RU2772738C1

RU2772738C1 - Signal simulator of bridge strain sensors

Info

Publication number: RU2772738C1
Application number: RU2021124729A
Authority: RU
Inventors: Кирилл Андреевич Балунов; Геннадий Андреевич Витютин; Шамиль Магамедович Загидуллин; Евгений Георгиевич Зубов; Михаил Юрьевич Лихачев; Юрий Николаевич Цаплев
Filing date: 2021-08-20
Publication date: 2022-05-25

Abstract

FIELD: measuring technology.

SUBSTANCE: invention relates to measuring technology and is intended to simulate the signals of bridge strain gauge sensors when conducting metrological studies and calibrating high-speed measuring systems in automatic mode. The substance of the proposed solution lies in the fact that the signal simulator of bridge strain-gauge sensors, containing two switches, the outputs of which are the measuring outputs of the simulator, and a resistor bridge, consisting of two parallel-connected circuits of series-connected resistors, the first and last of which in each circuit are basic resistors , which are connected with their outputs to the power inputs of the bridge, and the remaining resistors of the circuit are additional, while the first circuit includes an even number of m-1 additional resistors with equal resistances, and the second circuit includes an even number of n-1 additional resistors with equal resistances, m outputs of the first circuit between the base resistances are connected to the corresponding inputs of the first switch, and n outputs of the second circuit between the base resistances are connected to the corresponding inputs of the second switch, additionally the resistance of each additional resistor of the second circuit is m times greater than each resistance of the additional resistor of the first circuit, the resistances of the base resistors of the first circuit differ from the resistances of the base resistors of the second circuit and are selected from the condition of equality of the resistances of each arm of the simulator's resistor bridge to the nominal resistance of each strain gauge of the simulated bridge sensor.

EFFECT: expanding the functionality of the bridge strain gauge signal simulator by generating voltage increments equal in absolute value at each stage of the simulator and ensuring the specified accuracy of reproduction of the voltage stages of the simulator.

1 cl, 1 tbl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для имитации сигналов мостовых тензорезисторных датчиков при проведении метрологических исследований и калибровке быстродействующих измерительных систем в автоматическом режиме.The invention relates to measuring technology and is intended to simulate the signals of bridge strain gauge sensors when conducting metrological studies and calibrating high-speed measuring systems in automatic mode.

В различных областях техники нашли применение мостовые тензорезисторные датчики силы, давления, перемещения и др. Измерительные системы, к которым подключаются эти датчики, оснащаются имитаторами сигналов мостовых тензорезисторных датчиков. Такие имитаторы предназначены для метрологических поверок измерительных систем в период эксплуатации. Они применяются также при калибровке систем непосредственно перед проведением измерений для повышения точности измерений физических величин, измеряемых с помощью имитируемых мостовых тензорезисторных датчиков.Bridge tensoresistor sensors of force, pressure, displacement, etc. have found application in various fields of technology. Measuring systems to which these sensors are connected are equipped with signal simulators of bridge tensoresistor sensors. Such simulators are designed for metrological verification of measuring systems during operation. They are also used when calibrating systems immediately before measurements to improve the accuracy of measurements of physical quantities measured using simulated bridge strain gauges.

Широко известен имитатор сигналов мостовых тензорезисторных датчиков, представляющий резисторный мост, два или четыре плеча которого шунтируются дискретными проводимостями параллельного делителя напряжения [Блокин-Мечталин Ю.К. - Измерительная техника, 1978, № 4, с. 20, 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 (ступени) напряжения на измерительной диагонали моста вследствие шунтирования плеч моста. Такой имитатор позволяет применять бесконтактные ключи для подсоединения проводимостей к базовым резисторам моста и обеспечить высокое быстродействие.A well-known simulator of signals of bridge strain gauge sensors, representing a resistor bridge, two or four arms of which are shunted by discrete conductances of a parallel voltage divider [Blokin-Mechtalin Yu.K. - Measuring equipment, 1978, No. 4, p. 20, Volobuev B.C. and others - Measuring equipment 1979, No. 11, p. 56]. Such a simulator contains four basic resistors forming a four-arm bridge, and parallel discrete voltage dividers with conductances, which make it possible to obtain various discrete levels (steps) of voltage on the measuring diagonal of the bridge due to shunting of the bridge arms. Such a simulator allows the use of non-contact keys to connect conductances to the base resistors of the bridge and provide high speed.

Недостаток известного имитатора состоит в следующем. В имитаторе базовые резисторы моста шунтируются проводимостями, поэтому их сопротивления взаимозависимы. При изменении температуры окружающей среды изменяются сопротивления базовых резисторов и шунтов, например, из-за различных между собой температурных коэффициентов сопротивления (ТКС), что приводит к погрешностям в величине выходных напряжений, которые соответствуют ступеням моста имитатора. Эти погрешности компенсировать известными способами не представляется возможным.The disadvantage of the known simulator is as follows. In the simulator, the base resistors of the bridge are shunted by conductivities, so their resistances are interdependent. When the ambient temperature changes, the resistances of the base resistors and shunts change, for example, due to different temperature coefficients of resistance (TCR), which leads to errors in the output voltage value, which correspond to the stages of the simulator bridge. These errors cannot be compensated by known methods.

