RU2162209C1

RU2162209C1 - Electronic digital balance

Info

Publication number: RU2162209C1
Application number: RU99109898A
Authority: RU
Inventors: В.Э. Дрейзин; О.Г. Бондарь; В.А. Пиккиев; В.Г. Поляков; Т.А. Теслюк
Original assignee: Курский государственный технический университет
Priority date: 1999-05-05
Filing date: 1999-05-05
Publication date: 2001-01-20

Abstract

FIELD: weight measurement technology intended for use in production facilities, in trade or at home for precise weighing of weights. SUBSTANCE: electronic digital balance includes weigh beam whose short arm is linked to load-taking platform and whose long arm is connected to mobile part of compensation unit. Electromagnet is used in the capacities of compensation unit and of transmitter of deviation of mobile part from balance. Electronic system incorporates generator of high-frequency current, narrow-band amplifier, detector, differential amplifier, reference voltage source, analog-to-digital converter, microcomputer, digital- to-analog computer, digital indicator and amplifier of compensation current. EFFECT: increased adaptability of balance to manufacture with preservation of high precision and basic servicing functions due to simplification of design of compensation unit. 1 dwg

Description

Изобретение относится к весоизмерительной технике, а именно к автоматическим весам с электромагнитным уравновешиванием, и может быть использовано в производственных условиях, торговле и быту для точного взвешивания грузов. The invention relates to a weighing technique, namely to automatic scales with electromagnetic balancing, and can be used in production conditions, trade and everyday life for accurate weighing of goods.

Известны электронные цифровые весы с автоматическим электромагнитным уравновешиванием (АС СССР N 1642254 A1, БИ N 14, 1991; АС СССР N 742719, БИ N 23, 1980), в которых грузоприемная платформа закрепляется на упругом элементе, а сила, возникающая за счет взвешиваемой массы, уравновешивается с помощью магнитоэлектрического механизма, содержащего катушку с регулируемым током, перемещающуюся под воздействием измеряемого груза в воздушном зазоре магнитной системы, состоящей из постоянного магнита (или системы постоянных магнитов) и магнитопровода. Для управления током в катушке магнитоэлектрического механизма используется фотоэлектронный (АС СССР N 1642254 A1, БИ N 14,1991) или емкостной (АС СССР N 742719, БИ N 23, 1980) датчик состояния равновесия, механически жестко связанный с катушкой магнитоэлектрического механизма, и электронная аналоговая или цифровая система автоматического регулирования компенсирующего тока. Known electronic digital scales with automatic electromagnetic balancing (AS of the USSR N 1642254 A1, BI N 14, 1991; AS of the USSR N 742719, BI N 23, 1980), in which the load receiving platform is fixed on an elastic element, and the force arising from the weighed mass , is balanced by means of a magnetoelectric mechanism containing a coil with an adjustable current, moving under the influence of the measured load in the air gap of a magnetic system consisting of a permanent magnet (or system of permanent magnets) and a magnetic circuit. To control the current in the coil of the magnetoelectric mechanism, a photoelectronic (USSR AS N 1642254 A1, BI N 14.1991) or capacitive (USSR AS N 742719, BI N 23, 1980) equilibrium state sensors mechanically rigidly connected to the magnetoelectric mechanism coil and an electronic analog or digital automatic compensation current control system.

Недостатками рассмотренных аналогов является недостаточная стабильность, определяемая нестабильностью свойств упругих элементов, и наличие подвижной катушки, что затрудняет токоподвод (так как он должен быть безмоментным), а также нетехнологичность изготовления магнитоэлектрического компенсационного устройства, требующего получения точного значения магнитной индукции в воздушном зазоре магнитной системы, и в котором перемещается катушка, причем для получения достаточной компенсирующей силы масса постоянных магнитов магнитной системы должна быть большой, а датчик состояния равновесия (емкостной или фотоэлектронный) требует высокой точности изготовления его элементов. The disadvantages of the analogues considered are the lack of stability, determined by the instability of the properties of the elastic elements, and the presence of a movable coil, which complicates the current supply (since it must be momentless), as well as the low-tech manufacturing of a magnetoelectric compensation device that requires obtaining the exact value of the magnetic induction in the air gap of the magnetic system, and in which the coil moves, moreover, to obtain sufficient compensating force, the mass of permanent magnets of magnetic si The system should be large, and the equilibrium state sensor (capacitive or photoelectronic) requires high precision manufacturing of its elements.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению являются весы с электромагнитным уравновешиванием (АС СССР N 1345061 A1, БИ N 38, 1987), содержащие коромысло, одно плечо которого соединено с грузоприемной платформой, а другое - с подвижными элементами компенсационного магнитоэлектрического механизма и датчика перемещения, подключенного ко входу электронной системы автоматического регулирования, причем измеряемая масса определяется по величине компенсирующего тока, необходимого для уравновешивания силы тяжести взвешиваемого груза. The closest in technical essence to the present invention are scales with electromagnetic balancing (AS USSR N 1345061 A1, BI N 38, 1987), containing a beam, one arm of which is connected to the load receiving platform, and the other to the movable elements of the compensation magnetoelectric mechanism and displacement sensor connected to the input of an electronic automatic control system, and the measured mass is determined by the value of the compensating current required to balance the force of gravity th load.

