Тензометрическое устройство

(9 53)5 С 01 ) 1/22 ОСУДАР СТВЕ ННО ВЕДОМСТВО ССС Е ПАТЕНТНОЕРАТЕНТ СССР)ИСАЙИЕ ИЗОБРЕТЕНИОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ОП 2 довательскийростроенияенко ко В,Д. Цифро- ющие устройсти дозаторов. М,;105-106, рис,422.УСТРОЙСТВОизионныхвесах.нских клйникониях. Сущностьдержит тензо- . 1(57) Использованйе; в прецдинамометрах при медицидиагностических исследоваизобретения; устройство с метрический датчик 1, предварительный усилитель-преобразователь 2, аналогоцифровой преобразователь 3, цифровое отсчетное устройство 4 в виде сегментоцифрового индикатора, схемы 5 компенсации аддитивной погрешности в виде цифрового индикатора 6 смещения нуля, блок 7 формирования и оперативной памяти сигнала. аналоговой компенсации, выполненного в виде апериодического ЙЯ-звена первого порядка, а такжесумматора 8 и блока 9 предварительного принудительного смещения нуля. 12-3-4; 6-7-8-9, 1-8-2. Циф-ровой индикатор смещения нуля выполнен в виде электрического вентиля, вход которого соединен с шиной питания сегмента "минус" сегментно-цифрового индикатора, 1 з,п, ф-лы, 2 ил;Изобретение относится к измерительной технике, в частности, к тензометрическим устройствам, используемым, например. в прецизионных весах, динамо- метрах для оснащения медицинских клиника-диагностических учреждений,Известно тензометрическое устройство с аналого-цифровой схемой компенсации аддитивной погрешности, включающее тензометрический датчйк; предварительный усилитель-преобразователь, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и цифровое отсчетное устройство, соединенные последовательно. Между информационным .выходом АЦП и вторь 1 м входом предварительного усилителя-преобразователя включена схема компенсации, включающая реверсивный счетчик и преобразователь код-найряжение, а между выходом тензометрического датцика и первым входом предварительного усилителя-преобразователя включены два ключа К 1 и К 2;В такте "установка нуля" ключ К 1 разомкнут, а ключ К 2 замкнут, При этом код, соответствующий напряжению дрейфа, запбминйется в реверсивномсчетчике й преобразуется преобразователем код-напряжение в аналогбвую компенсйрующую величину (корректирующее напряжение), которая подается на вход предварительного усилителя-преобразователя. В такте измерейия реверсивный счетчик сбрасйвается в нуль и отключается от выхода АЦП, Достоийством схемы является постояйство корректирующего напряжениЯ иа" такте измерения, однако, с ее помощью компенсируется аддитивная погрешность только измерительной части устройства, но не обеспечивает:я компенсация аддитивной погрешности, вносимой собственно датчиком, а также погрешности, действующие в контуре: выходные цепи тензометрического датчика - линии связи- входные цепи предварительйого усилителя-преобразователя,Известно также тензометрическое устройство с автоматической компенсацией аддитивной погрешности с помощью микропроцессорного средства. вьбранное за прототип. Это устройство включает последовательно соединенные тензометрический датчик, предварительный усилитель-преобразователь (ПрУП), аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и цифровое отсчетное устройство. Между выходом АЦП и входом предварительного усилителя-преобразователя включена схема автоматической компенсации аддитивной погрешности. выполненная на базе микроЭВМ. Это устройство обеспечивает . компенсацию дрейфа нуля не только изме рительной части, но и датчиков, учитывая также погрешности, связанные с нестабильностью тарной нагрузки и т,п.Достоинствами данного устройства являются возможность управления процессом измерения, индикацией и регистрацией результатов измерения, а также высокие метрологические характеристики.Однако, при решении таких широко встречающихся задач, как прецизионное измерение в медицинской практике, например, массы; усилий, малых перемещений, при высоких требованиях к точности изме-. рений необходимо обеспечить максимальную простоту измерительных устройств. Использование для этих целей вычислительных и, в цастности, микропроцессорных средств приводит к структурно-алгоритмической избыточности и, в конечном итоге, к 20 схемотехнической сложности устройств Целью изобретения является упрощение устройства и повышение точности. измерений.