П 7.5. Электрическая схема измерений

В качестве первичного преобразователя может использоваться тензорезистор, наклеенный на пластину 3(см. рис. 7.2) и реагирующий на растяжение ее поверхностного слоя при изгибе путем изменения своего активного сопротивления электрическому току. Может использоваться также магнитоиндуктивный преобразователь, реагирующий на изгиб пластины путем изменения своего индуктивного сопротивления за счет уменьшения воздушного зазора в замкнутом магнитном контуре (между электромагнитной катушкой и пластиной, которая выполняется из магнитопроницаемого материала).

На разных установках лаборатории используются оба указанных преобразователя. Недостатком тензорезистора является то, что под воздействием отраженной от преграды струи воды оказывается изоляция его электрических цепей, которые проводятся по лицевой поверхности пластины 3и деформируются вместе с нею. Данный недостаток отсутствует у магнитоиндуктивного преобразователя, катушка которого неподвижно закреплена с тыльной стороны пластины и залита эпоксидной смолой. Однако магнитная проницаемость воздушного зазора между катушкой и пластиной зависит от влажности воздуха. Поэтому актуален вопрос, рассмотренный в пп. 7.1.6, определения дополнительных погрешностей измерения, связанных с отличиями водо-воздушных режимов при тарировке и измерениях.

Далее рассмотрена электрическая схема по рис. 7.3 и вопрос масштабирования выходного сигнала Iна примере использования тензорезистора в качестве первичного преобразователя. Как отмечалось в §7.3, вдоль пластины3с центром в ее сеченииn —n (см. рис. 7.2) наклеены два проволочных тензорезистора5и6. Первый из них является первичным преобразователем. Он наклеен со стороны пластины, поверхностные слои которой растягиваются при изгибе. Соответственно удлиняются активные проволочные участки преобразователя. Его сопротивлениеr электрическому току возрастает на пропорциональную величину . При достаточно малом изгибе пластины реализуется следующая линейная зависимость:

, (П 7.5.1)

где — постоянный коэффициент, определяемый чувствительностью тензопреобразователя к растяжению, моментом сопротивления сечения n — n пластины к изгибу и модулем упругости ее материала.

Тензорезистор 6не подвержен растяжению и свое сопротивление не меняет. Он предназначен для компенсации влияния возможного изменения температуры на сопротивление тензорезистора5(компенсационное сопротивление).

Электрическая схема измерений приведена на рис. 7.3. Первичный преобразователь 2и компенсационное сопротивление1 (тензорезисторы) образуют полумост (тензометрический датчик), подключенный к определенному каналу тензостанции марки «Топаз -3». Тензостанция содержит второй полумост, состоящий из сопротивлений3,4и образующий с первым стандартную мостовую схему (тензометрический мост), усилитель5, включенный в диагональ тензометрического моста, другие вспомогательные элементы.

Питание тензостанции осуществляется напряжением постоянного тока (11 ÷ 15) В от источника питания «Е» марки «Гранат». Одна из диагоналей тензометрического моста запитывается через тензометрическую станцию напряжением постоянного тока В. Другая диагональ моста подключена к усилителю5. Выходной сигнал в виде величины постоянного токаIснимается с выхода усилителя и индицируется миллиамперметром6.

Перед производством измерений при нулевом воздействии Rтензометрический мост путем изменения сопротивления 3 балансируется так, что разность потенциалов между точкамиАиБдиагонали тензометрического моста (см. рис. 7.3) близка к нулю. При приложении усилияR сопротивление тензорезистора1изменяется на величину , и в диагонали тензомоста (между точкамиАиБ) возникает рассогласование потенциалов электрического тока .

При достаточно малом значении оправдана линейная зависимость

, (П 7.5.2)

где — коэффициент (при ).

В соответствии с (П 7.5.1) и (П 7.5.2), а также с учетом зависимости , где — коэффициент усиления сигнала на усилителе5(см. рис. 7.3), справедлива зависимость

, (П 7.5.3)

которую можно переписать в следующем виде:

, (П 7.5.4)

где .

Зависимость (П 7.5.4) определяет связь между выходным сигналом и входной измеряемой величиной . Для проведения измерений необходимо знать величину коэффициента пропорциональности между входным и выходным сигналами, которая находится с помощью тарировки по известным значениям . Погрешность измерения зависит, в первую очередь, от отклонения значенияK в момент измерения от его значения, полученного при тарировке, а также от погрешности индикации выходного сигнала. Отклонение определяется отклонениями всех тех коэффициентов, а также величин , которые входят в зависимость (П 7.5.3). Особое влияние может оказать нестабильность величин , определяемых электрической частью схемы. С целью снижения этого влияния в схему измерения вводится элемент масштабирования, заключающийся в следующем. Параллельно тензорезистору1через тумблер «М» подключен резистор7. При включенном тумблере «М» (он выведен на переднюю панель тензостанции) сопротивление соответствующего измерительного плеча тензометрического моста падает на определенную величину .Согласно зависимости (П 7.5.2) в диагонали тензомоста возникает рассогласование с соответствующим выходным сигналом

. (П 7.5.5)

Этот сигнал в формуле (7.1) используется как тарировочный. Разделив соотношение (П 7.5.3) на (П 7.5.5), получим

, (П 7.5.6)

что можно записать в следующем виде:

(П 7.5.7)

где — масштаб.

Как видим, вместо величин , присутствующих в формуле (П 7.5.3), соотношение (П 7.5.7) содержит значение , отличающееся значительно более высокой стабильностью и соответственно обеспечивающее более высокую точность измерений. Кроме того, вместо выходного сигнала мы имеем отношение .Следовательно, систематическая мультипликативная составляющая погрешности индикации сигнала ,а она, как правило, превалирует над соответствующей аддитивной составляющей, будет скомпенсирована при делении на и не скажется на точности измерений. Это дает возможность заменять индицирующий прибор без повторной тарировки и снижения класса точности измерительной системы, если новый прибор не имеет существенно более высокой случайной (стохастической) погрешности.

В случае, если перед измерением выходной сигнал отличен от нуля, соотношение (П 7.5.7) примет вид формулы (7.2).