Схемная минимизация аддитивной температурной погрешности тензорезисторных датчиков давления от влияния момента затяжки Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ЭЛЕКТРОНИКА

УДК 531.781.084.2.38

Е. В. ТИХОНЕНКОВ, В. А.МИШИН

СХЕМНАЯ МИНИМИЗАЦИЯ АДДИТИВНОЙ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ПОГРЕШНОСТИ ТЕНЗОРЕЗИСТОРНЫХ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ ОТ ВЛИЯНИЯ МОМЕНТА ЗАТЯЖКИ

На основании существующих способов схемной компенсации предложены методы схемной компенсации тензо резисторных датчиков давления от влияния момента затяжки при установке на изделии.

Известно, что при работе датчиков давления одновременно с погрешностью от влияния момента затяжки в конструкциях датчиков, которые изменяют начальный уровень и сам выходной сигнал при установке его на изделии, возникают дополнительные температурные погрешности.

Рассмотрим влияние изменения усилия затяжки на аддитивные температурные погрешности при изменении температуры в процессе эксплуатации на примере тензорезисторного датчика давления, представленного на рис.1.

1

Рис. 1. Пример посадочного места датчика давления

Датчик 3 устанавливается в посадочное место на изделии 1 с помощью накидной гайки 4. Уплотнение осуществляется уплотнительной прокладкой 2. Для расчёта необходимо задаться параметрами посадочного места датчика, уплотнительной прокладки, посадочного места трубопровода, материалами, из которых они изготовлены, крутящим моментом Мку с которым датчик устанавливается на изделие (трубопровод) и аддитивной чувствительностью датчика к \ моменту затяжки 80М. Зная крутящий момент и параметры резьбового соединения, можно определить осевое усилие сжатия, развиваемое в резьбовом соединении при установке датчика на изделие по формуле [1]:

Е. В. Тихоненков. В. А. Мишин, 2005

2-А4

d-

/

\ >

Ч

ti •d

(1)

/

где /'=

/

= 1,15/ - коэффициент трения в

cosa /2

резьбе, зависящий от чистоты поверхностей и смазки для треугольного профиля резьбы; d-средний диаметр резьбы; S- шаг резьбы;

/- коэффициент трения материалов накидной гайки по посадочному месту (сталь по стали /= 0,15); a - угол профиля резьбы.

Аддитивную чувствительность датчика от момента затяжки через его выходные сигналы можно записать в виде [2]

(2)

au

U,,OM • Мк

где и,ШЛ, - номинальный выходной сигнал датчика; UOM - начальный уровень выходного сигнала датчика при установке его с моментом затяжки Мк; Uо - начальный уровень выходного сигнала датчика.

По аналогии с (2), аддитивная чувствительность датчика к осевому усилию в резьбовой части, выраженная через выходные сигналы, может быть представлена в виде [2J

с = ^ - U о

04 и...... Q

Ш1Л/

По полученным выражениям чувствительностей установим связь между чувствительностями датчика к осевому усилию и моменту затяжки [2]

(3)

Q

Но, с другой стороны, изменение осевого усилия затяжки при изменении температуры можно определить по формуле [1]

[а0 •/ +а, •/, +а0 -(/0 +0,3-d0)]-(r -Тм)

А0 =-2---г—г-> (4)

где а0, а, - коэффициенты линейного расширения материалов накидной гайки и датчика (сталь) и прокладки соответственно;

Т/м Т„- температуры при работе и монтаже датчика на

изделии соответственно;

Х0 - коэффициент податливости накидной

гайки;

х 4-(/,+0,ЗЧ) .

/0 - длина безрезьбовой части накидной гайки; */0 - внутренний диаметр резьбы накидной гайки; (¡2- наружный диаметр накидной гайки; (1\ - внутренний диаметр накидной гайки; Е - модуль упругости материала накидной гайки; Х\ - коэффициент податливости прокладки;

4 •/

X =__ .

/| - высота прокладки; £| - модуль упругости материала прокладки; наружный диаметр прокладки; внутренний диаметр прокладки; Х2 - коэффициент податливости датчика

С/

£2 - модуль упругости материала датчика;

- высота сжимаемой части датчика; ос^ - угол, составляющийся образующей косинуса давления с осью датчика 0,4 - 0,5).

Зная чувствительность датчика к осевому усилию и изменение осевого усилия при изменении температуры, можно определить аддитивную температурную чувствительность датчика от момента затяжки:

• да м

<«7

^0/V J rp

(5)

Подставляя в выражение (5) уравнения (4) и (3), можно определить значение аддитивной температурной чувствительности датчика от момента затяжки через геометрические размеры и физические характеристики материалов посадочного места датчика [2]:

5

SoJ

=

ч

я •d

+7

[a, /i+al/l+ae(/e+-fO,3-rfj]

OtM

2-(А.0 + А., + Х,2)

Расчёт для приведённого на рис. 1 посадочного места из стали 36НХТЮ, для резьбы Ml8><1,5 при значениях Мк=30 Нм, S0M=2 10~5 1/Нм и At=220 К показал, что аддитивная температурная погрешность датчика от момента затяжки составляет S0tM=7,2 10"4 I/K и требует компенсации хотя бы до уровня SolM=l- 10"4 1/К.