В этих весах устраняются недостатки, связанные с наличием упругих элементов, на которых подвешивается грузоприемная платформа, и недостаток, связанный с неудобством токоподвода к подвижной катушке. In these scales, the disadvantages associated with the presence of elastic elements on which the load receiving platform is suspended, and the disadvantage associated with the inconvenience of the current supply to the movable coil are eliminated.

Основными недостатками прототипа является то, что в этих весах для облегчения токоподвода к катушке она сделана неподвижной, а подвижным является постоянный магнит, что существенно ограничивает величину компенсирующей силы, а следовательно, и максимальное значение массы взвешиваемого груза. The main disadvantages of the prototype is that in these scales to facilitate the current supply to the coil, it is made stationary, and the permanent magnet is movable, which significantly limits the amount of compensating force, and therefore the maximum value of the weight of the load being weighed.

Основной технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является упрощение конструкции компенсационного устройства, направленное на повышение технологичности их производства при сохранении высокой точности и основных сервисных функций. The main technical problem, the solution of which the present invention is directed, is to simplify the design of the compensation device, aimed at improving the manufacturability of their production while maintaining high accuracy and basic service functions.

Решение указанной задачи достигается использованием в качестве компенсационного устройства электромагнита с неподвижной катушкой, и тот же электромагнит используется в качестве индикатора равновесия, причем катушка электромагнита через усилитель компенсационного тока непосредственно связана с выходом цифроаналогового преобразователя и через разделительный конденсатор связана с выходом высокочастотного генератора и входом узкополосного усилителя, выход которого через детектор связан с одним из входов дифференциального усилителя, второй вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, а выход дифференциального усилителя через аналого-цифровой преобразователь связан с информационным входом микроЭВМ, выходы которой подключены к цифроаналоговому преобразователю и цифровому индикатору. The solution to this problem is achieved by using an electromagnet with a fixed coil as a compensation device, and the same electromagnet is used as an equilibrium indicator, and the electromagnet coil through the compensation current amplifier is directly connected to the output of the digital-to-analog converter and connected through the isolation capacitor to the output of the high-frequency generator and the input of the narrow-band amplifier whose output through the detector is connected to one of the inputs of the differential amplification I, a second input coupled to an output reference voltage, and a differential amplifier output via an analog-digital converter connected to an information input of the microcomputer, the outputs of which are connected to the DAC and the digital display.

Сущность изобретения поясняется структурной схемой на чертеже. The invention is illustrated by the structural diagram in the drawing.

