Цифровые крановые весы Советский патент 1992 года по МПК G01G23/36 

ков 6, узел соединения первого 20 и второго 21 резисторов подключен к четвертому повторителю 25, узел соединения третьего 22 и четвертого 23 резисторов - к третьему повторителю 24, а узел соединения второго 21 и третьего 22 резисторов через фильтр 26 нижних частот - к входу опорного напряжения первого ЦАП 4, выходы третьего повторителя 24 и второго аналогового инвертора 27, подсоединенного к выходу четвертого повторителя 25, соединены соответственно через второй сумматор 28 с входом опорного напряжения второго ЦАП 29, выход которого через каскадно соединенные второй вход аналогового вычитателя 19, конденса- тор 30, усилитель-ограничитель 31 и второй вход элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 12 соединен с вторым входом второго элемента И 11, выходом соединенного со счетным входом С второго счетчика 32, нулевой вход Р которого подсоединен к выходу первого элемента 15 задержки. Все цифровые выходы второго счетчика 32 соединены со всеми входами второго элемента ИЛИ-НЕ 33 и первыми входами цифрового вычитателя 34, выход второго элемента ИЛИ-НЕ 33 и последний выход второго счетчика 34 соединены соответственно с вторыми входами третьего 13 и четвертого 14 элементов И, выходы которых подсоединены соответст- венно к входам сложения (+) и вычитания (-) третьего счетчика 35, цифровые выходы которого соединены с соответствующими входами второго ЦАП 29 и вторыми входами цифрового вычитателя 34, вход занесения V которого соединен с входом делителя 16 частоты, выход которого через второй элемент 36 задержки соединен с нулевым входом Р цифрового вычитателя 34, а через первые входы пятого 37, шестого 38 и седьмого 39 элементов И соответственно - с входами сложения (+), вычитания (-) и синхронизации С четвертого счетчика 40, D-входы которого соединены с соответствующими выходами делителя 41 числа, входами третьего ЦАП 42 и первыми входами блока 43 сравнения двоичных чисел, выходы неравнозначности которого подсоединены соответственно к вторым входам пятого 37 и шестого 38 элементов И, а его вторые входы соединены с соответствующими выходами четвертого счетчика 40 и входами четвертого ЦАП 44, причем входы делителя 41 числа соединены с соответствующими выходами цифрового вычитателя 34, а выхо- ды третьего 42 и четвертого 44 ЦАП соответственно через первый 45 и второй 46 пороговые элементы соединены с входами элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ-НЕ

47, выход которого соединен с вторым входом седьмого элемента И 39.

Весы работают следующим образом. От генератора 1 импульсы поступают в первый счетчик 2, вход реверса Р которого управляется триггером 3 (фиг. 1), Нулевое со- стояниие счетчика 2 обнаруживается первой схемой ИЛИ-НЕ 9, которая по входу R устанавливает триггер 3 в О. При этом счетчик 2 удерживается по Р-входу в режиме сложения. По мере его заполнения в интервале моментов t0-ti (фиг.2) на выходе первого ЦАП 4 напряжение Е4 ступенчато- линейно возрастает. При малой дискретности ступеньки можно не учитывать, поэтому оно приведено линейным, В момент ti заполнение счетчика 2 посредством схемы И 10 взводит по входу S триггер 3, переключая счетчик 2 в режим вычитания. По мере выкачивания из него импульсов в интервале ti-t2 Ј4 снижается и т.д.

Так, для развертывающего уравновешивания вырабатывается треугольное напряжение Е« высокой линейности, погрешность котооой для стандартных ЦАП не превышает сотых долей процента.

Для двоичного счетчика 2 выходное напряжение Еа его последнего разряда (п) при- ходится фронтами на середину сторон треугольника Е.

Напряжение Е2 посредством усилителя 17 мощности запитываеттензодатчики 6 од- нополярными прямоугольными импульсами. Парафазные сигналы тензодатчиков 6, пройдя первый 7 и второй 8 повторители, благодаря наличию инвертора 18 приобретают синфазность и поэтому в первом сумматоре 5 складываются до значения (Е + Eie). К этому же сумматору подводится треугольное напряжение Е4.

