Электронный измеритель массы

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 19) 5)5 О 01О ммГАл ОБР Т ЛЬСТВУ ский институтожский металОрджоникидзе .Е,А, Дашевский,В.В. Лисовой,. Панфилов,в и Ю,В. Флейтаого-цифровойинструкция поебоксарц, 1977,СССР ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР АВТОРСКОМУ СВИ(46) 07.08.92. Бюл. 3 Ф 29 (71) Одесский электротехниче связи им. А.С. Попова и Запор лургический комбинат им. С. (72) Е,М, Воробьева, О.Б, Виташ, ВД. Иванченко, В,А. Кешман Ю,Л. Надзмлинский, И.П В.Г. Раздобаров, И,М,Сальнико (56) Преобразователь знал Ф 4232, Техническое описание зксйлуатации 2 П 4949145 ТО, ЧАвторское свидетельство М 1541525, кл. 6 01 6 3/147,Изобретение относится к весоизмерительной технике и может быть использованодля автоматического взвешивания с цифровой индикацией различноо рода предметов,Известен преобразователь аналого-цифровой Ф 4232, в основе принципа действиякоторого лежит следящее уравновешиааниесигнала тензодатчиков,Недостатком этого прибора являетсявцсокая погрешность (0,2%) иэ-за склонности к саловоэбуждению по причине замкнутой структурной схемы.Известен также цифровой вольтметрдля тензометрических весов развертывающего уравновешивания,Однако в этом приборе погрешностьсравнительно высока, так как развертывающее пилообразное напряжение Формируется посредством цифроаналоговогопреобразователя (ЦАП), Поскольку современные прецизионные ЦАП допускают час 1753290 А 1(54) ЭЛЕКТРОННЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ МАССЫ (57) Сущность изобретения: устройство содержит аналоговые ключи 1,2,3,4,21,25,26,27, источники 5,8 напряжения, реэистивные делители 6,11 напряжения, блок 7 тензодатчиков, аналоговые вычитатели 9,28, аналоговые сумматоры 10,32, генератор 16, делители 17,19 частоты, распределитель 20 импульсов, конденсаторы 29,30, повторители 31,33, интегратор 12, усилитель-ограничитель 13, инвертор 14, мультиплексор 15, элемент И 18, счетчик 24, регистр 22, Формирователь 23 импульсов.2 ил. тоту квантования не более 100 кГц при дифференциальной нелинейности порядка 0,25%, то создание быстродействующих измерителей массы погрешностью менее 0,05 не выявлено.Высокими потенциальными возможностями обладает аналого-цифровой преобразователь двухтактного интегрирования, ожидаемая погрешность которого не превышает 0,01%,Однако использование этого метода сдерживается проблемами создания прецизионных ключей в цепях сигналов малого уровня, образцовых источников питания и, самое главное, влиянием дрейфа нуля интегратора на точность измерений,Ближайшим по своей технической сущности к изобретению является цифровой вольтметр для тензометрических весов, содержащий четыре аналоговых ключа, соединенных в мост с первым и вторым ключами в одной паре противоположных плеч и с10 15 20 25 ЗО 40 45 50 55 третьим и четвертым ключами во второй пареплеч, причем управляющий вход первого ключа соединен с управляющим входом второго, а управляющий вход третьего - с управляющим входом четвертого ключа, при этом к одной из вершин первой диагонали моста подключен первый источник напряжения, а к второй диагонали подключены входы питания первого реэистивного делителя напряжения и тензодатчиков, связанных через первый аналоговый сумматор и усилитель-ограничитель со счетчиком, а также генератор, делитель частоты, формирователь импульсов, делитель частоты на два, первые конденсатор и аналоговый сумматор.Недостатками этого прибора являются низкая точность и малое быстродействие, сдерживаемые техническими характеристиками ЦАП.Цель изобретения - повышение точности и быстродействия устройства,Поставленная цель достигается тем; что в электронный измеритель массы, содержащий четыре аналоговых ключа, соединенных в мост с первым и вторым ключами в одной паре противоположных плеч и третьим и четвертым ключами во второй паре противоположных плеч, причем управляющий вход первого ключа соединен с управляющим входом второго ключа, а управляющий вход третьего ключа соединен с управляющим входом четвертого ключа, к одной из вершин первой диагонали моста подключен первый источник напряжения, соединенный с нулевой шиной питания, а к второй диагонали подключены входы первого делителя напряжения и входы тензодатчиков, первый аналоговый сумматор,усилитель-ограничитель, счетчик,генератор, делитель