Способ компенсации мультипликативной температурной погрешности датчика с вибрирующим элементом

Способ компенсации мультипликативной 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. Влияние на изменение собственной частоты колебаний резонатора оказывает как изменение геометрических размеров первичного преобразователя вследствие наличия у любого материала коэффициента линейного расширения, так и модуля упругости из-за присущего любому материалу температурного коэффициента модуля упругости. Изменение первого приводит к появлению аддитивной температурной погрешности, а изменение модуля упругости приводит к возникновению мультипликативной температурной погрешности.

Проведенное моделирование с использованием метода конечных элементов девиации собственной частоты колебаний резонатора от 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 девиация собственной частоты колебаний Δf_-60 в диапазоне измеряемого давления ΔР=3 атм составила 2355 Гц;

- при температуре +60°С девиация собственной частоты колебаний Δf₊₆₀ в диапазоне измеряемого давления ΔР=3 атм составила 2502 Гц.

Тогда приведенная дополнительная мультипликативная температурная погрешность составит

или, переходя к мультипликативной температурной чувствительности

Полученные количественные оценки дополнительной мультипликативной 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 способ 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 недостатков:

1. Вводится дополнительный канал измерения температуры.

2. Требуется математическая обработка сигнала с дополнительного канала и корректировка информационного сигнала с учетом дополнительного сигнала.

3. Отсутствует раздельная компенсация аддитивной и мультипликативной температурной погрешности и как результат 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% мультипликативная температурная чувствительность должна быть S_kt≤0.5·10^-5 1/°C, что на порядок меньше полученной количественной оценки суммарной температурной погрешности 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.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка способа компенсации мультипликативной температурной погрешности датчика с вибрирующим элементом и выходным сигналом в виде девиации амплитуды напряжения, который позволил бы повысить точность минимизации мультипликативной температурной погрешности в условиях стационарных температурных режимов.

Технический результат заключается в повышении точности минимизации мультипликативной температурной погрешности датчика с вибрирующим элементом при воздействии стационарных температурных режимов.

Указанный технический результат достигается тем, что в нормирующий усилитель с регулируемым коэффициентом усиления вводится термочувствительный элемент, который изменяет коэффициент усиления таким образом, что при изменении температуры величина девиации амплитуды выходного сигнала, являющегося зависимостью амплитуды колебаний вибрирующего элемента от измеряемого параметра, остается постоянной.

На фиг.1 приведена структурная схема преобразователя: 1 - генератор синусоидальных колебаний, 2 - резонатор, 3 - нормирующий усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, 4 - термозависимый элемент, Т - внешний воздействующий фактор - температура, Р - измеряемый параметр, например давление. Выход преобразователя представляет собой изменение амплитуды колебаний вибрирующего элемента 2 от измеряемого параметра Р.

На фиг.2 приведена зависимость амплитуды колебаний вибрирующего элемента от частоты сигнала возбуждения. Частота f₀ равна частоте собственных колебаний вибрирующего элемента, что соответствует резонансу. Предполагая, что правая ветвь резонансной кривой относительно частоты f₀ является рабочей, кривая 1 соответствует минимальной рабочей температуре, а кривая 2 соответствует максимальной рабочей температуре. Девиация амплитуды колебаний вибрирующего элемента при минимальной рабочей температуре составляет X_--Х₀, что соответствует изменению частоты колебаний вибрирующего элемента f₀ до f_-, для максимальной рабочей температуры девиация амплитуды колебаний вибрирующего элемента составляет X₊-Х₀, а изменение частоты колебаний составляет f₀ до f₊. Резонансные кривые приведены без учета температурной аддитивной составляющей изменения амплитуды колебаний вибрирующего элемента от температуры. Вид резонансных кривых зависит от характеристик используемого материала, в частности коэффициента внутреннего трения (демпфирования).

На фиг.3 приведен пример нормирующего усилителя с регулируемым коэффициентом усиления: 5 - сопротивление (в дальнейшем «R₁»), 6 - операционный усилитель, 7 - сопротивление (в дальнейшем «R₂»), 8 - сопротивление нагрузки R_H.