Ненагруженные тензодатчики 6 разба- лансируются с таким расчетом, чтобы на выходе сумматора 5 в моменты ti и ta вершины треугольников касались одного и того же уровня Ее. Фазировка тензодатчиков 6 должна быть такой, чтобы при их нагружении (MOMeHTta) указанные вершины треугольников расходились от уровня Е0. Удаление ±АЕ вершин треугольников и является мерой нагрузки тензодатчиков, подлежащей измерению,

АЕ измеряется развертывающим и следящим уравновешиванием одновременно, благодаря чему повышается быстродействие.

Это измерение осуществляется следующим образом,

Резистивный делитель на резисторах 20-23 запитывается тем же напряжением,

чтоитензодэтчики 6. При этом в его средней точке напряжение будет постоянным и равным половине амплитуды выходных импульсов усилителя 17 мощности. Это напряжение через фильтр 26 запитывэет первый ЦАП 4. При этом дрейф параметров усилителя 17 вызывает одно и то же по величине и противоположное по знаку изменение Е4 и {Е + Eia). Эти изменения, взаимно компенсируясь в сумматоре 5, исключают влияние дрейфа питающих напряжений и параметров усилителя 17 на точность измерений.

В крайнихузлах 20-21 и 23-22 напряжения имеют прямоугольную форму и проти- вофазны. Третий 24 и четвертый 25 повторители и второй аналоговый инвертор 27 обеспечивают их суммирование во втором аналоговом сумматоре 28, который за- питывает второй ЦАП 29, осуществляющий следящее уравновешивание. Оно реализуется следующим образом.

В нулевом состоянии третьего счетчика 35 выходное напряжение второго ЦАП 29 равно нулю. При этом на любом интервале времени, например t4-ts, выходное напряжение ES первого сумматора 5, пройдя конденсатор 30 и усилитель-ограничитель 31. усиливается до ограничения. Импульс Ез1 на интервале противофазен Е2 и поэтому не проходит через элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 12, вследствие чего вход С второго счетчика 32 заперт вторым элементом И 11.

Поэтому счетчик 32 остается в нулевом состоянии, которое обнаруживается второй схемой ИЛИ-НЕ 33, отпирающей третьим элементом И 13 вход сложения (+) третьего счетчика 35, и в него восходящим фронтом Е2 в момент т.5 заносится импульс,. При этом выходное напряжение Е29 второго ЦАП 29 возрастает, из-за чего размах Eig на выходе вычитателя 19 снижается. Это заполнение третьего счетчика 35 происходит до тех пор, пока из-за уменьшения размаха Eig его вершины не начнут перекрываться на каком-либо уровне Uo (интервалы ta-tg и т.д.).

Выходное напряжение Езо конденсатора 30, свободное от постоянного напряжения Uo, перекрывая порог Еп срабатывания усилителя-ограничителя 31, обеспечивает на его выходе ограниченные импульсы Ез1, которые на интервалах перекрытия ta-tg совпадают по фазе с выходным напряжением Е2 первого счетчика 2. Это совпадение обнаруживается элементом ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 12, который третьим элементом И 13 отпирает вход счетный вход С второго счетчика 32. При этом с выхода

разряда 1 первого счетчика 2 заносятся импульсы во втЪрой счетчик 32. При этом второй элемент ИЛИ-НЕ 33 посредством третьего элемента И 13 запирает вход (+)

счетчика 35 и его содержимое далее не меняется.

Перекрытие порога Еп напряжением Езо на интервалах te-t и tg-tg является мерой перекомпенсации измеряемого напряже0 ния (Е + Еш), которая оценивается суммой импульсов, занесенных во второй счетчик на интервалах te-t и . Указанная сумма импульсов необходима для борьбы с дрейфом нуля,

5 Действительно, при любом однонаправленном дрейфе порога Еп интервалы перекрытия и tg-tg изменяются во взаимно противоположных направлениях, из-за чего число импульсов, занесенных в счетчик 32

0 за период Е2. остается неизменным.

Поскольку это число импульсов является мерой перекомпенсации сигнала следящим уравновешиванием, то результатом измерения является разность показаний

5 третьего 35 и второго 32 счетчиков, причем максимальное показание второго счетчика 32 должно равняться дискретности третьего счетчика 35.

