Тензометрическое устройство

 

Использование: в прецизионныхвесах. динамометрах при медицинских клиникодиагностических исследованиях Сущность изобретения: устройство содержит тензометрический датчик 1, предварительный усилитель-преобразователь 2, аналогоцифровой преобразователь 3, цифровое отсчетное устройство 4 в виде сегментоцифрового индикатора схемы 5 компенса-- ции аддитивной погрешности в виде цифрового индикатора 6 смещения нуля, блок 7 формирования и оперативной памяти сигнала аналоговой компенсации, выполненного в виде апериодического RS-звена первого порядка, а также сумматора 8 и блока 9 предварительного принудительного смещения нуля. 1-2-3-4, 6-7-8-9, 1-8-2. Цифровой индикатор смещения нуля выполнен в виде электрического вентиля, вход которого соединен с шиной питания сегмента минус сегме.нтно-цифрового индикатора 1 з п ф-лы, 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИКг5Я)5 С 01 1 1/22

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР)

ОПИСАЙИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

ОО (л о

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4847793/10, (22) 09,07.90 (46) 15.,12.92. Бюл, М 46 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт медицинского приборостроения (72) А.И.8ишняков, В.И,Короленко и Е.В.Матвеев (56) Полунов К).Л„Нальченко В.Д. Цифровые измерительйо-управляющие устройства тензометрических весов и дозаторов. M,:

Энергоатомиздат, 1986, с, 105-106, рис, 4.14.

Там же, с. 116-123. рис. 422. (54) ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО (57) Использованйе; в прецизионныхвесах. динамометрах при медицинских клйникодиагностических исследованиях. Сущность изобретения: устройство содержит тензо„„5Ц„, 1781565 А1

2 метрический датчик 1, предварительный усилитель-преобразователь 2, аналогоцифровой преобразователь 3, цифровое отсчетное устройство 4 в виде сегментоцифрового индикатора, схемы 5 компенса-. ции аддитивной погрешности в виде цифрового индикатора 6 смещения нуля, блок 7 формирования и оперативной памяти сигнала аналоговой компенсации. выполненного в виде апериодического RS-звена первого порядка, а также сумматора 8 и блока 9 предварительного принудительного, смещения нуля. 1-2-3-4, 6-7- 8-9, 1-8-2. Циф- ровой индикатор смещения нуля выполнен в виде электрического вентиля, вход которого соединен с шиной питанйя сегмента "минус" сегментно-цифрового индикатора, 1 з,п, ф-лы, 2 ил;

1781565

Изобретение относится к измерительной технике, в частности, к тензометрическим устройствам, исlloльзуемым, например. в прецизионных весах, динамометрах для оснащения медицинских клиника-диагностических учреждений, Известна тензометрическое устройства с аналого-цифровой схемой компенсации аддитивной погрешности, включающее тензометрический дэтчйк; предварительный усилитель-преобразователь, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и цифровое отсчетное устройство, соединенные последовательно. Между информационным .выходом АЦП и вторым входам предварительного усилителя-преобразователя включена схема компенсации, включающая реверсивный счетчик и преобразователь код- найряжение, а между выходом тензометрического датчика и первым входом предварительного усилителя-преобразователя включены два ключа К1 и К2;

