Измерительный преобразователь для тензорезисторных весоизмерительных устройств

 

Использование: в весоизмерительной технике, а именно в весоизмерительных системах с применением тензорезисторных датчиков. Сущность изобретения:преобразователь содержит тензометрический датчик, аналоговый коммутатор, дифференциальный измерительный усилитель дифференциальный делитель напряжения, АЦП, арифметико-логическое устройство, регистр хранения, блок коррекции . 1 з.п.ф-лы, бил.

СОК)3 СОВЕ I ÑÊÈÕ

СОЦИАЛИС1ИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G О1 G 3/142

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ, С0

1(Э Ь

iO (л) (21) 4897024/10 (22) 29.12,90 (46) 30.07,93. Бюл. М 28 (71) Московское научно-производственное объединение "Измеритель" (72) А.П.Быков, B.È.Äèäåíêî, В.М.Капустин, Б.Б.Кишко и А.П,Ракаев (56) 1. Патент США М 3797595, кл. G 01 G

23/14, 1974.

2. Авторское свидетельство СССР

М 639140, кл. Н 03 К 13/20, 1978, Изобретение относится к весоизмерительной технике и может быть использовано в весоизмерительных системах с применением тензорезисторных датчиков, в частности доэаторах непрерывного действия, конвейерных весах и весах для взвешивания транспортных средств в движении.

Целью изобретения является повышение точности и помехозащищенности.

Введение в преобразователь новых существенных признаков позволяет значительно уменьшить погрешность линейности аналого-цифрового преобразователя, которая определяется в основном рассогласованием опорных токов источника тока и управляемого источника тока, и повысить тем самым точность всего измерительного преобразователя. Соотношение токов должно быть равно 2" -1, где n> — число старших разрядов аналого-цифрового преобразователя, и определяется принципом действия аналого- циф рово го и реоб разо ватела с погрешностью:(100/2" )ь. Благодаря тому, что на этапе коррекции разряд конденсатора интегратора производится только

„„. ЫÄÄ 1830463 А1 (54) ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ ТЕНЗОРЕЗИСТОРНЫХ ВЕСОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ (57) Использование: в весоиэмерительной технике, а именно в весоиэмерительных системах с применением тензореэисторных датчиков. Сущность изобретения;преобразователь содержит тензометрический датчик, аналоговый коммутатор, дифференциальный измерительный усилитель дифференциальный делитель напряжения, АЦП, арифметика-логическое устройство,регистрхранения,блоккоррекции. 1 э.п.ф-лы. 6 ил. током управляемого источника тока, становится возможным скорректировать соотношение токов источника тока и управляемого источника тока до требуемого значения погрешности. Сигнал, используемый для проведения коррекции характеристики преобразования, пропорционален напряжению питания тензореэисторного датчика. Это позволяет упростить схему измерительного преобразователя, так как не требуется дополнительного источника опорного напряжения.

При этом изменение напряжения питания датчика не приводит к нарушению процесса коррекции и настройки соотношения опорных токов, Повышение точности измерения полезной нагрузки достигается эа счет введения в исходную схему преобразователя регистра хранения тары. При этом обеспечивается высокая точность компенсации веса тары, поскольку соответствующая поправка вводится цифровым путем в виде начальной кодовой установки арифметико-логического устройства заявляемого устройства и не

1830463

1вых = Од/В» уменьшает динамический диапазон аналого-цифрового преобразователя.

На фиг.1 представлена схема измерительного преобразователя для тенэорезисторных весоизмерительных устройств

ИПВУ; на фиг;2 — вариант схемы арифметика-логического устройства; на фиг,3 — схема блока коррекции; на фиг.4 — схема управляемого источника тока; на фиг.5 приведены временные диаграммы работы заявляемого устройства; на фиг.б — временные диаграммы выходного напряженил интегратора, причем на фиг.бз — в режиме первого этапа коррекции, а на фиг,бб — в режиме второго этапа коррекции.

Измерительный преобразователь для тенэорезисторных весоизмерительных устройств содержит тензорезисторный датчик

1, аналоговый коммутатор 2. дифференциальный измерительный усилитель 3, дифференциальный делитель напряжения 4, аналого-цифровой преобразователь 5, арифметика-логическое устройство 6, регистр хранения тары 7, блок коррекции 8.

Аналого-цифровой преобразователь АЦП 5 содержит первый резистор 9, первый, второй и третий ключи 10, 11, 12, интегратор, выполненный на операционном усилителе

13 с конденсатором 14 в цепи отрицательной обратной связи, источник тока 15, управляемый источник тока 16, второй резистор 17.

