(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: (51) IntCl 5 G01G 7/00 G01G 9/00 Urząd Patentowy (22) Data zgłoszenia: G01G 23/37 Rzeczypospolitej Polskiej Sposób i układ mikrokomputerowy pomiaru i sterowania magnetoelektrycznym (54) przetwornikiem siła-prąd, zwłaszcza wag wysokiej dokładności (43) Zgłoszenie ogłoszono: (73) Uprawniony z patentu: BUP 04/91 Zakład Automatyki Okrętowej "MERAMONT", Gdańsk, PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 01/94 (72) Twórcy wynalazku: Janusz Wasilewski, Gdańsk, PL Ryszard Werkowski, Gdańsk, PL PL B1 (5 7 ) 2 Układ mikrokomputerowy pomiaru i sterowania magnetoelektrycznym przetwornikiem siła-prąd, zwłaszcza w ag wysokiej dokładności, zawierający magnetoelektryczny przetwornik siła-prąd, sprzężony z pojemnościowym czujnikiem przesunięcia oraz mający wzmacniacz pomiarowy analogowego sygnału przesunięcia, współpracujący poprzez przetwornik cyfrowoanalogowy z mikroprocesorem, zaopatrzonym w pamięć cyfrową oraz mającym blok tarowania, znam ienny tym, ze m agnetoelektryczny przetwornik siła-prąd (MPSP) je st na wyjściu, poprzez połączone szeregowo pojemnościowy czujnik przesunięcia liniowego (CP) i układ kontroli przesunięcia (UKP), przyłączony do wejścia sygnałowego system u mikrokomputerowego (MK), mającego n a drugie wejście sygnałowe przyłączony tor pom iaru tem peratury, składający się z zestawionych w szereg czujnika temperatury, (CT) i układu kontroli tem peratury (UKT), przy czym n a wejście operacyjne system u mikrokomputerowego (MK) je st przyłączona pamięć programowalna (EPROM) oraz przycisk tarowania wagi (PT), a jego wyjście sterujące jest poprzez ustawione w szereg przetwornik cyfrowo-analogowy (PCA) i wzmacniacz sterujący (PWS) dołączone do wejścia m agnetoelektrycznego przetw ornika siła-prąd (MPSP), natom iast wyjście sygnałowe system u mikrokomputerowego (MK) jest. poprzez wzmacniacz buforowy (WB), dołączone do wskaźników cyfrowych (WC).

2 Sposób i układ mikrokomputerowy pomiaru i sterowania magnetoelektrycznym przetwornikiem siła-prąd, zwłaszcza wag wysokiej dokładności Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób pomiaru i sterowania magnetoelektrycznym przetwornikiem siła-prąd, zwłaszcza wag wysokiej dokładności, w którym przesunięcie cewki roboczej siłownika jest wykrywane przez czujnik przesunięcia liniowego przetwarzający sygnał wielkości mechanicznej na wielkości elektryczne, znamienny tym, że otrzymanym z pojemnościowego czujnika przesunięcia liniowego sygnałem odchylenia, steruje się poprzez prąd cewki przetwornika siła-prąd sygnałem analogowym, otrzymanym z przetwornika cyfrowo- analogowego, w którym moduluje się go uprzednio przy pomocy sygnału cyfrowego otrzymanego z systemu mikrokomputerowego, a otrzymanym w ten sposób dwubitowym sygnałem cyfrowym steruje się przetwornik cyfrowoanalogowy, z którego otrzymuje się w postaci sygnału prądowego informację w postaci analogowej, przy pomocy której realizuje się proces kompensacji nieliniowości przetwornika magnetoelektrycznego siła-prąd, przy czym wymieniony sygnał odchylenia z pojemnościowego czujnika przesunięcia, przetwarza się na sygnał cyfrowy dwubitowy, którego wartość odczytuje się w systemie binarnym określając odchylenie od położenia zerowego czujnika i realizuje w ostatnim kroku przetwarzania w postaci trzech dwubitowych słów, z których słowo 00 oznacza brak przesunięcia, to jest położenie zerowe, słowo 01 oznacza czujnik przesunięty w jedno z dwu możliwych położeń innych niż stan zerowy i słowo 10 oznacza czujnik przesunięty w drugie z dwu możliwych położeń, innych niż położenie stanu Układ mikrokomputerowy pomiaru i sterowania magnetoelektrycznym