Тензометрическое устройство

 

Союз Советскик

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свил-ву— (5l)M. Кл.

G 01 G 23/36 (22) Заявлено 09. 10. 79 (2! ) 2825310/18-10 с присоединением заявки М (23) Приоритет—

1Ьвударстванный квмитет

СССР ив делам изобрвтеннй и открытий

Онублнковано 07.10 ° 81. Бюллетень М 37 (53) УДК 681;267..7 (088.8).

Дата опубликования описания 10. 10. 81 (72) Автор . изобретения

В. В. Шепетов

Всесоюзный проектно-конструкторский и и очно-исследовательский

I институт автоматизации пищевой поомышле яостй.

"Пищепромавтоматика" (7I ) Заявитель (54 ) ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО

Изобретение относится к области весоиэмерительной техники, в частности к устройствам для цифровой обработки и регистрации сигналов тенэодатчиков весоизмерительных систем, 5 а более конкретно — к выполнению нуль-органов этих систем.

Известна цифровая тензометрическая система измерения веса, содержащая тензодатчики и автокомпенсатор, подключенные к входам нуль-. органа, выполненного в виде узла дифференцирования, операционного усилителя и мостовой схемы на полевых транзисторах 13.

Нуль-орган этой схемы не обеспечивает высокую точность выявления и компенсации сигнала помехи, что обуславливает неудовлетворительную точность устройства в целом.

ЛЮ

Ближайшим по технической сущности является тензометрическое устройство ° содержащее тензодатчики, автокомиенсатор, анализатор сигналов, источник

2 питания и нуль-орган с дифференцирую.»щим узлом, неинвертирующнй вход которого соединен с выходом тенэодатчиков, а инвертирующий — с выходом автокомпенсатора, и операционным усилителем, к входам которого подключены одни выводы двух разделительных конденсаторов, зашунтированные ключами на полевых транзисторах, затворы которых подключены к разным фазам источника питания, другие выводы icoторых объединены в общую точку, а выход операционного усилителя соединен с входом анализатора сигйала(2), Это устройство работает на несущей частоте 50 Гц и оценка, нуль-органом разностного сигнала происходит каждый полупериод. Благодаря тому, что ключи на полевых транзисторах в нуль-органе работают по определенному алгоритму, обеспечивается исключение гереходного процесса. Анализатор полезного сигнала при включении каждой ступени производит оценку сиг870965

30 нала нуль-органа восьми полупериодов несущей частоты.

Однако это устройство не обеспечивает заданной точности измерения и не обладает необходимым быстродействием. Практически сигнал тензометрических датчиков содержит помимо полезного сигнала - чистой синусоиды несущей частоты 50 Гц еще и выбросы, шумы, наводки, которые накладывают- 0 ся на полезный сигнал. Кроме того, так как тенэометрические датчики и автокомпенсашор питаются от источника переменного напряжения, представляющего собой промышленную сеть )s

50 Гц, которая может содержать до

5Х высших гармоник, то при сравне- нии выходных сигналов датчиков и автокомпенсатора на выходе дифференциального сравнивающего узла присутствуют и высшие гармоники. Появление высших гармоник на выходе дифференциального сравнивающего узла объясняется тем, что они неполностью компенсируются по входу, в особенности их уровень возрастает, если питание датчиков и автокомпенсатора производится от разных трансформаторов (в этом случае между высшими гармониками имеется существенный угол сдвига), например в многоточе Мой тенэометрической системе.

Таким образом, несмотря на качественное и количественное стробирование выходного сигнала нуль-органа, 35 анализатор полезного сигнала, подсчитывая оценку из восьми полуволн, не может обеспечить заданную точность-, так как уровень шумов, наводок выбросов и высших гармоник моЭ

40 жет достичь значительной величины.

Цель изобретения — повышение точности и быстродействия измерения.