Самыми распространёнными из схемных методов компенсации являются: способ компенсации путём включения в мостовую измерительную цепь термонезависимого теризстора Rm и способ компенсации путём включения в мостовую измерительную цепь термозависимого резистора Rp. Рассмотрим первый способ компенсации.

В предлагаемом способе, компенсация достигается за счёт выравнивания ТКС тензорезисторов, включённых в противоположные плечи мостовой измерительной цепи с учётом температурной чувствительности датчика к моменту затяжки с помощью термонеезависимого резистора, включаемого в заранее определённое плечо мостовой цепи, параллельно рабочему тензорезистору, с ^одновременной её балансировкой [3].

Он основан на том, что изменение начального уровня выходного сигнала сбалансированной мостовой схемы зависит только от разбросов ТКС резисторов, которое для сбалансированной мостовой схемы при воздействии температуры будет определяться равенством (а/+а,) - (оь+аО = 0> то есть необходимо выровнять ТКСы тензорезисторов с учётом чувствительности датчика к влиянию момента затяжки. Для этого вначале производят балансировку мостовой схемы с помощью технологического термонезависимого резистора с точностью не менее 0,5% номинального выходного сигнала, что позволяет при расчёте компенсационного резистора пренебречь влиянием несбалансированности датчика на аддитивную температурную погрешность. Плечо подключения балансировочного резистора определяется по знаку разбаланса мостовой схемы, а номинал балансировочного резистора определяется экспериментальным путём.

Для сбалансированной мостовой схемы определяют ТКСы плеч с учётом включения балансировочного резистора при предварительной балансировке. По полученным значениям ТКС тензорезисторов определяют ТКС мостовой цепи по формуле

~ + <х4) - (а2 + а3), (6)

где аь аъ а3, а4 - ТКСы соответствующих плеч

мостовой схемы с учетом балансировки.

Для оценки влияния момента затяжки на аддитивную температурную погрешность датчик устанавливают в штуцер при моменте затяжки Мк, отражённом в технической документации, и снимают выходной сигнал при воздействии номинального измеряемого параметра ииом. Затем устанавливают датчик в штуцер с минимально допустимым значением момента затяжки М^п и определяют значение начального выходного сигнала 11о1. Повторяют испытание при максимально допустимом значении момента затяжки Мктах и определяют значение начального выходного сигнала ио2. По полученным данным рассчитывают аддитивную чувствительность датчика к моменту затяжки по формуле

и,-и.

S... =

о 2

п\

Исходя из габаритных размеров посадочного места датчика, штуцера и уплотнительной прокладки, а также физических характеристик материалов, из которых они изготовлены, по формулам (1) и (4) рассчитывают осевое усилие С> в резьбовой части датчика при установке с заданным моментом затяжки и изменение осевого усилия при изменении температуры в рабочем диапазоне температур. Под-

ставляя в выражение (5) уравнения (4) и (3), можно определить значение аддитивной температурной чувствительности датчика от момента затяжки

5 • м да ш м , да

пи К __"" - #

5 ... =

49\1

(7)

0-ДГ и О&М д т

где М!ипу-и0\ - девиация начальных выходных сигналов при установке датчика в технологическое посадочное место с максимальным и минимальным моментами затяжки соответственно; АМк=Мкпмх - Мктш - девиация момента затяжки при установке датчика в посадочное место; АТ= Тр-Тм - изменение температуры в процессе эксплуатации датчика на изделии.

Зная ТКС мостовой цепи аг и аддитивную температурную чувствительность датчика к моменту затяжки, можно рассчитать номинал термонезависимого компенсационного резистора как для компенсации только влияния момента затяжки на аддитивную температурную погрешность, так и для совместной компенсации аддитивной температурной погрешности от чувствительности тензорезисторов к температуре и температурной чувствительности датчика к влиянию момента затяжки.

При подключении резистора параллельно одному из плеч мостовой цепи (например общее сопротивление плеча при изменении температуры Кобши станет равным

= уО+а.-А/)-/?,,,

где а, - ТКС тензорезистора Л,;

А1 - диапазон изменения температуры.

Но, с другой стороны, Яобщн может быть записано через эквивалентное ТКС плеча Кобщ| в виде:

- К

+к

где аэ - эквивалентное ТКС плеча Яобщ!-

Тогда, решая две последние формулы относительно оц, найдём выражение эквивалентного ТКС плеча Яобшь выраженное через ТКС тензорезисторов и сопротивление Кш:

Я

3 Яг(\+агЬТ)+П

а

(8)

ш

Зная эквивалентное ТКС плеча Я0бЩ|, можно записать условие компенсации аддитивной температурной погрешности для датчика с подключённым компенсационным резистором

а3 + а4 = а2 + а3. откуда можно найти значение эквивалентного ТКС плеча Л^бщ! через ТКСы остальных рабочих плеч

Оз = а2 + а3 - а4. (9)

Приравнивая уравнения (8) и (9) и решая относительно Лш> можно определить номинал компенсационного резистора

(а2 +а3 -а4) •(! + а, - АО

(Ю)

а

\

При подключении термонезависимого резистора И,,, к любому плечу мостовой схемы выражение (10) может быть записано в общем виде

(ас1 +аг2 -а„)-(1 + • А/)

К, = '

±а

(П)

где /?, - номинал сопротивления тензорезистора плеча, к которому подключается компенсационный резистор;

ас/. а,;, а„- ТКСы тензорезисторов смежных и противолежащего плеч мостовой схемы относительно плеча, к которому подключают компенсационный резистор;

ак - ТКС плеча, к которому подключается компенсационный резистор.