Известен имитатор дискретного дисбаланса тензометрического моста - [Патент РФ № 2315325, МПК G01R 17/00, 2008 г.]. Устройство имитирует тензорезисторный мост и состоит из цепи последовательно соединенных между собой резисторов и двух коммутаторов. Два крайних резистора цепи, сопротивление которых равно половине сопротивления плеча имитируемого мостового тензорезисторного датчика, соединены с клеммами электропитания устройства. Выводы остальных резисторов цепи предназначены для формирования ступеней приращений напряжения и соединены с входами первого и второго коммутатора. Выходы коммутаторов имитируют измерительную диагональ тензорезисторного моста и соединены с резисторами, сопротивление которых равно половине сопротивления плеча имитируемого мостового тензорезисторного датчика. Устройство позволяет обеспечить с высокой точностью автоматизацию метрологических исследований быстродействующих измерительных систем. Ступени приращений напряжения имитатора представляют собой разности потенциалов двух различных между собой выводов цепи резисторов. Только нулевая ступень имитатора образуется при подсоединении одного и того же вывода одного из резисторов к входам обоих коммутаторов. Вследствие этого при опросе ступеней имитатора измерительной системой на нулевой ступени происходит замыкание входа нормирующего преобразователя системы. Вместо реального «нуля» нормирующего преобразователя системой измеряется нулевой потенциал короткого замыкания.Known simulator of discrete imbalance strain gauge bridge - [RF Patent No. 2315325, IPC G01R 17/00, 2008]. The device imitates a tensoresistor bridge and consists of a chain of series-connected resistors and two switches. The two extreme resistors of the circuit, the resistance of which is equal to half the resistance of the arm of the simulated bridge strain gauge sensor, are connected to the power supply terminals of the device. The outputs of the remaining resistors of the circuit are designed to form steps of voltage increments and are connected to the inputs of the first and second switches. The outputs of the switches imitate the measuring diagonal of the strain gauge bridge and are connected to resistors, the resistance of which is equal to half the resistance of the arm of the simulated bridge strain gauge sensor. The device allows high-precision automation of metrological studies of high-speed measuring systems. The steps of the voltage increments of the simulator are the potential differences between the two terminals of the resistor circuit, which are different from each other. Only the zero stage of the simulator is formed by connecting the same output of one of the resistors to the inputs of both switches. As a result, when the simulator steps are interrogated by the measuring system at the zero step, the input of the normalizing converter of the system is closed. Instead of the real “zero” of the normalizing transducer, the system measures the zero potential of the short circuit.

Это является недостатком известного имитатора при эксплуатации его в составе измерительных систем. Дело в том, что каждый мостовой тензорезисторный датчик имеет различную величину начального разбаланса моста, а нормирующие преобразователи измерительных устройств систем имеют различающиеся между собой величины сдвига нуля и коэффициента усиления. Поэтому для повышения точности измерения физической величины датчик совместно с измерительной системой предварительно калибруют на градуировочном стенде, а потом применяют на испытательном стенде. Значительная удаленность испытательного стенда от градуировочного стенда, невозможность использования одной и той же измерительной системы на обоих стендах, например, при стационарном расположении измерительной системы на испытательном стенде и др. приводят к тому, что на градуировочном стенде применяют свою измерительную систему, а на испытательном стенде другую измерительную систему. Для обеих систем применяют один и тот же имитатор сигналов. Это дает возможность, воспользовавшись известными способами, (например, Патент РФ № 1760389, 1993 г., - Способ градуировки тензометрической измерительной системы, стационарно установленной на испытательном стенде, не оснащенном силозадающим устройством), повысить точность измерений физической величины при использовании измерительной системы испытательного стенда.This is a disadvantage of the well-known simulator when it is used as part of measuring systems. The fact is that each bridge strain gauge sensor has a different value of the initial unbalance of the bridge, and the normalizing transducers of the measuring devices of the systems have different values of zero shift and gain. Therefore, to improve the accuracy of measuring a physical quantity, the sensor, together with the measuring system, is pre-calibrated on a calibration bench, and then used on a test bench. Significant remoteness of the test stand from the calibration stand, the impossibility of using the same measuring system on both stands, for example, when the measuring system is stationary on the test stand, etc., lead to the fact that the calibration stand uses its own measuring system, and on the test stand another measuring system. The same signal simulator is used for both systems. This makes it possible, using known methods (for example, RF Patent No. 1760389, 1993, - Method for calibrating a strain gauge measuring system permanently installed on a test bench that is not equipped with a force-setting device), to increase the accuracy of measurements of a physical quantity when using a measuring system of a test bench .

Недостаток известного имитатора состоит в том, что он не позволяет измерять реальный «нуль» нормирующего преобразователя измерительного устройства системы. Поэтому этот имитатор сигналов допустим только для калибровки той системы, с которой калибруется мостовой тензорезисторный датчик. Использование коэффициентов градуировочной характеристики, полученной в результате калибровки мостового тензорезисторного датчика совместно с измерительной системой градуировочного стенда, в системе испытательного стенда при применении известного имитатора сигналов приведет к погрешности измерений.The disadvantage of the known simulator is that it does not allow to measure the real "zero" of the normalizing transducer of the measuring device of the system. Therefore, this signal simulator is only valid for calibrating the system with which the bridge strain gauge is being calibrated. The use of the coefficients of the calibration characteristic, obtained as a result of the calibration of the bridge strain gauge sensor together with the measuring system of the calibration stand, in the test stand system using a known signal simulator will lead to measurement errors.

Известен имитатор сигналов мостовых тензорезисторных датчиков - [Патент РФ № 2620895, МПК G01R 17/00, 2017 г., выбран в качестве прототипа].Known simulator signals bridge strain gauges - [RF Patent No. 2620895, IPC G01R 17/00, 2017, selected as a prototype].