В такте "установка нуля" ключ К1 разомкнут, а ключ К2 замкнут, При этом кад, со о т ветст вующий напряже нию дрейфа, запоминается в реверсивно м счетчике и и реобразуется преобразователем кад-напряжение в аналоговую компенсйрующую величину (корректирующее напряжение), которая подается на вход предварительного усилителя-преобразователя. В такта измерейия реверсивный счетчик сбрасйвается в нуль и отключается от выхода АЦП, Достаийством схемы является постаяйство коррект ирующега напряжения и а" такте измерения, однако, с ее помощью компенсируется аддитивная погрешность только измерительной части устройства, на не обеспечивает:я компенсация аддитивной погрешности, вносимой собственно датчиком, а также погрешности, действующие в контуре: выходные цепи тензометрического датчика — линии связи- входные цепи предварительйага усилителя-преобразователя, Известно также тензометрическое устройство с автоматической компенсацией эддитивнай погрешности с помощью MMKропроцессорнога средства. выбранное за прототип. Эта устройства включает последовательно соединенные тензаметрический датчик, предварительный усилитель-преобразователь (ПрУП), аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и цифровое отсчетное устройство. Между выходом АЦП и входом предварительного усилителя-преобразователя включена схема автоматической компенсации аддитивной погрешности. выполненная на базе микроЭВМ. Эта устройство обеспечивает . компенсацию дрейфа нуля не только измерений необходимо обеспечить максималь15 ну а простоту измерительных устройств.

30

35 ла компенсации, причем управляющими действия служат. моменты нэгружения тензометрического датчика и снятия нагруз40 ки, соответственно, а величина принуди45

50 рительной части, но и датчиков, учитывая также погрешности, связанные с нестабильностью тарной нагрузки и т,п.

Достоинствами данного устройства являются возможность управления процессам измерения, индикацией и регистрацией результатов измерения, а также высокие метрологические характеристики

Однако, при решении таких широко встречающихся задач, как прецизионное измерение в медицинской практике, например, массы, усилий, малых перемещений, при высоких требованиях к точности измеИспользование для этих целей вычислительных и, в частности, микропроцессорных средств приводит к структурно-алгоритмической избыточности и, в конечном итоге, к схемотехнической сложности устройств.

Целью изобретения является упрощение устройства и повышение точности. измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в заявляемом устройстве процесс формированйя кампенсацианйога воздействия осуществляется в автоколебательнам режиме в периоды естественных пауз между производимы ми дискретными измерениями по знаку сигнала рассогласования между заданным принудительным смещением нуля на отрицательную ветвь характеристики вход-выход и фактическим значением смещения нуля в момент формирования сигнасигналами на прекращение или продолжение формирования компенсирующего возтельного сдвига нуля выбирается с учетом вазможнага диапазона временного дрейфа нуля всех звеньев информационно-измерительного тракта и начального технологического смещения нуля датчика. Этим обеспечивается высокая точность формирования компенсирующего воздействия при использовании прОстых средств, исключающих необходимость в применении для решения данной задачи микропроцессорных устройств и включающих последовательно соединенные цифровой индикатор смещения нуля, выполненный в виде электрического вентиля, например полупроводникового диода, подключенного к шине питания сегмента. высвечивающего полярность (знак) измеряемого результата сегментно-цифрового индикатора отсчетного устройства, блок формирования и оперативной памяти сигнала аналоговой компенсэ1781565 ции в виде апериодического RC-звена первого порядка и сумматор, ко второму входу которого подключен выход блока предварительного принудительного смещения нуля, а третий вход и выход включены в измерительную цепь между тензометрическим датчиком и предварительным усилителем-преобразователем.

На фиг, 1 представлена структурная блок-схема устройства; на фиг; 2 — зпюры сигналов в схеме компенсации аддитйвной погрешности, Тензометрическое устройство (см, фиг, 1) содержит последовательно соединенные тензометрический датчик 1 (ТДС 1), предварительный усилитель-преобразователь 2, аналого-цифровой преобразователь 3 (АЦП 3) и цифровое отсчетное устройство 4 в виде сегментно-цифрового индикатора.

К шинам питания сигнальных сегментов цифрового индикатора 4 подключен вход схемы 5 автоматической компенсаций аддитивной погрешности, выход которой, также как.и второй вход, включен в измерйтельную цепь устройСтва между тензометрическим датчиком 1 и предварительным усилителем-преобразователем 2.

Тензометрический датчик 1 (силы, массы, перемещений) служит для первичного преобразования измеряемой величины в электрический сигнал, пропорциональный ей. В качестве ТДС 1 может быть использован тензорезистивный датчик любой изве- стной конструкции.