В выражении (11) знак плюс перед аг ставится при установке компенсационного резистора в плечи

или Яд, а знак минус - при установке в плечи или Полученное выражение выведено для компенсации технологических разбросов ТКС тензорезисторов. Однако при изменении температуры изменяются сопротивления всех плеч мостовой цепи не только в результате температурной чувствительности тензорезисторов, но и в связи с деформациями УЭ, которые возникают из-за температурной чувствительности датчика к моменту затяжки.

В соответствии с [2] аддитивную температурную чувствительность от влияния момента затяжки можно определить как

5 =4*-.

Ши

н

I

п

где агм - эквивалентное ТКС мостовой цепи от чувствительности датчика к моменту затяжки; ЛЯ

ел =—1— относительное изменение номинала со-

" Я,

противления 1-го тензорезистора от номинального значения измеряемого параметра;

Яп АЯ^ - сопротивление и приращение сопротивления ьго тензорезистора мостовой цепи при воздействии номинального значения измеряемого параметра соответственно.

Тогда можно найти значение агм, выраженное через известное значение температурной чувствительности датчика к моменту затяжки

ос

г и

-I

= 5 -Уе =

п/ и / ^ п

4

5 М -Д0 - Уе

и V V / , П

1=I

1=1

(12)

Таким~ образом, оба механизма изменения начального уровня выходного сигнала датчика при изменении температуры могут быть описаны через ТКСы мостовой цепи от чувствительности тензорезисторов к температуре аг и чувствительности к температурному влиянию момента затяжки аш.

Тогда, воспользовавшись выражением (11) и подставляя вместо аг значение аш, полученное из выражения (12), можно определить величину компенсационного резистора для компенсации адди-

б

тивной температурной погрешности от влияния на датчик момента затяжки.

Следующим этапом при настройке датчика является определение плеча, в которое необходимо подключить термонезависимый компенсационный резистор для компенсации аддитивной температурной погрешности при одновременной компенсации от обоих механизмов её возникновения:

- при положительных значениях схг и ам или положительном значении аг, но отрицательном значении ам, когда |аг| > |ам | - в одно из плеч параллельно с тензорезисторами Я, или 1*4, воспринимающими деформацию растяжения от измеряемого параметра;

- при положительном значении аг, но отрицательном значении агм, когда ¡аг| < |агм| - в одно из плеч параллельно с тензорезисторами, воспринимающими деформацию сжатия от измеряемого параметра (112 или

ш

- при отрицательных значениях аг и агм или отрицательном значении аг, но положительном значении агм, когда |аг| > |агм| - в одно из плеч параллельно с тензорезисторами или воспринимающими деформацию сжатия от измеряемого параметра;

- при отрицательном значении аг, но положительном значении агм, когда |аг| < |агм| - в одно из плеч параллельно с тензорезисторами, воспринимающими деформацию растяжения от измеряемого параметра (Я, или И4).

Для выбранного плеча подключения компенсационного резистора можно рассчитать его номинал, необходимый для компенсации аддитивной температурной погрешности одновременно от влияния обоих механизмов образования этой погрешности:

(ас! +аг2 -а>(1+сО

В формуле (13) знак плюс перед выражением (аг + агм) ставится при установке компенсационного резистора в плечи или К4, а знак минус - при установке в плечи Я2 или Я3.

После установки расчётного значения компенсационного сопротивления в определённое ранее плечо необходимо сбалансировать мостовую цепь без изменения ТКС балансируемого плеча.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Биргер, А. И. Расчёт на прочность деталей машин / А. И. Биргер, Б. Ф. Шорр, Г. Б. Иосилевич.

- М.: Машиностроение, 1979.

2. Тихоненков, В. А. Теория, расчёт и основы проектирования датчик механических величин: учебное пособие для вузов в области приборостроения / В. А. Тихоненков, А. И. Тихонов. - Ульяновск: УлГТУ, 2000.

3. Сгибов, А. П. Температурная компенсация уходы нуля мостового преобразователя / А. Г1. Сгибов // Приборы и системы управления. - 1975. -№11.

4. Проектирование датчиков для измерения механических величин / под общ. ред. Е. П. Осадчего.

- М.: Машиностроение, 1979.

±(аг +0

(13)

Тихоненков Евгений Владимирович, соискатель кафедры «Информационно-вычислительные комплексы» УлГТУ. Тема научной работы: Минимизация температурных погрешностей тензорези-сторных датчиков механических величин.

Мишин Валерий Алексеевич, доктор технических наук, профессор, проректор по научной работе

Ул1ТУ.

\