przetwornikiem siła-prąd, zwłaszcza wag wysokiej dokładności, zawierający magnetoelektryczny przetwornik siła-prąd, sprzężony z pojemnościowym czujnikiem przesunięcia oraz mający wzmacniacz pomiarowy analogowego sygnału przesunięcia, współpracujący poprzez przetwornik cyfrowoanalogowy z mikroprocesorem, zaopatrzonym w pamięć cyfrową oraz mającym blok tarowania, znamienny tym, że magnetoelektryczny przetwornik siła-prąd (MPSP) jest na wyjściu, poprzez połączone szeregowo pojemnościowy czujnik przesunięcia liniowego (CP) i układ kontroli przesunięcia (UKP), przyłączony do wejścia sygnałowego systemu mikrokomputerowego (MK), mającego na drugie wejście sygnałowe przyłączony tor pomiaru temperatury, składający się z zestawionych w szereg czujnika temperatury (CT) i układu kontroli temperatury (UKT), przy czym na wejście operacyjne systemu mikrokomputerowego (MK) jest przyłączona pamięć programowalna (EPROM) oraz przycisk tarowania wagi (PT), a jego wyjście sterujące jest poprzez ustawione w szereg przetwornik cyfrowo-analogowy (PCA) i wzmacniacz sterujący (PWS) dołączone do wejścia magnetoelektrycznego przetwornika siła-prąd (MPSP), natomiast wyjście sygnałowe systemu mikrokomputerowego (MK) jest, poprzez wzmacniacz buforowy (WB), dołączone do wskaźników cyfrowych (WC). * * * Przedmiotem wynalazku jest sposób i układ mikrokomputerowy pomiaru i sterowania magnetoelektrycznym przetwornikiem siła- prąd, zwłaszcza wag wysokiej dokładności. Wynalazek dotyczy budowy i eksploatacji analogowo-cyfrowego sprzętu pomiarowokontrolnego, zwłaszcza sprzętu pomiarowego. Znane są wagi elektroniczne wysokiej dokładności, zawierające jako element podstawowy przetwornik magnetoelektryczny. W wagach tych stosowane są układy do pomiaru i sterowania wskazaniami megnetoelektrycznego przetwornika siła-prąd. Układy elektroniczne stosowane w tych wagach, zawierają czujnik przesunięcia liniowego współpracujący z regulatorem sygnału pomiarowego, układ sterujący siłownikiem wykonawczym, jak również rezystor wzorcowy,

3 wzmacniacz pomiarowy, układ kompensacji temperatury, zerowania i zakresu pomiarowego, a nadto układ korekcji nieliniowości wraz z przetwornikiem analogowo-cyfrowym, zawierającym wyodrębniony układ sterowania. Znany układ konwencjonalnej wagi wysokiej dokładności zawiera nadto układ pamięci, układ sterowania pomiarem, układ odejmowania liczb, dekoder liczb binarnych nad kod siedmiosegmentowego wyświetlacza cyfrowego wraz z zespołem wskaźników cyfrowych siedmiosegmentowych, jak również dodatkowe układy, takie jak układ sygnalizacji ustabilizowania się wskazań i układ sterowania drukarką wierszową wraz z drukarką. W opisanym rozwiązaniu znanej wagi wysokiej dokładności po obciążeniu szalki wagi, następuje przesunięcie układu mechanicznego wraz z cewką roboczą siłownika. Przesunięcie jest wykrywane przez czujnik przesunięcia liniowego, który przetwarza sygnał wielkości mechanicznej na wielkości elektryczne i przekazuje je na wejście regulatora, który poprzez układ sterujący siłownikiem wymusza przepływ prądu w cewce siłownika. Siłownik wytwarza siłę magnetoelektryczną, która przywraca równowagę zakłóconą przez ciężar spoczywający na szalce wagi. Przepływ prądu przez cewkę siłownika wytwarza na podłączonym szeregowo z tą cewką rezystorze wzorcowym, napięcie proporcjonalne do ciężaru ładunku umiejscowionego na szalce. Napięcie to podawane jest do układu wzmacniacza pomiarowego, a następnie do przetwornika analogowo-cyfrowego. We wzmacniaczu pomiarowym dokonywana jest zamiana zakresu (czułości) wagi, jak również przeprowadzana jest w sposób analogowy kompensacja termiczna zera i zakresu pomiarowego wagi. Zainstalowany w