Тензометрическое устройство

Союз СоветскикСоциапистическккРеспублик ВТОРРКОМУ РВИДЕТЕЛЬСТ 1) Дополнительн авт. с ву 9 (21) 282 ено 09,8(23) П нтет - икова о делам изо втенн Он 7.1081 Бюллетень М 37 5 З) УДК 681;267арытий та опубликования описания 1(72) Автор. изобретени В. И 1 епето структорск сееоюэныи проект нститут автоматин 71) Заявител остй,ево промавтоматика) ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО питания и нуль-орган с дифференцирую.- щим узлом, неинвертирующий вход которого соединен с выходом тенэодатчиков, а инвертирующий - с выходом автокомпенсатора, и операционным усилителем, к входам которого подключеныодни 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 сигйала 21,Это устройство работает на несущей частоте 50 Гц и оценка, нуль-органом разностного сигнала происходит каждый полупериод. Благодаря тому, что ключи на полевых транзисторах в нуль-органе работают по определенному алгоритму, обеспечиваетсе исключение гереходного процесса. Анализатор полезного сигнала прн включении .каждой ступени производит оценку сигеспечиния ио обус- точИзобретение относится к области весоиэмерительной техники, в частности к устройствам для цифровой обработки и регистрации сигналов тенэодатчиков 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 1.Нуль-орган этой схемы не об вает высокую точность выявле компенсации сигнала помехи, чтлавливает неудовлетворительнуюность устройства в целом.аБлижайшим по технической сущности является тензометрическое устройствосодержащее тензодатчики, автокомненсатор, анализатор сигналов, источник очно-исследовательскиЭО нала нуль-органа восьми полупериодов несущей частоты,Однако это устройство не обеспечивает заданной точности измерения ине обладает необходимым быстродействием. Практически сигнал тензометрических датчиков содержит помимо полезного сигнала - чистой синусоидынесущей частоты 50 Гц еще и выбросы,шумы, наводки, которые накладывают- Ося на полезный сигнал. Кроме того,так как тенэометрические датчики иавтокомпенсашор питаются от источника переменного напряжения, представляющего собой промышленную сеть 1550 Гц, которая может содержать до5 Х высших гармоник, то при сравне-нии выходных сигналов датчиков иавтокомпенсатора на выходе дифференциального сравнивающего узла присутствуют и высшие гармоники. Появлениевысших гармоник на выходе дифференциального сравнивающего узла объяс,няется тем, что они неполностью компенсируются по входу, в особенностиих уровень возрастает, если питаниедатчиков и автокомпенсатора производится от разных трансформаторов(в этом случае между высшими гармониками имеется существенный уголсдвига), например в многоточеЬойтенэометрической системе.Таким образом, несмотря на качественное и количественное стробирование выходного сигнала нуль-органа,Э 5анализатор полезного сигнала, подсчитывая оценку из восьми полуволн,не может обеспечить заданную точность-, так как уровень шумов, наво"док выбросов и высших гармоник моЭ40жет достичь значительной величины.Цель изобретения - повышение точности и быстродействия измерения.Поставленная цель достигается тем,что в нуль-орган введены два дополнительных операционных усилителя,45три дополнительных ключа на полевыхтранзисторах и Т-образный ЯС -мост,причем выход дифференцирующего узласоединен с общей точкой конденсаторовчерез последовательно соединенныепервые дополнительные операционныйусилитель и ключ и параллельно черезвторые дЬполнительные операционныйусилитель и ключ, при этом Т-обра:.ный КС -мост включен в цепь отрицэтельной обратной связи второго дополнительного операционного усилителяи эашунтирован третьим дополните ьным ключом, затвор которого и затворы первого и второго дополнительныхключей подключены к выходам анализатора сигналов.На фиг.1 представлена блок-схемаописываемого устройства на фиг,2, 1графики, поясняющиеего работу.Нуль-орган 1 связан с автокомпенсатором 2, тензодатчиками 3 и анализатором 4 полезного сигнала; образующими совместно с узлом управления5 тензометрическое измерительноеус ройство, например, для весов.