Цифровой прибор для тензометрических весов Советский патент 1982 года по МПК G01G3/147 G01G23/36 

(54) ЦИФРОВОЙ ПРИБОР ДЛЯ TEHЗO/V1ETPИЧECKИX ВЕСОВ

1

Изобретение относится к измерительной, технике, в частности к весоизмерительным устройствам с тензопреобразователями в качестве датчиков веса, сигналы которых преобразуются специальными электрическими схемами.

Известен цифровой измерительный прибор для тензовесов, содержащий генератор питания, подключенный к входам анализатора уровня и нуль-органа, второй вход которого соединен с входным блоком, а выход через анализатор уровня подключен к ключу, связывающему генератор питания с реверсивным счетчиком, выходы которого подключены к индикатору, линейному декодирующему преобразователю и через схему И, связанную с блоком управления, к узлу установки нуля, соединенному с входным блоком 1,.

Однако известный прибор не обеспечивает требуемую точность. Это обусловлено тем, что кривая функции измерения напряжения прибором носит линейный характер, а выходное напряжение тензопреобразователей нелинейно, в результате чего появляется погрещность.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является цифровой тензометрический прибор, содержащий генератор питания, подключенный к одним входам анализатора уровня и нуль-органа,

5 другой вход которого соединен с входным блоком, а выход через другой вход анализатор уровня подключен к первому переключателю, связывающему генератор питания с первым реверсивным счетчиком, кодовые выходы которого подключены к индикатору и через схему И, связанную с блоком управления, к узлу установки нуля, первый линейный декодирующий преобразователь, выход которого через преобразователь подключен к входному блоку, соединенному соответ5 ственно с выходами компенсирующей схемы и тензопреобразователя, связанных с генератором питания и с выходом узла установки нуля, блок задания, кодовые выходы которого через первый коммутатор подключены

20 к входам первого и второго регистров, выходы которых через второй коммутатор подсоединены к схеме сравнения кодов, соединенной с выходами первого реверсивного счетчика, выход которой подключен к второму переключателю, соединяющему через первый ключ генератор питания с вторым реверсивным счетчиком, кодовые выходы которого через третий коммутатор подключены к входам третьего и четвертого регистров, выходы которых через четвертый коммутатор соедийены с кодовыми входами преобразователя, а выход схемы сравнения кодов соединен также через вентиль, управляющий вход которого подключен к выходу блока управления, с управляющими входами четвертого коммутатора и второго ключа, второй линейный декодирующий преобразователь, соединенный с первым регистром, и пятый коммутатор 2.

Однако этот прибор сложен и имеет низкое быст{Й)действие. Быстродействие такого прибора снижается в период осуществления индивидуального для каждого тензопреобразователя такой функции измерения системы прибор-преобразователь, при которой она пересекалась бы с функцией измерения прибора в трех точках, соответствующих значению веса, равного нулю, промежуточному значению и диапазону измерения.

Такое преобразование функции происходит циклически, а количество циклов может быть достаточно велико.

Цель изобретения - упрощение прибора и повыщение его быстродействия.

Поставленная цель достигается тем, что в прибор введен узел вычитания, входы которого соединены с кодовыми выходами первого реверсивного счетчика и через пятый коммутатор с выходами первого регистра, а выходы подключены к входам первого линейного декодирующего преобразователя, причем управляющий вход пятого коммутатора соединен с выходом вентиля, а выход второго линейного декодирующего преобразователя через второй ключ соединен с входным блоком.

На фиг. 1 изображена структурная схема прибора; на фиг. 2 - графики, поясняющие его работу (кривая А соответствует реальной функции измерения системы тензопреобразователь - прибор, В - идеальной, С, Д, Е - скорректированной в результате действий прибора).

