SU870965A1 - Тензометрическое устройство - Google Patents

Description

Изобретение относится к области весоизмерительной техники, в частности 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 нуль!-органа, выполненного в виде узла дифференцирования, операционного усилителя и мостовой схемы на полевых транзисторах [’]·

Нуль-орган этой схемы не обеспечивает высокую точность выявления и компенсации сигнала помехи, что обуславливает неудовлетворительную точность устройства в целом.

Ближайшим по технической сущности является тензометрическое устройство, содержащее тензодатчики, автокомненсатор, анализатор сигналов, источник .

питания и нуль-орган с дифференцирую*** щим узлом, неинвертирующий вход которого соединен с выходом тензодатчиков, а инвертирующий - с выходом автокомпенсатора, и операционным усилителем, к входам которого подключены’ одни выводы 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^}. Это устройство работает на несущей частоте 50 Гц и оценка*нуль-органом разностного сигнала происходит каждый полупериод. Благодаря тому, что ключи на полейых транзисторах в нуль—органе работают по определённому алгоритму, обеспечивается¹ исключение переходного процесса. Анализатор полезного сигнала при включении каждой ступени производит оценку сиг- нала нуль—органа восьми полуперио— дов несущей частоты.

Однако это устройство не обеспечивает заданной точности измерения и не обладает необходимым быстродействием. Практически сигнал тензометрических 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 автокомпенсатор питаются от источника переменного напряжения, представляющего собой проьслшленную сеть 50 Гц, которая может содержать до 5Z высших гармоник, то при сравнении выходных сигналов датчиков и авт'окомпенсатора на выходе дифференциального сравнивающего узла присутствуют и высшие гармоники. Появление высших гармоник на выходе дифференциального сравнивающего узла объясняется тем, что они неполностью компенсируются 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'йной тензометрической системе.

Таким образом, несмотря на качественное и количественное стробирование 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 - повышение точности и быстродействия измерения.

Поставленная цель достигается тем, что в нуль-орган введены два дополнительных операционных усилителя, три дополнительных ключа на полевых транзисторах и Т-рбразный RC-moct, причем выход дифференцирующего узла соединен с общей точкой конденсаторов через последовательно соединенные первые дополнительные операционный усилитель и ключ и параллельно через вторые дбполнительные операционный усилитель и ключ, при этом Т-обраэный RC -мост включен в цепь отрип1тельной обратной связи второго дополнительного операционного усилителя и зашунтирован третьим дополнител ь— ным ключом, затвор которого и затво-, ры первого и второго дополнительных ключей подключены к выходам анализатора сигналов.

На фиг.1 представлена блок-схема описываемого устройства^ на фиг.2графики, поясняющие^его работу. Нуль-орган 1 связан с автокомпенсатором 2, тензодатчиками 3 и ана10 лизатором 4 полезного сигнала,· образующими совместно с узлом управления 5 тензометрическое измерительное ус ройство, например, для весов. Нуль-орган 1 включает в себя диф15 ференцирующий 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, об₂₀ разующие Т-образньй RC -мост, включенный в цепь отрицательной обратной связи усилителя 8 и зашунтированный ключом 17, выполненным на полевом транзисторе.

Выходы операционных усилителей 7 и -в подсоединены соответственно через ключи 18 и 19 на полевых тран зисторах с изолированными затворами к общей точке соединения разделитель₃₀ ных 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 ³⁵ подключены к разным фазам источника переменного напряжения 25, который подключен также к узду управления 5, автокомпенсатору 2 и тензодатчикам 3, благодаря чему все процессы „

измерения синхронны с частотой переменного напряжения 50 Гц. Выход операционного усилителя 22 подсоединен к входу анализатора 4 полезного сигнала, а изолированные затворы поле⁴⁵ вых транзисторов ключей 17,18 и 19 подсоединены к выходам анализатора

4. На· подложки этих полевых транзисторов подается положительное напряжение +Е^для обеспечения их нормального ⁵⁰ режима.

Устройство работает следующим образом.

Тензодатчики 3 выдают напряжение, пропорциональное весу объекта, кото55 рое на входе дифференциального узла 6 имеет вид синусоиды (см.фиг.2, строка 1). На другой вход дифференциального узла 6 подается _с автоком пенсатора 2 изменяющееся ступенями компенсирующей напряжение'U^· 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 «ТдИ Напряжение U^соответствует весу 4 j ϋ|ς2_- весу 2, U кэ~ ^весУ ’· ^^{а вы_} ходе узла 6 в результате оценки получим 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 признаксм ’’перекомпенсации” (.SUjiJ 7 (Зуд) или недокомпенсации (Συ^<υ_ΤΛ), а минимум напряжения U-ί - признаком полной компенсации.

' На промежутке времени ϋ-t^ включен; на ступень автокомпенсатора 2, соответствующая -весу 4-U^.f . До момента времени 0 осталась включенной ступень, соответствующая весу 2-ϋ_κο. Следовательно, на промежутке О-Ц/с U_TA сравнивается U + и^причем ^К0^{+ ?и}тд^и Ф®^за ир|соответствует фазе 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 1^ц(фиг.2, отрока 7^). Этот анализ производит анализатор 4 в промежутке времени положительной полуволны напряжения автокомпенсатора 2. При этом U р4 усиливается операционным усилителем 7 до значения U ρί и через открытый ключ 18 на полевом транзисторе, на изолированный затвор которого поступает открываю— _f щее напряжение и^ц(фиг. 2, строка 4 )_z поступает на усилитель 22. Открывающее напряжение поступает также •на изолированный затвор полевого 'транзистора ключа 17. В результате выход и вход Т-моста закорочен, а операционный усилитель 8 находится в режиме повторителя как по постоянной, так и по переменной составляющей напряжения Up^ (фиг.2, строка 3 X В положительную полуволну Ц^на изолированный затвор полевого транзистора ключа 19 не подается открывающее напряжение ^{он зак}₽^ьгг·· Ес” ли напряжение в положительную

