Тензометрическое устройство Советский патент 1981 года по МПК G01G23/36 

Изобретение относится к области весоизмерительной техники, в частнос ти к устройствам для цифровой обработки и регистрации сигналов тензодатчиков весоизмерительных систем, а более конкретно - к выполнению нуль-органов этих систем. Известна цифровая тензометрическая система измерения веса, содержащая тензодатчики и автокомпенсатор, подключенные к входам нульгоргана, выполненного в виде узла дифференцирования, операционного усилителя и мостовой cxeNOii на полевых транзисторах f 1 J. Нуль-орган этой схемы не обеспечи вает высокую точность выявления и компенсации сигнала помехи, что обус лавливает неудовлетворительную точность устройства в целом. Ближайшим по технической сущности является тензометрическое устройство содержащее тензодатчики, автокомвенсатор, анализатор сигналов, источник питания и нуль-орган с дифференцирую щим узлом, неинвертирующий вход которого соединен с выходом тензодатчиков, а инвертируюпщй - с выходом автокомпенсатора, и операционным усилителем, к входам которого подключены одни выводы двух разделительных конденсаторов, зашунтированные ключами на полевых транзисторах, зач-воры которых подключены к разным фазам источника питания, другие выводы которых объединены в общую точку, а выход операционного усилителя соединен с входом анализатора сигнала 23. Это устройство работает на несущей частоте 50 Гц и оценка нуль-органом разнортного сигнала происходит каждый полупериод. Благодаря тому, что ключи на полейых транзисторах в нуль-Органе работают по определённому алгоритму, обеспечивается исключение переходного процесса. Анализатор полезного сигнала при включении каждой ступени производит оценку сигнала нуль-органа восьми полупериодов несущей частоты, Однако это устройство не обеспечи вает заданной точности измерения и не обладает необходимьм быстродействием. Практически сигнал тензометрическнх датчиков содержит помимо полезного сигнала - чистой синусоиды несущей частоты 50 Гц еще и выбросы шумы, наводки, которые накладываются на полезный сигнал. Кроме того, так как тензометрические датчики и автокомпенсашор питаются от источника переменного напряжения, представляющего собой промлшленную сеть 50 Гц, которая может содержать до 5% высших гармоник, то при сравнении выходных сигналов датчнков и автокомпенсатора на выходе дифферен циального сравнивающего узла присут ствуют и высшие гармоники. Появлени бысших гармоник на выходе дифференциального сравнивающего узла объяс,няется тем, что они неполностью ком пенсируются 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«шой тензометрической системе. Таким образом, несмотря на качес венное и количественное стробирова- ние выходного сигнала нуль-органа, анализатор полезного сигнала, подсчитывая оценку из восьми полуволн, не может обеспечить заданную точность-, так как уровень шумов, наводок, выбросов и высших гармоник может достичь значительной величины. Цель изобретения - повьппение точ ности и быстродействия измерения. Поставленная цель достигается те что в нуль-орган введены два дополнительных операционных усилителя, три дополнительных ключа на полевых транзисторах и Т-образный RC-мост, причем выход дифференцирующего узла соединен с общей точкой конденсатор через последовательно соединенные первые дополнительные операционный усилитель и ключ и параллельно чере вторые дЪполнительные операционный усилитель и ключ, при этом Т-обраяный RC -мост включен в цепь отрицiтельной обратной связи второго допо нительного операционного усилителя и зашунтирован третьим дoпoлннтeJьым ключом, затвор которого н затво-; ы первого и второго дополнительгплх лючей подклаочены к выходам анализатора сигналов. На фиг, представлена блок-схема отесываемого устройства: на фиг,2графики, поясняющие/его работу. Нуль-орган i связан с автокомпенсатором 2j тензодатчикайи 3 и анализатором 4 полезного сигнала, образ ттцими совместно с узлом управления 5 тензометрическое измерительное ус ройство, например, для весов. Нуль-орган 1 включает в себя дифферешдируюцрй узел 6, операционные усилители 7 и 8, резисторы 9 и 10, образующие отрицательную обратную связь усилителя 7, резисторы 11,12 и 13 и конденсаторы 14,15 и 16, образующие Т-образньА RC -мост, включенный в цепь отрицательной обратной связи усилителя 8 и з шпунтированный ключом 17, выполненным на полевом транзисторе, Вьтходы операционных усилителей 7 и в подсоединены соответственно через ключи 18 и 19 на полевых тран зисторах с изолированными затворами к общей точке соединения разделительньпс конденсаторов 20 и 21, другие выводы которых подключены к входам операционного усилителя 22, Параллельно входам операционного усилителя 22 подключены ключи 23 и 24 на полевых транзисторах, затворы которых подключены к разным фазам источника переменного напряжения 25, который подключен также к узду управления 5, автокомпенсатору 2 и тензодатчнкам 3, б.