частоты, формирователь импульсов, делитель частоты на два и первый конденсатор, дополнительно введены интегратор, распределитель импульсов,мультиплексор, регистр, пятый, шестой, седьмой и восьмой аналоговые ключи, первцй и второй аналоговые вычитатели, второй источник напряжения, второй конденсатор, элемент И, второй аналоговый сумматор, второй делитель напряжения и первый и второй повторители, причем второй источник напряжения подключен к второй вершине первой диагонали моста и нулевой шине питания, парафазные выходы тензодатчйков соединены соответственно с входами первого вцчитателя, выходом соединенного с первым входом первого аналогового сумматора,к второму входу которого подключен выход второго делителя напряжения, выход первого аналогового сумматора через интегратор подключен к.входу усилителя-ограничителя, выход генератора через делитель частоты на два соединен с первым входом элемента И, а через делитель частоты - с входом распределителя импульсов, первый выход которого соединен с управляющими входами первого и пятого ключей, одним входом регистра и через формирователь импульсов со входом сброса счетчика, второй выход распределителя импульсов соединен с первым управляющим входом мультиплексора и с управляющим входом седьмого ключа, третий выход распределителя импульсов соединен с управляющими входами третьего и шестогс; ключей, а четвертый выход - с управляющим входом восьмого ключа и вторым управляющим входом мультиплексора, выход которого подключен к второму входу элемента И, выходом соединенного со счетным входом счетчика, выход которого подключен к другому входу регистра, парафазные выходы первого делителя напряжения соединены с входами второго вычитателя, выходом соединенного с входами первого и второго конденсаторов, выход первого из которых через пятый ключ соединен с нулевой шиной питания, а через первый повторитель и седьмой ключ - с первым входом второго аналогового сумматора, выход второго конденсатора через шестой ключ соединен с нулевой шиной питания, а через второй повторйтель и восьмой ключ - с вторым входом второго аналогового сумматора, к вцходу которого подключен вход второго делителя напряжения,На фиг.1 дана схема измерителя массы; на фиг.2 - эпюры выходных напряжений ее элементов,Измеритель массы фиг.1) содержит первый 1, второй 2, третий 3 и четвертый 4 аналоговые ключи, первый источник 5 напряжения, первый делитель 6 напряжения, тензодатчик 7, второй источник 8 напряжения, первый аналоговый вычитатель 9, первый аналоговый сумматор 10, второй делитель 11 напряжения, интегратор 12, усилитель-ограничитель 13, инвертор 14, мультиплексор 15, генератор 16, делитель 17 частоты на два, элемент И 18, делитель частоты 19, распределитель 20 импульсов, пятый ключ,21, регистр 22, формирователь 23 импульсов, счетчик 24, седьмой ключ 25, шестой ключ 26, восьмой ключ 27, второй аналоговый вычитатель 28, первый конденсатор 29, второй конденсатор 30, первый повторитель 31, второй аналоговый сумматор 32, второй повторитель 33,Электронный измеритель массы содержит четыре аналоговых ключа 1-4, соединенных в мост с первым 1 и вторым 2ключами в одной паре противоположных плеч и с третьим 3 и четвертым 4 ключами во второй паре противоположных плеч, причем управляющий вход первого ключа 1 соединен с управляющим входом второго ключа 2, а управляющий вход третьего ключа 3 соединен с управляющим входом четвертого ключа 4, к одной иэ вершин первой диагонали моста подключен первый источник 5 напряжения, соединенный с нулевой шиной питания, а к второй диагонали подключены входы первого делителя 6 напряжения и входы тензодатчиков 7. Второй источник 8 напряжения подключен к второй вершине первой диагонали моста и нулевой шине питания, парафаэные выходы. тензодатчиков 7 соединены соответственно с входами первого вычитателя 9, выходом соединенного с первым входом аналогового сумматора 10, к второму входу которого подключен выход второго делителя 11 напряжения. Выход первого аналогового сумматора 10 через интегратор 12 подключен к входу усилителя-ограничителя 13, выходом соединенного через инвертор 14 с первым сигнальным входом мультиплексора 15, второй сигнальный вход которого соединен с выходом усилителя-ограничителя 13, Выход генератора 16 через делитель 17 частоты на два соединен с первым входом элемента И 18, а через делитель 19 частоты - с входом распределителя 20 импульсов, первый выход которого соединен с управляющими входами первого 1 и пятого 21.