Указанная разность определяется циф0 ровым вычитателем 34, в который заносятся показания счетчиков 32 и 35 с каждым периодом Еа в момент восходящих фронтов типа ts. Спустя время задержки первого элемента 15 обнуляется второй счетчик 32

5 однажды за период после считывания его показаний.

Уменьшение показаний при разгрузке тензодатчиков происходит следующим об- - разом.

Из-за уменьшения размаха ES при прежнем значении Е2д выходной сигнал Eig вычитателя 19 оказывается перекомпенсированным в течение всего периода ticrtn, благодаря чему выходное напряжение Ез1

5 усилителя-ограничителя 31 будет синфазным с Е2 в течение всего этого периода. Поэтому элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 12 посредством второго элемента И 11 отпирает на весь период tio-tn второй счетчика 32,

0 последний разряд п которого, заполняясь, четвертым элементом И 14 отпирает вход вычитания (-) третьего счетчика 35 и его содержимое начинает уменьшаться до перекрытия Езо.

5 Непременное требование, предъявляемое к крановым весам, по уменьшению интенсивности мельканий в условиях воздействия помех обеспечивается делителями 16 и 41 частоты и числа с равными коэффициентами деления, а также четвертым счетчиком 40 и схемой 43 сравнения двоичных чисел следующим образом.

В цифровом вычитателе 34 накапливаются результаты измерений за число периодов Е2, равное коэффициенту деления частоты делителем 16. Делитель 41 числа обеспечивает получение усредненного результата, приходящегося на перибд Ё2, который сопоставляется блоком 43 сравнения с числом, хранящимся в четвертом счётчике 40.

Одновременно сравниваемые числа преобразуются третьим 42 и четвертым 44 ЦАП в напряжения, подводимые к пороговым элементам 45 и 46.

Если содержимые счетчика 40 и делителя 41 числа близки, то пороговые элементы 45 и 46 находятся в одинаковых состояниях, из-за чего нулевое выходное напряжение элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ-НЕ 47запирает седьмым элементом И 39 вход занесения информации V четвертого счетчика 40.

При этом в зависимости от соотношения сравниваемых чисел блок 43 сравнения элементом И 37 или 38 отпирает вход сложения (+) или вычитания (-) счетчика 40 и в него делителем 16 частоты заносится единственный импульс независимо от абсолютной разности содержимого счетчика 40 и делителя 41 числа. После этого элемент 36 задержки обнуляет цифровой вычитатель 34 и процесс повторяется.

Если числа в счетчике 40 и делителе 41 отличаются существенно, то состояния пороговых элементов 45 и 46 различны. При этом единичное выходное напряжение элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ-НЕ 47 отпирает седьмым элементом И 39 вход занесения V счетчика 40 и выходной импульс делителя 16 частоты заносит в счетчик 40 посредством D-входов число делителя 41.

Так осуществляется быстрое прохождение шкалы при нагружении либо разгрузке тензодатчиков 6, а затем содержимое счетчика 40 либо не меняется вообще, либо корректируется на единственный импульс, из-за чего помеха не отслеживается, а интенсивность мельканий уменьшается.

Изобретение обеспечивает достижение следующих технических эффектов.

Поскольку используется комбинация следящего и развертывающего уравновешивания, то усилитель-ограничитель нм при каких условиях не остается под полностью скомпенсированным напряжением, из-за чего самовозбуждение АЦП практически невозможно. Это позволяет повысить

коэффициент усиления и таким образом увеличить точность.

Так как вместо одного счетчика в известном устройстве используются два счетчи- 5 ка, то для заполнения каждого из них требуется меньше импульсов, чем в известном устройстве, при той же дискретности, благодаря чему быстродействие повышается.

10 Возможно следующее исполнение элементов предлагаемого устройства.

Усилитель 17 мощности должен вырабатывать на своих разноименных выходах па- рафазные импульсы постоянного тока, и его 15 выходной каскад может быть выполнен в виде транзисторного моста, в одну из диагоналей которого включен источник питания, а во вторую - тензодатчики 6.

Аналоговые сумматоры 5 и 28 и вычита- 0 тель 19 должны быть выполнены на операционных усилителях.

Фильтр нижних частот можно выполнить в виде интегрирующей RC-цели.