Имитатор предназначен для формирования ступеней напряжения. Напряжение каждой последующей ступени больше напряжения предыдущей ступени на величину, пропорциональную приращению сопротивления. Имитатор состоит из двух коммутаторов и резисторного моста. В мосте сопротивления четырех базовых резисторов попарно соединены своими выводами с одной стороны с вводами электропитания, а с другой стороны с соответствующими вводами цепей, состоящих из m-1 и n-1 последовательно соединенных резисторов. Цепь, состоящая из m-1 резисторов, имеет m выводов, которые соединены с соответствующими входами первого коммутатора. Цепь, состоящая из n-1 резисторов, имеет n выводов, которые соединены с соответствующими входами второго коммутатора. Выходы коммутаторов представляют измерительную диагональ моста, на которой формируются m×n ступеней напряжения имитатора. Формируемые в имитаторе ступени напряжения, имеющие одинаковые номера, но разные знаки, попарно равномерно отстоят относительно нулевой ступени, напряжение которой равно нулю. В имитаторе при подключении нулевой ступени с измерительной диагонали моста на вход нормирующего преобразователя измерительного устройства подается разность потенциалов, а не происходит замыкание входа нормирующего преобразователя, как в рассматриваемом прототипе. Поэтому этот новый по сравнению с его прототипом имитатор можно применять не только для градуировки измерительной системы градуировочного стенда, но и для градуировки измерительной системы испытательного стенда, к которой после транспортировки с градуировочного стенда подключаются проградуированные на этом стенде датчики.The simulator is designed to form voltage steps. The voltage of each subsequent stage is greater than the voltage of the previous stage by an amount proportional to the increase in resistance. The simulator consists of two switches and a resistor bridge. In the resistance bridge, four basic resistors are connected in pairs with their terminals on one side to the power supply inputs, and on the other side to the corresponding inputs of circuits consisting of m-1 and n-1 series-connected resistors. A circuit consisting of m-1 resistors has m outputs that are connected to the corresponding inputs of the first switch. A circuit consisting of n-1 resistors has n outputs that are connected to the corresponding inputs of the second switch. The outputs of the switches represent the measuring diagonal of the bridge, on which m×n voltage levels of the simulator are formed. The voltage steps formed in the simulator, having the same numbers, but different signs, are in pairs evenly spaced relative to the zero step, the voltage of which is zero. In the simulator, when the zero stage is connected from the measuring diagonal of the bridge, a potential difference is applied to the input of the normalizing transducer of the measuring device, and the input of the normalizing transducer does not close, as in the considered prototype. Therefore, this simulator, new in comparison with its prototype, can be used not only for calibrating the measuring system of the calibration stand, but also for calibrating the measuring system of the test stand, to which, after transportation from the calibration stand, the sensors calibrated on this stand are connected.

Недостаток известного имитатора состоит в том, что разности напряжений по абсолютной величине между двумя рядом стоящими номерами ступеней для некоторых соседних ступеней могут отличаться от остальных рядом расположенных номеров ступеней, для которых эти разности напряжений равны. В прототипе разность между двумя рядом стоящими в Таблице 1 напряжениями, которые отличаются между собой двумя индексами, не равна разности между двумя рядом стоящими в Таблице 1 напряжениями, которые отличаются между собой только одним индексом. Для напряжений, отличающихся только одним индексом, эта разность по абсолютной величине равна разности напряжений между первой и нулевой ступенями. Для представленной в прототипе схемы имитатора, а также и для предлагаемой схемы имитатора, напряжениями, которые рядом стоят в Таблице 1 и отличаются между собой двумя индексами, являются U₁₇ и U₅₈, U₅₇ и U₁₆, оба индекса которых 17 и 58, 57 и 16 отличаются между собой. При этом, чем на большее количество ступеней рассчитан имитатор, тем больше таких отличных от остальных разностей напряжения будет формироваться в имитаторе. Вследствие этого дискретная шкала известного имитатора становится неравномерной.The disadvantage of the known simulator is that the voltage difference in absolute value between two adjacent step numbers for some neighboring steps may differ from the rest of the adjacent step numbers for which these voltage differences are equal. In the prototype, the difference between two adjacent voltages in Table 1, which differ from each other by two indices, is not equal to the difference between two adjacent voltages in Table 1, which differ only by one index. For voltages that differ in only one index, this difference in absolute value is equal to the difference in voltages between the first and zero stages. For the simulator circuit presented in the prototype, as well as for the proposed simulator circuit, the voltages that are next to each other in Table 1 and differ from each other by two indices are U ₁₇ and U ₅₈ , U ₅₇ and U ₁₆ , both indices of which are 17 and 58, 57 and 16 are different. At the same time, the more steps the simulator is designed for, the more such voltage differences that are different from the rest will be formed in the simulator. As a result, the discrete scale of the known simulator becomes non-uniform.

Проблемой, которую необходимо решить в настоящем изобретении, является нелинейность формируемых имитатором сигналов приращений напряжения в пределах диапазона выходного напряжения имитируемого мостового тензорезисторного датчика.The problem to be solved in the present invention is the non-linearity of the voltage increment signals generated by the simulator within the output voltage range of the simulated bridge strain gauge.