Нуль-орган 1 включает всебя диференцирующий узел б, операционныеусилители 7 и 8, резисторы 9 и 10,образующие отрицательную обратнуюсвязь усилителя 7, резисторы 11,12и 13 и конденсаторы 14,15 и 16., образующие Т-образньй ЙС -мост, включенный в цепь отрицательной обратнойсвязи усилителя 8 и зашунтированныйключом 17, выполненным на полевомтранзисторе,Выходы операционных усилителей 7и 6 подсоединены соответственно через ключи 8 и 19 на полевых тран -зисторах с изолированными затворамик общей точке соединения разделительных конденсаторов 20 и 21, другие выводы которых подключены к входамоперационного усилителя 22. Параллельно входам операционного усилителя22 подключены ключи 23 и 24 нь полевых транзисторах, затворы которыхподключены к разным фазам источникапеременного напряжения 25, которыйподключен также к узду управления5, автокомпенсатору 2 и тензодатчикам 3, благодаря чему все процессыизмерения синхройны с частотой переменного напряжения 50 Гц. Выход операционного усилителя 22 подсоединенк входу анализатора 4 полезного сигнала, а изолированные затворы полевых транзисторов ключей 17,18 и 19подсоединены к выходам анализатора4На подложки этих полевых транзисто.ров подается положительное напряжение .+Е 1 для обеспечения их нормальногорежима.Устройство работает следующимобразомеТензодатчики 3 выдают напряжение,пропорциональное весу обьекта, которое на входе дифференциального узла 6 имеет вид синусоиды (см.фиг.2строка 1). На другой вход дифференциального узла 6 подается с автоком870965 6 5пенсатора 2 изменяющееся ступенями компенсирующей напряжение 01,в коде 2-4-2-1 (фиг.2 р строка 2"), каждая ступень которого включаемся на один период несущей частоты. На фиг.2.Рстроки 1 , 2 изображены только основные гармоники напряжений В ,и О Напряжение О соответствует весу 4 р 01 - весу 2, О 1- весу 1На выходе узла 6 в результате оценки получим разностное напряжение Оп (фиг.2, строка 3 ), фаза которого1в отдельных ступенях совладает с фазой того из сравниваемых напряжений на выходе узла 6, чья амплитуда больше. Таким образом, фаза Ор является признаксм "перекомпенсации" ИОК 1 7 01 д) или "недокомпенсации"к)тд) р а минимум напряжения 0- приз;аком полной компенсации.На промежутке времени О-С, включен на ступень автокомпенсатора 2, соответствующая весу 4-0 р . До момента времени О осталась включенной ступень, соответствующая весу 2-01 . Следовательно, на промежутке О-С, с Од сравнивается 01,с,Цпричем 010+ 0 70 гди фаза Орсоответствует фазе Ок на выходе узла 6 (фиг.2, строка 3 ).В каждую положительную полуволну включения ступеней автокомпенсатора 2 происходит анализ выходного напряжения Ор усилчтеля 22 с целью определения - идет "большой" или "малый" сигнал О;(фиг,2, Отрока 7 ). Этот анализ прои."водит анализатор 4 в промежутке времени й , положительнойполуводны на ряжения автокомпенсатора 2, При этом Ор усиливается операционным усилителем 7 до значения 0 р и через открытый ключ 18 на по(левом транзисторе, на изолированный затвор которого поступает открываю- р, щее напряжение О (фиг.2, строка 4 ) поступает на усилитель 22. Открываюзцее напряжение 0,11 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 Ор, (фиг.2, строка 3 В положительную полуволну О на изолированный затвор полевого транзистора ключа 19 не подается открывающее напряжение Опри он закрыт Ксли напряжение 0 в положительную;полуволну 01 неизменяется в промежутке времени О- ,то анализатор 4определяетр что идет большое напряжение 0 р 4 и управляющие сигналыО 1 и ,0 ффиг.2, строки 5 и Ане йзменяУтся в следующую отрицательную полуволну 0 с. (О-й ) и состояние ключей 17,18 и 19 остаетсяпрежним. В отрицательную полуволну10 анализатор 4 выдает напряжение О(Фиг.2, строка 8 ) в схему автокомпенсатора 21 и его ступень, соответствующая весу 4, отключится.На промежутке вреиени С, " Й с О 115 сравнивается 01 О 1 01при этрм1 й )напряжение О кр в положительную поРлуволиу 01 содержит соизмеримыесоставляющйе полезного сигнала, шумов, наводок, высших гармоник, что20 приводит к нейостоянству 0 в промежутке 1 йа 2 пОлозительнои полуволны01, (Фиг.2, строка 4 й,1- ) р т.е.идет малое напряжение Ору. Анализатор4 определяет это и производит переклю 25 чение ключей, т.е, ключи 17 и 18 закрываются (на изолированные затворыэтих полевых транзисторов не подаетса иапракаииа радар (Фиг.2, строка 51)р а ключоткрывается (наизолированный затвор этого транзистора подается Открывающее напряжениеОпу (Фиг.З, строка 6,(й.- С),В результате этого напряжение Орпроходит через усилитель 8 При этом 1шумы, наводки и высшие гармоники35подавляются. Анализатор полезногосигнала 4 оценивает в отрицательнукполУволнУ ОфЗ (1,1- 1)сигнал 0 идает однозначный выхоцной сигналТКЬ(Фиг.2, строка б).