Синусоидальный сигнал с выхода генератора синусоидальных колебаний (например, генератор синусоидальных колебаний с мостом Вина или генератор с трехзвенным RC-четырехполюсником в обратной связи) подается на вибрирующий элемент. Генератор синусоидальных колебаний настраивается в резонанс с вибрирующим элементом (резонатором) при максимальной температуре и отсутствии измеряемого параметра. В этом случае в соответствии с резонансной кривой амплитуда колебаний вибрирующего элемента максимальна. При увеличении величины измеряемого параметра увеличивается частота собственных колебаний вибрирующего элемента в результате увеличения жесткости вибрирующего элемента появляется несоответствие частоты генератора частоте собственных колебаний вибрирующего элемента, амплитуда колебаний вибрирующего элемента в этом случае уменьшается в соответствии с резонансной кривой, см. фиг.2.

Как было показано ранее, при максимальной рабочей температуре девиация частоты колебаний вибрирующего элемента больше, чем при минимальной рабочей температуре. Поэтому используется именно девиация при максимальной температуре, т.к. в этом случае чувствительность к измеряемому параметру больше, чем в случае воздействия номинальной или минимальной рабочей температуры.

Пример усилителя с регулируемым коэффициентом усиления по напряжению, реализованный на операционном усилителе (например, К140УД8), приведен на фиг.3. Коэффициент усиления K_у такого усилителя равен:

Коэффициент усиления может регулироваться как сопротивлением R₁, так и сопротивлением R₂. Данный усилитель имеет очень высокое входное сопротивление, поэтому его влияние на регистрирующий колебания элемент будет минимально.

1. Рассмотрим случай, когда термочувствительным элементом выступает сопротивление R₂. Допустим, что при настройке в резонанс генератора с вибрирующим элементом при максимальной рабочей температуре амплитуда колебаний вибрирующего элемента равна Х₀, амплитуда входного напряжения на нормирующий усилитель равна U_{ВХ 0}, а начальный уровень выходного сигнала составляет U_{ВЫХ 0}. При воздействии измеряемого параметра величиной, равной номинальному значению, и при максимальной рабочей температуре амплитуда колебаний вибрирующего элемента уменьшается до X₊, соответственно уменьшается входное напряжение на нормирующий усилитель до U_{ВХ 2}, а выходной сигнал изменяется до значения U_{ВЫХ 2}. При отсутствии измеряемого параметра и при минимальной рабочей температуре амплитуда колебаний вибрирующего элемента равна Х₀, входное напряжение на нормирующий усилитель равно U_{ВХ 0}, а начальный уровень выходного сигнала составляет U_{ВЫХ 0}. Примем, что при воздействии измеряемого параметра величиной, равной номинальному значению, и при минимальной рабочей температуре амплитуда колебаний вибрирующего элемента уменьшается до X_-, соответственно уменьшается входное напряжение на нормирующий усилитель до U_{ВХ 1}, а выходной сигнал изменяется до значения U_{ВЫХ 1}.

Обозначим девиацию выходного сигнала при максимальной рабочей температуре ΔU₊=U_{ВЫХ 2}-U_{ВЫХ 0}, девиацию выходного сигнала при минимальной рабочей температуре ΔU_-=U_{ВЫХ 1}-U_{ВЫХ 0}, девиацию входного сигнала на нормирующий усилитель при максимальной рабочей температуре ΔU_ВХ+=U_{ВХ 2}-U_{ВХ 0}, девиацию входного сигнала на нормирующий усилитель при минимальной рабочей температуре ΔU_ВХ-=U_{ВХ 1}-U_{ВХ 0}. Сравнивая девиации выходного сигнала ΔU₊ и ΔU_-, определяется знак изменения коэффициента усиления нормирующего усилителя K_y, по которому определяется требуемый знак температурного коэффициента сопротивления (ТКС) термочувствительного элемента R_α. Например, если требуемая девиация выходного сигнала при любом изменении температуры равна ΔU₊, то:

- если ΔU₊>ΔU_- то коэффициент усиления нормирующего усилителя K_y должен увеличиваться с уменьшением температуры; в соответствии с (1) коэффициент усиления нормирующего усилителя может быть увеличен при уменьшении температуры путем уменьшения R₁, что соответствует положительному ТКС термочувствительного элемента R₁, или путем увеличения R₂, что соответствует отрицательному ТКС термочувствительного элемента R₂;

- если ΔU_->ΔU₊, то коэффициент усиления нормирующего усилителя K_y должен уменьшаться с уменьшением температуры; в соответствии с (1) коэффициент усиления нормирующего усилителя может быть уменьшен при уменьшении температуры путем увеличения R₁, что соответствует отрицательному ТКС термочувствительного элемента R₁, или путем уменьшения R₂, что соответствует положительному ТКС термочувствительного элемента R₂.

