Тензометрическое весоизмерительноеустройство

 

О П И А Н И Е 1 847062

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Ресттублии

Ф л

Р /: (61 ) Дои ол ни тел ьиое к авт. с вид-ву (22) Заявлено 15.08.79 (21) 2810747/18-10 с присоединением заявки ¹ (51)M. Кд.

G 01 G 23/36

Гооударстввниый комитет (23) Приоритет по делам изобретеиий и открытий

Опубликовано 15.07.81. Бюллетень № 26 (53) УДК 681.267..7 (088.8) Дата опубликования описания 15.07.81 (72) Автор изобретения

В. В. Шепетов

Всесоюзный проектно-конструкторский и научно-исследовательский институтавтоматизации пищевой промышленности "Пищепромавтоматика"

Ъ (71) Заявитель (54) ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКОЕ ВЕСОИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО

Изобретение относится к весоизмерительной технике, в частности к устройствам для регистрации сигналов тензодатчиков весоизмери тельных систем.

Известно тензометрическое устройство, содержащее силоизмерительные тензодатчики, аналого-цифровой компенсатор, усилитель, узел сравнения, источник переменного напряжения и нуль-орган с конденсаторами (11.

Однако это устройство не обеспечивает требуемой точности, что обусловлено напишем реактивного элемента в его нуль-органе.

Ближайшим к изобретению по технической сущности является тензометрическое весоизмерительлое устройство, содержащее силоизмерительные тензодатчики и аналого-цифровой компенсатор, подключенный к входам дифференциального узла сравнения, выход которого подключен к нуш,-органу. с двумя ключами, на МОП-транзисторах, стоки которых подключены к вхоцам опер".öèîíïîão усилителя, шунтпрованным конценсатором, а затворы связаны со схемой управления, подключенной к одному вхоцу анализатора, другой вход которого связан с выходом операционного усилителя, а выход анализатора подключен к аналого-цифровому компенсатору (2) .

Недостатком устройства является возможность ложного срабатывания нуль-органа в случаях, когда разностный сигнал датчиков и компенсации приближается к уровню шума или паводок.

Цель изобретения — повышение точности.

Поставлештая цель достигается тем, что в

10 нуль-орган устройства введены третий ключ на МОП-транзисторе и резистор, причем исток третьего МОП-транзистора соединен с выходом диффсренциального узла сравнения, а сток — с истоками двух других MOII-тран15 зисторов, при этом исток и сток третьего

МОП-транзистора шунтированы резистором.

На фит. 1 показана структурно-принципиальная схема устройства; на фиг. 2 — графики, поясняющие его работу.

Тензометрическое весоизмерительное устройство (фиг. 1) содержит ключи 1-3, выполненные на МОП-транзисторах (полевые транзисторы с изолированными затворами), диффе3 847 ренциальный узел 4 сравнения, операционный усилитель 5, входы которого шуитироваиы конденсаторами 6 и 7, схему 8 управления, аналого-цифровой компенсатор 9, анализатор

10 полезного сигнала, силоизмерительные теизодатчики 11, источник 12 питания (сеть промышленной частоты 50 Гц) и резистор 13.

Ключи 1 — 3, операционный усилитель 5, конденсаторы 6 и 7, и резистор 13 образуют нуль-орган 14.

Выходы компенсатора 9 и тензодатчиков 11 подключены к входам узла 4 сравнения, выход которого подключен к истоку 15

МОП-транзистора ключа 3, сток 16 которого соединен с истоками 15 МОП-транзисторов ключей 1 и 2, стоки 16 которых подключены к входам операционного усилителя 5. Затворы

17 МОП-транзисторов ключей 1 — 3 соединены со схе.юй 8 управления. Исток 15 и сток 16

МОП-транзистора ключа 3 шунтированы резистором 13, Выход операционного усилителя 5 через анализатор 10 соединен с компенсатором 9.

Устройство работает следующим образом.

Синусоидальное напряжение частотой 50 Гц истачника 12 питания поступает на схему 8 управлешш, компенсатор 9 и на тенэодатчики 11.

Напряжение, поступающее с тензодатчиков

11, представляет собой синусоиду, амплитуда которой пропорциональна весу объема измерения. В реальных условиях на синусоиду накладывается напряжение шума и наводок, поэтому напряжение с тензодатчиков 11 практически имеет вид, изображенный на фиг. 2, строка 1, Напряжение Отд + U поступает на один из входов дифференциального узла

4 сравнения, а на другой вход поступает компенсирующее напряжение Ukj (фиг. 2, строка 2) с автокомпенсатора 9, который выдает ступенчатое синусоидальное напряжение, амплитуда которого меняется в коде 2 — 4 2 — 1.