тагодаря чему все процессы измерения синхрон а 1 с частотой переменного напряжения 50 Гц, Выход операционного усилителя 22 подсоединен к входу анализатора 4 полезного сигнала, а изолированные затворы полевых транзисторов ключей 17,18 и 19 подсоединены к выходам анализатора 4, На- подложки этих полевых транзисторов подается положительное напряжение нЕу-для обеспечения их нормального режима. Устройство работает следуюпщм образом, Тензодатчики 3 выдают напряжение, пропорциональное весу объекта, которое на входе дифференциального узла 6 имеет вид синусоиды (см,фиг,2, строка 1), На другой вход дифференциального узла б подается.с автокомпенсатора 2 изменянмдееся ступенями компенсирующее напртасение и -в коде 2-4-2-1 {фиг.2, строка 2), каждая ступень которого включается на один период несущей частоты. На фиг.2« строки 1 , 2 изображены только основные гармоники напряжений л и U Напряженче U..соответствует весу 4; U|(2. весу 2, весу 1. На выходе узла 6 в результате оценки получиИ разностное напряжение Upi (фиг.2, строка 3 ), фаза которого в отдельных ступенях совпадает с фазой того из сравниваемых напряжений на выходе узла 6, чья амплитуда больше. Таким образом, фаза Up является признакам перекомпенсации (.SUK.- 7 JTA) или недокомпенсации CSUjt UTA) 3 минимум напряжения U-j - признаком полной компенсации. На промежутке времени 0-t включе на ступень автокомпенсатора 2, соответствующая -весу A-UH . До момента времени О осталась включенной ступень, соответствующая весу 2-и,д. Следовательно, на промежутке U-rfc сравнивается U цо и|,причем фаза ир,соответствует фазе 11(/ на выходе узла 6 (фиг.2, строка 3). В каждую положительную полуволну включения ступеней автокомпенсатора 2 происходит анализ выходного напряжения Up усилителя 22 с целью-определения - идет большой или малый сигнал и|р(фиг.2, отрока 7 ). Этот анализ производит анализатор 4 в про межутке времени t,, положительной полуволны на 1ряжения автокомпенсатора 2. При зтом и p усиливается oneрационным усилителем 7 до значения и р4 и через открытьй ключ 18 на полевом транзисторе, на изолированный затвор которого поступает открываю- щее напряжение и,а-.(фиг.2, строка 4 поступает на усилитель 22, ОткрываюЗдее напряжение поступае.т. также на изолированный затвор полевого транзистора ключа 17. В результате выход и ву.од Т-моста закорочен, а операционный усилитель 8 находится в режиме повторителя как по постояниой, так и по переменной составляю-, щей напряжения Цр (фиг.2, строка 3 В положительную полуволну изолированный затвор полевого транзистора ключа 19 не подается открывающее напряжение он закрыт.. Если напряжение U. в положительную полуволну Уц не изменяется в промежутке времени 0-1,то анализатор 4 определяет, что идет большое напряжение и р и управляющие сигналы .. 2, строки 5 и б|) не изменяются в следующую отрицательную полуволну U|t-f (0-t) и состояние ключей 17,18, и 19 остается прежним, В отрицательную полуволну анализатор 4 выдает напряжение ;(фиг,2, строка 8 ) в схему автокомпенсатора его ступень, соответствующая весу 4, отключится. На промежутке времени tj - t с U сравнивается к. i Р этрм напряжение Up в положительную полуволну содержит соизмеримые составляющие полезного сигнала, шумов, наводок, высших гармоник, что приводит к непостоянству Уф в промежутке At положительной полуволш 1 (Фиг.2, строка t, т.е. идет М9лое напряжет е upi. Анализатор 4 определяет это и производит переключение ключей, т.е. ключи 17 и 18 закрываются (на изолированные затворы этих полевых транзисторов не подается напряжение (Фиг,2, строка з ty), а ключ 19 открывается (на изолированшлй затвор этого транзистора подается открывающее напряжение Vnpa (Фиг.З, строка 6,( t). В результате этого напряжение Up2 проходит через усилитель 8,Лри зтом шумы, наводки и высшие гармоники подавляются. Анализатор полезного 4 оценивает в отрицательнук полуволну lV.2.( t cHrHan дает однозначный выходной сигнал (Фиг,2, строка 8). Аналогично процессам, происходящим на промежутке времени t, происходят процессы на промежутке времени t j, за исключением, что здесь UPJ имеет противоположную фазу фазе потому анализатор 4 выдает сигнал U (Фиг.2. строка 8 ). Операционный усилитель 8 (как видно из Фиг.