Прибор содержит генератор 1 питания, котор 1Й подключен к одним входам анализатора 2 уровня и нуль-органа 3, другой вход которого подключен к выходу входного блока 4. Выход нуль-органа 3 через анализатор 2 уровня подключен- к в.ходу первого переключателя 5, соединяющего генератор 1 питания с первым реверсивным счетчиком 6, кодовые выходы которого подключены к входам индикатора 7, узла 8 вычитания и схемы И 9. Выход узла 8 вычитания через первый линейный декодирующий преобразователь 10 и преобразователь код-сопротивление 11 подключен к первому входу блока 4, к другим входам которого подключены выходы компенсирующей схемы 12 и тензопреобразователя 13, причем входы компенсирующей схемы 12 и тензопреобразователя 13 соединены с выходом генератора 1 питания. Входной блок 4 через второй ключ 14 подключен к выходу второго линейного декодирующего преобразователя 15. Выход узла 16 установки нуля также подключен к блоку 4. Блок 17 задания через первый коммутатор 18 подключен к входам первого 19 и второго 20 регистров, соединенных через второй коммутатор 21 со схемой 22 сравнения кодов, которая соединена также с кодовыми выходами первого реверсивного счетчика 6. Выход первого регистра 19 подключен также через пятый коммутатор 23 к второму входу узла 8 вычитания и непосредственно к входу второго линейного декодирующего преобразователя 15. Выход схемы 22 сравнения соединен с управляющим входом второго переключателя 24, сое-, диняющего через первый ключ 25 генератор 1 питания с вторым реверсивным счетчиком 26, а также через вентиль 27 с управляющими входами второго ключа 14 и пятого ком.мутатора 23. Кодовые выходы второго реверсивного счетчика 26 соединены через третий коммутатор 28 с входами третьего 29 и четвертого 30 регистров, а выходы последних в свою очередь через четвертый коммутатор 31, управляющий вход которого соединен с выходом вентиля 27, подключены к кодовым входам преобразователя код-сопротивление 11. Один из выходов б.тока 32 управления соединен с управляющим входом схемы И 9, второй - с управляющим входом вентиля 27.

Блок 32 управления также соединен с ключами 14 и 25 и с коммутаторами 18,21, 28 и 31. Узел 16 установки нуля включает в себя регистр и линейный декодирующий преобразователь (не показаны).

Прибор работает следующим образом.