Поставленная цель достигается тем, что в заявляемом устройстве процесс формированйя кемпенсационного воздействия осуществляется в автоколебательном режиме в периоды естественных пауз между производимымии дискретными измерениями по зна 30 ку сигнала рассогласования между заданным принудительным смещением нуля на отрицательную ветвь характеристики сигналами на прекращение или продолжение формирования компенсирующего воздействия служат. моменты нагружения тензометрицеского датчика и снятия нагруз 40 ки, соответственно, а величина принудительного сдвига нуля выбирается с учетом возможного диапазона временного дрейфа нуля всех звеньев информационно-измерительного тракта и начального технологического смещения нуля датчика, Этим обеспечивается высокая точность формирования компенсирующего воздействия при использовании простых средств, исключающих необходимость в применении для 50 решения данной задачи микропроцессорных устройств и включающих последовательно соединенные цифровой индикатор смещения нуля, выполненный в виде электрического вентиля, например полупроводникового диода, подключенного к шине питания сегмента. высвечивающего полярность (знак) измеряемого результата сегментно-цифрового индикатора отсчетного устройства, блок формирования и оперативной памяти сигнала аналоговой компенсавход-выход и фактическим значением смещения нуля в момент формирования сигна ла компенсации, причем управляющимиции в виде апериодического ВС-звена первого порядка и сумматор, ко второму входу которого подключен выход блока предварительного принудительного смещения нуля, а третий вход и выход включены в измерительную цепь между тензометрическим датчиком и предварительным усилителем-преобразователем,На фиг, 1 предСтавлена структурная блок-схема устройства; на фиг, 2 - эпюры сигналов в схеме компенсации аддитйвной погрешности,Тензометрическое устройство (см, Фиг, 1) содержит последовательно соединенные тензометрический датчик 1 (ТДС 1), предварительный усилитель-преобразователь 2, аналого-цифровой преобразователь 3 (АЦП 3) и цифровое отсчетное устройство 4 в виде сегментно-цифрового индикатора.К шинам питания сигнальных сегментов цифрового индикатора 4 подключен вход схемы 5 автоматической компенсаций аддитивной погрешности, выход котооой, также как.и вторбй вход, включен в измерйтельную цепь устройСтва между тензометрическим датчиком 1 и предварительным усилителем-преобразователем 2.Тензометрический датчик 1(силы,массы, перемещений) служит для первичного преобразования измеряемой величины в электрический сигнал, пропорциональный ей, В качестве ТДС 1 может быть использован тензорезистивный датчик любой изве- стной конструкции,Предварительный усилитель-преобразователь;2 (ПрУП) служит: для усиления выходного напряжения ТДС 1 либо для преобразования этого напряжения (например. из переменного в постоянное) с последующим усилением. Он может быть выполнен по известной схеме в виде. самостоятельного блока либо в составе АЦП 3Аналого-цифровой преобразователь: 3 служит для преобразования непрерывной измеряемой величины в дискретную форму с последуюцим цифровым кодированием (код семисегментного индикатора). В качестве АЦП 3 может быть использован аналого-цифровой преобразователь любой известной конструкции, содержащий в своем составе средства для точного определения полярности сигнала на его входе, обеспечивая высокую разрешающую способность при определении знака(долл единицы младшего разряда). Выходу АЦП 3, несущему данную информацию, соответст- вует вывод напряжения питания сегмента "минус" на,цифровом табло, к которому подключают вход схемы 5 автоматической компенсации аддитивной погрешности, 510 20 Цифровое отсчетное устройство 4 предназначено для индикаций результата аналого-цифрового преобразования и выполнено в виде сегментно-цифрового индикатора, например, типа АЛС 324 или ИЖЦ 14-4/7. Схема 5 автоматической компенсации аддитивной погрешности служит для компенсации погрешностей, связанных с временным и технологическим (тарная нагрузка) смещением и дрейфом нуля, возникающим как в измерительной части устройства, таки в линиях связи и ТДС 1, с учетом компенсациитарной нагрузки, т,е. всего измерительноготракта, включая и главный источник погрешности - датчик, Схема 5 содержитпоследовательносоединенные цифровой индикатор 6 смещения нуля, блок 7 формирования и оперативной памяти сигнала аналоговойкомпенсации. сумматор 8 и подключенный к его второму входу блок предварительногопринудительного смещения нуля 9. Цифровой индикатор 6 смещения нуляслужит для выявления факта отклонения 5 "нулевого" уровня информационно-измерительного тракта; определения его знака (вестественных паузах междуочередными измерениями) и выработки команды на формирование и коррекцию компенсирующегоЗО воздействия в моменты, когда измеряемаявеличина отличается от нуля и распОложенана отрицательной ветви характеристикивход-выход измерительного устройства (т.