLS101 представлена на фиг. 8.5, а его внешний вид изображен на фиг. 8.6. Канальный блок содержит
210 8. Вторичные измерительные приборы
Для уравновешивания моста используется высокостабильное компенсирующее напряжение t/комп, которое формируется от дельной мостовой схемой и меняется ступенчато путем переклю чателя и плавно с помощью спирального потенциометра, причем происходит его алгебраическое суммирование с измерительным напряжением. При этом можно осуществить компенсацию напряжения нулевого уровня ИП и постоянной составляющей измеряемой величины, например градуировку при взвешивании груза динамометрическим методом. Напряжение нулевого уровня и компенсирующее напряжение можно измерять по рознь, благодаря чему существенно упрощается процесс урав новешивания. Разрешающая способность десятишагового спи рального потенциометра, предназначенного для плавной и точ ной регулировки питающего и компенсирующего напряжений, составляет ~0,01% .
Измерительное напряжение через переключатель поступает на выход устройства, куда подключается внешний показываю щий или регистрирующий прибор с входным сопротивлением, равным 1 кОм и шкалой 100 мВ, либо прибор, для которого эти величины могут быть получены путем последовательного или параллельного подключения сопротивлений. Встроенное доба вочное сопротивление Ra внутр = 1 кОм позволяет подключать регистраторы с входным сопротивлением 200 кОм и более (см.
разд. 8.4).
Выход прибора и источник питания мостового ИП устойчивы к короткому замыканию. Для электрической градуировки к вы ходу устройства прикладывается определенная часть напряже ния питания, выбранная таким образом, чтобы при номиналь ном значении измеряемой величины обеспечивалось полное от клонение указателя шкалы измерительного прибора или реги стратора.
При значительном удалении ИП от вторичного прибора па изменение напряжения питания мостовой схемы ИП начинает влиять сопротивление проводов питающей линии. Для обеспе чения постоянства напряжения питания удаленных на большое расстояние ИП используется автоматический регулятор, на ко торый от зажимов питания мостовой схемы ИП посредством отдельной пары измерительных проводов подается напряжение питания. Использование автоматического регулятора позволяет, в частности, скомпенсировать влияние температурных измене ний сопротивления питающих проводов на величину напряже ния питания.
Во избежание влияния контура земли и для обеспечения суммирования измерительных сигналов измерительную цепь связывают с корпусом блока.