Способ компенсации аддитивной температурной погрешности датчика с вибрирующим элементом

Способ компенсации аддитивной температурной погрешности датчика с вибрирующим элементом

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение касается усовершенствования преобразователей с вибрирующими элементами и может быть использовано в измерительной технике при измерении силы, давления, ускорения и т.п.

При изменении температуры окружающей среды изменяется температура датчика, что сказывается на изменении выходного сигнала, следовательно, появляется дополнительная погрешность измерения. Наибольшее влияние на изменение собственной частоты колебаний резонатора оказывает изменение геометрических размеров первичного преобразователя вследствие наличия у любого материала коэффициента линейного расширения. Механические свойства материала, такие как модуль упругости, изменяются с температурой, но изменение модуля упругости в большинстве случаев оказывает намного меньшее влияние на изменение собственной частоты колебаний, чем геометрическое изменение конструкции. Как правило, при уменьшении температуры окружающей среды жесткость резонатора увеличивается и, как следствие, увеличивается его собственная частота колебаний. При увеличении температуры происходит уменьшение собственной частоты колебаний резонатора.

Проведенное моделирование с использованием метода конечных элементов изменения начального уровня собственной частоты колебаний резонатора (без воздействия измеряемого параметра) в зависимости от воздействия температуры для конструкции резонатора, представленного в патенте США №4813271 от 21.03.1989 г., показало следующие результаты:

- при температуре минус 60°С собственная частота колебаний составила 53019 Гц;

- при температуре +60°С собственная частота колебаний составила 52095 Гц;

- девиация собственной частоты колебаний Δf диапазоне температур ΔT 120°С составила 924 Гц.

Если принять девиацию собственной частоты колебаний резонатора от измеряемого параметра (например, давления 3 атм) f_H=2500 Гц, то приведенная дополнительная аддитивная температурная погрешность составит , или переводя в аддитивную температурную чувствительность . Полученные количественные оценки дополнительной аддитивной температурной погрешности и чувствительности не позволяют использовать подобные конструкции без применения специальных методов компенсации температурной погрешности, в особенности в высокоточных датчиках.

В настоящее время наибольшее распространение получил метод компенсации температурной погрешности, заключающийся во введении в конструкцию датчика термозависимого элемента (например, терморезистора), с которого снимается информация о температуре, с последующей ее обработкой и корректировкой информационного сигнала (например, патент США №4724707 от 20.08.1986 г.). Однако использование данного способа компенсации имеет ряд следующих недостатков.

1. Вводится дополнительный канал измерения температуры.

2. Требуется математически обработать сигнал с дополнительного канала и скорректировать информационный сигнал с учетом дополнительного сигнала.

3. Не обеспечивается заданная точность измерения температуры для компенсации температурной погрешности.

Наибольшим недостатком данного метода является обеспечение заданной точности компенсации температурной погрешности. Так, для высокоточных датчиков класса не более δ≤0,05% аддитивная температурная чувствительность должна быть S_ot≤0,5·10^-5 1/°C, что более чем на два порядка меньше полученной количественной оценки датчиков с монокристаллическим резонатором. Тогда для обеспечения заданной точности канал для измерения температуры должен иметь погрешность не более 0.06°С (для рассмотренного ранее случая изменения температуры в диапазоне 120°С), что при существующих методах измерения температуры является проблематичным.