870965 6 полуволну U^ не изменяется в промежутке времени Ο-ίγ,το анализатор 4 определяет, что идет большое напряжение Up4 и управляющие сигналы и^и и^пр^фиг. 2, строки 5* и б) не изменяются в следующую отрицательную полуволну U|G< (0“t_t) и состояние ключей 17,18, и 19 остается прежним. В отрицательную полуволну анализатор 4 выдает напряжение (фиг,2, строка 8 ) в схему автокомпенсатора 2,и его ступень, соответствующая весу 4, отключится.

На промежутке вреиени Ц - с Цд сравнивается + при этрм напряжение Up^. ^в положительную полуволну U^ содержит соизмеримые составляющие полезного сигнала, шумов, наводок, высших гармоник, что приводит к непостоянству Uq> в промежутке ΔI >2 положительной полуволну и^₂(Фиг.2, строка 4,1^- 1₂) > т.е. идет малое напряжение Up2· Анализатор 4 определяет это и производит переключение ключей, т.е. ключи 17 и 18 закрываются (на изолированные затворы этих полевых транзисторов не подается напряжение и^_Пр^(Фиг.2, строка 5,

- t₂), а ключ 19 открывается (на изолированный затвор этого транзистора подается открывающее напряжение Uynpg. (Фиг.З, строка 6^,(1:^- t₂). В результате этого напряжение Up2_ проходит через усилитель 8.При этом* шумы, наводки и высшие гармоники подавляются. Анализатор полезного сигнала 4 оценивает в отрицательную/ полуволну Uk.2. (Ц“ 1₂)сигнал и^и дает од'ноэначный выходной сигнал 1)о_ТКд(Фиг.2, строка о).

Аналогично процессам, происходящим на промежутке времени t₂, происходят процессы на промежутке времени t^-₍ t^, за исключением, что здесь Upимеет противоположную фазу фазе и^и ^ПОТОМУ анализатор 4 вьщает сигнал U (Фиг.2, строка 8* ). ^ВКЛ

Операционный усилитель 8 (как видно из Фиг.1) имеет коэффициент усиления по постоянному напряжению, равный единице, так как сопротивления 11 и ί2 не влияют существенным образом на коэффициент передачи по постоянному току (Кооперационного усилителя 8 велико). И поэтому при замыкании .ключом 17 коэффициент его по z постоянному напряжению, оставшись равным единице, становится таковым

Ί и для переменной составляющей. По переменной составляющей коэффициент усиления операционного усилителя 8 (когда ключ 17 закрыт) определяется разбросом элементов двойного Т-моста: соп- 5 ротивлений резисторов 11,12,13 и емкостей конденсаторов 14,15 и 16. Для того, чтобы в этом случае сделать одинаковые коэффициенты усиления для большого и малого напряжения, подст- 10 раивают обратную связь операционного усилителя 7.

Включение усилителя 8 (фиг.2, строка 7*) производится в момент пере- . хода через нуль синусоиды основной 15 гармоники, и только тогда, когда идет малый сигнал, в следующую полуволну X положительную) U κΐ ключом 17 производится разряд двойного Т-моста. Этим обеспечивается отсутствие' пере-' ₂о ходного процесса из-за наличия реакт тивных элементов (конденсаторов) двойного Т-моста. _____

Постоянные составляющие (они не показаны на фиг.2) Up^· и Up^·устраняют- 25 ся на входах операционного усилителя 22 благодаря тому, что эти напряжения поступают через разделительные конденсаторы 20 и 21, а переходной процесс устраняется тем, что конденсаторы 20 “30 и 21 разряжаются ключами 23 и®24 на полевых транзисторах. Эти ключи открыты в промежутки времени (Фиг.2).

Одновременно в промежутки времени &t эти ключи сообщают операционному ₃₅ усилителю 22 фазочувствительные свойст· ва, так как их затворы подсоединены к разным фазам источника переменного напряжения 25.

Применение изложенного выше техни-ческого решения понышает точность измерения и разрешает техническое противоречие между повышением точности измерения и повышением быстродействия. В частности, достаточно;’для до45 стижения 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 отметить 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 возрастет уровень высших гармоник по ампли туде, или возрастут'шумы, наводки в цепи выходного сигнала тензодатчиков, то это никак не отразится на точности измерения: она останется такой же. Кроме того, избирательный фильтр, настроенный на 50 Гц ^несущая частдта) позволяет подавить не только шумы, наводки и высшие гармоники, но и динамические низкочастотные и высокочастотные помехи, которые возникают в процессе дозирования продуктов в емкость.

Таким образом, точность измерения цифрового измерительного устройства для тензометрических_весов повышается благодаря применению избирательного активного фильтра на операционном усилителе в цепи прохождения малого сигнала нуль-органа, а повышение быстродействия обеспечивается определенным алгоритмом работы ключей, изза чего исключается переходной процесс, обусловленный наличием реактивных элементов Фильтра.

Claims (2)

1. Авторское свидетельство СССР №684326, кл. G 01 G 23/36, 1977. 5

2. Авторское свидетельство СССР по за вке № 2661104, кл.С 01 G 23/36, 1978 (прототип).