Генератор 1 питает прямоугольным напряжением высокой частоты тензопреобразователь 13, компенсирующую схему 12, и вырабатывает эталонное опорное напряжение для преобразования сигнала тензопреобразователя 13 в цифровой код, выполняемого на линейном декодирующем преобразователе 10, соединенном через узел 8 вычитания с реверсивным счетчиком 6, для преобразования кода в напряжение, выполненного на аналогичном линейном декодирующем преобразователе 15, а также выполняемого узлом 16 установки нуля. Код из реверсивного счетчика 6 в процессе измерений подается через узел 8 вычитания на линейный декодирующий преобразователь 10. Выходное напряжение преобразователя 10, пропорциональное выходному коду узла 8 вычитания, через сопротивление преобразователя код-сопротивление 11 поступает в виде напряжения компенсации UKX на первый вход входного блока 4. На второй вход блока 4 поступает напряжение UKQ компенсации напряжения смещения нуля UXQ с выхода компенсирующей схемы 12, предсталяющей собой мост сопротивлений, одно плечо которого является переменным сопротивлением, на третий вход поступает напряжение Ux с выхода тензопреобразователя 13, на четвертый - напряжение UKH компенсации нуля с выхода узла 16, на пятый - напряжение УН коррекции напряжения икокомпенсации напряжения смещения нуля с выхода преобразователя 15 через ключ 14. На выходе блока 4 формируется напряжение рассогласования AU в виде AU UX-(UKO + K+UKX+UKH). Напряжение рассогласования AU подается на вход нуль-органа 3, на который также подается прямоугольное напряжение с генератора 1. Это же напряжение подается с генератора I на анализатор 2 уровня и через переключатель 5 на прямой или инверсный входы реверсивного счетчика б, а усиленное напряжение AU подается с выхода нуль-органа 3 на вход анализатора 2 уровня, выход которого соединен с входом переклк)чателя 5, управляющего реверсивным счетчиком 6. Напряжение генератора 1, подаваемое для питания компенсирующей схемы 12, линейных декодирующих преобразователей 10, 15 и узла 16 установки нуля по форме, фазе и частоте совпадает с напряжением питания тензопреобразователя 13. В нуль-органе 3 происходит выделение удвоенной амплитуды полезного сигнала напряжения рассогласования AU. Б анализаторе 2 уровня определяется уровень напряжения рассогласования и в зависи.мости от его величины импульсы с генератора 1 поступают на те позиции счетчика 6, разрядность которых соответствует величине уровня напряжения рассогласования AU. По мере уменьшения величины ли импульсы с генератора 1 поступают на позиции счетчика 6, разрядность которых меньще тех, на которые поступают импульсы при больщей величине уровня напряжения ли. Тем самым уменьщается время уравновещивания выходного напряжения тензопреобразователя 13 напряжением компенсации UKX- Если напряжение рассогласования не равно ную, то нуль-орган 3 и анализатор 2 уровня устанавливают переключатель 5 в состояние, при которо.м импульсы с генератора 1 поступают на лрямой или инверсный вход счетчика 6 в зависимоети от знака напряжения рассогласования AU и на позиции, разрядность которых соответствует уровню напряжения AU. Напряжение следит за величиной напряжения Ux с точностью до величинь веса младщего разряда счетчика 6 импульсов. Код со счетчика -6 импульсов поступает на индикатор 7 без учета этого младщего разряда. Прибор работает в режиме коррекции функции измерения и в режиме измерения. При этом диапазон измерения веса Р разбивается на несколько поддиапазонов, например два. Пусть диапазону измерения веса (О; РН), где РН- номинальное значение диапазона измерения веса должны соответствовать согласно идеальной кривой В функции измерения значения кодов О и Хц соответствующих измеренным значениям ,веса Р, А значению Р, веса, соот Н РНпричемветствующему границе разбиения диапазона (О; РН) на два поддиапазона (О; PI ) и (Pj; РН) - значение кода .l, причем jtj Р,. По команде с блока 32 управления через коммутатор 18 с блока 17 задания в регистры 19 и 20 записывают коды ipw и Ti-pzo, равные соответственно значениям 1, и (51 fLi), т.е. Яр19 А i; Рр20 Н В режиме коррекции под управлением блока 32 управления ключ 14 разомкнут так, что напряжение UK О, выходное напряжение узла установки нуля UKH О, Benтиль 27 закрыт, коммутатор 3 находится в состоянии, при котором выходы регистров 29 к 30 отключены от входов преобразователя 11, при этом выходное сопротивление преобразователя 11, а следовательно и коэффициент преобразования прибора Кпр -g максимальные. Коммутатор 23 находится в состоянии, при котором на его выходе код равен нулю, т.е. выходной код S-j. узла 8 равен выходному коду Jt-o счетчика 6 импульсов, т.е. AJ АОНа первом этапе тензопреобразователь 13 не нагружается и Р О. При этом его выходное напряжение Ux равно напряжению смещения нуля Uxo- т.е. . Напряжение UKX изменяется до тех пор, пока напряжение AU рассогласования не станет близким нулю, т.е. AU 0. Если при этом показания о счетчика 6 на индикаторе 7 не равны нулю, т.е. при 1 0; o , то, изменяя переменное сопротивление моста компенсирующей схемы 12, , добиваются, чтобы код АО а слелЮвательно, напряжение UKX стало равно нулю, т.е. Л,0; UXO UKO. Затем на втором этапе режима коррекции тензопреобразователь 13 нагружается эталонным весом Р , равным значению PI , т.е. . При это.м под управлением блока 32 коммутатор 28 замыкает выходы счетчика 26 с входами регистра 29, а выходы последнего через коммутатор 31 подключаются к кОлТовым входам преобразо вателя 11. Ключ 25 замыкает выход генератора 1 и вход переключателя 24. Коммутатор 21 подсоединяет к схеме 22 сравнения кодов выход регистра 19. Происходит измерение веса Р Р . Если код JQ. поступающий из реверсивного счетчика 6 и соответствующий измеряемому весу , не равен коду из регистра 19, т.е. jf о Ji Pig или 0 4 1, то схема 22 сравнения кодов выдает команду на коммутатор

24для подключения генератора 1 через ключ

25на прямой или инверсный вход счетчика

26в зависимости от того, больше код Jij счетчика 6 кода ЗСр,, регистра 1,9 или меньше его. Под воздействием кода со счетчика 26 код регистра 29, а следовательно, и выходное сопротивление преобразователя 11 и коэффициент преобразования прибора Ktrp изменяются до тех пор, пока коды счетчика

6 и регистра 19 не станут равны, т.е. при Р Р, ; Xo 1t,MUKB U;ip, а , Коммутатор 28 по команде с блока 32 управления отключает выход счетчика 26 от входа регистра 29 и подключает его к входу регистра 30, а- коммутатор 31 переключает входы преобразователя 11 на выходы регистра 30. Регистр 29 хранит значение кода, соответствующего значению выходного сопротивления преобразователя 11, при котором Кпр Кпр)