Техническим результатом настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей имитатора сигналов мостовых тензорезисторных датчиков за счет формирования равных по абсолютной величине приращений напряжения на каждой ступени имитатора и обеспечение заданной точности воспроизведения ступеней напряжения имитатора.The technical result of the present invention is to expand the functionality of the bridge strain gauge signal simulator by generating voltage increments equal in absolute value at each stage of the simulator and ensuring the specified accuracy of reproduction of the voltage levels of the simulator.

Технический результат в имитаторе сигналов мостовых тензорезисторных датчиков достигается тем, что имитатор сигналов мостовых тензорезисторных датчиков, содержащий два коммутатора, выходы которых являются измерительными выходами имитатора, и резисторный мост, состоящий из двух параллельно соединенных цепей последовательно соединенных резисторов, первый и последний из которых в каждой цепи являются базовыми резисторами, которые своими выводами соединены с вводами питания моста, а остальные резисторы цепи являются дополнительными, при этом первая цепь включает четное количество m-1 дополнительных резисторов с равными сопротивлениями, а вторая цепь включает четное количество n-1 дополнительных резисторов с равными сопротивлениями, m выводов первой цепи между базовыми сопротивлениями соединены с соответствующими входами первого коммутатора, а n выводов второй цепи между базовыми сопротивлениями соединены с соответствующими входами второго коммутатора, дополнительно сопротивление каждого дополнительного резистора второй цепи в m раз больше каждого сопротивления дополнительного резистора первой цепи, сопротивления базовых резисторов первой цепи отличаются от сопротивлений базовых резисторов второй цепи и выбраны из условия равенства сопротивлений каждого плеча резисторного моста имитатора номинальному Сопротивлению каждого тензорезистора имитируемого мостового датчика.The technical result in the signal simulator of bridge strain gauge sensors is achieved by the fact that the simulator of signals of bridge strain gauge sensors, containing two switches, the outputs of which are the measuring outputs of the simulator, and a resistor bridge, consisting of two parallel-connected circuits of series-connected resistors, the first and last of which in each circuits are basic resistors, which are connected with their outputs to the power inputs of the bridge, and the remaining resistors of the circuit are additional, while the first circuit includes an even number of m-1 additional resistors with equal resistances, and the second circuit includes an even number of n-1 additional resistors with equal resistances, m outputs of the first circuit between the base resistances are connected to the corresponding inputs of the first switch, and n outputs of the second circuit between the base resistances are connected to the corresponding inputs of the second switch, additionally the resistance of each is up to of the additional resistor of the second circuit is m times greater than each resistance of the additional resistor of the first circuit, the resistances of the base resistors of the first circuit differ from the resistances of the base resistors of the second circuit and are selected from the condition that the resistances of each arm of the simulator resistor bridge are equal to the nominal resistance of each strain gauge of the simulated bridge sensor.

На фигуре 1 представлена схема заявляемого имитатора сигналов мостовых тензорезисторных датчиков.The figure 1 shows a diagram of the inventive bridge strain gauge signal simulator.

Имитатор сигналов состоит из двух коммутаторов и резисторного моста. Для внешних электрических цепей имитатор имеет два входа (Пит. 1 и Пит. 2) для подсоединения питания от измерительной системы к диагонали питания имитатора и два выхода (Вых. 1 и Вых. 2) коммутатора 1 и коммутатора 2, представляющих измерительные выходы имитатора. Коммутаторы выполнены на бесконтактных ключевых элементах. Управляющие входы коммутаторов предназначены для подачи на них управляющих сигналов, с помощью которых в имитаторе сигналов формируются ступени напряжения. Управляющие сигналы поступают от измерительной системы при использовании имитатора в составе системы или от специального устройства управления. В частном случае коммутатор 1 и коммутатор 2 могут быть выполнены на тумблерах, которые включаются оператором, производящим задание ступеней имитатора. Мост имитатора состоит из двух параллельно соединенных цепей последовательно соединенных резисторов. Одна цепь включает два базовых резистора с равными между собой сопротивлениями R2 и последовательно соединенные между собой m-1 дополнительных резисторов первой цепи. Сопротивления r1 этих резисторов равны между собой. Свободные выводы цепи из m-1 дополнительных резисторов первой цепи соединены с первыми вводами соответствующих базовых резисторов, сопротивления которых R2. Вторые вводы этих базовых резисторов соединены соответственно с входами питания моста имитатора Пит. 1 и Пит. 2. Вторая цепь включает два базовых резистора с равными между собой сопротивлениями R1 и последовательно соединенные между собой n-1 дополнительных резисторов второй цепи. Сопротивления этих резисторов r2 равны между собой. Свободные выводы цепи из n-1 дополнительных резисторов второй цепи соединены с первыми вводами базовых резисторов первой цепи сопротивлением R1, вторые вводы которых соединены соответственно с входами питания моста имитатора Пит. 1 и Пит. 2. Выводы резисторов, имеющих сопротивление r1, соединены с соответствующими входами коммутатора 1. В соответствии с тем, что количество резисторов, имеющих сопротивление r1, равно m-1, количество выводов этих резисторов равно m, Выводы резисторов, имеющих сопротивление г2, соединены с соответствующими входами коммутатора 2. Количество выводов этих резисторов равно n. Имитатор может быть выполнен на количество ступеней равное произведению m×n. В случае использования имитатора на меньшее, чем расчетное, количество ступеней, управляющие сигналы для формирования ступеней с большими номерами ступеней не формируются. Величина сопротивления базовых резисторов, имеющих сопротивление R2 и входящих в первую цепь, отличается от величины сопротивлений R1 базовых резисторов второй цепи. Сопротивления базовых резисторов R1 и R2 выбираются из условия, что сопротивления каждого плеча моста имитатора равны номинальному сопротивлению R каждого тензорезистора имитируемого мостового датчика. При этом в имитаторе сопротивления каждого из двух плеч моста соответственно равны