Электронные цифровые весы состоят из коромысла 1, к короткому плечу которого подвешена грузоприемная платформа 2, на которую подается взвешиваемый груз 3, а к длинному плечу на тяге 4 подвешен якорь 5 электромагнита, состоящего из магнитопровода 6 броневого типа и катушки 7, питаемой ступенчато регулируемым током от системы автоматического регулирования компенсирующего тока 8, содержащей: усилитель компенсационного тока 9 с высоким выходным сопротивлением, цифроаналоговый преобразователь 10, генератор 11 высокочастотного тока, также обладающий высоким выходным сопротивлением, узкополосный усилитель 12, детектор 13, дифференциальный усилитель 14, источник образцового напряжения 15, аналого-цифровой преобразователь 16, встраиваемую микроЭВМ 17, цифровой индикатор 18, ограничитель 19, винт 20, грузик 21, причем катушка 7 электромагнита подключена к выходу усилителя компенсационного тока 9 и через разделительный конденсатор С - к выходу генератора 11 высокочастотного тока, и к его же выходу подключен вход узкополосного усилителя 12, настроенного на частоту генератора 11 высокочастотного тока, а выход узкополосного усилителя 12 соединен с детектором 13, выход которого подключен к первому входу дифференциального усилителя 14, второй вход которого соединен источником 15 образцового напряжения, а к выходу дифференциального усилителя 14 подключен аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 16, выход которого соединен с информационным входом микроЭВМ 17, выходы которой подключены к управляющему входу ЦАП 10 и цифровому индикатору 18. The electronic digital scale consists of a rocker arm 1, to the short arm of which a load receiving platform 2 is suspended, on which a weighed load 3 is fed, and to the long arm of the rod 4 an electromagnet anchor 5 is suspended, consisting of an armored magnetic circuit 6 and a coil 7 fed by a stepwise regulated current from an automatic control system of the compensating current 8, comprising: a compensation current amplifier 9 with a high output resistance, a digital-to-analog converter 10, a high-frequency current generator 11, also have high output impedance, narrow-band amplifier 12, detector 13, differential amplifier 14, reference voltage source 15, analog-to-digital converter 16, built-in microcomputer 17, digital indicator 18, limiter 19, screw 20, weight 21, and the electromagnet coil 7 is connected to the output of the compensation current amplifier 9 and through the isolation capacitor C to the output of the high-frequency current generator 11, and the input of the narrow-band amplifier 12 tuned to the frequency of the high-frequency generator 11 is connected to its output a, and the output of narrow-band amplifier 12 is connected to a detector 13, the output of which is connected to the first input of the differential amplifier 14, the second input of which is connected by a reference voltage source 15, and an analog-to-digital converter (ADC) 16 is connected to the output of the differential amplifier 14, the output of which is connected with the information input of the microcomputer 17, the outputs of which are connected to the control input of the DAC 10 and the digital indicator 18.

Электронные цифровые весы работают следующим образом. Начальному уравновешенному состоянию весов (при отсутствии груза на грузоприемной платформе 2) соответствует начальное значение σ₀ воздушного зазора между якорем 5 и магнитопроводом 6 электромагнита. Этой величине зазора соответствует определенное значение U_B0 высокочастотного сигнала, снимаемого с катушки 7 электромагнита и поступающего на вход узкополосного усилителя 12, а следовательно, и соответствующее значение U_d0 постоянного напряжения, поступающего с выхода детектора 13 на один из входов дифференциального усилителя 14. На второй вход дифференциального усилителя 14 поступает точно такое же напряжение U₀ = U_d0 с выхода источника образцового напряжения 15. Сигнал разбаланса U_р на выходе дифференциального усилителя 14 при этом будет равен нулю. Соответственно на вход микроЭВМ 17 с выхода АЦП 16 будет поступать нулевой код, и, значит, на входы ЦАП 10 и цифрового индикатора 18 будет поступать нулевой код, а следовательно, ток в катушке электромагнита, поступающий с выхода усилителя компенсационного тока 9, также будет равен нулю. При этом переменный высокочастотный ток, протекающий через катушку 7 электромагнита, не будет создавать притягивающей силы, во-первых, из-за его малости, а во-вторых, потому что в проводящем ферромагнитном якоре 5 будут индуцироваться вихревые токи, магнитный поток которых будет частично компенсировать ту часть переменного магнитного потока, которая замыкается через якорь.Electronic digital scales work as follows. The initial balanced state of the balance (in the absence of cargo on the loading platform 2) corresponds to the initial value σ _{0 of the} air gap between the armature 5 and the magnetic core 6 of the electromagnet. This gap value corresponds to a certain value U _{B0 of the} high-frequency signal taken from the electromagnet coil 7 and fed to the input of the narrow-band amplifier 12, and, consequently, to the corresponding constant voltage U _d0 supplied from the output of the detector 13 to one of the inputs of the differential amplifier 14. To the second a differential input amplifier 14 receives exactly the same voltage U ₀ = U _d0 output from the reference voltage source 15. the signal U _p imbalance output of the differential amplifier 14 will in this case pa ene zero. Accordingly, a zero code will be supplied to the input of the microcomputer 17 from the output of the ADC 16, and, therefore, a zero code will be supplied to the inputs of the DAC 10 and the digital indicator 18, and therefore, the current in the electromagnet coil coming from the output of the compensation current amplifier 9 will also be to zero. In this case, the alternating high-frequency current flowing through the coil 7 of the electromagnet will not create attractive force, firstly, because of its smallness, and secondly, because eddy currents will be induced in the conductive ferromagnetic armature 5, the magnetic flux of which will partially compensate for the part of the alternating magnetic flux that closes through the anchor.