По режиму работы преобразователи с частотным выходом классифицируются следующим образом: работающие в режиме свободных колебаний, автоколебаний и вынужденных колебаний. Преобразователи с частотным выходом, работающие в режиме вынужденных колебаний, включают в себя резонатор, приемник сигналов для регистрации колебаний резонатора, схему настройки генератора, генератор гармонических колебаний и систему возбуждения (например, см. Боднер В.А. Приборы первичной информации: Учебник для авиационных вузов. - М.: Машиностроение, 1981). Схема работы таких преобразователей следующая: сигнал с генератора гармонических колебаний подается на систему возбуждения колебаний. Поскольку частота сигнала возбуждения близка к частоте собственных колебаний резонатора, то резонатор начинает колебаться на одной из гармоник, при этом амплитуда колебаний соответствует резонансной кривой этого резонатора. Максимальная амплитуда колебаний резонатора достигается при равенстве частоты сигнала возбуждения и собственной частоты колебаний резонатора. Колебания резонатора воспринимаются приемником сигналов, далее снятый сигнал преобразуется нормирующим усилителем. Сигнал с выхода нормирующего усилителя представляет собой гармонический сигнал требуемой амплитуды, частота которого соответствует частоте собственных колебаний резонатора. Кроме того, нормирующий усилитель можно рассматривать как часть схемы настройки генератора гармонических колебаний, с выхода нормирующего усилителя сигнал подается на генератор, предварительно преобразованный в сигнал постоянного напряжения, а частота генератора определяется величиной подаваемого сигнала. При воздействии внешних факторов (давление, сила, температура и пр.) изменяется частота собственных колебаний резонатора, соответственно изменяется величина сигнала обратной связи (управляющего сигнала), подаваемого на генератор гармонических колебаний, частота генератора изменяется пропорционально изменению величины управляющего сигнала. Поскольку частота генератора становится равной измененной частоте собственных колебаний резонатора, то колебания резонатора опять происходят с максимальной амплитудой в резонансе. Таким образом, режим генерации обусловлен подачей сигнала положительной обратной связи, включающей в себя схему настройки генератора и генератор гармонических колебаний, управляемый напряжением, с выхода резонатора после усиления на резонансный контур.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка способа компенсации аддитивной температурной погрешности датчика с вибрирующим элементом с выходным сигналом в виде девиации частоты, который позволил бы уменьшить аддитивную температурную погрешность в условиях стационарных температурных режимов с заданной точностью.

Технический результат заключается в уменьшении аддитивной температурной погрешности датчика с вибрирующим элементом при воздействии стационарных температурных режимов.

Указанный технический результат достигается тем, что в цепь управления генератора гармонических колебаний, управляемого напряжением, вводится термочувствительный элемент. В этом случае начальная частота сигнала с генератора зависит от разности фаз между сигналом возбуждения колебаний вибрирующего элемента и сигналом регистрации колебаний вибрирующего элемента и не зависит от температуры измерительного преобразователя, где расположен термочувствительный элемент. Таким образом, частота генератора при номинальной температуре совпадает с частотой собственных колебаний вибрирующего элемента при любом значении измеряемого параметра (например, давления). При изменении температуры преобразователя без воздействия измеряемого параметра изменяется управляющее напряжение, подаваемое на генератор вследствие изменения разности фаз между сигналами возбуждения и регистрации. При введении термочувствительного элемента в цепь управления генератора функциональная связь между величиной термочувствительного элемента и температурой должна быть выбрана таким образом, чтобы происходила компенсация изменения управляющего напряжения путем пропорционального изменения величины термочувствительного элемента.

На фиг.1 приведена структурная схема преобразователя: 1 - генератор гармонических колебаний, управляемый напряжением, 2 - резонатор, 3 - нормирующий усилитель, 4 - преобразователь фаз, преобразующий разницу фаз между двумя сигналами в постоянное напряжение, 5 - термозависимый элемент, Т - внешний воздействующий фактор - температура, Р - измеряемый параметр, например, давление. Выход преобразователя представляет собой синусоидальный сигнал, девиация частоты которого соответствует девиации частоты колебаний вибрирующего элемента 2 от измеряемого параметра Р.

На фиг.2 представлена типичная фазовая характеристика колебательной системы.

На фиг.3 представлен вариант генератора прямоугольных импульсов, управляемого напряжением, который реализован на двух операционных усилителях типа LM301.

На фиг.4 приведен пример преобразователя фаз, реализованный на микросхеме К525ПС2 и операционных усилителях типа К140УД7.