Вариант схемы (фиг.2) арифметико-логического устройства 6 содержит источники опорного напряжения 18, первое и второе сравнивающее устройства 19 и 20, генератор импульсов 21, первый, второй, третий и четвертый логические элементы 2И 22, 23, 24 и 25, первый и второй одновибраторы 26 и 27, первый и второй триггеры 28 и 29, логический элемент 2И 30, первый и второй счетчики 31 и 32.

Вариант схемы (фиг.3) блока коррекции

8 содержит регистр 38, компаратор кода 34, первый и второй логические элементы 2И

35, 36, реверсивный счетчик 37.

Вариант схемы фиг,4 управляемого источника тока 14 содержит источник дополнительного напряжения 38, операционный усилитель 39, транзистор и-pn-n 40, коммутатор 41, набор резисторов 42.1,...42К.

Выходной ток (4„,) управляемого источника тока 14, согласно данному варианту схемы, равен где Ja — значение выходного напряжения источника дополнительного напряжения 38:

8 — сопротивление, равное сумме сопротивлений резисторов 42.1...,42, N.

Источник тока 12 может быть выполнен по схеме, представленной на фиг,4, при этом необходимо заменить резисторы 42.1 — 42. (Й-1) перемычкой, а в коммутаторе 41 перемкнуть первый вывод с п-выводом.

Элементы схемы соединены с здук, щим образом, Выход„ тензорезис- орнoãî датчика 1 соединены с первым и вторым оходзми аналогового коммутатора 2, выходы которого подключены ко входам дифференциального измерительного усилителя 3. выходы дифференциального делителл напряжения 4 соединены с шиной питания тенэорезисторного датчика 1, а выходы — с третьим и четоертым входами аналогового коммутатора 2, выход дифференциального измерительного усилителя 3 соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 5, выход которого соединен с четвертым выводом арифметико-логического устройства б, пятый вывод которого соединен с одним из входов регистра хранения тары 7, со вторым входом блока коррекции 8 и является выходной шиной измерительного преобразователя, другой вход регистра хранения тары 7 явллетсл шиной "Тара", а выход соединен с девятым выходом арифметико-логического устройства 6 и с первым входом блока коррекции 8, являющимся шиной коррекции, третий вход блока коррекции соединен с восьмым выводом арифметика-логического устройства б, аналого-цифровой преобразователь 5 выполнен на первом резисторе 9, один из выводов которого явллется входом аналого.-цифрового преобразователя 5, а другой вывод соединен с первым выводом первого ключа 10, управляющие входы ключей 10, 11 и 12 соединены соответственно с первым, вторым и третьим выводами арифметико-логического устройства 6, второй вывод ключа 10 и первые выводы ключей 11 и 12 соединены с входом интегратора, выполненного на операционном усилителе 13 с конденсатором 14 о цепи отрицательной обратной связи, выход которого является выходом аналого-цифрового преобразователя 5, вторые выводы ключей 11 и 12 соединены соответственно с выходами источника тока 15 и управляемого источника тока 16, вход управления которого соединен с выходом блока коррекции 8, второй резистор 17 одним из выводов соединен с первым оыоодом ключа 10, а другим — с выходом аналого-цифрооого преобразователя.

Измерительный преобразователь paGoтает следующим образом, По команде "Пуск" (дизграмма А, фиг.5) происходит замыкание ключа 10, размыка1830463

2 — 1 — — — 511

I2 1

Оост С то (2

55 ние ключей 11 и 12 АЦП (диаграммы БВГ, фиг,5). Установка триггеров 28 и 29 в исходное состояние. В счетчиках 31 и 32 записываются данные с D-входов, т.е. осуществляется их предустановка. В зависимости от сигнала "Коррекция" (диаграмма

Д, фиг.5) на вход дифференциального измерительного усилителя 3 аналоговый коммутатор 2 подключает вывод тензореэисторного датчика 1 или выход, дифференциального делителя напряжения

4, После этого происходит запоминание на конденсаторе 14 выходного напряжения U, дифференциального измерительного усилителя 3 (при равенстве сопротивлений резисторов 9 и 17). После выключения команды

"Пуск" размыкается ключ 10 и по перепаду тактовой частоты f< генератора импульсов

21 замыкаются ключи 11 и 12 (диаграммы В, Г фиг.5) и начинается разряд конденсатора

14 суммарным током источника тока 15 и управляемого источника тока 16 до срабатывания сравнивающего устройства 19.