Поставленная цель достигается тем, что в нуль-орган введены два дополнительных операционных усилителя, 45 три дополнительных ключа на полевых транзисторах и Т-образный QC -мост, причем выход дифференцирующего узла соединен с общей точкой конденсаторов через последовательно соединенные первые дополнительные операционный усилитель и ключ и параллельно через вторые дЬполнительные операционный усилитель и ключ, при этом Т-обра".ный RG -иост включен в цепь отрии I тельной обратной связи второго дополнительного операционного усилителя и эашунтирован третьим дополнитез ьным ключом, затвор которого и затворы первого и второго дополнительных ключей подключены к выходам анализатора сигналов.

На фиг.1 представлена блок-схема описываемого устройства на фиг.2) графики, поясняющие(его работу.

Нуль-орган l связан с автокомпенсатором 2, тензодатчиками 3 и анализатором 4 полезного сигнала; образующими совместно с узлом управления

5 тензометрическое измерительное ус ройство, например, для весов.

Нуль-орган 1 включает в себя дифференцируюший узел б, операционные усилители 7 и 8, резисторы 9 и )0 образующие отрицательную обратную связь усилителя 7, резисторы 1),)2 и 13 и конденсаторы 14,15 и 16., образующие Т-образньй КС -мост, включенный в цепь отрицательной обратной связи усилителя 8 и зашунтированный ключом 17, выполненным на полевом транзисторе.

Выходы операционных усилителей 7 и 6 подсоединены соответственно через ключи IS и 19 на полевых транзисторах с изолированными затворами к общей точке соединения разделительных конденсаторов 20 и 21, другие выводы которых подключены к входам операционного усилителя 22. Параллельно входам операционного усилителя

22 подключены ключи 23 и 24 нь полевых транзисторах, затворы которых подключены к разным фазам источника переменного напряжения 25, который подключен также к узду -управления

5, автокомпенсатору 2 и тензодатчиI кам 3, благодаря чему все процессы измерения синхройны с частотой переменного напряжения 50 Гц. Выход операционного усилителя 22 подсоединен к входу анализатора 4 полезного сигнала, а изолированные затворы полевых транзисторов ключей 17,)8 и 19 подсоединены к выходам анализатора

4 ° На подложки этих полевых транзисторов подается положительное напряжение

+Е)„для обеспечения их нормального режима.

Устройство работает следующим

Обраэоме

Тензодатчики 3 выдают напряжение, пропорциональное весу обьекта, которое на входе дифференциального узла 6 имеет вид синусоиды (см.фиг.2„ строка )) ° Ra другой вход дифференциального узла 6 подается с автоком870965 6

5 пенсатора 2 изменяющееся ступенями

1 компенсирующей напряжение О „ в коде

2-4-2-1 (фиг.2, строка 2"), каждая ступень которого включаемся на один период несущей частоты. На фиг.2.

I строки l, 2 изображены только основные гармоники напряжений В .,,и 0 »

Напряжение U „соответствует весу 4>

01, — весу 2, 0< — весу 1 ° На выходе узла 6 в результате оценки получиМ разностное напряжение О О» (фиг.2, строка 3 ), фаза которого

1 в отдельных ступенях совладает с фазой того из сравниваемых напряжений на выходе узла 6, чья амплитуда больше. Таким образом, фаза Up< является признаксм ™перекомпенсации" (30y. 7 +p) или "недокомпенсации"

Зк„4 1)тд), а минимум напряжения

U ° — приз;»аком полной компенсации.

На промежутке времени 0-tg вкхпочетт. на ступень автокомпенсатора 2, соответствующая весу 4-01р» . До момента времени О осталась включенной ступень, соответствующая весу 2-0< .

Следовательно, на промежутке О-й, с

О. сравнивается Оko .1 01, » причем

0I p+ Ок,1 0тди фаза О мсоответствУет фазе 0,» на выходе узла 6 (фиг.2, строка 3 ).