ключей, одним входом регистра 22 и через формирователь 23 импульсов - с входом сброса счетчика 24, второй выход распределителя 20 импульсов соединен с первым управляющим входом мультиплексора 15 и с управляющим входом седьмого ключа 25, третий выход распределителя 20 импульсов соединен с управляющими входами третьего 3 и шестого 26 ключей, а четвертый выход - . управляющим входом восьмого ключа 27 и вторым управляющим входом мультиплексора 15, выход которого подключен к второму входу элемента И 18, выходом соединенного со счетным входом счетчика 24, выход которого подключен к другому входу регистра 22, Парафаэные выходы первого делителя 6 напряжения соединены с входами второго вычитателя 28, выходом соединенного с входами первого 29 и второго 30 конденсаторов, выход первого из которых через пятый ключ 21 соединен с нулевой шиной питания, а через первый повторитель 31 и седьмой ключ 25 - с первым входом второго аналогового сумматора 32. Выход второго конденсатора 30 через шестой ключ 26 соединен с нулевой шиной пи 5 10 тания, а через второй повторитель 33 и восьмой ключ 27 - с вторым входомвторого аналогового сумматора 32, к выходу которого подключен вход второго делителя 11 напряжения.Электронный измеритель массы работает следующим образом.В отсутствие единичных напряжений на управляющих входах аналоговых ключей 1- 4 (фиг,З) они разомкнуты, Поэтому напряжение от источников 5 и 8 не поступает напервый резистивный делитель 6 и тензодатчики 7. В результате выходные напряженияпервого 9 и второго 28 аналоговых вычита 15 телей равны нулю,С началом работы генератора 16 черезделитель 19 частоты запускается четырехразрядный распределитель 20 импульсов,на четырех выходах которого поочередгно20 появляются единичные импульсы Е го; Е го;Е го и Е го(фиг.2),В интервале моментов т 1-тг единичноенапряжение Е го, снимаемое с первого выхода распределителя 20 импульсов, замкнет25 ключи 1 и 2, благодаря чему соответствующие входы питания первого делителя б итенэодатчиков 7 окажутся под разностьюпотенциалов "плюс - минус", Их выходныепарафазные напряжения, будучи подведен 30 ными к входам соответственно первого 9 ивторого 28 вычитателей, арифметическипросуммируются в каждом из них. Поэтомувыходное напряжение Ед первого вычитателя 9 в интервале моментов т 1-тг имеет поло 35 жительную полярность.Одновременно с первым 1 и вторым 2ключами замыкается пятый ключ 21, благодаря чему в интервале моментов 11-тг заряжается первый конденсатор 29 до40 установившейся полярности (фиг,2). Седьмой25 д восьмой 27 ключи в интервале моментов ц-тг разомкнуты, из-за чего вторые сумматор 32 и делитель напряжения 11обесточены,45 В результате на входах первого сумматора 10 присутствует только выходное напряжение Ед, обусловленное работойтензодатчиков 7.Таким образом, в интервале 11-тг интег 50 рируется только измеряемое напряжение Ед(реэультат последующего интегрированияпоказан пунктиром), и поэтому выходное напряжение Е 1 г интегратора 12 к моменту тгбудет отлично от нуля и тем выше, чем боль 55 ше выходное напряжение тензодатчиков 7,С наступлением момента тг единичноенапряжение Е го исчезает на первом выхо 1де распределителя 20 и на втором его выходе появляется аналогичный импульс Е го, Врезультате исчезновения Е го ключи 1,2 и20 30 Здесь существенное отличие в том, чтоза время тг-тэ интегрируется не фиксированное напряжение образцового прецизи 40 45 50 21 размыкаются, первый делитель 6 и тен. эодатчики 7 обесточиааются, выходное напряжение Е 1 о первого сумматора 10 становится равным нулю, а заряженный первый конденсатор 29 через первый повто 2 ритель 31 и замкнутый посредством Е 2 о шестой ключ 25 подключается к первому входу второго сумматора 32, выходное на. пряжение которого, пройдя второй делитель 11 напряжения, необходимый для масштабирования прибора, обеспечит подачу на второй вход первого сумматора 10 отрицательного импульса Е 11, который интегрируется в. качестве образцового напряжения, предусмотренного в классической схеме даухтактного интегрирования,Если бы в предшествующий такт 11-12 напряжение тензодатчиков отсутствовало бы, то Е 12 равнялось бы нулю, из-за чего выходное напряжение интегратора Е 12 пересекло бы нуль в момент 12 (такой результат интегрирования им пульсов Е 11 показан пунктиром).