ев И 1-м квадранте).35 Полезной информацией, воспринимаемой цифровым индикатором б, является наличие свечения сегмента "-" цифровогоиндикатора 4 (либо свечение сегментов впоследней цифре индикатора 4, нарушаю 40 щих цифру "0" - для упоминаемого нижеварианта выполнения индикатора 6), Цифровой индикатор 6, соединенныйсвоим входом с соответствующими шинамипитания упомянутых выше сегментов инди 45 катора 4, формирует на своем выходе элеитричеркий сигнал в виде либо напряжения постояной елиины, либо, однополярныхимпульсов постоянной величины (в зависимости от используемого стандартного сно 50 соба питания сегмейтов). Индикатор б автоматически выключается (разрыв цепи) вмомент погашения сегмента ."минус" (илисегментов, нарушающих нуль в последней цифре индикатора 4).Цифровой индикатор 6 представляет собой электрический вентиль. Наиболее простое выполнение цифрового индикатора 6 в виде электрического вентиля - полупроводникового диода 10 представлено на фиг. 1,Один полюс диода 10, являющийся входомсхемы 5 компенсации, подключен к шине питания "минус" (сегментаполярности результата измерения) сегментно-цифрового индикатора 4. а второй полюс соединен с входом блока 7 формирования и оперативной памяти сигнала аналоговой компенсации, Цифровой индикатор 6 может быть выполнен и по другим известным схемам, например, в виде группы электрических вентилей (полупроводниковых диодов), одноименные входные полюса которых соединены с шинами питания соответствующих сегментов последней цифры сегментноцифрового индикатора 4, а выходные полюса соединенй с входом аперйодического ЯС-звена 1-го пбрядка через схему совпадения. Такое выполнение цифрового индикатора 6 несколько сложнее первоговарианта его исполнения, но является более общим.и может"СуЩественно расширить область Иримененйя"заявляемого решения.:Блок 7 формирований и оперативной памяти сигНала аналоговой компенсации служит для выработки аналогового электрического сигнала-напряжения компенсации суммарной аддитивной погрешности всего информацйонно-измерйтельного тракта, бперативного запоминания, хранения и ис 1 тользования этого сигнайа во время ироизводства измерения, которое осуществляется дискретно, т,к, йредлагаемое устройство входит в обширную группу устройств с периодическйми дискретными замерами, в которых время производства замеров чередуется с паузами. Формирование компенсацйбнного сигнала осуществляется"впериоды естествеййь х пауз между замерами. Время измерения и время паузы (Ы - 1 т и 17 - тв соответственно - см, фиг. 2), как правило соизмеримы, и составляют от 5 до 20 с. Для функционирования блока 7 в таком устройстве необходимым условием является медленная "потеря" информации, т.е, запланированное медленное произвольное уменьшение величины сигнала компенсации с течением времени в период паузы между измерениями, В связи с этой задачей блок 7 выполнен в вйде апериодического звена первого порядка, состоящего из зарядного резистора Й и накопительного запомйнающего конденсатора С. При этом величины элементов Я и С выбраны таким образом, что.скорость процесса заряда конденсатора С через зарядный резистор В и вентиль 10 цифрового индикатора 6 выше скорости разряда этого конденсатора С во входную измерительную цепь устройства. Обеспечение необходи.- мых соотношений постоянных времени за-.ряда и разряда поясняется в описании устройства и на фиг. 2 Сумматор 8 предназначен для алгебраического суммирования напряжения компенсации аддитивной погрешности,напряжения принудительного смещения нуля и напряжения датчика и может быть выполнен по известной схеме, например по схеме пассивногб параллельного резистивного сумматора токов, Для осуществления 10 операции суммирования упомянутых выше напряжений возможно также использование свободных аналоговых входов ПрУП 2 или АЦП 3Блок 9 предварительного принудительного смещения нуля служит для формиро ва н ия .н ап ря же ни я и ри нудител ьно го сМещения нуля информационно-измерительного тракта на отрицательную ветвь характеристики вход-выход, т.