О имеет коэффициент усиления по постоянному напряжению, равный едтшце, так как сопротивления 1 и i 2 не влияют существенным образом на коэффициент передачи по постоянному току (Rgj операциониого усилителя 8 велико). И поэтому при замыкании .ключом 17 коэффициент его по хпостоянному напряжению, оставшись равным единице, становится таковым и для переменной составляющей„ По переменной составляющей коэффициент уси ления операционного усилителя 8 когд ключ 17 закрыт) определяется разбросом элементов двойного Т-моста: сопротивлений резисторов 1,12,13 и емкостей конденсаторов 14,15 и 16, Для того, чтобы в этом случае сделать одинаковые коэффициенты усиления для большого к малого напряжения, подстраивают обратную связь операционного усилителя 7. Включение усилителя 8 (фиг.2, строка 7; производится в момент перехода через нуль синусоиды основной гармоники, и только тогда, когда идет малый сигнал, в след тощую полу волну Хположительную иК1 ключом 17 производится разряд двойного Т-моста Этим обеспечивается отсутствие переходного процесса из-за наличия реакт тивных элементов (конденсаторов) двойного Т-моста. Постоянные составляющие 1они не по казаны на фиг.2) и Ур устраняются на входах операционного усилителя 22 благодаря тому, что эти напряжения поступают через разделительные конден саторы 20 и 21, а переходной процесс устраняется тем, что конденсаторы 20 и 21 разряжаются ключами 23 на полевых транзисторах. Эти ключи откры ты в промежутки времени tj (Фиг.2). Одновременно в промежутки времени Д. л эти ключи сообщают операционному усилителю 22 фазочувствительные свойс ва, так как их затворы подсоединены к разным фазам источника переменного напряжения 25. Применение изложенного вьше технического решения повышает точность измерения и разрешает техническое про тиворечие между повьппением точности измерения и повышением быстродействия. В частности, достаточно:для достижения заданной точности измерения производить оценку каждой ступени автокомпенсатора всего два полупериода (вместо восьми), т.е. общее время измерения уменьшилось в четыре раза по сравнению с прототипом. Следует от метить также адаптивный характер работы избирательного фильтра нуль-органа, т.е. в зависимости от уровня шумов, наводок и высших гармоник анализатор полезного сигнала включает его в цепь прохождения малого сигнала. Таким образом, если в сети возрас тет уровень высших гармоник по амплитуда/ или возрастутшумы, наводки в цепи выходного сигнала тензодатчиков, то зто никак не отразится на точности измерения: она останется такой же. Кроме того, избирательный фильтр, настроенный на 50 Гц несущая частбта) позволяет подавить не только шумы, наводки и высщие гармоники, но и динамические низкочастотные и высокочастотные помехи, которые возни- кают в процессе дозирования продуктов в емкость. Таким образом, точность измерения цифрового измерительного устройства для тензометрических весов повьшается 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 дифференцирующим узлом, неинвертирующий вход которого соединен с выходом тензодатчиков, а инвертирующий - с выходом автокомпенсатора и операционным усилителем, к входам которого подключены одни вывода ДВУХ разделительных конденсаторов, зашунтированные ключами на полевых транзисторах, затворы которых подключены к разным фазам источника питания, другие выводы которых объединены в общую точку, а выход операционного усилителя соединен с входом анализатора сигнала, о т л и а ю щ-е е с я тем, что , с целью повьщ1ения точности и быстродействия измерения, в нуль-орган введены два дополнительных операпионных усилител три дополнительных ключа на полевых транзисторах и Т-образный КС-мост, причем выход хшфФеренцирующего узла соединен с общей точкой конденсаторов через последовательно соединенные первые дополнительные операционный усилитель и ключ и параллельно через вторые дополнительные операционный усилитель и ключ, при этом Т-образный RC.-MOCT включен в цепь от

рицательной обратной связи второго дополнительного операционного усилителя и зашунтирован третьим дополнительным ключом, затвор которого и затворы первого и второго дополнительных ключей подключены к выходам анализатора сигналов.

87096510

Источники информа11ии, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР №684326, кл. G 01 G 23/36, 1977. 5 2. Авторское свидетельство СССР по заявке № 2661104, кл.С 01 G 23/36, 1978 (прототип).