układzie przetwornik analogowo-cyfrowy przetwarza napięciowe sygnały analogowe ze wzmacniacza pomiarowego na kod cyfrowy ośmiobitowy. Dodatkowo przy pomocy przetwornika analogowo-cyfrowego wykonywana jest operacja tarowania, wykorzystująca kod cyfrowy. Układ tarowania zawiera blok pamięci cyfrowej, do którego wpisywana jest wartość tary oraz układ odejmowania, w którym przeprowadzana jest operacja odejmowania wskazania cyfrowego odpowiadającego zważonej tarze od wskazania cyfrowego, odpowiadającego aktualnemu przesunięciu czujnika. Kod cyfrowy przetwornika analogowo- cyfrowego poprzez dekoder i wzmacniacz buforowy podawany jest do wskaźników cyfrowych, na których wyświetlana jest liczba, której wartość jest wprost proporcjonalna do obciążenia szalki pomiarowej, pomniejszonego ewentualnie o wielkość uprzednio zważonej tary. Znane są również i wytwarzane wagi wysokiej dokładności, w których w układzie przetwarzania sygnału pomiarowego zastosowany jest układ scalony przetwornika analogowo-cyfrowego oraz system mikroprocesorowy, oparty o wykorzystanie mikroprocesora ośmiobitowego typu Z80. W układzie aplikacyjnym tego mikroprocesora zastosowane są jednostki pamięci operacyjnej ROM i RAM wraz z układami wejść i wyjść. Znane wagi zawierające mikroprocesorowy system operacyjny realizują następujące procedury: obliczenie wartości średniej z określonej liczby pomiarów, zapamiętanie tary, odejmowanie wartości zważonej tary od aktualnego wyniku pomiaru wartości obciążenia szalki wagi, kontrola i sygnalizacja stanu przycisku tary, kontrola i sygnalizacja wartości obciążenia minimalnego i maksymalnego wagi w ramach ustalonego zakresu pomiarowego, sterowania wskaźnikami cyfrowymi wyświetlacza, sterowania przetwornikiem analogowo- cyfrowym, sterowanie całym systemem pomiarowym wagi. Opisanej budowy system pomiarowy wagi wysokiej dokładności oparty o wykorzystanie mikroprocesora ośmiobitowego, mimo że stosowany w wytwarzanych wagach profesjonalnych, nie daje jednak możliwości sterowania prądem cewki siłownika magnetoelektrycznego przy pomocy systemu mikroprocesorowego, co jest podstawową wadą tego układu. Obydwa opisane systemy wag wysokiej dokładności charakteryzują się tym w szczególności, że zawierając w swoich układach rezystor wzorcowy oraz przetwornik analogowo-cyfrowy wraz z kompletem aplikujących je elementów, są nadmiernie skomplikowane konstrukcyjnie i mają znaczną liczbę elementów elektronicznych, zarówno analogowych jak i cyfrowych. Opisana cecha powoduje zarówno znaczny pobór prądu w trakcie eksploatacji, jak również wymaga złożonego i pracochłonnego montażu, cechowania i konserwacji, i jest przyczyną wysokiej awaryjności tych wag. Jedną z istotnych wad znanego układu mikroprocesorowego wagi wysokiej dokładności jest brak możliwości w nim kontrolowania przez mikroprocesor wskazań i sterowania przy jego pomocy,

4 układu wagi w zespole czujnika przesunięcia liniowego, połączonego poprzez regulator z cewką siłownika elektromagnetycznego. Wynalazek rozwiązuje zagadnienie opracowania nowego sposobu pomiaru i sterowania magnetoelektrycznym przetwornikiem siła-prąd w wagach wysokiej dokładności i układu mikroprocesorowego do stosowania tego sposobu, w celu wyeliminowania wskazanych wad i niedogodności znanych systemów, z jednoczesną minimalizacją zastosowanych układów elektronicznych, zmniejszeniem poboru mocy, ułatwieniem montażu oraz zwiększeniem niezawodności działania urządzenia. Sposób pomiaru i sterowania magnetoelektrycznym przetwornikiem siła-prąd, zwłaszcza wag wysokiej dokładności, w którym przesunięcie cewki roboczej siłownika jest wykrywane przez czujnik przesunięcia liniowego, przetwarzający