На фиг. 2 изображены процессы, происходящие при включенной ступени компенсатора

9, которая соответствует коду 2 и при включенной ступени, соответствующей коду 4. Момент переключения ступеней автокомпенсатора ,9 с кода 2 на код 4 обозначен через t>. Количество периодов синусоидального напряжения в каждой ступени равно 4 (на фиг. 2, строка

2 изображено меньше}.

В результате сравнения напряжений Отд +

+ U,ä и Uk; на выходе узла 4 получается разностнос напряжение Upj Отд + Ош—

-01,;. А с учетом напряжения Оо — напряжения смещения нуля на выходе узла 4, получим Up j — Up (фиг. 2 строка 3) . Up j содержит составляющую шума Ощ.

062 4

Природа напряжения шума Ош заключается в том, что тензометрические датчики находятся на значительном расстоянии (до 250 м) от измерительного устройства и, несмотря на тщательное экраннрование тенэокабеля, на выходное напряжение тензодатчиков наводится напряжение шума различной частоты. Вторым источником искажений напряжения тензодатчиков являются цепи установки нуля выход1о ного сигнала тензодатчиков (на фиг. 1 они не показаны). При балансировке нуля тензодатчиков удается скомпенсировать по реактивной и активной составляющей только первую гармонику напряжения несущей частоты.

15 Другие нечетные гармоники содержатся в напряжении тензодатчиков, которое поступает на узел 4 сравнения. С учетом источников этих помех и необходимо рассматривать характер (форму) Ош, (который, изображен

2о на фиг. 2, строки 1 и 3) в известной мере условно, поскольку точно изобразить О.ц трудно. В каждом конкретном случае Ош имеет свой спектр (в основном преобладают частоты больше 50 Гц).

При сравнении разностный сигнал Ор; имеет фазу того из сравниваемых напряжеш й, чья амплитуда больше, Например, до момента времени t напряжение 0 ; (Отд и Upj имеет

3о фазу такую же, что и 0 т д, а это признак

"недокомпенсации", т.е. ступень компенсатора

9 соответствующую коду 2 необходимо оставить включенной. Следовательно, после моменга t с От„ц сРавниваетсЯ Уже Uki + Окг, но

35 при этом Uki + Ukr .>0щ и ступень, соответствукицую коду 4, необходимо отключить— это "перекомпенсация", при этом фаза Орг противоположна фазе Отд и совпадает с фазой Ukj на выходе узла 4 (так как Отд и

4о

0,; подаются соответственно на его прямой и инверсный входы.) Таким образом, фаза

Up; является признаком, по которому можно оценивать результат сравнения От д со стуйенями Uk;. Но такая оценка затруднена, как указывалось выше, когда 0» приближается по амплитуде к напряжению Ош. Это происходит в случае, когда сумма напряжений Uk; приближается к Отд и операционный усилитель 5 может ложно оценить фазу Оо1.

Этот недостаток устраняется следующим образом.

На затвор 17 ключа 3 поступает управляющее напряжение U p, (фиг. 2; строка 5) в промежутки времени И от схемы 8 управления; на завторы 17 полевых транзисторов ключей 2 и 1 поступают соответственно управляющие напряжения Оупр з и«Оyпр (фиг.2, строки 6 и 7) от схемы 8 управлейия. При поступлении управляющих сигналов Оулуg, Оупр и Оупр на затворы транзисторов Х 1 соответственно открываются ключи 1 — 3.

Промежуток времени ht, (фиг.2) совпадает с моментом перехода через нуль синусоиды несущей частоты и равен промежутку времени, в который перекрываются управляющие напряжения Оупр и 0ynp . Таким об 2 разом, в промежутки времени ht, открыты все три ключа 3,1,2, а конденсаторы 6 и 7 подсоединены к выходу дифференциального сравнивающего узла 4, который имеет низкое выходное сопротивление, и запоминают напряжение Uo (напряжение смещения нуля). При этом ключ 3 эакорачивает резистор 13 и.он не участвует в происходящем процессе запоминания Up. Величины емкостей конденсаторов

6 и 7 выбраны с учетом низкого выходного сопротивления дифференциального сравниваю, щего узла 4, такими чтобы процесс запоминания Uo закончился за время ht>. В следующие за 4t> промежутки времени И (фиг.2, строки 6 и.7) открыт один из ключей 1 или

2 (они открываются поочередно), а ключ 3 закрыт (фиг. 2, строка 5). Таким образом, сопротивление резистора 13 включено между выходом узла 4 и обшей точкой ключей 1 и

2, где соответственно в промежутки времени

ht> присутствуют напряжения Up; + Ощ—

-Ооц — Up (напряжение, которое запомнилось на одном из конденсаторов 6 и 7).

Таким образом резистор 13 и один из конденсаторов 6 и 7 в промежутки времени И образуют интегрируюшую цепь, передаточная функция которой в операторной форме равна

К

w(P)

1+ RCP где к (1 — коэффициент передачи цепи;

R — величина сопротивления резистора 13;

С вЂ” емкость конденсатора (6 или 7).