Поскольку при нагрузке тензодатчиков во время 11-тг Ед ФО, то выходное напряжение Е 12 интегратора 12 в момент 12 отлично от нуля и смещает начальный уровень интегрирования импульса Е 1 г на величину+Оо Поэтому выходное напряжение интеграто 1 оа Е 12 пересекает нуль в момент не сг, ао. Разносты о - йг является мерой измеряемого напряжения Ед, как в классической схеме двухтактного интегрирования,онного источника, а запомненное напряжение питания тензодатчиков. Этим самым устраняется влияние на точность дрейфа параметров источников 5 и 8 и аналоговых ключей 1 - 4.Далее выходное напряжение Е 12 интегратора 12, пройдя усилитель-ограничитель 13 и инвертор 14, поступает на первый сигнальный вход мультиплексора 15, который в интервале йг-сз отперт по первому управляющему входу напряжением Е 2 о на втором2выходе распределителя 20 импульсов,Поэтому в интервале тгз на выходе мультиплексора 15 будет действовать импульс Е 15, длительность которого пропорциональна выходному напряжению тензодатчиков. Этот импульс отпирает элемент И 18 и на вход С счетчика 24 поступают имйульсы Езз, создавая в нем цифровую копию измеряемого напряжения.,В следующий такт з-м выключается напряжение на втором выходе распределителя 20 и низ его третьем выходе появляется импульс Е 2 о, который замкнет третий 3, чет 5 10 15 вертый 4 и шестой 26 ключи. При этом первый делитель 6 и тенэодатчики 7 эапитываются противоположным напряжением "минус - плюс", из-за чего выходное напряжение Ед первого сумматора 9 будет отрицательным, а второй конденсатор 30 через шестой замкнутый ключ 26 зарядится напряжением, противоположным по знаку на первом конденсаторе 29,Из-за разомкнутых седьмого 25 и восьмого 27 ключей выходное напряжение второго делителя 11 равно нулю, Поэтому на входах первого сумматора 10 действует только напряжение Ед, обусловленное работой тензодатчиков. Поэтому к моменту т 4 выходное напряжение Е 12 будет равным - Оо.В последнем интервале цикла 14 - 15 единичное выходное напряжение Е 2 о будет4 действовать только на четвертом выходе распределителя 20 импульсов. При этом все ключи, кроме восьмого 27, будут разомкнуты. Напряжение второго конденсатора 30 посредством второго повторителя 33, восьмого ключа 27, вторых сумматора 32 и делителя 11 обеспечит на втором входе первого сумматора 10 импульс Е 11 положительной полярности. Под его действием выходное напряжение интегратора Е 12, возрастая от значения - 0, пересечет нуль в момент 12 положение которого зависит от измеряемого напряжения Ед в предшествующем такте.В конечном итоге на второй сигнальный вход мультиплексора 15 поступит выходное напряжение усилителя-ограничителя, минуя инвертор 14, и в интервале моментов 14-1 о, зависящем от выходного напряжения тензодатчиков, к импульсам, занесенным ранее в счетчик 24, добавится новое их количество.Таким образом, результатом измерения напряжения тенэодатчика будет суммарное число импульсов, поступивших на вход счетчика 24 в интервалы тго и Ио1 2Указанная сумма необходима для устранения влияния дрейфа нуля, которое обеспечивается следующим образом.Если, например, нулевой уровень напряжения Е 12 сместится вверх, то интервал 12-1 о сократится, но зато на столько же расширится интервал 14-т о, из-за чего суммар 2ное число импульсов, занесенных в счетчик 24, не зависит от дрейфа нуля. В начале каждого цикла напряжение Е 2 о, снимаемое с первого выхода распределителя 20 по входу Ч регистра 22, переносит в него показания счетчика 24, после чего посредством формирователя 23 импульсов, осуществляющего задержку, обнуляет счетчик 24.10 15 20 25 35 40 45 50 55 Поскольку за один цикл с 1-т 5 в счетчик24 занссятся импульсы дважды, то для получения истинного результата служит делитель 17 частоты на два, который подводит бтгенератора 16 к элементу И 18 половинноечисло импульсов,Таким образом, в предложенной схемеустранены недостатки двухтактного интегрирования, а именно отсутствуют прецизионные аналоговые ключи в цепях сигналовмалага уаовня, нет прецизионного источника образцового напряжения, дрейф нуля невлияет на точность измерений,Пары ключей 1 и 4, а также 2 и 3 целесообразно выполнйть на операционном усилителе, снабженном комплементарнойпарой транзисторов с резистором, подключенным к их эмиттерньол переходам.