КОМПЕНСАЦИЯ  МУЛЬТИПЛИКАТИВНОЙ  ТЕМПЕРАТУРНОЙ  ПОГРЕШНОСТИ  С  УЧЕТОМ  ПОЛОЖИТЕЛЬНОЙ  НЕЛИНЕЙНОСТИ  ТЕМПЕРАТУРНОЙ  ХАРАКТЕРИСТИКИ  ВЫХОДНОГО  СИГНАЛА  ДАТЧИКА

Тихоненков  Владимир  Андреевич

канд.  техн.  наук,  Ульяновский  государственный  технический  университет  Ульяновск

Солуянов  Денис  Александрович

аспирант  Ульяновского  государственного  технического  университета  Ульяновск

E-mail: 

COMPENSATION  OF  MULTIPLICATIVE  TEMPERATURE  ERROR  OF  GAUGE  WITH  TAKING  INTO  ACCOUNT  POSITIVE  NONLINEARITY  OF  SIGNAL  OUTPUT  TEMPERATURE  CHARACTERISTIC

Tihonenkov  Vladimir  Andreevich

Candidate  of  Technical  Sciences  Ulyanovsk  state  technical  university  Ulyanovsk

Soluyanov  Denis  Aleksandrovich

Postgraduate  student  of  Ulyanovsk  state  technical  university  Ulyanovsk

АННОТАЦИЯ

Данная  статья  посвящена  вопросу  компенсации  мультипликативной  температурной  погрешности  тензорезисторного  датчика  с  учетом  положительной  нелинейности  температурной  характеристики  выходного  сигнала  датчика.

ABSTRACT

This  article  focuses  on  the  question  of  compensation  multiplicative  temperature  inaccuracy  gauge  sensor  based  on  positive  temperature  characteristic  nonlinearity  of  sensor  signal  output.

Ключевые  слова:  тензорезистор;  мультипликативная  погрешность;  компенсация;  нелинейность;  температура;  выходной  сигнал.

Keywords:  gauge;  multiplicative  inaccuracy;  compensation;  nonlinearity;  temperature;  signal  output.

Современные  системы  контроля  и  управления  в  различных  отраслях  промышленности  предъявляют  высокие  требования  к  точности  и  стабильности  средств  измерения. 

Большое  распространение  в  данной  области  получили  тензорезисторные  датчики.  Одним  из  наиболее  мощных  дестабилизирующих  факторов  тензодатчиков  является  температура.  Компенсация  температурной  погрешности  является  одной  из  приоритетных  задач  при  разработке  и  изготовлении  тензорезисторных  датчиков. 

В  настоящее  время  предложены  способы  компенсации  температурной  погрешности,  которые  позволяют  учесть  нелинейность  температурной  характеристики  девиации  выходного  сигнала  датчика  благодаря  использованию  микропроцессоров.  Один  из  них  основан  на  ис­пользовании  двух  каналов:  информационного  и  температурного  [2].  Для  подобного  решения  характерны  следующие  недостатки:

1.  усложнение  измерительной  схемы  из-за  наличия  двух  измерительных  каналов;

2.  высокие  требования  к  точности  и  стабильности  канала  измерения  температуры;

3.  разница  между  среднеинтегральной  температурой  тензорезисторов  измерительного  канала  и  температурой,  воспринимаемой  вторым  каналом,  может  составлять  десятки  градусов;

4.  значительная  температурная  погрешность  при  нестационарных  тепловых  режимах  эксплуатации  из-за  разности  температур  измерительного  и  температурного  канала;

5.  уменьшение  частотного  диапазона  измеряемого  физического  параметра,  которое  вызвано  необходимой  цифровой  обработкой  измерительной  информации.

