Электронный измеритель массы Советский патент 1992 года по МПК G01G3/147 

Изобретение относится к весоизмерительной технике и может быть использовано для автоматического взвешивания с цифровой индикацией различного рода предметов.

Известен преобразователь аналого-цифровой Ф4232, в основе принципа действия которого лежит следящее уравновешивание сигнала тензодатчиков.

Недостатком этого прибора является высокая погрешность (0,2%) из-за склонности к самовозбуждению по причине замкнутой структурной схемы,

Известен также цифровой вольтметр для тензометрических весов развертывающего уравновешивания.

Однако в этом приборе погрешность сравнительно высока, так как развертывающее пилообразное напряжение формируется посредством цифроаналогового преобразователя (ЦАП). Поскольку современные прецизионные ЦАП допускают частоту квантования не более 100 кГц при дифференциальной нелинейности порядка 0,25%, то создание быстродействующих измерителей массы погрешностью менее 0,05% не выявлено.

Высокими потенциальными возможностями обладает аналого-цифровой преобразователь двухтактного интегрирования, ожидаемая погрешность которого не превышает 0,01%.

Однако использование этого метода сдерживается проблемами создания прецизионных ключей в цепях сигналов малого уровня, образцовых источников питания и, самое главное, влиянием дрейфа нуля интегратора на точность измерений.

Ближайшим по своей технической сущности к изобретению является цифровой вольтметр для тензометрических весов, содержащий четыре аналоговых ключа, соединенных в мост с первым и вторым ключами в одной паре противоположных плеч и с

VI

01

Сл)

ю ю о

третьим и четвертым ключами во второй паре плеч, причем управляющий вход первого ключа соединен с управляющим входом второго, а управляющий вход третьего - с управляющим входом четвертого ключа, при этом к одной из вершин первой диагонали моста подключен первый источник напряжения, а к второй диагонали подключены входы питания первого резистивного делителя напряжения и тензодатчиков, связанных через первый аналоговый сумматор и усилитель-ограничитель со счетчиком, а также генератор, делитель частоты, формирователь импульсов, делитель частоты на два, первые конденсатор и аналоговый сумматор.

Недостатками этого прибора являются низкая точность и малое быстродействие, сдерживаемые техническими характеристиками ЦАП.

Цель изобретения - повышение точности и быстродействия устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в электронный измеритель массы, содержащий четыре аналоговых ключа, соединенных в мост с первым и вторым ключами в одной паре противоположных плеч и третьим и четвертым ключами во второй паре противоположных плеч, причем управляющий вход первого ключа соединен с управляющим входом второго ключа, а управляющий вход третьего ключа соединен с управляющим входом четвертого ключа, к одной из вершин первой диагонали моста подключен первый источник напряжения, соединенный с нулевой шиной питания, а к второй диагонали подключены входы первого делителя напряжения и входы тензодатчиков, первый аналоговый сумматор, усилитель-ограничитель, счетчик, генератор, делитель частоты, формирователь импульсов, делитель частоты на два и первый конденсатор, дополнительно введены интегратор, распределитель импульсов, мультиплексор, регистр, пятый, шестой, седьмой и восьмой аналоговые ключи, первый и второй аналоговые вычитатели, второй источник напряжения, второй конденсатор, элемент И, второй аналоговый сумматор, второй делитель напряжения и первый и второй повторители, причем второй источник напряжения подключен к второй вершине первой диагонали моста и нулевой шине питания, парафазные выходы тензодатчиков соединены соответственно с входами первого вычитателя, выходом соединенного с первым входом первого аналогового сумматора, к второму входу которого подключен выход второго делителя напряжения, выход первого аналогового сумматора через интегратор подключен к входу

усилителя-ограничителя, выход генератора через делитель частоты на два соединен с первым входом элемента И, а через делитель частоты -с входом распределителя импульсов, первый выход которого соединен с управляющими входами первого и пятого ключей, одним входом регистра и через формирователь импульсов со входом сброса счетчика, второй выход распределителя импульсов соединен с первым управляющим входом мультиплексора и с управляющим входом седьмого ключа, третий выход распределителя импульсов соединен с управляющими входами третьего и шестого.