е. в И-й 20 квадрант при изображении характеристики в декартовых координатах, Минимальная величина напрякения принудительНого звеньев информационно-измерительного тракта и начального технологического смещения нуля датчика (начальный разбаланс моста, вариации тарной нагрузки), а также 30 дрейфа нуля предварительного усилителяпреобразователя 2 и АЦП 3 Блок 9 может быть выйолнен, например, в виде обычного резистивного делителя, питаемого напряжением от общего источника Е.Устройство работает следующим образом,35 При пбдключении устройства к источнику напрякения и при отсутствии измеряе 40 мой нагрузки на выходе сумматора 8 имеет место сигнал равный алгебраической сумме напряжений начального смещения нуля датчика 1 и принудительного смещения Есм блока 9, который совместно с начальными смещениями предварительного усилителя-преобразователя 2 и АЦП 3 образует результирующее смещение всегоинформационно-измерительного тракта,которое высвечивается на цифровом табло 4,50 Величина начальногопринудительногосмещения вь 1 брана таким образом, что результирующее Смещение в исходном состоянии (момент 1 о .фиг, 2 а) всегда имеет отрицательную величину, что и индицируется сегментом "минус" на табло индикатора 4. При этом напрякение питания сегмента,имеющее, как правило, форму симметричного меандра (фиг, 2 б). воспринимается цифровым индикатором 6 и включает его на сдвига нуля выбираетсяс учетом возможно 25 го диапазона воеменнбго дрейфа нуля всех10 правило, основным источником суммарной 15 20 25 30 40 Схема автокомпенсации получается пре 45 ности 50 время рабочего полупериода, В течение полупериода ток от напряжения питания сегмента "минус" через зарядный резистор Я заряжает накопительно-запоминающий.конденсатор С блока 7 формирования и оперативной памяти напряжения автокомпенсации, Постоянная времени гз = ВС заряда конденсатора выбрана таким образом, чтобь 1 приращение напряжения компенсации на конденсаторе С за время действия рабочих (зарядных) полупериодов напряжения питания сегмента "-", равного времейи цикла обновления информации АЦП, не превышало величины; соответствующей примерно половине единицы младшего разряда индикатора 4. Это необходимо для.предотвращения эффекта перекомпенсации; т,е, для обеспечения "мягкого" входа в зону стабилизации, равную, примерно,0,5 ед,мл, разряда (фиг. 2 а).Показания сегментно-цифрового индикатора 4 при этом постепенно уменьшаются по абсолютной величине по мере нарастания компенсирующего напряжения и, наконец, наступает момент 6, когда индикатор 4 показывает нули, а сегмент "минус" гаснетВ этот момент вход схемы.5 компенсации автоматйчески отключается н связи с исчезновением,напряжения питания сегмен- Таким образом, начиная с момента О,устройство готово к операции измерения, Если измерений не последовало, конденсатор С начинает разряжаться в резистивную . цепь сумматора 8, Постоянная тр разряда, 3равная С В, где В- входное сопротивле- . ние сумматора; такова, цто скорость разряда (потери компенсационного напряжения) несколько превышает наибольшую скорость дрейфа нуля информационно-измерительного тракта, Поскольку описываемое устройство относится к классу устройств с "медленным" дрейфом нулевого уровня, постоянная времени разряда гр велика и мо жет составлять единицы минут и более, При снижении компенсирующего напряжения Чк(см. фиг,2 а) до уровня 0,5 ед.мл,р. (моменты с 2. т 4) вновь зажигается сегмент - (при этом на табло индикатора 4 продолжают высвечиваться нули), напряжение питания . сегмента " - " вновь вклюцает схему компенсации 5 через цифровой индикатор 6, конденсатор С блока 7, заряжаясь током от напряжения питания сегмента "-", вновь входит в упомянутуо выше зону стабилиза ции, после чего исчезает свечение сегмента "-" в связи с прекрадением его питаНия и . устройство снова готово к проведению измерения (моменты 1 з, 1, фиг, 2 а),В связи с тем, что скорость изменения компенсирующего воздействия по принятому ранее условию выше скорости временного дрейфа нулевого уровня, обеспецивается динамическое (колебательное) поддерка-. ние свысокой.точностью (0,5 ед.мл. разряда АЦП) нулевого уровня всего информационно-измерительного тракта, включая и тензодатчик, являющийся, как аддитивной погрешности, В момент 16 (фиг, 2 а) начала измерения измеряемая нагрузка, приклады ваемая к силовоспринимающему.