Цифровой вычитель 34, делитель 41 чис- 5 ла и блок 43 сравнения можно реализовать на микропроцессоре:

Формула изобретения Цифровые крановые весы, содержа0 щие генератор, связанный с входом первого счетчика, вход реверса которого соединен с выходом триггера, а цифровые выходы - с соответствующими входами первого цифроаналогового преобразова5. теля, выходом соединенного с первым входом первого сумматора, мостовой резистивный тензодатчик, одна вершина выходной диагонали которого через первый повторитель подсоединена к второму

0 входу первого сумматора, а вторая ее вершина - к входу второго повторителя, четыре последовательно соединенных резистора, третий и четвертый повторители, второй сумматор, первый элемент И, усилитель-ог5 раничитель и усилитель мощности, о т л и - ч а ю щ и е с я тем, что, с целью повышения точности и увеличения быстродействия, в них введены три счетчика, два элемента ИЛИ-НЕ, шесть элементов И, элементы

0 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ-НЕ, аналоговый вычитатель, конденсатор, фильтр нижних частот, второй, третий и четвертый цифроаналоговые преобразователи; делитель частоты, два

5 элемента задержки, цифровой вычитатель, делитель числа, два аналоговых инвертора, два пороговых элемента и блок цифрового сравнения двоичных чисел, причем все выходы первого счетчика соединены соответственно с входами первого элемента

ИЛИ-НЕ и первого элемента И, выходы которых подсоединены соответственно к нулевому и единичному входам триггера, первый выход первого счетчика соединен с первым входом второго элемента И, а последний его выход - с первыми входами элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, третьего, четвертого элементов И, входами первого элемента задержки, делителя частоты и усилителя мощности, парафазные выходы кото- рого подсоединены к диагонали питания измерительного моста, выход второго повторителя через первый аналоговый инвертор подсоединен к третьему входу первого сумматора, выход которого соединен с первым входом аналогового вычитателя, причем первый и четвертый резисторы свободными выводами соединены с диагональю питания измерительного моста, узел соединения первого и второго резисторов подключен к четвертому повторителю, узел соединения третьего и четвертого резисторов - к третьему повторителю, а узел соединения второго и третьего резисторов через фильтр низких частот - к входу опорного напряжения первого цифроаналогового преобразователя, выходы третьего повторителя и второго аналогового инвертора, подсоединенного к выходу четвертого по- втоителя, соединены соответственно через второй сумматор с входом опорного напряжения второго цифроаналогового преобразователя, выход которого через каскадно соединенные второй вход аналогового вычитателя, конденсатор, усилитель- ограничитель и второй вход элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ соединен с вторым входом второго элемента И, выходом соединенного с счетным входом второго счетчика, нулевой вход которого подсоединен

к выходу первого элемента задержки, все цифровые выходы второго счетчика соединены со всеми входами второго элемента ИЛИ-НЕ и первыми входами цифрового вычитателя, выходы второго элемента ИЛИ-НЕ и последний выход второго счетчика соединены соответственно с вторыми входами третьего и четвертого элементов И, выходы которых подсоединены соответственно к входам сложения и вычитания третьего счетчика, цифровые выходы которого соединены с соответствующими входами второго цифроаналогового преобразователя и вторыми входами цифрового вычитателя, информационный вход которого соединен с входом делителя частоты, выход которого через второй элемент задержки соединен с нулевым входом цифрового вычитателя, а через первые входы пятого, шестого и седьмого элементов И соответственно с входами сложения, вычитания и синхронизации четвертого счетчика, D-входы которого соединены с соответствующими выходами делителя числа, входом третьего цифроаналогового преобразователя и первыми входами блока цифрового сравнения двоичных чисел, выходы неравнозначности которого подсоединены соответственно к вторым входам Пятого и шестого элементов И, а его вторые входы соединены с соответствующими выходами четвертого счетчика и входом четвертого цифроаналогового преобразователя, причем выходы третьего и четвертого цифроаналоговых преобразователей соответственно через первый и второй пороговые элементы соединены с входами элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ-НЕ, выход которого соединен с вторым входом седьмого элемента И.

Ч

-Ж-5-L™.

1.5

fa

™ № Л

4, t

I ГР

bij п п

.13ЕШНЕ:

JllilLlM

(4 f4Г Ј

bij п п

ЕШНЕ:

Е:

JllilLlMlllillffHItfiL

Ј