В  другом  способе  мостовую  цепь  используют  в  качестве  дополнительного  канала,  измеряющего  температуру  [1].  Подобное  решение  устраняет  дополнительную  температурную  погрешность,  вызванную  нестационарным  тепловым  режимом,  но  не  решает  вопрос  возникновения  температурной  по­грешности.  В  этом  случае  селективность  датчика  к  измеряемой  физической  величине  приводит  к  уменьшению  чувствительности  дополнительного  канала  к  температуре  на  1—2  порядка  по  сравнению  с  предыдущим  случаем.  В  результате  снижается  нижний  порог  чувствительности  температурного  канала,  что  не  позволяет  получить  требуемую  точность  компенсации  температурной  погрешно­сти.

Существующие  схемные  способы  компенсации  температурной  погрешности  лишены  данных  недостатков,  но  не  позволяют  учесть  нелинейность  температурной  характеристики  девиации  выходного  сигнала  датчика  в  рабочем  диапазоне  температур.  По  этой  причине  ведется  разработка  схемных  способов,  которые  позволят  учесть  нелинейность  температурной  характеристики  датчика.

В  [3]  предлагаются  схемные  способы  компенсации  мультипликативной  температурной  погрешности  с  учетом  нелинейности  температурной  характеристики  девиации  выходного  сигнала  датчика.  В  данных  способах  компенсационные  резисторы  могут  включаться  как  в  диагональ  питания,  так  и  в  выходную  диагональ.  Главным  недостатком  данных  схемных  способов  является  то,  что  они  обеспечивают  при  компенсации  мультипликативной  температурной  погрешности  учет  только  отрицательной  нелинейности  температурной  характеристики  девиации  выходного  сигнала  датчика,  удовлетворяющей  неравенству    где    —  температурный  коэффициент  чувствительности  (ТКЧ)  мостовой  цепи  при  температуре  t⁺,  соответствующей  верхнему  пределу  рабочего  диапазона  температур,    —  ТКЧ  мостовой  цепи  при  температуре  t^–,  соответствующей  нижнему  пределу  рабочего  диапазона  температур.

Таким  образом,  встал  вопрос  о  разработке  схемных  способов  для  компенсации  мультипликативной  температурной  погрешности  при  положительной  нелинейности  температурной  характеристики  девиации  выходного  сигнала  датчика. 

Введем  ряд  понятий,  необходимых  для  последующего  рассмотрения  компенсации  мультпликативной  температурной  погрешности  схемным  путем.  Обозначим  температурный  коэффициент  чувствительности  тензорезисторов  при  тем­пературе  t⁺,  соответствующей  верхнему  пределу  рабочего  диапазона  температур,  как    а  при  температуре  t^–,  соответствующей  нижнему  пределу  рабочего  диапазона  температур  —    Нелинейность  зависимости  чувствительности  тензорезисторов  от  температуры  можно  характеризовать  выражением 

Как  показано  в  [3]  Δα_до  включает  в  себя  две  составляющие:

1.  нелинейность,  вносимая  тензорезисторами,  установленными  на  упругом  элементе,  которая  может  принимать  как  отрицательное,  так  и  положительное  значение;

2.  нелинейность,  вносимая  мостовой  измерительной  схемой,  которая  всегда  является  отрицательной  при  использовании  мостовой  цепи.

Таким  образом,  в  соответствии  с  пунктом  2,  изменяя  составляющую  нелинейности,  вносимую  мостовой  измерительной  схемой,  можно  получить  смещение  нелинейности  ТКЧ  мостовой  цепи  в  область  отрицательных  значений.  Для  этого  следует  включить  в  диагональ  питания  мостовой  цепи  термонезависимый  резистор  R_i.