sygnał wielkości mechanicznej na wielkości elektryczne charakterystyczny tym według wynalazku, że otrzymanym z pojemnościowego czujnika przesunięcia liniowego sygnałem odchylenia, steruje się poprzez prąd cewki przetwornika siła-prąd sygnałem analogowym, otrzymanym z przetwornika cyfrowo-analogowego, w którym moduluje się go uprzednio przy pomocy sygnału cyfrowego, otrzymanego z systemu mikrokomputerowego. Otrzymanym w ten sposób dwubitowym sygnałem cyfrowym steruje się przetwornik cyfrowo-analogowy, z którego otrzymuje się w postaci sygnału prądowego informację w postaci analogowej, przy pomocy której realizuje się proces kompensacji nieliniowości przetwornika magnetoelektrycznego siła-prąd. Wymieniony sygnał odchylenia otrzymany z pojemnościowego czujnika przesunięcia, przetwarza się na sygnał cyfrowy dwubitowy, którego wartość odczytuje się w systemie binarnym, określając odchylenie od położenia zerowego.czujnika i realizuje w ostatnim kroku przetwarzania w postaci trzech dwubitowych słów, z których słowo 00 oznacza brak przesunięcia, to jest położenie zerowe, słowo 01 oznacza czujnik przesunięty w jedno z dwu możliwych położeń innych niż stan zerowy i słowo 10 oznacza czujnik przesunięty w drugie z dwu możliwych położeń, inne niż położenie stanu 01 Układ mikrokomputerowy pomiaru i sterowania magnetoelektrycznym przetwornikiem siła-prąd, zwłaszcza wag wysokiej dokładności, zawierający znany magnetoelektryczny przetwornik siła-prąd, sprzężony z pojemnościowym czujnikiem przesunięcia oraz mający znany wzmacniacz pomiarowy analogowego sygnału przesunięcia, współpracujący poprzez przetwornik cyfrowo-analogowy z mikroprocesorem zaopatrzonym w pamięć cyfrową i mającym znany blok tarowania charakterystyczny tym według wynalazku, że magnetoelektryczny przetwornik siła-prąd jest na wyjściu poprzez ustawione w szereg pojemnościowy czujnik przesunięcia liniowego i układ kontroli przesunięcia, przyłączony do wejścia sygnałowego systemu mikrokomputerowego, mającego na drugie wejście sygnałowe przyłączony tor pomiaru temperatury, składający się z zestawionych w szereg czujnika temperatury i układu kontroli temperatury. Na wejście operacyjne systemu mikrokomputerowego jest przyłączona pamięć programowalna oraz przycisk tarowania wagi, a jego wyjście sterujące jest poprzez ustawione w szereg przetwornik cyfrowo-analogowy i wzmacniacz sterujący, dołączone do wejścia magnetoelektrycznego przetwornika siła-prąd. Wyjście sygnałowe systemu mikrokomputerowego jest poprzez wzmacniacz buforowy dołączone do wskaźników cyfrowych. Dzięki zastosowaniu w układzie według wynalazku przetwornika cyfrowo-analogowego, sterującego prądem cewki przetwornika pomiarowego magnetoelektrycznego siła-prąd, sterowanego dodatkowo przez specjalny system mikroprocesorowy na podstawie trójstanowego sygnału odchylenia z czujnika przesunięcia liniowego, okazało się możliwe wyeliminowanie z układu wagi wysokiej dokładności stosowanego tu dotychczas wysokostabilnego rezystora pomiarowego, podłączonego zazwyczaj szeregowo z cewką prądową oraz przetwornika analogowo-cyfrowego kosztowniejszego od zastosowanego w układzie według,wynalazku przetwornika cyfrowo- analogowego. Ponadto zgodnie z wynalazkiem korekcja nieliniowości, kompensacja temperaturowa i korekcja zera wagi wysokiej dokładności, dokonywana jest w sposób programowalny przez system mikrokomputerowy, stanowiący zasadniczy element układu według wynalazku, na podstawie programu znajdującego się w programowalnejpamięci EPROM systemu, co w bardzo dużym stopniu uprościło układ pomiaru i sterowania magnetoelektrycznym przetwornikiem siła-prąd, w stosunku do konwencjonalnych układów sterujących.