Аналогично выбирается ТКС термочувствительного элемента R_α для случая, когда требуемая девиация выходного сигнала соответствует величине ΔU_- при любом изменении температуры.

Тогда с учетом коэффициента усиления нормирующего усилителя K_y можно записать следующее:

где K_y - значение коэффициента усиления нормирующего усилителя при максимальной рабочей температуре;

К_y' - значение коэффициента усиления нормирующего усилителя при минимальной рабочей температуре.

Условие компенсации мультипликативной температурной компенсации заключается в том, что девиация выходного сигнала от измеряемого параметра остается постоянной при любом значении воздействующей температуры, т.е. ΔU₊=ΔU_-. Тогда приравнивая выражения (2) и (3), получаем следующее выражение:

Для получения требуемого начального значения сопротивления R₂ и изменения сопротивления от температуры термочувствительное сопротивление R₂ включает в себя последовательно соединенные термонезависимое сопротивление R_2H и термочувствительное сопротивление R_α, значение которого изменяется от температуры по зависимости R_α=R₀(1+α·ΔT), где R₀ - начальное значение термозависимого сопротивления, соответствующее нормальной температуре, α - ТКС R_α, ΔT - диапазон изменения температуры:

Тогда подставляя выражение (1) в выражение (4), заменяя R₂ в соответствии с (5), вводя обозначения R_α-=R₀(1+α·ΔT₂) и R_α+=R₀(1+α-ΔТ₁), которые соответствуют значениям термочувствительного элемента R_α при минимальной и максимальной рабочих температурах, изменение температуры ΔT₁ соответствует диапазону изменения температуры от нормальной до максимальной рабочей, а ΔТ₂ - диапазон изменения температуры от нормальной до минимальной рабочей, получаем:

Решая последнее выражение относительно R_α, получаем требуемое значение термочувствительного сопротивления R_α при нормальной температуре:

Поскольку ΔU₊=K_y·ΔU_ВХ+ и ΔU_-=K_y·ΔU_ВХ- (коэффициент усиления нормирующего усилителя K_y в данном случае постоянен и не меняется от температуры), то выражение (7) преобразуется в следующее:

Решая систему уравнений (5) и (8) относительно неизвестных R_α и R_2H (поскольку настройка производится при максимальной температуре, то в выражении (5) R_α соответствует R_α+=R₀(1+α·ΔT₁)), получаем требуемые значения термонезависимого сопротивления R_2H и термозависимого сопротивления R_α, величина которого соответствует нормальной температуре. ТКС α термозависимого сопротивления R_α берется равным ТКС термочувствительного сопротивления, полученному при изготовлении в конструкции датчика термозависимого сопротивления R_α.

Например, по результатам моделирования с использованием метода конечных элементов девиация выходного сигнала при максимальной рабочей температуре ΔU₊ составила 0.095 В, при минимальной рабочей температуре девиация выходного сигнала ΔU_- составила 0.089 В при коэффициенте усиления нормирующего усилителя K_y равным 50. Коэффициент усиления нормирующего усилителя K_y величиной 50 получен при значении сопротивления R₂=4.9 кОм, a R₁=0.1 кОм. Тогда девиация входного напряжения на нормирующий усилитель ΔU_ВХ+ равна 0.0019 В при максимальной рабочей температуре и ΔU_ВХ- равна 0.00178 В при минимальной рабочей температуре. Поскольку коэффициент усиления нормирующего усилителя K_y должен увеличиваться с уменьшением температуры пропорционально уменьшению девиации амплитуды выходного сигнала, то соответственно и величина термочувствительного сопротивления R₂ должна также увеличиваться при уменьшении температуры, поэтому термочувствительное сопротивление R₂ должно иметь отрицательный ТКС α. Для полупроводниковых материалов может быть получен отрицательный температурный коэффициент сопротивления, абсолютная величина которого лежит в пределах 0.003÷0.2 1/К.