В случае равенства частоты возбуждения со частоте собственных колебаний вибрирующего элемента ω_р=1/Т разность фаз составляет 90°, см. фиг.2. Таким образом, по разности фаз можно судить об изменении частоты собственных колебаний вибрирующего элемента при постоянной частоте сигнала возбуждения ω. При номинальной температуре и отсутствии измеряемого параметра колебания резонатора происходят в резонансе и разность фаз между сигналами возбуждения и регистрации колебаний равна 90°. При увеличении измеряемого параметра (например, давления) вследствие несоответствия частоты генератора частоте собственных колебаний вибрирующего элемента появляется разность фаз между сигналами возбуждения и регистрации колебаний, что в итоге изменяет величину управляющего напряжения таким образом, чтобы частота генератора изменилась в соответствии с изменением частоты собственных колебаний вибрирующего элемента. Работа измерительного преобразователя при номинальной температуре всегда соответствует колебаниям вибрирующего элемента в резонансе (поскольку частота собственных колебаний вибрирующего элемента совпадает с частотой генератора гармонических колебаний, управляемого напряжением).

С другой стороны, изменение температуры измерительного преобразователя при отсутствии измеряемого параметра ведет к изменению начальной частоты собственных колебаний вибрирующего элемента, появляется несоответствие между частотой управляемого напряжением генератора и частотой собственных колебаний вибрирующего элемента, т.е. колебания вибрирующего элемента происходят не в резонансе, значит, изменяется разность фаз между сигналами возбуждения и регистрации колебаний в соответствии с фазовой характеристикой колебательной системы и обратная связь отрабатывает изменение частоты вибрирующего элемента путем изменения частоты генератора гармонических колебаний. Это приводит к появлению дополнительной аддитивной температурной погрешности. Для уменьшения этой погрешности изменение разности фаз между сигналами возбуждения и регистрации колебаний при изменении температуры не должно отразиться на частоте генератора гармонических колебаний, т.е. термочувствительный элемент, включенный в управляющую цепь генератора, должен измениться пропорционально изменению управляющего напряжения, что в итоге дает постоянство частоты генератора.

Функциональная связь между изменением величины сигнала с преобразователя фаз и температурой за счет включения в цепь генератора термозависимого элемента должна быть выбрана таким образом, чтобы обеспечить указанное выше требование о постоянстве частоты сигнала генератора при изменении температуры.

Таким образом, колебания вибрирующего элемента происходят в резонансе при любом значении измеряемого параметра, но только при номинальной температуре. При изменении температуры частота сигнала генератора будет оставаться постоянной и уже не будет соответствовать частоте собственных колебаний вибрирующего элемента. Это приводит к уменьшению амплитуды колебаний вибрирующего элемента в соответствии с резонансной характеристикой колебательной системы и изменению фазы колебаний в соответствии с фазовой характеристикой. А поскольку выходным сигналом является частота, то изменение амплитуды и фазы колебаний вибрирующего элемента не сказывается на точности измерения.

Пример генератора прямоугольных импульсов, управляемого напряжением, приведен на фиг.3, который реализован на двух операционных усилителях типа LM301. Функция преобразования этого генератора, дающая связь частоты генерации f с управляющим напряжением Е₁, имеет вид:

где Е₂ - опорное напряжение, получаемое от основного источника питания генератора.

Крутизна изменения частоты генератора от входного напряжения регулируется элементами цепи управления генератора: сопротивлением R₁, емкостью С₁ и опорным напряжением Е₂ таким образом, чтобы изменение частоты генератора соответствовало изменению частоты собственных колебаний вибрирующего элемента от измеряемого параметра.

В данном генераторе термочувствительным элементом может выступать как сопротивление R₁, так и емкость С₁ в цепи управления генератором.

Для получения начальной частоты генератора f₊₆₀=52095 Гц, что соответствует частоте собственных колебаний рассматриваемого вибрирующего элемента при температуре +60°С, в соответствии с функцией преобразования генератора (1) необходимы следующие номиналы элементов: сопротивление R₁=1 кОм, емкость С₁=7.678 нФ, опорное напряжение Е₂=6 В, управляющее напряжение Е₁=2 В. При изменении температуры до минус 60°С частота генератора изменяется до f_-60=53019 Гц, а управляющее напряжение должно быть E₁=2.035 В при тех же значениях сопротивления R₁, емкости С₁ и опорного напряжения Е₂.

