Тензометрическое весоизмерительноеуСТРОйСТВО Советский патент 1981 года по МПК G01G23/36 

(54) ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКОЕ ВЕСОИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО

Изобретение относится к весоизмерительной технике, к частности к устройствам для регистрации сигналов тензодатшков весоизмерителыа1Х систем.

Известно тензометрическое устройство, со держащее силоизмерительные тензодатчики, аналого-цифровой компенсатор, усилитель, узел сравнения, источник неременного напряжения и нуль-орган с конденсаторами 1 .

Однако это устройство не обеспечивает требуемой точности, что обусловлено налиШ1ем реактивного элемента в его нуль-органе.

Ближайшим к изобретению по тех1шческой сущности является тензометрическое весоизмерительное устройстао, содержащее силоизлтерительные тензодатчики и аналого-цифровой компенсатор, подключенный к входам дифференциального узла сравнения, выход которого подюночен к ,-органу. с двумя ключами , на МОП-транзисюрах, стоки которых подключены к входам ot cpauHOH roro усилителя, шунтированным конденсатором, а затворы связаны со cxcMoii управления, подключенной к одному входу анализатора, другой вход

которого связан с выходом операционного усилителя, а выход анализатора подключен к аналого-ш фровому компенсатору 2.

Недостатком устройства является возможность ложного срабатывания нуль-органа в случаях, когда разностный сиг)1ал датчиков н компенсации нриближается к уровню шума или наводок.

Цель изобрете1шя - повышение точности. Поставлегшая 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 дифференциального узла сравнения, а сток -- с истоками дв)ос других МОП-тран15зисторов, при этом исток и сток третьего МОП-транзистора шунтированы резистором.

На фиг. 1 показана структурно-принциниальная схема устройства; на фиг. 2 - графи„ ки, поясняющие его работу.

Тензометрическое весоизмерительное устройство (фиг. 1) содержит ключи 1-3, выполненные на МОП-траизисторах (полевые транзисторы с изолированными затворгми), дифференциальный узел 4 сравнения, операционный усилитель 5, входы которого шунтированы конденсаторами 6 и 7, схему 8 управления, аналого-цифровой компенсатор 9, анализатор 10 полезного сигнала, с шоизмерительные теизодатчики 11, источник 12 питания (сеть промышленной частоты 50 Гц) н резистор 13. Ключи 1-3, онерационный усилитель 5, конденсаторы 6 и 7, и резистор 13 образуют нуль-орган 14.

Выходы компенсатора 9 и тензодатчиков 11 подключены k входам узла 4 сравнения, выход которого подключен к - Hcfоку 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 схемой 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 истшшика 12 1шта1шя поступает на схему 8 управлешш, компенсатор 9 и на тензодатчики 11.

Напряжение, поступающее с тензодатчиков 11, представляет собой синусоиду, амплитуда которой пропорциональна весу объема измерения. В реальных условиях на синусоиду накладьшается напряжение шума и наводок, поэтому напряжение с тензодатчиков 11 практически имеет вид, изображешшш на фиг. 2, строка 1 Напряжение их.д. + Um поступает на один из входов дифференщального узла 4 сравнения, а на другой вход поступает компенсирующее напряжение Uki (фиг. 2, строка 2) с автокомпенсатора 9, который выдает CTyriemaToe си1гусоидальное напряжение, амплитуда которого меняется в коде 2-4-2-

На фиг. 2 изображены процессы, происходящие при включенной ступеш 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 tj. Количество периодов синусоидального напряжени в каждой ступени равно 4 (на фиг. 2, строк 2 изображено меньше).

В результате сравнения напряжений ит.д. + УШ и Uki на выходе узла 4 получается разностное напряжение Upj . ш -Uki. А с учетом напряжения Uo - напряжения смещения нуля на выходе узла 4, получим Up - Uo (фиг. 2 строка 3). Upi содержит сосгавляюигую игума УщПрирода напряжения шума Um заключается в том, что тензометрические датчики находятся на значительном расстоянии (до 250м) от измерительного устройства и, несмотря на

тщательное экранирование тензокабеля, на выходное напряжение тензодатчиков навощпся напряжение шума различной частоты. Вторым источником искажений напряжения тензодатчиков являются цепи установки нуля вьгходного 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.

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

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

V

При сравнении разностный сигнал Upi имеет

фазу того из срав1шваемьк напряжегаш, чья амплитуда больше. Например, до момента времени ti напряжение ихд. и Upj имеет

фазу такую же, что и их.д., а это признак недокомпенсациИ, т.е. ступень компенсатора 9 соответствуюшую коду 2 необходимо оставить включенной. Следовательно, после момента tj с UTJJ сравнивается уже + икг. ио при этом Uki + Ukr Utg и ступень, соответствую1цую коду 4, необходимо отключить это перекомпенсация, при этом фаза Upr цро гивоположна фазе ит.д. и совпадает с фазой Uki на выходе узла 4 (так как Uj. и Uki подаются соответственно на его прямой и инверсный входы.) Таким образом, фаза Upi является призна1сом, по которому можно оце1швать реззтаьтат сравнения Ujjj. со ступенями Ukj- Но такая оценка затруднена, как

указьшалось выше, когда Upi приближается по амшлпуде к напряжению ищ- Это происходит в слуггае, когда сумма напряжений Uki приближается к УХД. и операционный усилитель 5 может ложно оценить фазу Upj.

Этот недостаток устраняется следующим образом.

На затвор 17 ключа 3 поступает управляющее напряжение Uynp, (фиг. 2, строка 5) в промежутки времеш At от схемы 8 управле- .