и

The signal simulator consists of two switches and a resistor bridge. For external electrical circuits, the simulator has two inputs (Supply 1 and Supply 2) for connecting the power supply from the measuring system to the power diagonal of the simulator and two outputs (Out. 1 and Out. 2) of switch 1 and switch 2, representing the measuring outputs of the simulator. Switches are made on non-contact key elements. The control inputs of the switches are designed to supply them with control signals, with the help of which voltage steps are formed in the signal simulator. Control signals come from the measuring system when using a simulator as part of the system or from a special control device. In a particular case, switch 1 and switch 2 can be performed on toggle switches, which are turned on by the operator who sets the simulator steps. The simulator bridge consists of two parallel connected circuits of resistors connected in series. One circuit includes two basic resistors with equal resistances R2 and m-1 additional resistors of the first circuit connected in series. The resistances r1 of these resistors are equal to each other. The free terminals of the circuit of m-1 additional resistors of the first circuit are connected to the first inputs of the corresponding basic resistors, the resistances of which are R2. The second inputs of these basic resistors are connected respectively to the power inputs of the PIT simulator bridge. 1 and Pete. 2. The second circuit includes two basic resistors with equal resistances R1 and n-1 additional resistors of the second circuit connected in series. The resistances of these resistors r2 are equal to each other. The free outputs of the circuit of n-1 additional resistors of the second circuit are connected to the first inputs of the base resistors of the first circuit with resistance R1, the second inputs of which are connected respectively to the power inputs of the bridge of the PIT simulator. 1 and Pete. 2. The outputs of resistors with resistance r1 are connected to the corresponding inputs of switch 1. In accordance with the fact that the number of resistors with resistance r1 is m-1, the number of outputs of these resistors is m. The outputs of resistors with resistance r2 are connected to corresponding inputs of the switch 2. The number of outputs of these resistors is n. The simulator can be made on the number of steps equal to the product m×n. If the simulator is used for less than the calculated number of steps, control signals for the formation of steps with large numbers of steps are not generated. The resistance value of the base resistors having resistance R2 and included in the first circuit differs from the resistance value R1 of the base resistors of the second circuit. The resistances of the base resistors R1 and R2 are selected from the condition that the resistances of each arm of the simulator bridge are equal to the nominal resistance R of each strain gauge of the simulated bridge sensor. At the same time, in the simulator, the resistances of each of the two arms of the bridge are respectively equal to

and

На фиг. 1 в качестве примера приведена схема имитатора сигналов мостовых тензорезисторных датчиков на 15 ступеней напряжения. Для такого имитатора должно выполняться условие m×n=15. Для обеспечения этого условия выбрано m=5, n=3. Соответственно количество дополнительных резисторов первой цепи, имеющих сопротивление r1, равно 4, а количество дополнительных резисторов второй цепи, имеющих сопротивление r2, равно 2. Выводы резисторов с сопротивлением r1 на фиг. 1 обозначены с 1 по 5, выводы резисторов с сопротивлением r2 имеют номера с 6 по 8. Для приведенной на фиг. 1 схемы имитатора R1=R-r2, R2=R-2r1. Далее производится расчет схемы имитатора и установление соответствия между рассчитанными выходными напряжениями моста имитатора и номерами ступеней имитатора.In FIG. 1, as an example, a diagram of a signal simulator of bridge strain gauge sensors for 15 voltage steps is shown. For such a simulator, the condition m×n=15 must be satisfied. To ensure this condition, m=5, n=3 was chosen. Accordingly, the number of additional resistors of the first circuit having a resistance r1 is 4, and the number of additional resistors of the second circuit having a resistance r2 is 2. The terminals of the resistors with a resistance r1 in FIG. 1 are designated from 1 to 5, the leads of resistors with resistance r2 are numbered from 6 to 8. For the one shown in FIG. 1 simulator circuits R1=R-r2, R2=R-2r1. Next, the simulator circuit is calculated and a correspondence is established between the calculated output voltages of the simulator bridge and the numbers of the simulator steps.

Погрешность воспроизведения ступеней напряжения в заявляемом изобретении не превышает погрешности воспроизведения ступеней напряжения в прототипе. Эта погрешность зависит от величины сопротивления бесконтактных ключевых элементов коммутаторов rk и входного сопротивления измерительной цепи системы R_вх. The error in the reproduction of the voltage steps in the claimed invention does not exceed the error in the reproduction of the voltage steps in the prototype. This error depends on the value of the resistance of contactless key elements of the switches rk and the input resistance of the measuring circuit of the system _Rin.

Например, при сопротивлении одного ключа в открытом состоянии rk=4 Ом, входном сопротивлении измерительной цепи системы R_вх.=2 МОм погрешность воспроизведения сигналов заявляемого изобретения будет иметь величину порядка 0,0004%.For example, with the resistance of one key in the open state rk=4 Ohm, the input resistance of the measuring circuit of the system _Rin. =2 MΩ, the reproduction error of the signals of the claimed invention will have a value of the order of 0.0004%.

Питание имитатора может осуществляться как от источника напряжения, так и от источника тока. Ниже приведен расчет величины напряжений для каждой ступени имитатора при питании имитатора от источника напряжения U.The simulator can be powered both from a voltage source and from a current source. Below is the calculation of the voltage for each stage of the simulator when the simulator is powered from a voltage source U.

