Измерительный преобразователь для тензорезисторных весоизмерительных устройств Советский патент 1993 года по МПК G01G3/142 

Изобретение относится к весоизмерительной технике и может быть использовано в весоизмерительных системах с применением тензорезисторных датчиков, в частно- сти дозаторах 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 2п1-1, где щ - число старших разрядов аналого-цифрового преобразователя, и определяется принципом действия аналого-цифрового преобразователя с погрешностью ±(100/2лН1)%. Благодаря тому, что на этапе коррекции разряд конденсатора интегратора производится только

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 тензорезисторного 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 за 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

(Л

С

100 ICO

Ј

Јь О ICJ

уменьшает динамический диапазон аналого-цифрового преобразователя.

На фиг.1 представлена схема измерительного преобразователя для тензорези- сторных весоизмерительных устройств ИПВУ; на фиг.2 - вариант схемы арифметико-логического устройства; на фиг.З - схема блока коррекции; на фиг.4 - схема управляемого источника тока; на фиг.5 приведены временные диаграммы работы заявляемого устройства; на фиг.6 - временные диаграммы выходного напряжения интегратора, причем на фиг.ба - в режиме первого этапа коррекции, а на фиг.66 - в режиме второго этапа коррекции.

Измерительный преобразователь для тензорезисторных весоизмерительных устройств содержит тензорезисторный датчик 1, аналоговый коммутатор 2. дифференциальный измерительный усилитель 3, дифференциальный делитель напряжения 4, аналого-цифровой преобразователь 5, арифметико-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 13с 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.З) 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 п-рп-п 40, коммутатор 41, набор резисторов 42.1....42М.

Выходной ток (1вых)управляемого источника тока 14, согласно данному варианту схемы, равен

вых

ид/а,где Уд - значение выходного напряжения источника дополнительного напряжения 38; .

R7 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. (N-1) перемычкой, а в коммутаторе 41 перемкнуть первый вывод с п-выводом.

Элементы схемы соединены сьздую- щим образом. Выходы тензорезисториого

0 датчика 1 соединены с первым и вторым входами аналогового коммутатора 2, выходы которого подключены ко входам дифференциального измерительного усилителя 3, выходы дифференциального делителя на5 пряжения 4 соединены с шиной питания тензорезисторного датчика 1, а выходы - с третьим и четвертым входами аналогового коммутатора 2, выход дифференциального измерительного усилителя 3 соединен с вхо0 дом аналого-цифрового преобразователя 5, выход которого соединен с четвертым выводом арифметико-логического устройства 6, пятый вывод которого соединен с одним из входов регистра хранения тары 7, со вторым

5 входом блока коррекции 8 и явллется выходной шиной измерительного преобразователя, другой вход регистра хранения тары 7 является шиной Тара, а выход соединен с девятым выходом арифметико-логического

0 устройства бис первым входом блока коррекции 8, являющимся шиной коррекции, третий вход блока коррекции соединен с восьмым выводом арифметико-логического устройства 6, аналого-цифровой преобразо5 ватель 5 выполнен на первом резисторе 9, один из выводов которого является входом аналогогцифрового преобразователя 5, а другой вывод соединен с первым выводом первого ключа 10, управляющие входы клю0 чей 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, вы5 полненного на операционном усилителе 13 с конденсатором 14 в цепи отрицательной обратной связи, выход которого является выходом аналого-цифрового преобразователя 5, вторые выводы ключей 11 и 12 соедине0 ны 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 оыво5 дом ключа 10, а другим - с выходом аналого-цифрового преобразователя.

Измерительный преобразователь работает следующим образом,

По-команде Пуск (диаграмма А, фиг.5) происходит замыкание ключа 10, размыкание 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 зави- симости от сигнала Коррекция (диаграмма Д, фиг.5) на вход дифференциального измерительного усилителя 3 аналоговый коммутатор 2 подключает вывод тёнзорезисторного датчика 1 или выход дифференциального делителя напряжения 4, После этого происходит запоминание на конденсаторе 14 выходного напряжения Ux дифференциального измерительного усилителя 3 (при равенстве сопротивлений рези- стеров 9 и 17). После выключения команды Пуск размыкается ключ 10 и по перепаду тактовой частоты f0 генератора импульсов 21 замыкаются ключи 11 и 1.2 (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 f0 происходит размыка- ние ключа 11. Остаточное напряжение на конденсаторе 14 равно

UOCT Ux

-(Ii + l2).

где NCT - код старших разрядов, соответствующий числу импульсов, прошедших через логический элемент 2И 25 на счетчик 31 (диаграмма Е. фиг.5);35

to - период тактовой частоты генератора 21:

И и 12 - токи соответственно источника тока 15 и управляемого источника тока 16. причем выбирают h 2.40

Значение напряжения UOCT определено неравенством UOCT :ЈU0n. где U0n выходное напряжение источника опорного напряжения 18. Дальнейший разряд конденсатора 14 и интегратора АЦП происходит только 45 током управляемого источника 16 до срабатывания сравнивающего устройства 20, при этом число импульсов NMn, прошедших чб- рез логический элемент 2И 30 на счетчик 32. будет равно (диаграмма Ж, фиг.5).50

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

Н 12

29-1

- 511

В этом случае счетчик 31 будет вырабатывать семь старших разрядов, а счетчик 32 - девять младших разрядов для получения 16-разрядного кода (N), соответствующего погрешности ул 0.0015%. При переполнении счетчика 32 происходит перенос в счетчик 31 и погрешность не возникает. Точность отношения токов в нашем случае

должна быть не хуже - 0.1 % с

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 то ков И и 2 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 Un тёнзорезисторного 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

Uo Uon. где U0 Кд Ку- Un

Использование: в весоизмерительной технике, а именно в весоизмерительных системах с применением тензорезисторных датчиков. Сущность изобретения:преобразо- ватель 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.

