Расчет измерительного канала цифровых весов с температурной компенсацией, страница 9

Приложенные к УЭ нормальные напряжения вызывают деформации – сдвиги. Они характеризуются искажением прямого угла между двумя взаимно перпендикулярными волокнами, взятыми в деформированном теле. В упругом элементе S-образного типа используется деформация сдвига, т. е. тензорезисторы наклеиваются в местах возникновения деформаций данного типа. Следовательно, необходимо рассчитать касательные напряжения t_xy , которые возникают в теле УЭ (при деформации сдвига необходимо производить расчеты на предупреждение среза)

                                                            t_xy =,                                                  (29)

где Q-поперечная сила

       F-площадь поперечного сечения

                                                                            t_xy=                                                                    (30)

      -_-предел прочности  при сдвиге (при его достижении получается срез)

      -допустимый коэффициент запаса прочности, т. к. проектируемое средство измерения  имеет предел основной приведенной погрешности равный 0,1, то  величину  берем равной 8.

t_xy==200,0 кгс/мм²

=1700/8=210,25 кгс/мм²

200,0210,25 – условие прочности выполняется.

1.4.1.3 Обоснование выбора тензорезисторов (чувствительных элементов) и расчет мостовой схемы описано в п. п. 3.3.1 –3.3.3 настоящей работы.

1. 4.2 Весопроцессор

   Весопроцессор - это цифровой электронный прибор, который используется как вторичный измерительный преобразователь (ВИП). Он имеет следующие характеристики:

·  Литой алюминиевый корпус IP67;

·  4-разрядный 7-сегментный дисплей;

·  3-кнопочная клавиатура измерения;

·  разъем для подключения датчика;

·  диапазон рабочих температур минус 10 до +40 ⁰С.

          Описание работы ВИП приведено в п. п. 2.2.1 – 2.2.9.

1.5 Составление метрологической модели цифровых весов с температурной компенсацией

Уравнение преобразования весов: N=,

где  U_пит – напряжение питания моста;

        k_нп =(1+2) -  коэффициент усиления нормирующего преобразователя;

        S_тенз – коэффициент тензочувствительности константана;

        F – вес, прикладываемый к упругому элементу (УЭ);

        S_q – площадь поперечного сечения УЭ;

        E – модуль Юнга стали 30ХГСА;

        N – код АЦП;

         е – цена наименьшего разряда (е=1,5 мВ/1)

1.5.1 Описание влияющих факторов

·  Первичный измерительный преобразователь.

В качестве чувствительного элемента используется датчик S-образного (деформационного) типа. В данном датчике используется сдвиговая деформация, тензорезисторы наклеиваются под углом в 45⁰ друг к другу. При приложении силы к упругому элементу он будет деформироваться, а по ее величине можно будет судить об измеряемой величине.

Из всех влияющих факторов – температура, влажность, давление, магнитные электрические поля, механическая пыль, ускорение силы тяжести, радиационное воздействие, на чувствительный элемент оказывают влияние только два фактора - ускорение силы, влияние температуры.

Ускорение силы тяжести приводит к появлению постоянной составляющей деформации, если относительное положение упругого элемента не изменяется. Эта составляющая учитывается при калибровке корректировкой начального положения нуля, следовательно, влияние этого фактора не следует учитывать.

Влияние температуры приводит к изменению линейных размеров, изменению модуля упругости. Температурный коэффициент линейного расширения для стали 30ХГСА равен  11,0*10^-6 1/⁰С, поэтому изменение модуля упругости следует учитывать, а именно, при увеличении температуры, модуль упругости уменьшается что приводит к увеличению деформации упругого элемента. Чувствительный элемент как бы увеличивает чувствительность, т.о. необходимо вводить термокомпенсирующие связи или рассчитать возможное изменение чувствительности. Изменение чувствительности приводит к появлению мультипликативной погрешности

·  Схема преобразования механической деформации в электрический сигнал.

Поскольку выходной величиной чувствительного элемента является механическая деформация, то для преобразования деформации в электрический сигнал используются тензорезисторы.

Для отдельно взятого тензорезистора характерно существенное изменение сопротивления при изменении температуры, однако схема включения тензорезисторов в мостовую схему такова, что изменение температуры будет вызывать пропорциональное изменение всех сопротивлений плеч моста одновременно, поэтому выходной сигнал мостовой схемы не будет изменяться из-за изменения сопротивлений тензорезистора. Мостовая схема в этом смысле является автокомпенсационной.

Существенное влияние на тензорезисторы оказывает температура. Под ее воздействием изменяется тензочувствительность.

Воздействуют также на мостовую схему термо-ЭДС. Они возникают в узлах мостовой схемы из-за контактных сопротивлений, что приводит к самопроизвольному изменению напряжения на выходе схемы. Во избежание такой погрешности мостовая схема питается переменным напряжением типа меандра.

Влияние влажности может приводить к изменению сопротивления изоляции, изменению сопротивления клея, изменения механических свойств клея. Чтобы такого не было, тензорезисторы герметизируются (покрываются защитным покрытием).

Изменение давления окружающей среды в допустимых пределах не вызывает изменения параметров.

·  Напряжение питания моста

Входит линейно в уравнение преобразования, а поэтому будет вызывать пропорциональное изменение выходного сигнала, т. е. возникает мультипликативная погрешность за счет изменения напряжения питания моста. Для уменьшения влияния напряжения питания моста его стабилизируют и обязательно учитывают возможное падение напряжения питания на токопроводящих проводах.

·  Нормирующий преобразователь.