ключей, а четвертый выход - с управляющим входом восьмого ключа и вторым управляющим входом мультиплексора, выход которого подключен к второму входу элемента И, выходом соединенного со счетным входом

счетчика, выход которого подключен к другому входу регистра, парафазные выходы первого делителя напряжения соединены с входами второго вычитателя, выходом соединенного с входами первого и второго конденсаторов, выход первого из которых через пятый ключ соединен с нулевой шиной питания, а через первый повторитель и седьмой ключ - с первым входом второго аналогового сумматора, выход второго конденсатора через шестой ключ соединен с нулевой шиной питания, а через второй повторитель и восьмой ключ - с вторым входом второго аналогового сумматора, к выходу которого подключен вход второго

делителя напряжения.

На фиг.1 дана схема измерителя массы; на фиг.2 - эпюры выходных напряжений ее элементов.

Измеритель массы (фиг.1) содержит

первый 1, второй 2, третий 3 и четвертый 4 аналоговые ключи, первый источник 5 напряжения, первый делитель 6 напряжения, тензодатчик 7, второй источник 8 напряжения, первый аналоговый вычитатель 9, первый аналоговый сумматор 10, второй делитель 11 напряжения, интегратор 12, усилитель-ограничитель 13, инвертор 14, мультиплексор 15, генератор 16, делитель 17 частоты на два, элемент И 18, делитель

частоты 19, распределитель 20 импульсов, пятый ключ 21. регистр 22, формирователь 23 импульсов, счетчик 24, седьмой ключ 25, шестой ключ 26. восьмой ключ 27, второй аналоговый вычитатель 28, первый конденсатор 29, второй конденсатор 30, первый повторитель 31, второй аналоговый сумматор 32, второй повторитель 33,

Электронный измеритель массы содержит четыре аналоговых ключа 1-4, соединенных в мост с первым 1 и вторым 2

ключами в одной паре противоположных плеч и с третьим 3 и четвертым 4 ключами во второй паре противоположных плеч, причем управляющий вход первого ключа 1 соединен с управляющим входом второго ключа 2, а управляющий вход третьего ключа 3 соединен с управляющим входом четвертого ключа 4, к одной из вершин первой диагонали моста подключен первый источник 5 напряжения, соединенный с нулевой шиной питания, а к второй диагонали подключены входы первого делителя 6 напряжения и входы тензодатчиков 7. Второй источнике напряжения подключен к второй вершине первой диагонали моста и нулевой шине питания, парафазные выходы тензодатчиков соединены соответственно с входами первого вычитателя 9, выходом соединенного с первым входом аналогового сумматора 10, к второму входу которого подключен выход второго делителя 11 напряжения. Выход первого аналогового сумматора 10 через интегратор 12 подключен к входу усилителя-ограничителя 13, выходом соединенного через инвертор 14 с первым сигнальным входом мультиплексора 15, второй сигнальный вход которого соединен с выходом усилителя-ограничителя 13. Выход генератора 16 через делитель 17 частоты на два соединен с первым входом элемента И 18. а через делитель 19 частоты - с входом распределителя 20 импульсов, первый выход которого соединен с управляющими входами первого 1 и пятого 21 ключей, одним входом регистра 22 и через формирователь 23 импульсов - с входом сброса счетчика 24, второй выход распределителя 20 импульсов соединен с первым управляющим входом мультиплексора 15 и с управляющим входом седьмого ключа 25, третий выход распределителя 20 импульсов соединен с управляющими входами третьего 3 и шестого 26 ключей, а четвертый выход - управляющим входом восьмого ключа 27 и вторым управляющим входом мультиплексора 15, выход которого подключен к второму входу элемента И 18, выходом соединенного со счетным входом счетчика 24, выход которого подключен к другому входу регистра 22. Парафазные выходы первого делителя 6 напряжения соединены с входами второго вычитателя 28, выходом соединенного с входами перчого 29 и второго 30 конденсаторов, выход первого из которых через пятый ключ 21 соединен с нулевой шиной питания, а через первый повторитель 31 и седьмой ключ 25 - с первым входом второго аналогового сумматора 32. Выход второго конденсатора 30 через шестой ключ 26 соединен с нулевой шиной питания, э через второй повторитель 33 и восьмой ключ 27 - с вторым входом второго аналогового сумматора 32, к выходу которого подключен вход второго делителя 11 напряжения.