На этом второй этап режима коррекции заканчивается. На третьем этапе тензопреобразователь 13 нагружается эталонным весом Рэ2, равным номинальному значению измеряемого веса Р, т.е. Р Рэ2 Рн- По команде блока 32 управления ключ 14 подключает к пятому входу блока 4 выход линейного декодирующего преобразователя 15, формирующего напряжение UK, соответствующее коду Ip,q Xj регистра 19. Коммутатор 21 переключает на вход схемы 22 сравнения кодов выход регистра 20. Происходит измерение веса Если код Х-о, поступающий из реверсивного счетчика 6 импульсов и соответствующий измеряемому весу РЭ не равен коду Sp2o Ti.- Ц регистра 20, т.е. 0 IH-51 1, то схема 22 сравнения кодов выдает команду на коммутатор 24 для подключения генератора 1 через ключ

25на прямой или инверсный вход счетчика

26импульсов в зависимости от того, больще код %(, счетчика 6 импульсов кода Ар20 регистра 20 или меньше его. Под воздействием кода со счетчика 26 код регистра 30, а следовательно, и выходное сопротивление преобразователя 11 и коэффициент преобразования прибора изменяются до тех пор, пока коды счетчика 6 и регистра 20 не станут равны, т.е. при

р р„; I, ,; UK иф,;

Кпр Кпр2

Коммутатор 28 размыкает входы регистра 30 от выходов счетчика 26 импульсов. Регистр 30 хранит значение кода, соответствующего значению выходного сопротивления пре образователя. 11, при котором Кпр КпргНа этом заканчивается режим коррекции функции измерения.

В режиме измерения блок 32 управления открывает вентиль 27. Коммутатор 21 подключает к входу схемы 22 сравнения кодов выход регистра 19. Состояние -коммутаторов 23 и 31 и ключа 14 определяется состоянием схемы 22 сравнения кодов.

Измерение нагрузки Р на тензопреобразователь происходит следующим образом.

Пусть нагрузка Р на тензопреобразователь 12 меньше величины Р, т.е. ,. При этом код, который запищетсн после уравновешивания напряжения Ux тензопреобразователя 13 напряжением U компенсации меньше кода Я(. При этом схема 22 сравнения кодов через вентиль 27 выдает команды на коммутатор 31, которын подключает к кодовым входам преобразователя 11 выходы регистра 29, в котором хранится код, соответствующий коэффициенту преобразования . а также на ключ 14, который отключает выход линейного декодирующего преобразователя 15 от входа блока 4, так что UK О, и на коммутатор 23, который отключает выход регистра 19 от входа узла 8 вычитания, так что код на этом входе равен нулю, а код % на выходе узла 8 равен выходному коду счетчика 6, т.е. Ij TOПри этом напряжение UKO «После уравновешивания с индикатора 7 снимается измеренное значение нагрузки Р.

Если измеряемая нагрузка Р больше величины PL , то схема 22 сравнения кодов через вентиль 27 выдает команды на коммутатор 31, который подключает к кодовым входам преобразователя 11 выходы регистра 30, в котором хранится код, соответствующий коэффициенту преобразования Кпр Кпр2 а также на ключ 14, который подключает выход преобразователя 15 к пятому входу входного блока 4, так что , и на коммутатор 24, который подключает выход регистра 19 к входу узла 8 вычитания, так что

о Ш9 Ч- f о При этом . ГГосле уравновешивания с индикатора 7 снимается измеренное значение нагрузки Р. Если требуется автоматически скомпенсировать напряжение смещения нуля, то по команде с блока 32 управления через схему И 9 код, пропорциональный величине напряжения смещения нуля, переписывается в регистр 16 узла установки нуля и на выходе его появляется напряжение URH компенсации нуля, равное напряжению смещения нуля, которое вычитается во входном блоке 4 из напряжения Ux преобразователя 13 в течение всего времени измерения, чем и обеспечивается автоматическая компенсация напряжения смещения нуля.