Айалогично процессам, происходящим на промежутке времени й- Турпроисходят процессы на промежуткевремени й - йр эа исключением,Я. 1что здесь Ор имеет противополож 45,ную фазу фазе О и потому анализа.тор 4 выдает сигйал О (Фиг.2, стро"ка 8 ).ЯКАОперационный усилитель 8 (как вид 50но из Фиг.1) имеет коэффициент уси.ления по постоянному напряжениюр рав"ный единицер так как сопротивления11 и 12 не влияют существенным образом на коэффициент передачи по постоянному току (В 1 операционного уси 55лителя 8 велико), И поэтому при защ 1- кании ключом 17 коэффициент его попостоянному напряжению, оставшисьравным единице, становится таковым7 87096 и для переменной составляющей, По переменной составляющей коэффициент усиления операционного усилителя 8 (когда ключ 17 закрыт) определяется разбросом элементов двойного Т-моста: сопротивлений 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 раивают обратную связь операционного усилит.еля 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 полу- волну "положительную)011 ключом 17 производится разряд двойного Т-моста. Этим обеспечивается отсутствие пере ходного процесса из-за наличия реакт тивных элементов (конденсаторов 1 двойного Т-моста.Постоянные составляющие они не показаны на фиг.2) Ор и О устраняют 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 ЗО и 21 разряжаются ключами 23 и 4 на полевых транзисторах, Эти ключи открыты в промежутки времени , (Фиг.2). Одновременно в промежутки времениэти ключи сообщают операционномуйусилителю 22 фазочувствительные свойст ва, так как их затворы подсоединены к разным фазам источника пеоеменного напряжения 25.Применение изложенного выше техни-. ческого решения повышает точность измерения и разрешает техническое противоречие между повышением точности измерения и повышением быстродействия. В частности, достаточногдля достижения заданной точности измеоения произв. дить оценкч каждой стчпени автокомпенсатора всего два полупериода (вместо восьми), т.е. общее время измерения уменьшилось в четыре раза50 по сравнению с прототипом. Следует отметить также адаптивный характео работы избирательного фильтра нуль-органа, т,е. в зависимости от уровня шумов наводок и высших гармоник анаФ55 лизатор полезного сигнала включает его в цепь прохождения малого сигнала, Таким образом, если в сети возрастет уровень высших гармоник по ампли 5 8туде,или возрастутшумы, наводки в цепи выходного сигнала тензодатчиков, то это никак не отразится на точности измеоения: она останется такой же. Кроме того, избирательный фильтр, настроенный на 50 Гц несущая частота) позволяет подавить не только шумы, наводки и высшие гаомоники, но и динамические низкочастотные и высокочастотные помехи, которые возникают в процессе дозирования поодчктов в емкость.Таким образом, точность измерения цифрового измерительного устройства для тензометрических весов повышает ся благодаря применению избиоательного активного фильтра на операционном усилителе в пепи прохождения малого сигнала нуль-органа, а повышение быстродействия обеспечивается опоеделенным алгоритмом работы ключей, изза чего исключается переходной процесс обусловленный наличием реактивных элементов фильтра.Формула изобретенияТензометрическое устройство, со-, держащее тензодатчики, автокомпенсатор, анализатор сигналов, источник питания и нуль-орган с дифференциоующим узлом, неинвертирующий вход которого соединен с выходом тензодатчиков, а инвеотиоующий - с выходом автокомпенсатооа и операционным усилителем, к входам которого подключены одни выводы двчх 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 - ч а ю щ.е е с я тем, что , с целью повышения точности и быстродействия измерения, в нуль-орган введены два дополнительных операпионных усилителя, три дополнительных ключа на полевых транзисторах и Т-образный ЙС-мост, причем выход дифшеренцирующего узла соединен с общей точкой конденсаторов через последовательно соединенные первые дополнительные операиионный усилитель и ключ и параллельно чеоез вторые дополнительные операционный усилитель и ключ, при этом Т-образный 1 С-мост включен в цепь отрицательной обратной связи второгодополнительного операционного усилителя и зашчнтирован третьим дополнительным ключом, затвор которогои затворы первого и второго дополнительных ключей подключены к выходаманализатора сигналов. 8709651 ОИсточники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССРВ 684326, кл. С 01 С 23/36, 1977.2. Авторское свидетельство СССРпо заявке У 2661104, кл.6 О С 23/36,1978 (прототип).