Величина тока I₁, протекающего через резисторы r1 равна

The magnitude of the current I ₁ flowing through the resistors r1 is

величина тока, протекающего через резисторы r2 также равна

где R - величина сопротивления каждого плеча моста имитатора, которое равно номинальному сопротивлению каждого тензорезистора имитируемого мостового датчика.the amount of current flowing through the resistors r2 is also equal to

where R is the resistance value of each arm of the simulator bridge, which is equal to the nominal resistance of each strain gauge of the simulated bridge sensor.

Выходное напряжение на выходах 1-6 моста имитатора U₁₆=I₁(R2+4r1)-I₂(R1+2r2).The output voltage at the outputs 1-6 of the simulator bridge U ₁₆ \u003d I ₁ (R2 + 4r1) -I ₂ (R1 + 2r2).

После подстановки в эту формулу вышеприведенных значений I₁, I₂, R1, R2 вычисляется напряжение

Аналогично рассчитываются напряжения на других выходах моста имитатора.After substituting the above values I ₁ , I ₂ , R1, R2 into this formula, the voltage is calculated

Similarly, voltages are calculated at other outputs of the simulator bridge.

Выходное напряжение имитатора на выходах 2-6

Simulator output voltage at outputs 2-6

Выходное напряжение имитатора на выходах 3-6

Simulator output voltage at outputs 3-6

Выходное напряжение имитатора на выходах 4-6

Simulator output voltage at outputs 4-6

Выходное напряжение имитатора на выходах 5-6

Simulator output voltage at outputs 5-6

Выходное напряжение имитатора на выходах 1-7

Simulator output voltage at outputs 1-7

Выходное напряжение имитатора на выходах 2-7

Simulator output voltage at outputs 2-7

Выходное напряжение имитатора на выходах 3-7 U₃₇=0Simulator output voltage at outputs 3-7 U ₃₇ =0

Выходное напряжение имитатора на выходах 4-7

Simulator output voltage at outputs 4-7

Выходное напряжение имитатора на выходах 5-7

Simulator output voltage at outputs 5-7

Выходное напряжение имитатора на выходах 1-8

Simulator output voltage at outputs 1-8

Выходное напряжение имитатора на выходах 2-8

Simulator output voltage at outputs 2-8

Выходное напряжение имитатора на выходах 3-8

Simulator output voltage at outputs 3-8

Выходное напряжение имитатора на выходах 4-8

Simulator output voltage at outputs 4-8

Выходное напряжение имитатора на выходах 5-8

Simulator output voltage at outputs 5-8

В Таблице 1 по результатам расчета приведены номера ступеней имитатора и соответствующие им значения напряжений.In Table 1, according to the calculation results, the numbers of the simulator stages and the corresponding voltage values are given.

Из расчета следует, что токи, протекающие через первую и вторую цепь моста имитатора, равны, поэтому величины напряжений соответствующих ступеней имитатора вычисляются по упрощенным по сравнению с прототипом формулам. Такие же простые формулы для расчета ступеней напряжения получаются при питании моста имитатора от источника тока. Соответствие значений напряжения номерам ступеней имитатора в Таблице 1 не зависит от того осуществлялось питание моста имитатора напряжением или током.It follows from the calculation that the currents flowing through the first and second circuits of the simulator bridge are equal, therefore, the voltage values of the corresponding stages of the simulator are calculated using simplified formulas compared to the prototype. The same simple formulas for calculating voltage steps are obtained when the simulator bridge is powered from a current source. Correspondence of voltage values to the numbers of simulator steps in Table 1 does not depend on whether the simulator bridge was powered by voltage or current.

Одной из особенностей предлагаемой схемы имитатора сигналов является выдерживаемое для схем имитаторов с различным количеством ступеней соотношение сопротивлений между дополнительными резисторами первой и второй цепей, Это соотношение представлено в виде равенства r2=m×r1. Так как соотношение r2=m×r1 выдерживается для схем имитаторов с различным количеством ступеней, то в предлагаемых имитаторах все разности напряжений по абсолютной величине между двумя соседними ступенями, в том числе и разности U₅₈ - U₁₇, U₁₆ - U₅₇, равны между собой. Поэтому дискретная шкала предлагаемого имитатора будет равномерной.One of the features of the proposed signal simulator circuit is the resistance ratio between the additional resistors of the first and second circuits, which is maintained for simulator circuits with a different number of steps. This ratio is represented as the equation r2=m×r1. Since the ratio r2=m×r1 is maintained for circuits of simulators with a different number of stages, then in the proposed simulators all voltage differences in absolute value between two adjacent stages, including the differences U ₅₈ - U ₁₇ , U ₁₆ - U ₅₇ , are equal to between themselves. Therefore, the discrete scale of the proposed simulator will be uniform.