Предварительный усилитель-преобразователь;2 (ПрУП) служит:для усиления выходного напряжения ТДС 1 либо для преобразования этого напряжения (например. из переменного в постоянное) с последующим усилением. Он может бьгть выполнен по известной схеме в виде. самостоятельного блока либо в составе АЦП 3..

Аналого-цифровой преобразователь: 3 служит для преобразования непрерывной измеряемой величины в дискретную форму с последующим цифровым кодированием (код семисегментного индикатора), В качестве АЦП 3 может быть использован аналого-цифровой преобразователь любой известной конструкции, содержащий в сво.ем составе средства для точного определения полярности сигнала на его входе, обеспечивая высокую разрешающуго способность при определении знака (долл единицы младшего разряда). Выходу АЦП 3, несущему данную информацию, соответст вует вывод напряжения питания сегмента

"минус" на,цифровом табло, к которому подключают вход схемы 5 автоматической компенсации аддитивной погрешности, 5

20

Цифровое отсчетное устройство 4 предназначено для индикации результата аналого-цифрового преобразования и выполнено в виде сегментно-цифрового индикатора, например, типа АЛС 324 или ИЖЦ 14-4/7.

Схема 5 автоматической компенсации аддитивной погрешности служит для компенсации погрешностей, связанных с временным и технологическим (тарная нагрузка) смещением и дрейфом нуля, возникающим как в измерительной части устройства, так и в линиях связи и ТДС 1, с учетом компенсации тарной нагрузки, т.е. всего измерительного тракта, включая и главный источник погрешности — датчик, Схема 5 содержит последовательно соединенные цифровой индикатор 6 смещения нуля, блок 7 формирования и оперативной памяти сигнала аналоговой компенсации. сумматор 8 и подключенный к его второму входу блок предварительного принудительного смещения нуля 9.

Цифровой индикатор 6 смещения нуля служит для выявления факта отклонения 5 "нулевого" уровня информационно-измерительного тракта; определения его знака (в естественных паузах между очередными измерениями) и выработки команды на формирование и коррекцию компенсирующего

ЗО воздействия в моменты, когда измеряемая величина отличается от нуля и распОложена на отрицательной ветви характеристики вход-выход измерительного устройства (т.е в ltl-м квадранте).

35 Полезной информацией, воспринимаемой цифровым индикатором 6, является наличие свечения сегмента "-" цифрового индикатора 4 (либо свечение сегментов в последней цифре индикатора 4, нарушаю40 щих цифру "0" — для упоминаемого ниже варианта выполнения индикатора 6).

Цифровой индикатор 6, соединенный своим входом с соответствующими шинами питания упомянутых выше сегментов инди45 катора 4, формирует на своем выходе злектричеркий сигнал в виде либо напряжения постоянной величины, Jlvl60, однополярных импульсов постоянной величины (a зависимости от используемого стандартного спо50 соба питания сегмейтов). Индикатор 6 автоматически выключается (разрыв цепи) в момент погашения сегмента ."минус" (или сегментов, нарушающих нуль в последней цифре индикатора 4).

Цифровой индикатор 6 представляет собой электрический вентиль. Наиболее простое выполнение цифрового индикатора 6 в виде электрического вентиля — полупроводникового диода 10 представлено на фиг. 1.

Один полюс диода 10, являющийся входом

1781565 схемы 5 компенсации, подключен к шине питания "минус" (сегмента полярности результата измерения) сегментно-цифрового индикатора 4. а второй полюс соединен с входом блока 7 формирования и оперативной памяти сигнала аналоговой компенсации. Цифровой индикатор 6 может быть выполнен и по другим известным схемам, например, в виде группы электрических вентилей (полупроводниковых диодов), одноименные входные полюса которых соединены с шинами питания соответствующих сегментов последней цифры сегментноцифрового индикатора 4, а выходные полю са соединенй с входом аперйодического