Таким образом, выбирая в качестве материала для термочувствительного сопротивления R_α полупроводниковый материал с температурным коэффициентом сопротивления α, равным минус 0.003 1/°С, принимая диапазон изменения рабочих температур от +60°С (максимальная рабочая температура) до минус 60°С (минимальная рабочая температура), решая систему уравнений (5) и (8), получаем значение термочувствительного сопротивления R_α равным 0.936 кОм для нормальной температуры, а термонезависимое сопротивление R_2H должно быть равно 4.076 кОм. При выполнении этих условий коэффициент усиления нормирующего усилителя K_y изменяется в соответствии с выражением (1) от

что соответствует максимальной рабочей температуре, до

что соответствует минимальной рабочей температуре. При этом девиация выходного сигнала составляет при максимальной рабочей температуре 0.0019 В · 50 = 0.095 В в соответствии с выражением (2), а при минимальной рабочей температуре девиация выходного сигнала равна 0.00178 В · 53.4 = 0.095 В в соответствии с выражением (3). Таким образом, обеспечивается постоянство девиации выходного сигнала от измеряемого параметра при изменении температуры.

2. Рассмотрим случай, когда термочувствительным элементом выступает сопротивление R₁.

Для получения требуемого начального значения сопротивления R₁ и изменения сопротивления от температуры термочувствительное сопротивление R₁ включает в себя последовательно соединенные термонезависимое сопротивление R_1H и термочувствительное сопротивление R_α, значение которого изменяется от температуры по зависимости R_α=R₀(1+α·ΔT), где R₀ - начальное значение термозависимого сопротивления, соответствующее нормальной температуре, α - ТКС R_α, ΔT - диапазон изменения температуры:

Тогда подставляя выражение (1) в выражение (4), заменяя R₂ в соответствии с (9), вводя обозначения R_α-=R₀(1+α·ΔT₂) и R_α+=R₀(1+α·ΔT₁), которые соответствуют значениям термочувствительного элемента R_α при минимальной и максимальной рабочих температурах, изменение температуры ΔT₁ соответствует диапазону изменения температуры от нормальной до максимальной рабочей, a ΔT₂ - диапазон изменения температуры от нормальной до минимальной рабочей, получаем:

Решая последнее выражение относительно R_α, получаем следующее квадратное уравнение:

Или, аналогично выводу выражения (8), получаем значения коэффициентов квадратного уравнения (11), выраженные через девиацию выходного сигнала:

a=(1+α·ΔT₁)·(1+α·ΔT₂)·(ΔU₊-ΔU_-);

b=R_1H·(ΔU₊-ΔU_-)·(2+α·(ΔT₂+ΔT₁))+R₂·((1+α·ΔT₂)·ΔU₊-(1+α·ΔT₁)·ΔU_-);

c=R_1H·(ΔU₊-ΔU_-)·(R_1H+R₂).

Решением уравнения (11) является:

Решая систему уравнений (9) и (12) относительно неизвестных R_α и R_1H (поскольку настройка производится при максимальной температуре, то в выражении (9) R_α соответствует R_α+=R₀(1+α·ΔT₁)), получаем требуемые значения термонезависимого сопротивления R_α и термозависимого сопротивления R_α, величина которого соответствует нормальной температуре. ТКС α термозависимого сопротивления R_α берется равным ТКС термочувствительного сопротивления, полученному при изготовлении в конструкции датчика термозависимого сопротивления R_α.

Например, как и в рассматриваемом ранее случае, девиация выходного сигнала при максимальной рабочей температуре ΔU₊ составила 0.095 В, при минимальной рабочей температуре девиация выходного сигнала ΔU_- составила 0.089 В при коэффициенте усиления нормирующего усилителя K_y, равном 50. Коэффициент усиления нормирующего усилителя K_y величиной 50 получен при значении сопротивления R₂=4.9 кОм, a R₁=0.1 кОм. Тогда девиация входного напряжения на нормирующий усилитель ΔU_ВХ+ равна 0.0019 В при максимальной рабочей температуре и ΔU_ВХ- равна 0.00178 В при минимальной рабочей температуре. Поскольку коэффициент усиления нормирующего усилителя K_y должен увеличиваться с уменьшением температуры, то соответственно и величина термочувствительного сопротивления R₁ должна уменьшаться при уменьшении температуры, поэтому термочувствительное сопротивление R₁ должно иметь положительный ТКС α.