Электронный измеритель массы работает следующим образом.

В отсутствие единичных напряжений на управляющих входах аналоговых ключей 10 4 (фиг.З) они разомкнуты. Поэтому напряжение от источников 5 и 8 не поступает на первый резистивный делитель 6 и тензодат- чики 7. В результате выходные напряжения первого 9 и второго 28 аналоговых вычита5 телей равны нулю.

С началом работы генератора 16 через делитель 19 частоты запускается четырехразрядный распределитель 20 импульсов, на четырех выходах которого поочередно

0 появляются единичные импульсы Е12о; Е 2о; Е320 и Е% (фиг.2).

В интервале моментов единичное напряжение Е12о, снимаемое с первого выхода распределителя 20 импульсов, замкнет

5 ключи 1 и 2, благодаря чему соответствующие входы питания первого делителя 6 и тензодатчиков 7 окажутся под разностью потенциалов плюс-минус. Их выходные парафазные напряжения, будучи подведен0 ными к входам соответственно первого 9 и второго 28 вычитателей, арифметически просуммируются в каждом из них. Поэтому выходное напряжение Eg первого вычитателя 9 в интервале моментов ti-t2 имеет поло5 жительную полярность.

Одновременно с первым 1 и вторым 2 ключами замыкается пятый ключ 21, благодаря чему в интервале моментов ti-t2 заряжается первый конденсатор 29 до

0 установившейся полярности (фиг.2). Седьмой 25 и восьмой 27 ключи в интервале моментов разомкнуты, из-за чего вторые сумматор 32 и делитель напряжения 11 обесточены.

5 В результате на входах первого сумматора 10 присутствует только выходное напряжение Eg, обусловленное работой тензодатчиков 7.

Таким образом, в интервале ti-t2 интег0 рируется только измеряемое напряжение Eg (результат последующего интегрирования показан пунктиром), и поэтому выходное напряжение Ei2 интегратора 12 к моменту т.2 будет отлично от нуля и тем выше, чем боль5 ше выходное напряжение тензодатчиков 7 С наступлением момента i единичное напряжение Е120 исчезает на первом выходе распределителя 20 и на втором его выходе появляется аналогичный импульс Е 20. В результате исчезновения Е 20 ключи 1,2 и

21 размыкаются, первый делитель 6 и тен- зодатчики 7 обесточиваются, выходное напряжение Ею первого сумматора 10 становится равным нулю, а заряженный первый конденсатор 29 через первый повторитель 31 и замкнутый посредством Е 20 шестой ключ 25 подключается к первому входу второго сумматора 32, выходное напряжение которого, пройдя второй делитель 11 напряжения, необходимый для масштабирования прибора, обеспечит подачу на второй вход первого сумматора 10 отрицательного импульса En, который интегрируется в качестве образцового напряжения, предусмотренного в классической схеме дёухтактного интегрирования.

Если бы в предшествующий такт напряжение тензодатчиков отсутствовало бы, то Ei2 равнялось бы нулю, из-за чего выходно напряжение интегратора Ei2 пересекло бы нуль в моментt2 (такой результат интегрирования импульсов En показан пунктиром). Поскольку при нагрузке тензодатчиков во время Eg 0, то выходное напряжение Ei2 интегратора 12 в момент t2 отлично от нуля и смещает начальный уровень интегрирования импульса Ei2 на величину -HJo. Поэтому выходное напряжение интегратора Ei2 пересекает нуль в момент не t2, a t о. Разность t10 -12 является мерой измеряемого напряжения Еэ, как в классической схеме двухтактного интегрирования,

Здесь существенное отличие в том, что за время t2-ta интегрируется не фиксированное напряжение образцового прецизионного источника, а запомненное напряжение питания тензодатчиков. Зтим самым устраняется влияние на точность дрейфа параметров источников 5 и 8 и аналоговых ключей 1-4.