По оси абсцисс (фиг. 2) отложены значения веса Р, воспринимаемого тензопреобразователем 13, а по. оси ординат - показания fо цифрового прибора, снимаемого с индикатора 7. Из кривой В, соответствующей реальной функции измерения системы тензопреобразователь-прибор видно, что реальная функция измерения А совпадает с идеальной В только.в двух точках: точке 0;0 и точке () В остальных точках зависимость Х(Р) отклоняется от идеальной и в показаниях прибора присутствует погрешность, обусловленная нелинейностью зависимости выходного напряжения тензопреобразователя от нагрузки. Погрешность от нелинейности функции измерения уменьшается за счет осуществления индивидуального для каждого тензопреобразователя такой функции измерения системы преобразователь-прибор, при которой она пересекалась бы с функкией измерения цифрового прибора в трех точках (при значениях веса равного нулю, номинальному значению и промежуточному значению). Геометрическая интерпретация действий предлагаемого прибора для осушествления такой функции измерения заключается в следующем. На первом этапе режима коррекции происходит .компенсация напряжения смещения нуля, т.е. функция измерения сдвигается так, чтобы она пересекалась с точкой (0;0. Затем на втором этапе осуществляется поворот функции измерения вокруг точки 0;0) до пересечения ее с точкой (, осуществляемое с помощью измерения коэффициента преобразования прибора путем изменения сопротивления преобразователя кодсопротивление И. При этом функция нуля измерения совпадает с кривой. Значение напряжения компенсации смещения нуля и коэффициента преобразования запоминается. На третьем этапе кривая функции измерения смещается до пересечения с точкой Pi;O, с помощью напряжения UK коррекции напряжения компенсации напряжения смещения нуля, а затем поворачивается вокруг точки Р( ;0 до пересечения с точкой Рн;( 51,) с помощью изменения коэффициента преобразования КлрЗначение коэффициента Кпр запоминаВ режиме измерения измерение нагрузки происходит при значениях напряжения компенсации напряжения смещении нуля и коэффициенте преобразования прибора, запомненных на первом и втором этапе режима коррекции, т.е. по кривой С (фиг. 2). Если нагрузка Р PI, то измерение происходит по кривой D, смещенной с помощью вычитания от показаний счетчика б кода, величиной Tti - по кривой D, смещенной до пересечения с точкой Pj; ТС,, т.е. йо кривой Е. При этом погрещность от нелинейности тензопреобразователей в несколько раз меньше, чем при измерении прибором веса, когда функция измерения системы прибор-преобразователь вид кривой А. Прибор упрощает процесс коррекции функции измерения за счет уменьшения аппаратурных затрат для осуществления такой коррекции в сравнении с известным прибором, а именно, отпадает необходимость в двух дополнительных преобразователях кодсопротивление, триггере, коммутаторе, двух ключах благодаря применению вычитающего узла. При этом процесс коррекции функции измерения происходит значительно быстрее, чем в известных, за счет прохождения третьего этапа коррекции за один цикл, в то время как в известном приборе этот этап представляет итерационный процесс и количество циклов итерации может быть в зависимости от требуемой степени приближения значительным (например, десять). Таким образом, предложенный прибор значительно проще, а быстродействие значительно выще за счет сокращения в 5 10 раз времени прохождения прибором режима коррекции функции измерения. Формула изобретения Цифровой прибор для тензометрических весов, содержащий генератор питания, подк 1юченный к одним входам анализатора уровня и нуль-органа, другой вход которого соединен с входным блоком, а выход через другой вход анализатора уровня подключен к тервому переключателю, связывающему генератор питания с первым реверсивным , кодовые выходы которого подключены к индикатору и через схему И, связанную с блоком управления, к узлу установки нуля, первый линейный декодирующий преобразователь, выход которого через преобразователь подключен к входному блоку, соединенному соответственно с выходами компенсирующей схемы и тензопреобразователя, связанных с генератором питания и с выходом узла установки нуля, блок задания, кодовые выходы которого через первый коммутатор подключены к входам первого и второго регистров, выходы которых через второй коммутатор подсоединены к схеме сравнения кодов, соединенной с выходами первого реверсивного счетчика, выход которой подключен к второму переключателю, соединяющему через первый ключ генератор питания с вторым реверсивным счетчиком, кодовые выходы которого через третий коммутатор подключены к входам третьего и четвертого регистров, выходы которых через четвертый коммутатор соединены с кодовыми входами преобразователя, а выход схемы сравнения кодов соединен также через вентиль, управляющий вход которого подключен к выходу блока управления, с управляющими входами четвертого коммутатора и второго ключа, второй линейный декодирующий преобразователь, соединенный с первым регистром, и пятый коммутатор, отличающийся тем, что, с целью упрощения прибора и повышения быстродействия, в него введен узел вычитания, входы которого соединены с кодовыми выходами первого реверсивного счетчика и через пятый коммутатор с выходами первого регистра, а выходы подключены к входам первого линейного декодирующего преобразователя, причем управляющий вход пятого коммутатора соеди