Для нихрома Х20Н80, используемого при формировании напыляемых сопротивлений, ТКС не превышает 1·10^-3 1/°С, для сплава Х20Н75Ю ТКС не превышает 5·10^-4 1/°С, а для сплава на основе силицидов П65ХС ТКС не превышает 1·10^-4 1/°С.

Выбирая в качестве материала для термочувствительного сопротивления R_α сплав Х20Н80 с ТКС α=1·10^-3 1/°С, принимая диапазон изменения рабочих температур от +60°С (максимальная рабочая температура) до минус 60°С (минимальная рабочая температура), решая систему уравнений (9) и (12), получаем значение термочувствительного сопротивления R_α равным 0.0538 кОм для нормальной температуры, а термонезависимое сопротивление R_1H должно быть равно 0.0444 кОм. При выполнении этих условий коэффициент усиления нормирующего усилителя K_y изменяется в соответствии с выражением (1) от

что соответствует максимальной рабочей температуре, до

что соответствует минимальной рабочей температуре. При этом девиация выходного сигнала составляет при максимальной рабочей температуре 0.0019 В · 50 = 0.095 В в соответствии с выражением (2), а при минимальной рабочей температуре девиация выходного сигнала равна 0.00178 В · 53.2 = 0.095 В в соответствии с выражением (3).

Таким образом, при последовательном включении термочувствительного сопротивления R_α и термонезависимого сопротивления R_1H в обратной связи нормирующего усилителя обеспечивается постоянство девиации амплитуды выходного сигнала от измеряемого параметра при изменении температуры путем изменения коэффициента усиления нормирующего усилителя.

1. Способ компенсации мультипликативной температурной погрешности датчика с вибрирующим элементом, генератором синусоидальных колебаний, который предназначен для возбуждения колебаний вибрирующего элемента, и выходным сигналом по амплитуде, заключающийся во введении в конструкцию датчика термочувствительного элемента непосредственно в зоне установки вибрирующего элемента, отличающийся тем, что для предварительно настроенного генератора в резонанс с вибрирующим элементом при максимальной рабочей температуре фиксируют значение сопротивления R₂ в обратной связи нормирующего усилителя, при крайних значениях рабочей температуры определяют начальный уровень амплитуды выходного сигнала и амплитуду выходного сигнала при воздействии номинального значения измеряемого параметра, по которым рассчитывается девиация выходного сигнала от измеряемого параметра при каждом из крайних значений рабочей температуры, определяют изменение девиации выходного сигнала от воздействия температуры, по знаку которого выбирают знак температурного коэффициента сопротивления (ТКС) термочувствительного элемента α, для технически выполненного в конструкции датчика ТКС термочувствительного элемента находят номиналы компенсационного сопротивления R_α и термонезависимого сопротивления R_2H при нормальной температуре, решая систему уравнений

где R₁ и R₂ - сопротивления в обратной связи нормирующего усилителя;

ΔU_- - девиация выходного сигнала при минимальной рабочей температуре;

ΔU₊ - девиация выходного сигнала при максимальной рабочей температуре;

α - ТКС термочувствительного элемента;

ΔT₁ - диапазон изменения температуры от нормальной до максимальной рабочей;

ΔТ₂ - диапазон изменения температуры от нормальной до минимальной рабочей,

устанавливают сопротивление термочувствительного элемента расчетной величины R_α в обратную связь нормирующего усилителя последовательно с термонезависимым сопротивлением R_2H.

2. Способ компенсации мультипликативной температурной погрешности датчика с вибрирующим элементом по п.1, отличающийся тем, что фиксируют значение сопротивления R₁ в обратной связи нормирующего усилителя, ТКС сопротивления термочувствительного элемента α имеет обратный знак, находят номиналы компенсационного сопротивления R_α и термонезависимого сопротивления R_1H при нормальной температуре, решая систему уравнений

где R₁ и R₂ - сопротивления в обратной связи нормирующего усилителя, устанавливают сопротивление термочувствительного элемента расчетной величины R_α в обратную связь нормирующего усилителя последовательно с термонезависимым сопротивлением R_1H.