В  данном  случае,  в  соответствии  с  [3],  выходное  напряжение  мостовой  цепи  после  включения  резистора  R_i  при  воздействии  температуры  может  быть  представлено  следующим  образом: 

  (1)

где:  U_выхt  —  выходное  напряжение  мостовой  цепи  при  воздействии  температуры; 

U_пит  —  напряжение  питания  мостовой  цепи; 

k  =  R₁  /  R₂  =  R₃  /  R₄  —  коэффициент  симметрии  мостовой  цепи; 

R_вх  —  входное  сопротивление  мостовой  цепи  датчика; 

α_вх  —  температурный  коэффициент  сопротивления  (ТКС)  входного  сопротивления  мостовой  цепи; 

Δt  =  t  -  t₀  —  изменение  температуры; 

α_д  —  ТКЧ  тензорезисторов; 

R_i  —  номинал  термонезависимого  резистора,  включенного  в  цепь  питания; 

t  —  воздействующая  температура; 

t₀  —  нормальная  температура; 

ε_j  —  относительное  изменение  сопротивления  плеча  R_j  мостовой  цепи.

Анализ  знаменателя  зависимости  (2)  позволяет  сделать  следующие  выводы:

1.  После  включения  резистора  R_i  у  зависимости  напряжения  питания  от  температуры  будет  составляющая,  обратно  пропорциональная  росту  температу­ры,  что  приведет  к  смещению  зависимости  Δα_до  в  сторону  отрицательных  значений;

2.  С  ростом  ТКС  входного  сопротивления  мостовой  цепи  смещение  Δα_до  в  сторону  отрицательных  значений  возрастает.

В  соответствии  с  п.  1  —  п.  2  преобразовать  положительную  нелинейность  температур­ной  характеристики  выходного  сигнала  в  отрицательную  можно  двумя  способами:

1.  Схема  1:  включение  резистора  R_i  в  диагональ  питания;

2.  Схема  2:  шунтирование  входного  сопротивления  мостовой  цепи  термозависи­мым  резистором  R_αвх  и  термонезавсимым  резистором  R_двх,  которые  соединены  друг  с  другом  последовательно,  с  целью  увеличения  ТКС  входного  сопротивления  при  наличии  резистора  R_i.

Поскольку,  как  упоминалось  выше,  включение  компенсационных  резисторов  в  выход­ную  диагональ  позволяет  произвести  компенсацию  мультипликативной  температурной  погрешности  с  учетом  отрицательной  нелинейности  температурной  характеристики  выходного  сигнала  датчика,  то  после  преобразования  положительной  нелинейности  температурной  характеристики  выходного  сигнала  в  отрицательную  с  использованием  схемы  1  или  2  возможна  последующая  компенсация  мультипликативной  температурной  погрешности  в  соответствии  с  [3]  путем  включения  термозавимых  и  термонезависимых  резисторов  в  выходную  диагональ  мостовой  цепи  датчика.

На  основе  численного  эксперимента  были  установлены  области  применения  обеих  схем  преобразования  нелинейности  температурной  характеристики  выходного  сигнала,  пред­ставленные  на  рис.  1.  Как  видно  из  рис.  1,  каждая  схема  не  позволяет  охватить  всю  область  возможных  значений  физических  параметров  металлопленочных  датчиков,  а  области  при­менения  схемы  1  и  2  перекрываются.  По  этой  причине  был  предложен  схемный  способ  компенсации  мультипликативной  температурной  погрешности  с  учетом  положительной  нелинейности  температурной  характеристики  выходного  сигнала  датчика,  описанный  ниже.

Определяют      вычисляют  Δα_до.  Если  величина  Δα_до  является  положительной,  то  определяют      и  вычисляют  Δα_д.  При  температуре  t⁺  определяют  ТКС  входного  со­противления  мостовой  цепи    а  при  температуре  t^–  —  ТКС    Если  параметры  датчика  принадлежат  области  применения  схемы  1,  то  вычисляют  номинал  резистора  R_i,  который  обеспечит  выполнение  неравенства  Δα_до  ≤  -2,0  ·  10^-6  1/°C  и,  как  следствие,  последующую  компенсацию  мультипликативной  температурной  погрешности  в  соответствии  с  [3].  Для  определения  номинала  R_i  решают  уравнение:

где:    —  ТКЧ  тензорезисторов  при  температуре  t⁺, 

  —  ТКЧ  тензорезисторов  при  температуре  t^–, 

Δt⁺  =  t⁺  -  t₀  —  положительный  диапазон  температур, 

Δt^–  =  t^–  -  t₀  —  отрицательный  диапазон  температур.