Вариант преобразователя фаз представлен на фиг.4, имеющий в своем составе преобразователь К525ПС2, операционные усилители типа К140УД7. Выходное напряжение с выхода преобразователя К525ПС2 определяется следующей функцией преобразования:

где U_X и U_Y - входные напряжения на входах Х и Y соответственно;

Δϕ - разность фаз между сигналами на входах Х и Y.

Особенностью использования данного типа преобразователя является то, что выходной сигнал с преобразователя равен нулю при разности фаз, равной минус 90°. Для обеспечения начальной частоты генератора гармонических колебаний в выходной сигнал преобразователя фаз добавляется постоянная составляющая Е₀, фиг.4, такой величины, чтобы частота генератора гармонических колебаний совпадала с частотой собственных колебаний вибрирующего элемента, в рассматриваемом случае постоянная составляющая равна 2В для температуры вибрирующего элемента +60°С. В силу того, что на выходе схемы преобразователя фаз находится инвертирующий сумматор, то происходит сложение постоянной составляющей Е₀ и напряжения с выхода преобразователя.

Величина входных напряжений U_X и U_Y регулируется предварительными усилителями напряжений U₁ и U₂, фиг.4. Таким образом, путем изменения коэффициентов усиления предварительных усилителей можно добиться того, что характер изменения напряжения на выходе схемы преобразователя фаз от разности фаз между входными сигналами в точности будет соответствовать требуемой характеристике изменения управляющего напряжения, подаваемое на генератор, для поддержания изменения частоты генератора. Управляющее напряжение, подаваемое на генератор, должно изменяется в пределах от 2 В, что соответствует температуре +60°С, до 2.035 В, что соответствует уменьшению температуры до минус 60°С.

1. Рассмотрим случай, когда термочувствительным элементом выступает сопротивление R₁. Исходя из функции преобразования генератора можно выделить величину управляющего напряжения для различных значений температур некомпенсированного датчика:

В соответствии с функцией преобразования генератора для условия компенсации при температуре минус 60°С частота генератора определяется по формуле:

а при температуре +60°С частота генератора определяется по формуле:

Как было указано ранее, частота генератора должна оставаться постоянной при любом изменении температуры преобразователя для компенсации аддитивной температурной погрешности, т.е. частота генератора при минус 60°С f_-60 должна быть равна частоте генератора при +60°C f₊₆₀. Отсюда получаем, что:

Из выражения (7) видно, что величина сопротивления R₁ и температурный коэффициент сопротивления α_R этого сопротивления зависят от соотношения значений управляющего напряжения, подаваемого на генератор, при крайних значениях температуры преобразователя. Напряжение Е_1-60 соответствует напряжению 2.035 В, подаваемому с преобразователя фаз, а напряжение Е₁₊₆₀ соответствует напряжению 2 В.

Принимая за начальное значение величину сопротивления R₁ при +60°С, т.е. R₊₆₀=R₁, преобразуем выражение (7):

Из последнего следует:

а изменение сопротивления ΔR₁=R_1-60-R₁₊₆₀ при изменении температуры равно:

Значение любого термозависимого сопротивления R_βt изменяется от температуры по зависимости R_βt=R_β(1+α_Rβ·ΔT), где R_β - начальное значение термозависимого сопротивления, α_Rβ - температурный коэффициент сопротивления, ΔT - диапазон изменения температуры. Тогда изменение термозависимого сопротивления R_β составляет ΔR_β=R_βt-R_β=R_β·(1+α_β·ΔT)-R_β=R_β·α_Rβ·ΔT при изменении температуры на величину ΔT, где R_β - требуемое значение термозависимого сопротивления. Приравнивая последнее выражение и выражение (10), решая относительно R_β, окончательно получаем выражение для начального значения термозависимого сопротивления R_β.

Полученное по выражению (11) значение термозависимого сопротивления R_β соответствует температуре +60°С. Для получения требуемого значения сопротивления R₁ к термозависимому сопротивлению R_β последовательно подключают термонезависимое сопротивление R_H=R₁-R_β.