При наличии на грузоприемной платформе 2 взвешиваемого груза 3 равновесие нарушится, воздушный зазор между якорем 5 и магнитопроводом 6 электромагнита увеличится до предельного значения, определяемого ограничителем 19, что приведет к уменьшению и индуктивного, и активного сопротивления катушки 7 электромагнита. При этом падение напряжения на катушке 7 электромагнита уменьшится, так как переменный ток, протекающий по катушке, не будет зависеть от величины ее полного сопротивления, поскольку генератор 11 высокочастотного тока работает в режиме генератора тока, то есть обладает высоким выходным сопротивлением, а выход усилителя компенсационного тока 9 не будет оказывать влияния, поскольку выходное сопротивление усилителя тока также будет очень большим (много больше полного сопротивления катушки 7 электромагнита). Соответственно уменьшится и сигнал U_d, снимаемый с выхода детектора 13, и на выходе дифференциального усилителя 14 появится сигнал разбаланса U_р, преобразуемый АЦП 16 в цифровой код, поступающий на информационный вход микроЭВМ 17. микроЭВМ 17 начинает наращивать числовое значение кода, поступающего на управляющий вход ЦАП 10. Соответственно начнет возрастать выходной ток усилителя компенсационного тока 9, протекающий через катушку 7 электромагнита. Под действием этого тока возникает усилие, притягивающее якорь 5 электромагнита. Когда оно превзойдет силу тяжести взвешиваемого груза, зазор начнет уменьшаться и сигнал высокочастотного тока на катушке 7 электромагнита начнет уменьшаться. Соответственно будет уменьшаться сигнал, поступающий на вход микроЭВМ 17 с выхода АЦП 16. МикроЭВМ 17 начинает уменьшать значение управляющего кода, подаваемого на ЦАП 10, причем скорость изменения кода (а значит и тока электромагнита) согласовывается со скоростью уменьшения зазора таким образом, чтобы обеспечить критический динамический режим подхода якоря 5 к равновесному состоянию, соответствующему начальному значению зазора σ_0. При этом обеспечивается минимальное время взвешивания. Минимизации времени взвешивания будет способствовать и небольшой диапазон возможных изменений зазора, определяемых ограничителями 19. Код, соответствующий достигнутому состоянию равновесия, индицируется цифровым индикатором 18 и соответствует массе взвешиваемого груза.If there is a weighed load 3 on the load receiving platform 2, the equilibrium is violated, the air gap between the armature 5 and the magnet 6 of the electromagnet will increase to the limit determined by the limiter 19, which will lead to a decrease in both the inductive and active resistance of the coil 7 of the electromagnet. In this case, the voltage drop across the coil 7 of the electromagnet will decrease, since the alternating current flowing through the coil will not depend on the value of its impedance, since the high-frequency current generator 11 operates in the current generator mode, that is, it has a high output resistance, and the output of the compensation amplifier current 9 will not have an effect, since the output resistance of the current amplifier will also be very large (much more than the total resistance of the electromagnet coil 7). Accordingly, the signal U _d taken from the output of the detector 13 will decrease, and the output of the differential amplifier 14 will have an unbalance signal U _r converted by the ADC 16 into a digital code supplied to the information input of the microcomputer 17. The microcomputer 17 starts to increase the numerical value of the code supplied to the control the input of the DAC 10. Accordingly, the output current of the compensation current amplifier 9 starts flowing through the electromagnet coil 7. Under the action of this current, a force arises attracting the armature 5 of the electromagnet. When it exceeds the gravity of the weighed cargo, the gap will begin to decrease and the high-frequency current signal on the coil 7 of the electromagnet will begin to decrease. Accordingly, the signal going to the input of the microcomputer 17 from the output of the ADC 16 will decrease. The microcomputer 17 begins to decrease the value of the control code supplied to the DAC 10, and the rate of change of the code (and hence the electromagnet current) is consistent with the speed of decreasing the gap so as to ensure critical dynamic mode of the approach of the armature 5 to the equilibrium state corresponding to the initial value of the gap σ _0. This ensures the minimum weighing time. A small range of possible changes in the gap determined by the limiters 19 will also help minimize weighing time. A code corresponding to the achieved equilibrium state is indicated by a digital indicator 18 and corresponds to the weight of the load being weighed.