После этого по истечении текущего периода тактовой частоты fo происходит размыкание ключа 11. Остаточное напряжение на конденсаторе 14 равно

Оост = Ux (I + I2), Ртст то где Йст — код старших разрядов, соответствующий числу импульсов, прошедших через логический элемент 2И .25 на счетчик 31 (диаграмма Е, фиг.5); ! о — период тактовой частоты генератора 21:

1! и I2 — токи соответственно источника тока 15 и управляемого источника тока 16, причем выбирают !1» 12.

Значение напряжения Оост определено неравенством Оост (Ооп. где Ооп выходное напряжение источника опорного напряжения 18, Дальнейший разряд конденсатора

14 и интегратора АЦП происходит только током управляемого источника 16 до срабатывания сравнивающего устройства 20, при этом число импульсов Йглгг, прошедших через логический элемент 2И 30 на счетчик 32, будет равно (диаграмма Ж, фиг.5).

Для примера рассмотрим вариант реализации схемы измерительного преобразо вателя с приведенной погрешностью линейности Л не более 0;0037, что соответствует современным требованиям по

t5

25 линейности характеристики для вторичных преобразователей весоизмерительных устройств.

Основным источником погрешности в подобных устройствах является АЦП.

Выберем соотношение токов источника тока 15 и управляемого источника тока 16 в схеме АЦП равным

В этом случае счетчик 31 будет вырабатывать семь старших разрядов, а счетчик 32 — девять младших разрядот для получения

16-разрядного кода (N), соответствующего погрешности уг = 0,0015 . При переполнении счетчика 32 происходит перенос в счетчик 31 и погрешность не возникает.

Точность отношения токов в нашем случае

100 100 должна быть не хУже — + — = — т — = О, 7; с

2п1 1 20 тем, чтобы погрешность линейности, вызванная этим. не превышала половины единицы младшего значащего разряда АЦП.

Обеспечить такую точность соотношения токов для 16-разрядных АЦП на практике затруднительно, адля 17-и более разрядных преобразователей на современном уровне развития технологии невозможно.

В предлагаемом устройстве для достижения требуемой точности отношения токов !

1 и 12 используется коррекция характеристики преобразования, состоящая из 2-х этапов.

Вначале аналоговый коммутатор 2 подключает на вход дифференциального измерительного усилителя 3 при наличии сигнала "Коррекция" питающее напряжение U> тензорезисторного датчика, уменьшенное дифференциальным делителем напряжения 4 в определенное число раз.

Причем выбираем коэффициенты передачи

Кд дифференциального делителя напряжений 4 и Ку дифференциального измерительного усилителя 3 такие, чтобы выполнялось условие

О, >Ооп,гдеОо=Кд Ку Оп

На первом этапе после подачи сигнала

"Пуск" происходит запоминание напряжения Ооп на конденсаторе 14, а одновибратор

26 запирает с помощью логической схемы

2И 23 прохождение синхроинпульсов от генератора импульсов 21 на триггер 28 ( диаграмма И, фиг,5), таким образом, ключ 11 не замыкается и обеспечивается разряд конденсатора 14 током управляемого источ1830463

55 ника тока 16, так как ключ 12 управляется триггером 29, а последний остается в исходном СОСтоянии.

По перепаду импульса одновибратора

21 происходит запоминание полученного кода Np в РегистРе 33 и оДновРеменно пРОисходит перезапуск АЦП 5 с помощью одновибратора 27 в режим преобразования напряжения Upp в выходной код N аналогично преобразованию напряжения 14. Описанному выше. Полученные коды М, и N поступают на входы компаратора кодов 34, который вырабатывает сигналы "больше", "меньше" или "равно", т.е. N> Np, N N, то происходит уменьшение содержимого в реверсивном счетчике 37, если N

В соответствии с выходным кодом реверсивного счетчика 37 происходит уменьшение или увеличение выходного тока управляемого источника тока 16. Цикль коррекции необходимо повторять до тех пор. пока не будут вырабатываться сигналы "больше" или "меньше" компаратором кодов 34.

За один цикл коррекции изменение выходного тока управляемого источника тока

16 не превышает значение предела допу стимой погрешности предлагаемого устройства. поэтому случайные сбои в работе преобразователя на этапе коррекции, вызванные помехами, не выводят устройство за пределы допустимой погрешности.