Для рассматриваемого случая температурный коэффициент сопротивления α_Rβ должен быть отрицательным, поскольку с увеличением температуры уменьшается управляющее напряжение Е₁, следовательно, и термочувствительное сопротивление R₁ должно также уменьшаться в соответствии с выражением (8). Для полупроводниковых материалов может быть получен отрицательный температурный коэффициент сопротивления, абсолютная величина которого лежит в пределах 0.003÷0.2 1/К. Принимаем температурный коэффициент сопротивления равным минус 0.003 1/К, тогда по формуле (11) находится требуемое значение термозависимого сопротивления R_β.

К этому термозависимому сопротивлению R_β необходимо подключить термонезависимое сопротивление R_H величиной 1 кОм-0.0486 кОм=0.9514 кОм.

Таким образом, при последовательном включении термозависимого сопротивления R_β и термонезависимого сопротивления R_H в цепь управления генератора, частота генератора остается постоянной при изменении температуры преобразователя, происходит компенсация аддитивной температурной погрешности преобразователя.

2. Рассмотрим теперь случай, когда в качестве термочувствительного элемента выбрана емкость С₁ в схеме управления генератора. Ранее было показано изменение управляющего напряжения Е₁ при изменении температуры при выбранных номиналах элементов R₁=1 кОм, С₁=7.678 нФ и Е₂=6 В цепи управления генератора.

В соответствии с функцией преобразования генератора для условия компенсации при температуре минус 60°С частота генератора определяется по формуле:

а при температуре +60°С частота генератора определяется по формуле:

Как было указано ранее, частота генератора должна оставаться постоянной при любом изменении температуры преобразователя для компенсации аддитивной температурной погрешности, т.е. частота генератора при минус 60°С f_-60 должна быть равна частоте генератора при +60°С f₊₆₀. Отсюда получаем, что:

Из выражения (14) видно, что величина емкости С₁ и температурный коэффициент емкости α_C этой емкости зависят от соотношения значений управляющего напряжения, подаваемого на генератор, при крайних значениях температуры преобразователя. Как было показано ранее, напряжение Е_1-60 соответствует напряжению 2.035, подаваемому с преобразователя фаз, а напряжение Е₁₊₆₀ соответствует напряжению 2 В.

Принимая за начальное значение величину емкости С₁ при +60°С, т.е. С₊₆₀=С₁, преобразуем выражение (14):

Из последнего следует:

а изменение емкости ΔС₁=С_1-60-С₁₊₆₀ при изменении температуры равно:

Значение любой термозависимой емкости C_βt изменяется от температуры по зависимости С_βt=C_β(1+α_Cβ·ΔT), где С_β - начальное значение термозависимой емкости, α_Cβ - температурный коэффициент емкости, ΔT - диапазон изменения температуры. Тогда изменение термозависимой емкости С_β составляет ΔС_β=С_βt-С_β=С_β·(1+α_Cβ·ΔT)-С_β=С_β·α_Cβ·ΔT при изменении температуры на величину ΔT, где С_β - требуемое значение термозависимой емкости. Приравнивая последнее выражение и выражение (17), решая относительно С_β, окончательно получаем выражение для начального значения термозависимой емкости С_β.

Полученное по выражению (18) значение термозависимой емкости С_β соответствует температуре +60°С. Для получения требуемого значения емкости С₁ к термозависимой емкости С_β параллельно подключают термонезависимую емкость C_H=C₁-C_β.

Для рассматриваемого случая температурный коэффициент емкости α_Cβ должен быть отрицательным, поскольку с увеличением температуры уменьшается управляющее напряжение Е₁, следовательно, и термочувствительная емкость С₁ должна также уменьшаться в соответствии с выражением (15). В качестве примера выберем значение температурного коэффициента емкости α_Cβ минус 0.003 1/К, что может быть получено на практике. Тогда по формуле (18) находим требуемое значение термозависимой емкости С_β.

К этой термозависимой емкости С_β необходимо параллельно подключить термонезависимую емкость C_H величиной 7.678 нФ-3.135 нФ=7.3048 нФ.

Таким образом, при параллельном включении термозависимой емкости С_β и термонезависимой емкости С_H в цепь управления генератора, частота генератора остается постоянной при изменении температуры преобразователя, происходит компенсация аддитивной температурной погрешности преобразователя, как и в случае использования в качестве термозависимого элемента сопротивления R₁.