В каждую положительную полуволну включения ступеней автокомпенсатора

2 происходит анализ выходного напряжения Up усилчтеля 22 с целью-определения — идет "большой" или "малый" сигнал U -(фиг.2, Отрока 7 ). Этот

I анализ прои."водит анализатор 4 в промежутке времени gt положительной полуволны на ряжения автокомпенсатора 2. При этом Up» усиливается операционным усилителем 7 до значения

О р.1 и через открытый ключ 18 на поI левом транзисторе, на изолированный затвор которого поступает открываю- щее напряжение U {фиг.2, строка 4 ) поступает на усилитель 22. Открываю щее напряжение 0 „ „поступает также

-на изолированный затвор полевого транзистора ключа 17. В результате выход и вход Т-моста .закорочен, а операционный усилитель 8 находится в режиме повторителя как по.постоянной, так и по переменной составляющей напряжения Ов,» (фиг.2, строка 3

В положительную полуволну О „на изолированный затвор полевого транзистора ключа 19 не подается открывающее напряжение Оч,,о и он закрыт.. Если напряжение U в положительную полуволну 01,» не изменяется в промежутке времени О-t,то анализатор 4 определяетр что идет большое напряжение 0 р,1 и управляющие сигналы

U „и,Оэ ффиг.2, строки 5 и 6) не йзменяУтся в следующую отрицательную полуволну 01 g (О-t ) и состояние ключей 17,18„ и 19 остается прежним. В отрицательную полуволну

1о анализатор 4 выдает напряжение 0

Ф (Фиг.2, строка 8 ) в схему автокомпенсатора 2 и его ступень, соответствующая весу 4, отключится.

На промежутке вреиени t1" и с 11

15 сравнивается 01 О 1 U при этрм

1 и ) напряжение U р в положительную поР луволиу 01 содержит соизмеримые составляющйе полезного сигнала, шумов, наводок, высших гармоник, что

20 приводит к нейостоянству U в промежутКЕ Джар ПОЛОжитЕЛЪНОИ ПОЛуВОЛНЫ

01, (Фиг.2, строка 4>t<- tg), т.е.

f идет малое напряжение Uрд. Анализатор

4 определяет это и производит переклю25 чение ключей, т.е. ключи 17 и 18 saкрываются {на изолированные затворы этих полевых транзисторов не подаетса иапракаииа радар (Фиг.2, строка 5 !

t<), а ключ открывается (на изолированный затвор этого транзистора подается Открывающее напряжение

0>п< (Фиг.З, строка 6,(й. - t<) °

В результате этого напряжение Ор проходит через усилитель 8.При этом 1 шумы, наводки и высшие гармоники

35 подавляются. Анализатор полезного сигнала 4 оценивает в отрицательнук полуволну 011 аа (t<- Йу)сигнал О а дает однозначный выходной сигнал

4о ОС,тк/1(Фиг. 2, строка В) .

Айалогично процессам, происходящим на промежутке времени В - tg, происходят процессы на промежутке времени и - tg, эа исключением, Я. 1 что здесь Upy имеет противополож15 . ную фазу фазе U и потому анализатор 4 выдает сигйал U (Фиг.2, стро" ка 8 ) .

ЯКА

Операционный усилитель 8 (как вид50 но из Фиг.l) имеет коэффициент уси.ления по постоянному напряжению, paiный единице, так как сопротивления

ll и 12 не влияют существенным образом на коэффициент передачи по постоянному току (В 1 операционного уси55 лителя 8 велико). И поэтому при зшаакании ключом 17 коэффициент его по постоянному напряжению, оставшись равным единице, становится таковым

7 87096 и для переменной составляющей. По переменной составляющей коэффициент усиления операционного усилителя 8 (когда ключ 17 закрыт) определяется разбросом элементов двойного Т-моста: сопротивлений резисторов 11,12,13 и емкостей конденсаторов 14,15 и 16. Для того, чтобы в этом случае сделать одинаковые коэффициенты усиления для большого и малого напряжения, подст- 10 раивают обратную связь операционного усилит.еля 7.