Для начального уравновешивания весов используется перемещаемый по винту 20, которым заканчивается длинное плечо коромысла 1, грузик 21. Неравноплечее коромысло позволяет уменьшить величину необходимого компенсирующего усилия, то есть мощность электромагнита. При этом катушка 7 электромагнита неподвижна, что устраняет все трудности токоподвода к ней, которые имеют место в магнитоэлектрических системах. For the initial balancing of the scales, a weight 21 is used, which is moved along the screw 20, which ends with the long arm of the rocker arm 1. An uneven rocker allows reducing the amount of the necessary compensating force, that is, the power of the electromagnet. In this case, the coil 7 of the electromagnet is stationary, which eliminates all the difficulties of the current supply to it, which occur in magnetoelectric systems.

Использование управляющей микроЭВМ позволяет легко реализовать любые алгоритмы уравновешивания, а также осуществлять различные сервисные функции, в частности, запоминание и компенсацию веса тары, введение цены взвешиваемого товара и вычисление стоимости его взвешиваемого количества и т. п. Using a control microcomputer makes it easy to implement any balancing algorithms, as well as carry out various service functions, in particular, storing and compensating the tare weight, entering the price of the goods being weighed, and calculating the value of its weighed quantity, etc.

Современная элементная база позволяет реализовать всю электронную систему достаточно просто и дешево. В частности, имеются однокристальные микроЭВМ со встроенными ЦАП, АЦП, источником образцового напряжения, генератором тактовой частоты и таймером, что покрывает большую часть функциональных узлов, приведенных на чертеже. Останется лишь добавить усилитель тока в канал формирования компенсирующего тока (9) и в канал высокочастотного генератора (сам генератор высокой частоты при этом не нужен, так как сигнал соответствующей частоты может быть получен с выхода таймера), а также узкополосный усилитель и дифференциальный усилитель, которые могут быть реализованы на одной микросхеме К140УД20, представляющей собой сдвоенный операционный усилитель. Изготовление электромагнита не представляет никаких затруднений (в частности, в качестве магнитопровода может быть использован стандартный броневой ферритовый магнитопровод Б-48 2000НМ). Механическая часть весов очень проста и не вызывает никаких технологических трудностей. Таким образом, поставленная техническая задача выполнена. Modern element base allows you to implement the entire electronic system quite simply and cheaply. In particular, there are single-chip microcomputers with integrated DACs, ADCs, a reference voltage source, a clock generator and a timer that covers most of the functional units shown in the drawing. It remains only to add a current amplifier to the channel for compensating current formation (9) and to the channel of the high-frequency generator (the high-frequency generator itself is not needed, since the signal of the corresponding frequency can be obtained from the timer output), as well as a narrow-band amplifier and differential amplifier, which can be implemented on a single chip K140UD20, which is a dual operational amplifier. The manufacture of an electromagnet does not present any difficulties (in particular, a standard armored ferrite magnetic core B-48 2000NM can be used as a magnetic circuit). The mechanical part of the balance is very simple and does not cause any technological difficulties. Thus, the technical task is completed.

Claims

Electronic digital scales containing a rocker arm, the short arm of which is connected to the loading platform, and the long arm to the movable part of the compensation device, a deviation of the movable part from the equilibrium state, an electronic automatic balancing system and a digital indicator, characterized in that an electromagnet is used as the compensation device and the same electromagnet is used as a sensor for the deviation of the moving part from the equilibrium state, and the electronic system contains a gene a high-frequency current converter, a narrow-band amplifier, a detector, a differential amplifier, a reference voltage source, an analog-to-digital converter, a microcomputer, a digital-to-analog converter, a digital indicator, a compensation current amplifier, and the high-frequency generator output and the narrow-band amplifier input are connected to an electromagnet coil through an isolation capacitor, which directly connected to the output of the compensation current amplifier, the input of which is connected to the output of the digital-to-analog conversion while the output of the narrowband amplifier is connected to the input of the detector, the output of which is connected to one of the inputs of the differential amplifier, the second input of which is connected to a reference voltage source, the output of the differential amplifier is connected to an analog-to-digital converter, the output of which is connected to the information input of the microcomputer, and the output microcomputers are connected to the input of the digital-to-analog converter and to the digital indicator.