Рисунок  1.  Области  применения  схемы  1  и  схемы  2

Если  параметры  датчика  принадлежат  области  применения  схемы  2,  то  принимают  номинал  резистора  R_i  =  100  Ом,  величину  сопротивления  шунта  равной  сопротивлению  входному  сопротивлению  мостовой  цепи  (R_ш  =  R_αвх  +  R_двх  =  R_вх),  определяют  номиналы  резисторов  R_αвх  и  R_двх,  обеспечивающих  выполнение  неравенства  Δα_до  ≤  -2,0  ·  10^-6  1/°C  и  последующую  компенсацию  мультипликативной  температурной  погрешности  в  соответствии  с  [3].  Для  определения  номинала  резистора  R_αвх  решают  уравнение:

где:    —  ТКС  входного  сопротивления  мостовой  цепи  после  шунтирования; 

  —  ТКС  шунта,  образованного  последовательным  включением  резисторов  R_αвх  и  R_двх.

Номинал  резистора  R_двх  определяют  по  формуле:

 R_двх  =  R_ш  -  R_αвх.

 После  определения  номиналов  резисторов  R_αвх,  R_двх  и  R_i  включают  резисторы  с  вычисленными  номиналами  в  диагональ  питания  мостовой  цепи  в  соответствии  с  выбранной  схемой.  Определяют      вычисляют  Δα_до  и  производят  дальнейшую  компенсацию  мультипликативной  температурной  погрешности  с  учетом  полученной  отрицательной  нелинейности  температурной  характеристики  выходного  сигнала  датчика  в  соответствии  с  [3]  путем  включения  термозависимого  резистора  R_αвых,  а  также  термонезависимого  резистора  R_двых  или  R_швых.  В  результате  электрические  схемы  при  компенсации  мультипликативной  температурной  погрешности  с  использованием  схемы  1  примут  вид,  представленный  на  рис.  2,  а  при  использовании  схемы  2  —  представленный  на  рис.  3.

                          а)                                                    б)

Рисунок  2.  Компенсация  мультипликативной  температурной  погрешности  с  применением  схемы  1

                   а)                                                               б)

Рисунок  3.  Компенсация  мультипликативной  температурной  погрешности  с  применением  схемы  2

Список  литературы:

1.Дружинин  А.А.  Многофункциональный  датчик  давления  и  температуры  на  основе  твердых  растворов  SiGe  [текст]/  А.А.  Дружинин,  И.П.  Островский,  С.Н.  Матвиенко,  А.М.  Вуйцик//  Технология  и  конструирование  в  электронной  аппаратуре.—  2005.—  №  6.—  С.  24—26.

2.Пат.  2199088  Российская  Федерация,  МПК  G  01  D  3/02,  G  01  R  35/00.  Способ  кор­рекции  статических  характеристик  измерительных  преобразователей/  М.  З.  Асадуллин,  Ф.  М.  Аминев,В.  Ф.  Галиакбаров,  С.  В.  Емец,  В.  Д.  Ковшов,  Г.  Е.  Коробков,  И.  Н.  Полищук  —  №  2002121952/28(023559);  заявл.  11.04.02;  опубл.  20.02.03,  Бюл.  №  5.

3.Пат.  2450244  Российская  Федерация,  МПК  G  01  B  7  /  16  Способ  настройки  тензорези­сторных  датчиков  с  мостовой  измерительной  цепью  по  мультипликаивной  температурной  по­грешности  с  учетом  нелинейности  температурной  характеристики  выходного  сигнала  датчи­ка  /  Тихоненков  В.  А.,  Винокуров  Л.  Н.;  заявитель  и  патентообладатель  Ульяновский  государственный  технический  университет.  —  №  2010142322/28;  заявл.  15.10.2010;  опубл.  10.05.2012,  Бюл.  №  13.