Включение усилителя 8 (фиг. 2, строка 7) производится в момент пере- . хода через нуль синусоиды основной гармоники, и только тогда, когда идет малый сигнал, в следующую полуволну "(положительную)01 j ключом 17 производится разряд двойного Т-моста.

Этим обеспечивается отсутствие пере- О ходного процесса из-за наличия реакт тивных элементов (конденсаторов1 двойного Т-моста.

Постоянные составляющие (они не по1 казаны на фиг.2) Up< и LI „устраняют- 25 ся на входах операционного усилителя

22 благодаря тому, что эти напряжения поступают через разделительные конденсаторы 20 и 21, а переходной процесс устраняется тем, что конденсаторы 20 5О и 21 разряжаются ключами 23 и 24 на полевых транзисторах. Эти ключи открыты в промежутки времени и (Фиг.2).

- Одновременно в промежутки времени эти ключи сообщают операционному и .усилителю 22 фазочувствительные свойст. ва, так как их затворы подсоединены к разным фазам источника переменного напряжения 25.

Применение изложенного выше технического решения повышает точность измерения и разрешает техническое противоречие между повышением точности измерения и повышением быстродействия. В частности, достаточногдля достижения заданной точности измерения произв дить оценкч каждой стчпени автокомпенсатора всего два полупериода (вместо восьми), т.е. общее время измерения уменьшилось в четыре раза

5О по сравнению с прототипом. Следует отметить также адаптивный характеР работы избирательного фильтра нуль-органа, т.е. в зависимости от уровня шумов наводок и высших гармоник анаФ

55 лизатор полезного сигнала включает его в цепь прохождения малого сигнала. Таким образом, если в сети возрастет уровень высших гармоник по ампли5 8 туде, или возрастчт шумы, наводки в цепи выходного сигнала тензодатчиков, то это никак не отразится на точности измерения: она останется такой же.

Кроме того, избирательный фильтр, настроенный на 50 Ги 1несчщая частота) позволяет подавить не только шумы, наводки и высшие гармоники, но и динамические низкочастотные и высокочастотные помехи. которые возникают в процессе дозирования продуктов в емкость.

Таким образом, точность измерения цифрового измерительного устройства для тензометрических весов повышается благодаря применению избирательного активного фильтра на операционном усилителе в пепи прохождения малого сигнала нуль-органа, а повышение быстродействия обеспечивается определенным алгоритмом работы ключей, изза чего исключается переходной процесс„ обусловленный наличием реактивных элементов Фильтра.

Формула изобретения

Тензометрическое устройство, со-, держащее тензодатчики, автокомпенсатор, анализатор сигналов, источник питания и нуль-орган с дифференцивующим узлом, неинвертирующий вход которого соединен с выходом тензодатчиков, а инвертиоующий — с выходом автокомпенсатора и операционным усилителем, к входам которого подключены одни выводы двчх разделительных конденсаторов, зашунтированные ключами на полевых транзисторах, затворы которых подключены к разным фазам источника питания, другие выводы которых объединены в общчю точку, а выход операционного усилителя соединен с входом анализатора сигнала, о т л и— ч а ю щ.е е с я тем, что, с целью повышения точности и быстродействия измерения, в нуль-орган введены два дополнительных операиионных усилителя, три дополнительных ключа на полевых транзисторах и Т-образный RC-мост. причем выход дифшеренцирующего узла соепинен с общей точкой конденсаторов через последовательно соединенные первые дополнительные операиионный усилитель и ключ и параллельно через BTopblp дополнительные операционный усилитель и ключ, при этом Т-об разный 1Ж-мост включен в цепь от рицательной обратной связи второго дополнительного операционного уси лителя и зашчнтирован третьим дополнительным ключом. затвор которого и затворы первого и второго дополнительных ключей подключены к выходам анализатора сигналов.

1О

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свилетельство СССР

В 684326, кл. G 01 G 23/36, 1977.

2. Авторское свидетельство СССР по заявке Ф 2661104, кл. G 01 G 23/36, 1978 (прототип).