RC-звена 1-ro порядка через схему совпадения. Такое выполнение цифрового индикатора 6 несколько сложнее первого варианта его исполнения, но является более общим.и м о жет с у Щественно расширить область

Иримененйя заявляемого решения.:

Блок 7 формирования и оперативной памяти сигнала аналоговой компенсации служит для выработки аналогового электрического сигнала-напряжения компенсации суммарной аддитивной погрешности всего информэцйонно-измерйтельного тракта, оперативного запоминания, хранения и ис1тользования этого сигнала во время и роизводства измерения, которое осуществляется дискретно, т.к. йредлэгаемое устройство входит в обширную группу устройств с" периодическйми дискретными замерами, в которых время производства замеров чередуется с паузами. Формирование компенсацйонного сигнала осуществляетсят в"периоды естествеййь х rialç между замерами. Время измерения и время паузы (to — t7 и t7 — te соответственно — см, фиг. 2), как правило соизмеримы, и составляют от 5 до 20 с. Для функционирования блока 7 в таком устройстве необходимым условием является медленная "потеря" информации, т.е. запланированное медленное произвольное уменьшение величины сигнала компенсации с течением времени в период паузы между измерениями, В связи с этой задачей блок 7 выполнен в вйде апериодического звена первого порядка, состоящего из зарядного резистора

R и накопительного зэпомйнэющего конденсатора С. При этом величины элементов

R и С выбраны таким образом, что.скорость процесса заряда конденсатора C через зарядный резистор R и вентиль 10 цифрового индикатора 6 выше скорости разряда этого конденсатора С во входную измерительную цепь устройства. Обеспечение необходи.мых соотношений постоянных времени зэ-. ряда и разряда поясняется в описании устройства и на фиг. 2.

Сумматор 8 предназначен для алгебраического суммирования напряжения компенсации аддитивной погрешности, напряжения принудительного смещения нуля и напряжения датчика и может быть выполнен по известной схеме, например по схеме пассивного параллельного резистивного сумматора токов. Для осуществления операции суммирования упомянутых выше напряжений возможно также использование свободных аналоговых входов ПрУП 2 или АЦП 3

Блок 9 предварительного принудительного смещения нуля служит для формирования напряжения принудительного сМещения нуля информационно-измерительного тракта на отрицательную ветвь характеристики вход-выход, т.е. в ill-й

20 квадрант при изображении характеристики в декартовых координатах. Минимальная величина напря>кения принудительйого звеньев информационно-измерительного тракта и начального технологического смещения нуля датчика (начальный разбаланс моста, вариации тарной нагрузки), а также

30 дрейфа нуля предварительного усилителяпреобразователя 2 и АЦП 3

Блок 9 может быть выполнен, нэпример, в виде обычного резистивного делителя, питаемого напряжением от общего источника Е.

Устройство работает следующим образом, 35

При подключении устройства к источнику напряжения и при отсутствии измеряе40 мой нагрузки нэ выходе сумматора 8 имеет место сигнал равный алгебраической сумме напряжений начального смещения нуля датчика 1 и принудительного смещения

Е м блока 9, который совместно с начальными смещениями предварительного усилителя-преобразователя 2 и АЦП 3 образует результирующее смещение всего информационно-измерительного тракта, которое высвечивается нэ цифровом табло 4.

Величина начального принудительного смещения выбрана таким образом, что результирующее смещение в исходном состоянии (момент to,ôèã. 2а) всегда имеет отрицательную величину, что и индицируется сегментом "минус" на табло индикатора

4. При этом напря>кение питания сегмента, имеющее, кэк правило, форму симметричного меандра (фиг, 2б). воспринимается цифровым индикатором 6 и включает его на сдвига нуля выбирается с учетом возможно25 го диапазона воеменного дрейфа нуля всех

1781565

10

20

40 Схема автокомпенсации получается предельно прОстой (полупроводниковый вен45 ности

r время рабочего полупериода, В течение полупериода ток от напряжения питания сегмента "минус" через зарядный резистор