Величины сопротивлений r1 и r2 вычисляются при решении системы уравнений:The resistance values r1 and r2 are calculated by solving the system of equations:

где U_min - выходное напряжение имитатора, соответствующее величине ступени под номером 1 (для приведенного на фиг. 1 имитатора U_min=U₂₇), k=m×n - количество ступеней напряжения, формируемых имитатором, D - диапазон положительных ступеней напряжения, на которые рассчитан имитатор. Для приведенного на фиг. 1 имитатора U_max=U₁₈, k=15. Если необходимо изготовить имитатор на меньшее количество ступеней, то расчеты производятся из учета требуемого количества ступеней. Например, требуется рассчитать калибратор на k=13 ступеней напряжения, мост имитатора запитывается от источника напряжении U=10 В, диапазон воспроизведения положительных ступеней напряжения имитатора D=30 мВ, номинальное сопротивление каждого тензорезистора имитируемого мостового датчика R=350 Ом.where U _min is the simulator output voltage corresponding to the step number 1 (for the simulator shown in Fig. 1 U _min =U ₂₇ ), k=m×n is the number of voltage steps generated by the simulator, D is the range of positive voltage steps, on which the simulator calculated. For the one shown in FIG. 1 simulator U _max =U ₁₈ , k=15. If it is necessary to make a simulator for a smaller number of steps, then the calculations are made taking into account the required number of steps. For example, it is required to calculate the calibrator for k=13 voltage steps, the simulator bridge is powered by a voltage source U=10 V, the simulation range of positive voltage steps of the simulator is D=30 mV, the nominal resistance of each strain gauge of the simulated bridge sensor is R=350 Ohm.

При расчете имитатора на 13 ступеней напряжения ступени с номерами -7 и +7 исключаются. Система уравнений для расчета величины сопротивления r1 и r2 представлена в видеWhen calculating the simulator for 13 voltage steps, steps with numbers -7 and +7 are excluded. The system of equations for calculating the resistance values r1 and r2 is presented as

При решении системы уравнений находятся сопротивления r1 и r2

После подстановки в эти зависимости известных значений k, U, D и R производится вычисление расчетных значений r1=0,35 Ом и r2=1,75 Ом. Из расчетов следует, что величина сопротивления r2 в 5 раз больше величины сопротивления r1. Для представленной на фиг. 1 схемы имитатора m=5. В связи с тем, что такие величины сопротивлений r1 и r2 в номинальном ряду сопротивлений резисторов не предусмотрены, требуется заменить их эквивалентными сопротивлениями из номинального ряда, которые в схеме имитатора с достаточной степенью точности обеспечат воспроизведение расчетных величин сопротивлений r1 и r2. Одним из способов воспроизведения таких эквивалентных сопротивлений является включение дополнительных резисторов первой и второй цепи, имеющих сопротивления r3 и r4 вместо r1 и r2. В рассматриваемом имитаторе резисторы с сопротивлениями r3ш и r4ш шунтируют соответственно цепи из четырех резисторов, имеющих сопротивление r3, и двух резисторов с сопротивлением r4. Величины сопротивлений r3 и r3ш находятся из решения уравнения

Но в этом уравнении имеется два неизвестных r3 и r3ш. Поэтому при решении уравнения задается величина r3 и вычисляется величина r3ш. Методом последовательного перебора находятся такие величины r3 и r3ш, при подстановке которых в указанное уравнение величина 4r1 с достаточной степенью точности будет равна расчетной. Аналогично величины сопротивлений r4 и r4ш находятся из решения уравнения

Для рассматриевого имитатора r3=2,8 Ом, r3ш=1,6 Ом, r4=14 Ом, резистор с сопротивлением r4ш состоит из двух последовательно соединенных резисторов, сопротивления каждого из которых равно 2 Ом. Найденные эквивалентные сопротивления равны расчетным сопротивлениям r1 и r2. В результате подстановки сопротивлений R, r2 и r1 в уравнения R1=R-r2 и R2=R-2r1 вычисляются сопротивления R1=348,25 Ом и R2=349,3. Из номинального ряда выбираются сопротивления резисторов, которые в сумме равны сопротивлению резисторов R1 и R2. Вместо резистора с сопротивлением R1 выбираются два последовательно соединенных резистора сопротивлением 340 Ом и 8,25 Ом, а вместо резистора с сопротивлением R2 выбираются два последовательно соединенных резистора с сопротивлением 348 Ом и 1,3 Ом.When solving the system of equations, the resistances r1 and r2 are found

After substituting the known values of k, U, D and R into these dependencies, the calculated values r1=0.35 ohm and r2=1.75 ohm are calculated. It follows from the calculations that the resistance value r2 is 5 times greater than the resistance value r1. For the one shown in FIG. 1 circuit simulator m=5. Due to the fact that such resistance values r1 and r2 are not provided in the nominal range of resistor resistances, it is required to replace them with equivalent resistances from the nominal range, which in the simulator circuit with a sufficient degree of accuracy will ensure the reproduction of the calculated values of resistances r1 and r2. One way to reproduce such equivalent resistances is to include additional resistors in the first and second circuits, having resistances r3 and r4 instead of r1 and r2. In the simulator under consideration, resistors with resistances r3sh and r4sh shunt, respectively, chains of four resistors with resistance r3 and two resistors with resistance r4. The resistance values r3 and r3sh are found from the solution of the equation

But in this equation there are two unknowns r3 and r3sh. Therefore, when solving the equation, the value r3 is set and the value r3sh is calculated. Using the method of sequential enumeration, such values of r3 and r3sh are found, when they are substituted into the indicated equation, the value of 4r1 with a sufficient degree of accuracy will be equal to the calculated one. Similarly, the resistance values r4 and r4sh are found from the solution of the equation

For the considered simulator r3=2.8 ohm, r3sh=1.6 ohm, r4=14 ohm, the resistor with resistance r4sh consists of two resistors connected in series, the resistance of each of which is 2 ohm. The found equivalent resistances are equal to the calculated resistances r1 and r2. As a result of substituting the resistances R, r2 and r1 into the equations R1=R-r2 and R2=R-2r1, the resistances R1=348.25 Ohm and R2=349.3 are calculated. From the nominal series, the resistances of the resistors are selected, which in total are equal to the resistance of the resistors R1 and R2. Instead of a resistor with resistance R1, two series-connected resistors with a resistance of 340 ohms and 8.25 ohms are selected, and instead of a resistor with resistance R2, two series-connected resistors with a resistance of 348 ohms and 1.3 ohms are selected.