Как известно, полоса пропускания о> такого звена равна Uu„= где колебания

1 малых частот ы C — "пропускания" данной

QC цепью с соотношением амплитуд выходной и входной величин близки к.коэффициенту лередачи К. Колебания больших частот "плохо пропускаются" или практически совсем затухают.

Выбирая величину сопротивления резистора

13 такой, чтобы RC = = — —, где

1 I

1 з

° <=50.I ö: получим R = — 3,18 10 (Ом).

С

Следовательно, напряжение шума Ощ будет сильно ослабляться (частота Ош ) .50 Гц), а несущая частота 50 Гц пройдет через RC цепь с коэффициентом передачи К.

Таким образом получаем на конденсаторах

6 и 7 в общей точке соелине пи ключей

1 и 2, напряжение О, — Uo (фиг. "-, строка 4), 50

55 и количественное стробирование этих напряжений. Качественная оценка производится методом стробирования выходных напряжений операционного усилителя 5 в промежутках времени

htq, а количественная — подсчетом одноименных напряжении в эти же промежутки времени. Т.е. если за время включения одной ступени (8 полуволн) будет больше, чем, например, 5 отрицательных напряжений 0,) то анализатор 10 оставляет включенной сту847062

6 где 0> — это напряжение, которое прошло через RC цепь, à Uo — напряжение, которое запомнилось на конденсаторах 6 и 7 в промежутки времени ht,. Как видно (из фиг. 2, строка 4), амплитуда напряжения 0< становится несколько меньше по сравнению с

Upi максимум сместился, но при этом Ош не "протпло" через сопротивление резистора 13.

Ввиду поочередной работы ключей 1 и 2

1о в промежутки времени dt s напряжение О, — Up в один полупериод поступает на неинвертирующий вход (+) операционного усилителя 5, а в другой полупериод на инвертирующий (-) его вход, т.е. операционньш усилитель 5 при15 обретает фазочувствительные свойства, способность определять фазу Up1 и, следовательно, результат сравнения,От ц с 0 ; — недокомпенсация "или" перекомпенсацпя". Прн этом происходит исключение постоянной составляю20 щей смещения нуля — Up, так как на один вход усилителя 5 поступает 0> — Оо, а на другой Uo.

При * недокомпенсации" операционный усилитель 5 выдает отрицательные напряжения Овкл

25 в промежутках времени Ь|з, которые оставляют включенной соответствующую ступень автокомпенсатора 9, При "перекомпенсации" операционный усилитель 5 выдает положительные напряжения 0откл в промежутках времени

3р 6t> прн этом ступень компенсатора. 9 выключается (фиг. 2, строка 8).

Как уже указывалось, выше, в промежутке времени ht> конденсаторы 6 и 7, а также входы усилителя 5 подсоединены к выходу дифференциального сравнивающего узла 4 и запоминают напряжение Ор, т.е. на обоих входах операционного усилителя 5 присутствуют одинаковые напряжения — Uo, в этом случае на его выходе будет напряжение, знак которого опре4Q деляется собственным смещением нуля усилителя 5. Таким образом, на выходе операцион ( ного усилителя 5 в промежутки dt s может быть как положительное, так и отрицательное напряжение, что принципиального значения для

45 работы устройства не имеет, так как оценка

0» происходит в промежутки времени dt s.

Выходное напряжение Овкл или Ооткл поступают на вход анализатора 10 полезного сигнала, который производит качественное

8 управления, подключенной к одному входу анализатора; другой вход которого связан с выходом операционного усилителя, а выход анализатора подключен к аналого-цифровому компенсатору, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности, в его нуль-орган введены третий ключ на МОПтранзисторе и резистор, причем исток третьего МОП-транзистора соединен. с выходом дифференциального узла сравнения, а сток— с истоками двух других МОП-транзисторов, при этом исток и сток третьего МОП-транзистора шунтированы резистором.

Формула изобретения 10

Тензометрнческое весоизмерительное устройство, содержащее, силоизмерительные тензодатчики и аналого-цифровой компенсатор, подключенные к входам дифференциального узла сравнения, выход которого подключен к нуль органу с двумя ключами на МОП-транзисторах, стоки которых подключены к входам операционного усилителя, шунтированным конденсатором, а затворы связаны со схемой щ

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР И 358626, кл, С 01 4 23/36, 197! ..

2. Авторское свидетельство СССР И 678329, кл. G 01 С 23/36, 1977 (прототип).

847062 пень автокомпенсатора 9, в противном случае отключает ее.

Таким образом, описанное устройство, по сравнению с известными, позволяет значительно снизить влияние шума и наводок на ре° зультат измерения и повысить за счет этого точность измерения.

847062

Составитель В.Ширшов

Редактор Т.Парфенова Техред Н.Бабурка. Корректор В.Бутяга

Заказ 5465/63 Тираж 702 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4