R заряжает накопительно-запоминающий. конденсатор С блока 7 формирования и orieративной памяти напряжения автокомпенсации. Постоянная времени z = RC заряда конденсатора выбрана таким образом, чтобы приращение напряжения компенсации на конденсаторе С за время действия рабочих (зарядных) полупериодов напряжения питания сегмента "-", равного времейи цикла обновления информации АЦП, не превы.шало величины; со ответс твующ-ей примерно половине единицы младшего разряда индикатора 4. Это необходимо для. предотвращения эффекта перекомпенсации, т.е, для обеспечения "мягкого" входа в зону стабилизации, равную, примерно, 0,5 ед,мл, разряда (фиг. 2а).

Показания сегментно-цифрового индикатора 4 при этом постепенно уменьшаются по абсолютной величине по мере нарастания компенсирующего напряжения и, наконец, наступает момент 6, когда индикатор 4 2 показывает нули, а сегмент "минус" гаснет..

В этот- момент вход схемы.5 компенсации автоматйческй отключается н связи с исчезновением,напряжения питания сегмен . Та "-".

Таким образом, начиная с момента 1, устройство готово к операции измерения, Если измерений не последовало, конденсатор С начинает разряжаться в резистивную . цепь сумматора 8. Постоянная тр разряда, 3 равная С R<, где R< входное сопротивле-.. . ние сумматора; такова, что скорость разряда (потери компенсационного напряжения)

- несколько превышает наибольшую скорость дрейфа нуля информационно-измерительного тракта, Поскольку описываемое устройство относится к классу устройств с

"медленным - дрейфом нулевого уровня, постоянная времени разряд- хр велика и может составлять единицы минут и более. При снижении компенсирующего напряжения

Чк (см. фиг, 2а) до уровня 0,5 ед.мл.р. (моменты t2. t4) вновь зажигается сегмент "-" (при этом на табло индикатора 4 продолжают высвечиваться нули), напряжение питания . сегмента "—" вновь включает схему компенсации 5 через цифровой индикатор 6, конденсатор С блока 7, заряжаясь током от напряжения питания сегмента "-", вновь входит в упомянуту|о выше зону стабилиза- 5 ции, после чего исчезает свечение сегмента

"-" B связи с прекращением его питаНия и устройство снова готово к проведению измерения (моменты t8, tg, фиг. 2а).

В связи с тем, что скорость изменения компенсирующего воздействия по принятому ранее условию выше скорости временного дрейфа нулевого уровня, обеспечивается динамическое (колебательное) поддер>ка-. ние с высокой.точностью (0,5 ед.мл. разряда АЦП) нулевого уровня всего информационно-измерительного тракта, включая и тензодатчик, являющийся, как правило, основным источником суммарной аддитивной погрешности.

В момент t8 (фиг, 2а) начала измерения измеряемая нагрузка, приклады ваемая к силовоспринимающему.элементу тензодатчика 1, создает íà его выходе (как правило, в сигнальной диагонали:моста) пропорциональное измеряемому усилию напряжение, которое, в свою очередь, через сумматор 8, предварительный усилитель-преобразователь 2 и АЦП 3 в кодированном виде подается на сегментный цифровой индикатор 4, высвечивая на нем величину измеряемого. параметра в цифровой форме в течение времени t8 — t7. После снятия нагрузки наступает естественная пауза (t7— - t8) до следующего измерения (t8 — tg). Во время паузы, вплоть до следующего измерения, устройство автоматически переходит в режим автоповерки и автокомпенсации суммарного сдвига нуля и его временного изменения, происшедшего за время Ы- т7, по алгоритму, описанному выше.