1. Способ компенсации аддитивной температурной погрешности датчика с вибрирующим элементом, генератором гармонических колебаний, управляемым напряжением, который предназначен для возбуждения колебаний вибрирующего элемента, преобразователем фаз, предназначенным для преобразования разности фаз между сигналами возбуждения и регистрации колебаний вибрирующего элемента в постоянное напряжение, и выходным частотным сигналом, заключающийся во введении в конструкцию датчика термозависимого элемента с последующим учетом температурной зависимости датчика в выходном сигнале, отличающийся тем, что производят настройку генератора в резонанс с вибрирующим элементом при максимальной рабочей температуре, фиксируют значение выходного сигнала с преобразователя фаз E_min и значение номинала управляющего (в дальнейшем "термозависимого") резистора R₁ в цепи управления генератора при максимальной рабочей температуре, определяют значение выходного сигнала с преобразователя фаз при минимальной рабочей температуре E_max, в зависимости от функции преобразования генератора гармонических колебаний выбирают знак температурного коэффициента сопротивления термозависимого резистора R₁ из условия

при прямопропорциональной зависимости частоты генератора от управляющего напряжения температурный коэффициент сопротивления термозависимого резистора отрицательный;

при обратнопропорциональной зависимости частоты генератора от управляющего напряжения температурный коэффициент сопротивления положительный,

исходя из конструктивно полученного в результате изготовления температурного коэффициента сопротивления (с выбранным ранее знаком) компенсационного термозависимого резистора R_β рассчитывают его номинал по формуле

где α_Rβ - температурный коэффициент сопротивления компенсационного термозависимого резистора;

ΔТ - диапазон изменения рабочих температур,

определяют величину термонезависимого управляющего резистора R_H как разность между номиналом управляющего резистора R₁ и компенсационным термозависимым резистором R_β (R_H=R₁-R_β), устанавливают в цепь управления генератора вместо термозависимого резистора R₁ последовательно соединенные термонезависимый управляющий резистор R_H и компенсационный термозависимый резистор R_β.

2. Способ компенсации аддитивной температурной погрешности датчика с вибрирующим элементом, генератором гармонических колебаний, управляемым напряжением, который предназначен для возбуждения колебаний вибрирующего элемента, преобразователем фаз, предназначенным для преобразования разности фаз между сигналами возбуждения и регистрации колебаний вибрирующего элемента в постоянное напряжение, и выходным частотным сигналом, заключающийся во введении в конструкцию датчика термозависимого элемента с последующим учетом температурной зависимости датчика в выходном сигнале, отличающийся тем, что производят настройку генератора в резонанс с вибрирующим элементом при максимальной рабочей температуре, фиксируют значение выходного сигнала с преобразователя фаз Е_min и значение номинала управляющей (в дальнейшем «термозависимой») емкости C₁ в цепи управления генератора при максимальной рабочей температуре, определяют значение выходного сигнала с преобразователя фаз при минимальной рабочей температуре E_max, в зависимости от функции преобразования генератора гармонических колебаний выбирают знак температурного коэффициента емкости термозависимой емкости C₁ из условия

при прямопропорциональной зависимости частоты генератора от управляющего напряжения температурный коэффициент емкости отрицательный;

при обратнопропорциональной зависимости частоты генератора от управляющего напряжения температурный коэффициент емкости положительный,

исходя из конструктивно полученного в результате изготовления температурного коэффициента емкости (с выбранным ранее знаком) компенсационной термозависимой емкости С_β рассчитывают ее номинал по формуле

где α_Cβ - температурный коэффициент емкости компенсационной термозависимой емкости;

ΔТ - диапазон изменения рабочих температур,

определяют величину термонезависимой управляющей емкости С_H как разность между номиналом управляющей емкости C₁ и компенсационной термозависимой емкостью С_β (С_H=С₁-С_β), устанавливают в цепь управления генератора вместо управляющей емкости C₁ параллельно соединенные термонезависимую емкость С_H и компенсационную термозависимую емкость С_β.