Аналоговые вь 1 читатели 9 и 28 следуетсобрать по схеме измерительного усилителя,Резистивный делитель 6 напряжениядолжен представлять собой три прецизионных резистора, с центрального из которыхснимается выходное напряжение.Четырехразрядный распределитель 20импульсов может быть выполнен в виде двоичного счетчика на 4 с двоична-десятичнымдешифраторам.Аналоговые ключи 21,26,25 и 27 лучшевсего выполнить оптронными, например, в 3виде оптоэлектронного коммутатора типаК 249 КН 1 А, характеризующегося током утечки выходной цепи не более 50 нА.Повторители 31 и 33 должны быть выполнены нэ операционных усилителях с полевыми транзисторами на входах,, например, К 140 УД 8 А-К 140 УД 8 В,Аналоговый сумматор 32 можно выполнить на операционном усилителе.Аналоговый сумматор 10 и интегратор12 можно выполнить в виде суммирующегоинтегратора.8 качестве мультиплексора 15 достаточно использовать схему 2 ИИЛИ, например, К 155 ЛР 1.Формирователем 23 импульсов можетслужить л юбой одно вибратор.Формула изобретенияЭлектронный измеритель массы, содержащий четыре аналоговых ключа, соединенных в мост с первым и вторым ключами водной паре противоположных плеч и стретьим и четвертым ключами ва второй паре противоположных плеч, причем управляющий вход первого ключа соединен суправляющим входом второго ключа, а управляющий вход третьего ключа соединен суправляющим входом четвертого ключа, кодной из вершин первой диагонали мостаподключен первый источник напряжения,соединенный с нулевой шиной питания, а к второй диагонали подключены входы первого делителя напряжения и входы тензодатчиков, первый аналоговый сумматор,усилитель-ограничитель, счетчик, генератор, делитель частоты, формирователь импульсов, делитель частоты на два, первый конденсатор, а т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точности и быстродействия, в него введены интегратор, распределитель импульсов, мультиплексор, регистр, пятый, шестой, седьмой и восьмой аналоговые ключи, первый и второй аналоговые вычитатели, второй источник напряжения, второй конденсатор, элемент И, второй аналоговый сумматор, второй делитель напряжения и первый и второй повторители, причем второй источник напряжения подключен к второй вершине первой диагонали моста и нулевой шине питания, парафазныевыходы тензодатчиков соединены соответственно с входами первого вычитателя, выходом соединенного с первым входом первого аналогового сумматора, к второму входу которого подключен выход второгоделителя напряжения, выход первого аналогового сумматора через интегратор подключен к входу усилителя-ограничителя, выходом соединенного через инвертор спервым сигнальным входом мультиплексора, второй сигнальный вход которого соединен с выходом усилителя-ограничителя,выход генератора через делитель частоты на два соединен с первым входом элементаИ, а через делитель частоты - с входом распределителя импульсов, первый выход кото- рога соединен с управляющими входами первого и пятого ключей, одним входом регистра и через формирователь импульсов - с входом сброса счетчика, второй выход распределителя импульсов соединен с первым управляющим входом мультиплексора и с управляющим входом седьмого ключа, третий выход распределителя импульсов соединен с управляющими входами третьего и шестого ключей, а четвертый выход - с управляющим входом восьмого ключа и вторым управляющим входом мультиплексора; выход которого подключен к второму входу элемента И, выходом соединенного са счетным входом счетчика, выход которого подключен к другому входу регистра, парафазные выходы первого делителя напряжения соединены с входами второго вычитателя, выходом соединенного с входами первого и второго конденсаторов, выход первого из которых через пятый ключ соединен с нулевой шиной питания, а через первый повторитель и седьмой ключ - с первым входом второго аналогового сумматора, вы175329012 ход второго конденсатора через шестой с вторым входом второго аналогового сумключ соединен с нулевой шиной питания, а матора, к выходу которого подключен вход через второй повторитель и восьмой ключ - второго делителя напрвкения,Ъ бз Ю Вйфг