Следует особо отметить, что предлагаемое техническое решение обеспечивает автоматический.переход с режима автокалибровки нуля в режим измерения и обратно без привлечения каких-либо дополнительных структурно-алгоритмических приемов и схемо-технических средств, тиль, группа резисторов и конденсатор), обеспечивая при этом прецизионную точность по компенсации аддитивной погреш1

Таким образом, в заявляемом устройстве обеспечивается упрощение в сравнении с прототипом конструктивной схемы при высокик точностных характеристиках устройства в целом, При этом в предлагаемом устройстве, в отличие от прототипа, нет необходимости искусственно прерывать процесс измерения (посредством мультиплексора и ключей — в прототипе) для обеспечения процесса формирования сигнала компенсирующего воздействия, поскольку сигнал компенрации аддитивной составляющей погрешности формируется автома1781565 тически в естественных паузах между измерениями, как.это показано нэ фиг, 2.

Дополнительно следует отметить, что йредлагаемое решение может быть легко адаптированно к широкому классу измерительных устройств с цифровой индикацией и периодическим (дискретным) характером процесса замеров. Учитывая также, что предлагаемое техническое решение некритично к типу используемого датчика, появляется возможность существенного расширения областей его применения на практике.

По предлагаемому решению возможны варианты реализации схемы 5 (см, фиг..1).

Так, если в качестве информации об аддитивной погрешности использовать не знак полярности "нулевого уровйя", а факт отличия конфигурации цифры младшего разряда индикатора 4 от "0",.то. выполнив Соответствующим образом цифровой индикатор 6, например в виде схемы совпадения сигна"лов питайия соответствующих сигнальных сегментов последний цифры,и не изменяя остальных элементов схемы 5, можно добиться аналогичного описанному выше эффекта автокомпенсации.

На основании предложенного технического решения во ВНИИМП разработан прецизионйый измеритель массы тела человека, в котором удалось снизить величину погрешности от начального технологического уровня смещения нуля и его дрейфа во времени в 3-5 раз. Это позволило простыми средствами добиться высокой результирующей точности прибора; + 0,05 — 0;1% в диапазоне измерения массы 0-150 кг, Испытания экспериментальных образцов прибора подтвердили высокие характеристики заявляемого изобретения. Исполь зование изобретения планируется в комплексе средств для диспансеризации населения, 5

Формула изобретения

1. Тензометрическое устройство, содер-. жащее последовательно соединенные тен10 .зометрический датчик, предварительный. усилитель-преобразователь, аналого-циф-. ровой преобразователь и цифровое отсчетное устройство. а.также схему компенсации аддлтивной,погрешности, о т л и ч а ю щ е е15 с я тем, что, с целью упрощения устройства и повышения точности, цифровое отсчетное устройство выполнено в виде сегментноцифрового индикатора, а Схема компенсации аддитивной погрешности выполнена в

20 виде последовательно соединенных цифрового индикатора смещения нуля, подключенного к шинам питания сйгнальных сегментов сегментно-цифрового индикатора, блока, формирования и оперативной пэ25 мяти сигнала аналоговой компенсации. выполненного в виде апериодического RCзвена первого порядка. сумматора, а такжеблока предварительного принудительного смещения нуля, выход которого подключен

30 к второму входу сумматора, третий вход которого соединен с тензометрическим датчиком, а выход — с предвар.лтельным усилителем-преобразователем.

2. Устройство по и. 1, о т л и ч а ю щ е е35 с я тем, что цифровой индикатор смещения нуля выполнен в виде электрического.вентиля, вход которого соединен с шийой питания сегмента "Минус" сегментно-цифрового ин-. дикатора, 1781565

65 . И О :65 .И

3С

Р

34

О

C Чч

ИО

Й3 М

<р СЬ

G4 С4 () )Я4

Б М

ca :

Ф

Я4 я

Щ Ж

& 65

A CQ Ф 65

° эХ

Р

Составитель G.Õðèñòîôîðoâà

Редактор В,Трубченко Техред M.Моргентал Корректор О,Юрковецкая

Заказ 4269 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета па изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035. Москва, Ж-35, Раушская наб.. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород. ул.Гагарина, 101