5 Wynalazek jest szczegółowo opisany na przykładzie jego wykonania i zobrazowany na rysunku, przedstawiającym schemat blokowy układu. Jak pokazano na rysunku układ mikrokomputerowy pomiaru i sterowania magnetoelektrycznym przetwornikiem siła-prąd, zwłaszcza wag wysokiej dokładności, zawiera magnetoelektryczny przetwornik siła-prąd, sprzężony z pojemnościowym czujnikiem przesunięcia oraz ma wzmacniacz pomiarowy analogowego sygnału przesunięcia, współpracujący poprzez przetwornik z mikroprocesorem, zaopatrzonym w pamięć cyfrową. Magnetoelektryczny przetwornik siła-prąd MPSP jest na wyjściu, poprzez ustawione w szereg pojemnościowy czujnik przesunięcia liniowego CP i układ kontroli przesunięcia UKP, przyłączony do wejścia sygnałowego systemu mikrokomputerowego MK. Ma on na drugie wejście sygnałowe przyłączony tor pomiaru temperatury, składający się z zestawionych w szereg czujnika temperatury CT i układu kontroli temperatury UKT. Na wejście operacyjne systemu mikrokomputerowego MK jest przyłączona pamięć programowalna EPROM oraz przycisk tarowania wagi PT. Wyjście strujące mikrokomputera MK jest poprzez ustawione w szereg przetwornik cyfrowo-analogowy PCA i wzmacniacz sterującypws dołączone do wejścia magnetoelektrycznego przetwornika siłaprąd MPSP. Wyjście sygnałowe systemu mikrokomputerowego MK jest poprzez wzmacniacz buforowy WB dołączone do wskaźników cyfrowych WC. Opisany na przykładzie wykonania i zobrazowany na rysunku układ mikrokomputerowy pomiaru i sterowania magnetoelektrycznym przetwornikiem siła-prąd, zwłaszcza wag wysokiej dokładności, działa następująco : magnetoelektryczny przetwornik siła-prąd MPSP połączony poprzez czujnik przesunięcia CP i układ kontroli przesunięcia UKP z mikrokomputerowym systemem MK, jest przezeń sterowany programowo na podstawie sygnałów binarnych z układu kontroli przesunięcia UKP, podłączonego do pojemnościowego czujnika przesunięcia liniowego CP, sprzężonego mechanicznie z cewką przetwornika MPSP. System mikrokomputerowy MK na podstawie sygnału odchylenia z układu kontroli przesunięcia UKP oraz programu operacyjnego wpisanego w pamięci programowalnej EPROM, opracowywuje sygnał cyfrowy, który podawany jest do przetwornika cyfrowo-analogowego PCA. Analogowy sygnał napięciowy z przetwornika cyfrowo-analogowego przetwarzany jest na sygnał prądowy poprzez prądowy wzmacniacz sterujący PWS. Sygnał ten steruje prądem cewki przetwornika MPSP. System mikrokomputerowy MK przesyła również poprzez wzmacniacz buforowy WB sygnały cyfrowe do wskaźników cyfrowych WC, na których można odczytywać bezpośrednio wartość obciążenia znajdującego się na szalce wagi. Zerowanie wagi przeprowadzane jest przy pomocy przycisku tarowania PT, przyłączonego do odpowiedniego wyjścia systemu mikrokomputerowego MK. Układ kontroli temperatury UKT na podstawie sygnałów z analogowego czujnika temperatury CT, umieszczono w korpusie przetwornika, wytwarza kilkubitowy sygnał cyfrowy, który podawany jest do systemu mikrokomputerowego MK, celem przeprowadzenia kompensacji temperaturowej.

6 Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena zł