Далее выходное напряжение Ё12 интегратора 12, пройдя усилитель-ограничитель 13 и инвертор 14, поступает на первый сигнальный вход мультиплексора 15, который в интервале отперт по первому управляющему входу напряжением Е220 на втором выходе распределителя 20 импульсов.

Поэтому в интервале t2-ta на выходе мультиплексора 15, будет действовать импульс EIS, длительность которого пропорциональна выходному напряжению тензодатчиков. Этот импульс отпирает элемент И 18 и на вход С счетчика 24 поступают импульсы Езз. создавая в нем цифровую копию измеряемого напряжения.

В следующий такт t3-t4 выключается напряжение на втором выходе распределителя 20 и на его третьем выходе появляется импульс Е 20, который замкнет третий 3, четвертый 4 и шестой 26 ключи. При этом первый делитель 6 и тензодатчики 7 зачитываются противоположным напряжением минус-плюс, из-за чего выходное напряжение Eg первого сумматора 9 будет отрицательным, а второй конденсатор 30 через шестой замкнутый ключ 26 зарядится напряжением, противоположным по знаку на первом конденсаторе 29.

Из-за разомкнутых седьмого 25 и восьмого 27 ключей выходное напряжение второго делителя 11 равно нулю. Поэтому на входах первого сумматора 10 действует только напряжение Eg, обусловленное работой

тензодатчиков. Поэтому к моменту v выходное напряжение Ei2 будет равным - U0.

В последнем интервале цикла единичное выходное напряжение Е420 будет действовать только на четвертом выходе

распределителя 20 импульсов. При этом все ключи, кроме восьмого 27, будут разомкнуты. Напряжение второго конденсатора 30 посредством второго повторителя 33, восьмого ключа 27, вторых сумматора 32 и делителя 11 обеспечит на втором входе первого сумматора 10 импульс En положительной полярности. Под его действием выходное напряжение интегратора Ei2, возрастая от значения - U0, пересечет нуль в момент t20,

положение которого зависит от измеряемого напряжения ES в предшествующем такте. В конечном итоге на второй сигнальный вход мультиплексора 15 поступит выходное напряжение усилителя-ограничителя, минуя инвертор 14, и в интервале моментов t4-t20, зависящем от выходного напряжения тензодатчиков, к импульсам, занесенным ранее в счетчик 24, добавится новое их количество.

Таким образом, результатом измерения напряжения тензодатчика будет суммарное число импульсов, поступивших на вход счетчика 24 в интервалы и .

Указанная сумма необходима для устранения влияния дрейфа нуля, которое обеспечивается следующим образом.

Если, например, нулевой уровень напряжения Ei2 сместится вверх, то интервал сократится, но зато на столько же расширится интервал t4-t20, из-за чего суммарное число импульсов, занесенных в счетчик 24, не зависит от дрейфа нуля.

В начале каждого цикла напряжение Е 20, снимаемое с первого выхода распределителя 20 по входу V регистра 22, переносит в него показания счетчика 24, после чего посредством формирователя 23 импульсов, осуществляющего задержку, обнуляет счетчик 24.

Поскольку за один цикл в счетчик 24 заносятся импульсы дважды, то для получения истинного результата служит делитель 17 частоты на два, который подводит от генератора 16 к элементу И 18 половинное число импульсов,

Таким образом, в предложенной схеме устранены недостатки двухтактного интегрирования, а именно отсутствуют прецизионные аналоговые ключи в цепях сигналов малого уровня, нет прецизионного источника образцового напряжения, дрейф нуля не влияет на точность измерений.

Пары ключей 1 и 4, а также 2 и 3 целесообразно выполнить на операционном усилителе, снабженном комплементарной парой транзисторов с резистором, подключенным к их эмиттерным переходам.

Аналоговые вычитатели 9 и 28 следует собрать по схеме измерительного усилителя.

Резистивный делитель 6 напряжения должен представлять собой три прецизионных резистора, с центрального из которых снимается выходное напряжение.

Четырехразрядный распределитель 20 импульсов может быть выполнен в виде двоичного счетчика на А с двоично-десятичным дешифратором.