На фиг.б представлены временные диаграммы выходного напряжения инте ратора АЦП, причем на фиг.ба — в режиме измерения или второго этапа коррекции, а на фиг.бб — в режиме первого этапа коррекции. Наклоны характеристик показаны сплошной линиеи: на фиг.ба для интервала времени формирования Non и на фиг.бб дол«жны быть равны. В противном случае. штриховая линия на фиг.ба и сплошная линия на фиг.бб (или наоборот) — появляе1ся nOrpeLUность. Код на втором этапе коррекции оказался больше (фиг.ба), чем на 1-м этапе, что и позволяет осуществить коррекцию по вышеописанному алгоритму, В предлагаемом устройстве для компенсации веса тары испольэуегся регистр хранения тары 7. После подачи сигнала "Тара" происходит запоминание гыходного KD

;;а И в регистре хранения тары, С инверсного выхода последнего кода

П по сигналу "Пуск" заносится в счетчики

31 l1 32, В результате в режиме измерения происходит алгебраическое сложение кода заг-„:узки и кода, соответствующего входноглу напряжению 0х. В результате получен5

45 ный код соответствует только полезной нагрузке, Блок 2 может быть реализован на основе микросхем К590КНЗ, блоки 6.2 и 6,3 на основе микросхем К554САЩ, блок 6.4—

КР580 ГФ24, блоки 6.6 и 6 8 — К555АГЗ, блоки 6.5. 6.7, 6.11, 6,12 и 6,13 — К555ЛИ 1, блоки 6.9 — и 6.70 — CK555TM2, блок .; 6,14, 6.15. 8.5 — К555ИЕ7, блок 8.2 — K555C 1, блоки 7 и 8.1 — К155ТМ7, блоки 5. 6.2 и 5.9 К544УД1, блок 5. 6. 3 — К590КНб, Указанные выше преимущества обеспечивают повышение точности и помехозащищенности измерительного преобразователя.

Формула изобретения

1. Измерительный преобразователь для тензорезисторных весоиэмерительных устройств. содержащий тенэорезисторный датчик, три ключа и арифметико-логическое устройство, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в него введены аналоговый коммутатор, дифференциальный измерительный усилитель, дифференциальный делитель напряжения, блок коррекции, регистр хранения тары и аналого-цифровой преобразователь, выполненный в виде источника тока, управляемого источника тока, двух резисторов, операционного усилителя и вкл>оченного в цепь его обратной связи конденсатора. при этом к шинам питания тенэорезисторного датчика подключены входы дифференциального делителя напряжения, выходы тенэорезистор ного датчика подключены к первым двум входам аналогового коммутатора. третий и четвертый входы которого связаны с выходами дифференциального делителя напряжения, а выходы — с соответствующими входами дифференциального измерительного усилителя, а вход управления аналогового коммутатора соединен с первым выходом арифметика-логического устройства и перBblM входом блока коррекции, являющимся шиной "Коррекция", второй и третий входы блока коррекции соединены с соответствующими выходами арифметико-логического устройства, выход блока коррекции соединен с входом управления управляемого источника тока, при этом второй выход арифметико-логического устройства, являющийся выходом всего измерительного преобразователя, св".çàí с первым входом регистра хранения тары, подключенного своим выходо л к входу арифметико-логического устройства, а второй вход регистра хранения тары является шиной "Тара", четвертый выход арифметико-логического устройства подключен к управляющему входу первого ключа, первый вывод которого соединен со вторым выводом первого реэисто18 30Л63 ра и первым выводом второго резистора, первый вывод первого резистора соединен с выходом дифференциального измерительного усилителя, второй вывод первого ключа соединен с первыми выводами второго и третьего ключей и инвертирующим входом операционного усилителя, пятый и шестой выходы арифметико-логического устройства соединены с входами управления соответственно второго и третьего ключей, вторые выводы которых соединены соответственно с выходом источника тока и управляемого источника тока, седьмой выход арифметико-логического устройства соединен с выходом операционного усилителя и вторым выводом второго резистора, неинвертирующий вход

one .,àöèoíHoão усилителя соединен с проводом нулевого потенциала.

2. Преобразователь для тензорезисторных измерительных устройств по и. 3, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения помехозащищенности п реобразователя, блок коррекции выполнен в виде компаnëтора хода, двух логических элементов И, ре5 версивного счетчика и регистрэ, при этом компаратор кода своим первым входом связан с вторым выходом арифметико-логического устройства, а вторым входом - с выходом регистра, подключенного первым

10 и вторым входами соответственно к второму и третьему выходам арифметико-логического устройства. причем оба выхода компаратора кода подключены х первым входам обоих логических элементов И, вторые вхо15 ды которых объединены и являются первым входом блока коррекции, а выходы обоих логических элементов И связ,.:н1I с соответствующими входами реверсивного счетчикл, выход которого является выходом блока

20 коррекции.

1830463

18304бЗ

Фсг,5

1830463

Составитель. Б. Лобов

Текред M.Mîðãåíòàë Корректор П. Гереши

Редактор М. Кузнецова

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 101

Заказ 2519 Тираж Подписное .ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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