элементу тензодатчика 1, создает на его выходе (как правило, в сигнальной диагонали моста) пропорциональное измеряемому усилию напряжение,которое, в свою очередь, через сумматор 8, предварительный усилитель-преобразователь 2 и АЦП 3 в кодированном виде подается на сегментный цифровой индикатор 4,высвечивая на нем величину измеряемого, параметра в цифровой форме в течение времени сб - и, После снятия нагрузки наступает естественная пауза (О 7- тв) до следующего измерения (1 в - тэ). Во время паузы, вплоть до следующего измерения, устройство автоматически переходит в режим автоповерки и автокомпенсации суммарного сдвига нуля и его временного изменения, происшедшего за время Ы- т 7, по алгоритму, описанному выше.Следует особо отметить, что предлагаемое техническое решение обеспечивает автоматический. переход с режима автокалибровки нуля в режим измерения и обратно без при влецения каких-либо дополнительных структурно-алгоритмических приемов и схемо-техническихсредств,дельно простой (полупроводниковый вентиль, группа резисторов и конденсатор), обеспечивая при этом прецизионную точность по компенсации аддитивной погрешТаким образом, в заявляемом устройстве обеспечивается упрощение в сравнении с прототипом конструктивной схемы при высокик точностных характеристиках устройства в целом, При этом в предлагаемом устройстве, в отличие от прототипа, нет необходимости искусственно прерывать процесс измерения (посредством мультиплексора и ключей - в прототипе) для обеспечения процесса формирования сигнала компенсирующего воздействия, поскольку сигнал компенсации аддитивной составляющей погрешности формируется автоматически в естественных паузах между измерениями, как.это показано на фиг, 2.Дополнительно следует отметить, что йредлагаемое решение может быть легко адаптированно к широкому классу измерительных устройств с цифровой индикацией и периодическим (дискретным) характером процесса замеров. Учитывая также, что предлагаемое техническое решение некритично к типу используемого датчика, появляется возможность существенного расширения областей его применения на практике.По предлагаемому решению возможны варианты реализации схемы 5 (см, фиг 1). Так, если в качестве информации об аддитивной погрешности использовать не знак полярности "нулевого уровйя", э факт отличия конфигурации цифры младшего разряда индикатора 4 от "0", то. выполнив Соответствующим образом цифровой индикатор 6, нап)имер в виде схемы совпадения сигналовпитайия" соответствующих сигнальных сегментов последний цифры,и не изменяя остальных элементов схемы 5, можно добиться аналогичного описанному выше эффекта автокомпенсации,На основании предложенного технического решения во ВНИИМП разработан прецизионйый измеритель массы тела человека, в котором удалось снизить величину погрешности от начального технологического уровня смещения нуля и его дрейфа во времени в 3-5 раз. Это позволило простыми средствами добиться высокой результирующей точности прибора; . 0,05 - 0.1 в диапазоне измерения массы 0-150 кг,Испытания экспериментальных образцов прибора подтвердили высокие характеоистики заявляемого изобретения. Исполь зование изобретения планируется в комплексе средств для диспансеризации населения,5Формула изобретения 1, Тензометрическое устройство, содержащее последовательно соединенные тен зометрический датчик, предварительный.усилитель-преобразователь, аналого-цифровой преобразователь и цифРовое отсчетное устройство, а.также схему компенсации аддлтивной,погрешности, о т л и ч а ю щ е е с я тем. что,с целью упрощения устройстваи повышения точности, цифровое отсчетное устройство выполнено в .виде сегментноцифровогоиндикатора, а Схема компенсации аддитивной погрешности выполнена в 20 виде последовательно соединенных цифрового индикатора смещения нуля, подключенного к шинам питания сйгнальных сегментов сегментно-цифрового индикатора, блока, формирования и оперативной пэ мяти сигнала аналогавой компенсации.выполненного в виде апериодического ВС- звена первого порядка, сумматора, а также блока предварительного принудительного смещения нуля, выход которого подключен 30 к второму входу сумматора, третий вход которого соединен с тензометрическим датчиком, а выход - с предварлтельным усилителем-преобразователем.2, Устройство по и. 1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что цифровой индикатор смещениянуля выполнен в виде электрического вентиля, вход которого соединен с шийой питания сегмента "Минус" сегментно-цифрового ин-.дикатора,Тираж Подписноевенного комитета па изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035. Москва, Ж, Раушская наб., 4/5