N

Uc

мл

Для примера рассмотрим вариант реализации схемы измерительного преобразователя с приведенной погрешностью линейности Д не более 0;003%. что соответствует современным требованиям по

На первом этапе после подачи сигнала Пуск происходит запоминание напряжения Uon на конденсаторе 14, а одновибратор 26 запирает с помощью логической схемы 214 23 прохождение еинхроинпульсов от генератора импульсов 21 на триггер 28 ( диаграмма И, фиг.5). таким образом, ключ 11 не замыкается и обеспечивается разряд конденсатора 14 током управляемого источника тока 16, так как ключ 12 управляется триггером 29, а последний остается в исходном состоянии.

По перепаду импульса одновибратора 21 происходит запоминание полученного кода No в регистре 33 и одновременно происходит перезапуск АЦП 5 с помощью одно- вибратора 27 в режим преобразования напряжения Don в выходной код N аналогично преобразованию напряжения Ux, описанному выше. Полученные коды М0 и N поступают на входы компаратора кодов 34, который вырабатывает сигналы больше, меньше или равно, т.е. N N0 , N N0 или N No . Если , то происходит уменьшение содержимого в реверсивном счетчике 37, если , то увеличение содержимого реверсивного счетчика 37.

В соответствии с выходным кодом реверсивного счетчика 37 происходит уменьшение или увеличение выходного тока управляемого источника тока 16. Циклы 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.6 представлены временные диаграммы выходного напряжения интегратора АЦП, причем на фиг.ба - в режиме измерения или второго этапа коррекции, а на фиг.66 - в режиме первого этапа коррекции. Наклоны характеристик показаны сплошной линией: на фиг.ба для интервала времени формирования Мл и на фиг.66 дол- «жны быть равны. В противном случае, штриховая линия на фиг.ба и сплошная линия на фиг.66 (или наоборот) - появляется погрешность. 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 используется регистр хранения тары 1. После подачи сигнала Тара происходит запоминание выходного кода N в регистре хранения тары.

С инверсного выхода последнего кода i j no сигналу Пуск заносится в счетчики 31 и 32. В результате в режиме измерения происходит алгебраическое сложение кода загрузки и кода, соответствующего входному напряжению Ux. В результате полученный код соответствует только полезной нагрузке.

Блок 2 может быть реализован на основе микросхем К59ГЖНЗ, 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, 6.12и6.13-К555ЛИ 1, блоки 6.9 - и 6.70 - СК555ТМ2, блоки 6.14, 6.15. 8.5 - К555ИЕ7, блок 8.2 - К555СП1,

0 блоки 7м 8.1 -К155ТМ7, блоки 5. 6.2и5.9р К544УД1. блок 5. 6. 3 - К590КН6.

Указанные выше преимущества обеспечивают повышение точности и помехозащищенности измерительного преобразователя.

5Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я

0 устройство, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в него введены аналоговый коммутатор, дифференциальный измерительный усилитель, дифференциальный делитель напряжения, блок

5 коррекции, регистр хранения тары и аналого-цифровой преобразователь, выполненный в виде источника тока, управляемого источника тока, двух резисторов, операционного усилителя и включенного в цепь его

0 обратной связи конденсатора, при этом к шинам питания тензорезисторного датчика подключены входы дифференциального делителя напряжения, выходы тензорезистор ного датчика подключены к первым двум

5 входам аналогового коммутатора, третий и четвертый входы которого связаны с выходами дифференциального делителя напряжения, а выходы - с соответствующими входами дифференциального измерительного усили0 теля, а вход управления аналогового коммутатора соединен с первым выходом арифметико-логического устройства и первым входом блока коррекции, являющимся шиной Коррекция, второй и третий входы

5 блока коррекции соединены с соответствующими выходами арифметико-логического устройства, выход блока коррекции соединен с входом управления управляемого источника тока, при этом второй выход

0 арифметико-логического устройства, являющийся выходом всего измерительного преобразователя, связан с первым входом регистра хранения тары, подключенного своим выходом к входу арифметико-логиче5 ского 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 резистоpa 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 аыходы арифметико-логического устройства соединены с входами управления соответственно второго и третьего ключей, вторые вы- воды 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 операционного усилителя соединен с проводом нулевого потенциала.

„Пусн

Коррекция о Тара о

«Риг./

чающийся тем, что, с целью повышения помехозащищенности преобразователя, блок коррекции выполнен в виде компаратора хода, двух логических элементов И, реверсивного счетчика и регистра, при этом компаратор кода своим первым входом связан с вторым выходом арифметико-логиче ского устройства, а вторым входом - с выходом регистра, подключенного первым и вторым входами соответственно к второму и третьемувыходам арифметико-логического устройства, причем оба выхода компаратора кода подключены к первым входам обоих логических элементов И, вторые входы которых объединены и являются периым входом блока коррекции, а выходы обоих логических элементов И связаны с соответствующими входами реверсивного счетчи- кл, выход которого является выходом блока коррекции.

Ъ зпф

С9ЮС81

4J 4J -+J

4J 5