Аналоговые ключи 21,26,25 и 27 лучше всего выполнить оптронными, например, в виде оптоэлектронного коммутатора типа К249КН1 А, характеризующегося током утечки выходной цепи не более 50 нА.

Повторители 31 и 33 должны быть выполнены на операционных усипителях с полевыми транзисторами на входах, например, К140УД8А-К140УД8В.

Аналоговый сумматор 32 можно выполнить на операционном усилителе.

Аналоговый сумматор 10 и интегратор 12 можно выполнить в виде суммирующего интегратора.

В качестве мультиплексора 15 достаточно использовать схему 2И-2 ИЛИ, например, К155ЛР1.

Формирователем 23 импульсов может служить любой одновибратор.

Формула изобретения

Электронный измеритель массы, содержащий четыре аналоговых ключа, соединенных в мост с первым и вторым ключами в одной паре противоположных плеч и с третьим и четвертым ключами во второй паре противоположных плеч, причем управляющий вход первого ключа соединен с управляющим входом второго ключа, а управляющий вход третьего ключа соединен с управляющим входом четвертого ключа, к одной из вершин первой диагонали моста подключен первый источник напряжения,

соединенный с нулевой шиной питания, а к второй диагонали подключены входы первого делителя напряжения и входы тензодат- чиков, первый аналоговый сумматор,

усилитель-ограничитель, счетчик, генератор, делитель частоты, формирователь импульсов, делитель частоты на два, первый конденсатор, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и быстродей0 ствия, в него введены интегратор, распределитель импульсов, мультиплексор, регистр, пятый, шестой, седьмой и восьмой аналоговые ключи, первый и второй аналоговые вычитатели, второй источник напряжения,

5 второй конденсатор, элемент И, второй аналоговый сумматор, второй делитель напряжения и первый и второй повторители, причем второй источник напряжения подключен к второй вершине первой диагонали

0 моста и нулевой шине питания, пзрафазные выходы тензодатчиков соединены соответственно с входами первого вычитателя, выходом соединенного с первым входо первого аналогового сумматора, к второму

5 входу которого подключен выход второго делителя напряжения, выход первого аналогового сумматора через интегратор подключен к входу усилителя-ограничителя, выходом соединенного через инвертор с

0 первым сигнальным входом мультиплексора, второй сигнальный вход которого соединен с выходом усилителя-ограничителя, выход генератора через делитель частоты на два соединен с первым входом элемента

5 И, а через делитель частоты - с входом распределителя импульсов, первый выход которого соединен с управляющими входами первого и пятого ключей, одним входом регистра и через формирователь импульсов 0 с входом сброса счетчика, второй выход распределителя импульсов соединен с первым управляющим входом мультиплексора и с управляющим входом седьмого ключа, третий выход распределителя импульсов сое5 динен с управляющими входами третьего и шестого ключей, а четвертый выход - с управляющим входом восьмого ключа и вторым управляющим входом мультиплексора-, выход которого подключен к второму входу

0 элемента И, выходом соединенного со счетным входом счетчика, выход которого подключен к другому входу регистра, парафазные выходы первого делителя напряжения соединены с входами второго вы5 читателя, выходом соединенного с входами первого и второго конденсаторов, выход первого из которых через пятый ключ соединен с нулевой шиной питания, а через первый повторитель и седьмой ключ - с первым входом второго аналогового сумматора, выход второго конденсатора через шестойс вторым входом второго аналогового сумключ соединен с нулевой шиной питания, аматора, к выходу которого подключен вход

через второй повторитель и восьмой ключ -второго делителя напряжения.

1

Сущность изобретения: устройство содержит аналоговые ключи 1,2,3,4,21,25,26,27, источники 5,8 напряжения, резистивные делители 6,11 напряжения, блок 7 тензодат- чиков, аналоговые вычитатели 9,28, аналоговые сумматоры 10,32, генератор 16, делители 17,19 частоты, распределитель 20 импульсов, конденсаторы 29,30, повторители 31,33, интегратор 12, усилитель-ограничитель 13, инвертор 14, мультиплексор 15, элемент И 18, счетчик 24, регистр 22, формирователь 23 импульсов. 2 ил.

е

IbzrJllllffli