Возможный дисбаланс моста имитатора, связанный с отклонениями сопротивлений резисторов относительно номиналов, устраняется путем установки в соответствующие плечи моста компенсирующих сопротивлений. Материал этих сопротивлений должен иметь температурный коэффициент сопротивления (ТКС) близкий к ТКС применяемых в имитаторе резисторах.Possible imbalance of the bridge of the simulator, associated with deviations of the resistance of the resistors relative to the ratings, is eliminated by installing compensating resistances in the corresponding shoulders of the bridge. The material of these resistances must have a temperature coefficient of resistance (TCR) close to the TCR of the resistors used in the simulator.

Имитатор сигналов мостовых тензорезисторных датчиков работает следующим образом. На управляющие входы коммутатора 1 и коммутатора 2 поступают импульсы от контроллера измерительной системы или отдельного устройства управления, с помощью которых включаются бесконтактные ключевые элементы и подсоединяются выводы резисторов с сопротивлением r1 к выходу коммутатора 1, а выводы резисторов с сопротивлением r2 подсоединяются к выходу коммутатора 2. В частном случае, если коммутаторы выполнены на тумблерах, тумблеры включаются оператором. В результате на выходах коммутатора 1 и коммутатора 2 последовательно формируются разности потенциалов Uвых. 1 - Uвых. 2, которые представляют собой напряжения ступеней имитатора сигналов. Последовательность подключения выводов резисторов к коммутаторам осуществляется в соответствии с Таблицей 1. Для имитатора на 13 ступеней выводы резисторов к коммутаторам подключаются в следующей последовательности: 4-6, 3-6, 2-6, 1-6, 5-7, 4-7, 3-7, 2-7, 1-7, 5-8, 4-8, 3-8, 2-8. Таким образом, формируется 13 ступеней напряжений имитатора от максимальной отрицательной (-6) ступени до максимальной положительной (+6). При подключении выводов 3-7 формируется нулевая ступень имитатора.Bridge strain gauge signal simulator operates as follows. The control inputs of commutator 1 and commutator 2 receive pulses from the controller of the measuring system or a separate control device, with the help of which contactless key elements are switched on and the terminals of resistors with resistance r1 are connected to the output of commutator 1, and the terminals of resistors with resistance r2 are connected to the output of commutator 2. In a particular case, if the switches are made on toggle switches, the toggle switches are turned on by the operator. As a result, potential differences Uout are sequentially formed at the outputs of switch 1 and switch 2. 1 - Uout. 2, which are the voltages of the signal simulator stages. The sequence of connecting the resistor leads to the switches is carried out in accordance with Table 1. For a 13-stage simulator, the resistor leads to the switches are connected in the following sequence: 4-6, 3-6, 2-6, 1-6, 5-7, 4-7 , 3-7, 2-7, 1-7, 5-8, 4-8, 3-8, 2-8. Thus, 13 voltage levels of the simulator are formed from the maximum negative (-6) stage to the maximum positive (+6). When terminals 3-7 are connected, the zero stage of the simulator is formed.

Изготовленный макет имитатора и проведенные исследования подтвердили работоспособность предложенного имитатора сигналов мостовых тензорезисторных датчиков. Применение данного изобретения расширяет функциональные возможности имитаторов за счет признаков отличительной части и соответствующего в результате этого формирования в имитаторах сигналов мостовых тензорезисторных датчиков ступеней напряжения с равными по абсолютной величине приращениями напряжения и, таким образом, позволяет изготавливать имитаторы с равномерной дискретной шкалой. При этом обеспечивается заданная точность воспроизведения ступеней напряжения имитатора.The fabricated model of the simulator and the conducted studies confirmed the operability of the proposed simulator of signals from bridge strain gauge sensors. The use of this invention expands the functionality of the simulators due to the features of the distinctive part and, as a result, the formation in the simulators of signals of bridge strain gauge sensors of voltage steps with voltage increments equal in absolute value and, thus, makes it possible to manufacture simulators with a uniform discrete scale. This ensures the specified accuracy of reproduction of the voltage levels of the simulator.

Claims

Signal simulator of bridge strain-gauge sensors, containing two switches, the outputs of which are the measuring outputs of the simulator, and a resistor bridge, consisting of two parallel-connected circuits of series-connected resistors, the first and last of which in each circuit are basic resistors, which are connected with their outputs to the power inputs bridge, and the remaining resistors of the circuit are additional, while the first circuit includes an even number of m-1 additional resistors with equal resistances, and the second circuit includes an even number of n-1 additional resistors with equal resistances, m outputs of the first circuit between the base resistances are connected to the corresponding inputs of the first switch, and n outputs of the second circuit between the base resistances are connected to the corresponding inputs of the second switch, characterized in that the resistance of each additional resistor of the second circuit is m times greater than each resistance of the additional resistor resistors of the first circuit, the resistances of the base resistors of the first circuit differ from the resistances of the base resistors of the second circuit and are selected from the condition of equality of the resistances of each arm of the simulator resistor bridge to the nominal resistance of each strain gauge of the simulated bridge sensor.