ния; на завторы 17 полевых транзисторов ключей 2 и 1 поступаю.т соответстве1шо управляющие напряже1шя Uynp.. Uynp.o (фиг.2, строки 6 и 7) от схемы 8 управления. При поступлении управляющих сигналов Uyrip.3,

Uynp. и Uynp. на затворы транзисторов соответственно открываются ключи 1-3.

Промежуток време1Ш Ati (фиг.2) .совпаг дает с моментом перехода через нуль синусоиды несущей частоты и равен промежутку времени, в который перекрываются, управляющие напряжения Uynp. и Uynp,,. Таким образом, в промежутки времени Ati 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 UQ (напряжение смещения нуля). .При этом ключ 3 закорачивает резистор 13 и он lie j iacTByeT в Происходящем процессе запо,минания UQ. Величины емкостей конденсаторов 6 и 7 выбраны с учетом 1шзкого выходного сопротивления дифференциального сравниваю, щего узла 4, такими чтобы процесс запоминания DO закончился за время Atj. В следующие за Ati промежутки времени Atj (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 общей точкой ключей I и 2, где соответственно в промежутки времени Atj присутствуют напряжения Up,- + ищ UQ (напряжение, которое запомнилось на одном из конденсаторов 6 и 7).

Таким образом резистор 13 и один из конденсаторов 6 и 7 в промежутки времени At образую интегрирующую цепь, передаточная функция которой в операторной форме равна

W(P) - ,

1 + RCP

где к 1 - коэффициент передачи цепи;

R - величина сопротивления резистора 13;

С - емкость конденсатора (6 или 7) Как известно, полоса пропускания (sJ такого звена равна -2и- , где колебания

ftc

малых частот i с

пропускания данной

цепью с соотношением амплитуд выходной и входной величин близки к .коэффициенту передачи К. Колебания больишх частот плохо пропускаются или практически совсем затухают. Выбирая величину сопротивления резистора

13 такой, чтобы RC -- --- , где f 50ru; получим R -i- 3,18 10 (Ом).

Следовательно, напряжение щума Ущ будет сильно ослабляться (частота ищ 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 соединегаш ключей 1 и 2, напряжение U,-Uo (фиг. 2, строка 4),

где Uj - это напряжение, которое прошло через RC цепь, а UQ - напряжение, которое запомшшось на конденсаторах 6 и 7 в промежупси времени Atj. Как видно (из фиг. 2, 5 строка 4), амплитуда напряжения Uj становится несколько меньще по сравнению с Upi, максимум сместился,. но при этом Ыщ не продшо через сопротивление резистора 13.

Ввиду поочередной работы ключей 1 и 2 10 в промежутки времени Atj напряжение Ui-Uo в один полупериод поступает на неинвертирующий вход (+) операционного ускптеля 5, а в другой полупериод на И1гаертирующий (-) его вход, т.е. операфюнньп усилитель 5 при15 обретает фазочувствительные свойства, способность определять фазу Upi и, следовательно, результат сравнения ,Ujj с - недокомпенсация или перекомпенсация. При этом происходит исключение постоянной составляю20 щей смещения нуля - UQ , так как на один вход ус1тнтеля 5 поступает Uj-Uo, а на другой Ufl.

При недокомпенсации операционный усилитель 5 выдаёт отрицательные напряжегшя Мвкл. .5 в промежутках времени Ata, которые оставляют включенной соответствующую ступень автокомпенсатора 9. При перекомпенсации операционный усилитель 5 выдает положительные напряжения иоткл. в промежутках времени 0 At2, при этом ступень компенсатора. 9 выключается (фиг. 2, строка 8).

Как уже указывалось, выще, в промежутке времени Ati конденсаторы 6 и 7, а также входы усилителя 5 подсоединены к выходу диф5 ференциального сравнивающего узла 4 и запоминают напряжение UQ, т.е. на обоих входах операционного уотителя 5 присутствуют одинаKOBbie напряжения - UQ ; в этом случае на его выходе будет напряжение, знак которого опре0 деляется собствеюгым смещением нуля усилителя 5. Такимобразом,, на выходе операционного усилителя 5 в промежутки Ati может быть как положительное, так и отрицательное напряжение, что принципиального значешш для 5 работы устройства не имеет, так как оценка Upi происходит в промежутки времени At.

Выходное напряжение или иоткл поступают на вход анализатора 10 полезного сигнала, который, производит качественное 0 и количественное стробирование этих напряже1ШЙ. Качественная оценка производится методом стробирования выходных напряжений операЦИО1ШОГО усилителя 5 в промежутках времени Ata, а количественная - подсчетом одноимен5 irbix напряжений в эти же промежутки вре- . мени. Т.е. если за время включения одной ступени (8 полуволн) будет больще, чем, например, 5 отрицательных напряжений то анализатор 10 оставляет включенной ступень автокомпенсатора 9, в противном случае отключает ее. Таким образом, описанное устройство, по сравнению с известными, позволяет значительно снизить влияние шума и наводок на результат измерения и повысить за счет этого точность измерения. Формула изобретения Тензометрическое весоизмерительйое 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 управления, подключе1шой к одному входу анализатора, другой вход которого связан с выходом операдаонного усилителя, а выход анализатора подключен к аналого-цифровому компенсатору, отличающееся 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. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 358626, кл. q 01 q 23/36, 1971. 2.Авторское свидетельство СССР № 678329, кл. q 01 а 23/36, 1977 (прототип).