RZECZPO SPO LITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 164139 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 283169 Urząd Patentowy (22) Data zgłoszenia: 01.01.1990 Rzeczypospolitej Polskiej (51) IntCl5: G01G3/14 (54) Układ elektroniczny tensometrycznej wagi elektromechanicznej (43) Zgłoszenie ogłoszono: 29.07.1991 BUP 15/91 (76) Uprawniony i twórca wynalazku: Krzysztof Tabędzki, Poznań, PL Paweł Florek, Poznań, PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 30.06.1994 WUP 06/94 PL 164139 B1 (57) Układ elektroniczny tensometrycznej wagi elektromechanicznej. zawierający stabilizowany zespół zasilający prądu zmiennego, mostek tensometiyczny. pomiarowy wzmacniacz napięciowy, układ nastawy tary. blok sumujący, blok przywracający składową stałą sygnału pomiarowego i filar dolnoprzepustowy, załączany wyjściem do dowolnego układu przetwarzania sygnału pomiarowego na postać skalowaną, w którym stabilizowany zespół zasilający przyłączony j est wyjściami do przekątnej zasilanej mostka tensometryczncgo, którego wyjścia z przekątnej połączone są z wejściami pomiarowego wzmacniacza napięciowego, którego wyjście przyłączone j est do j ednego z dwu wejść bloku sumującego, do którego drugiego wejścia przyłączone Jest wyjście układu nastawy tary, zaś wyjściem blok sumujący przyłączony jest do bloku przywracającego składową stałą sygnału pomiarowego przyłączonego z kolei wyjściem do wejścia filtru dolnoprzepustowego. znamienny tym. ze stabilizowany zespól zasilający prądu zmiennego stanowi układ komutowanej pętli prądu stałego (1), zaś blok przywracający składową stałą sygnału pomiarowego stanowi człon prostujący (11). nadto układ zawiera filtr okienkowy ( 10) włączony pomiędzy wyjście bloku sumującego (8) 1wejściem członu prostującego (II), Jednocześnie układ nastawy tary (9) składa się z bloku nastawy tary (13) 1 z komutatora zmiany kierunku sygnału tary ( 14), przy czym blok nastawy tary ( 13) ma
Układ elektroniczny tensometrycznej wagi elektromechanicznej Zastrzeżenie patentowe Układ elektroniczny tensometrycznej wagi elektromechanicznej, zawierający stabilizowany zespół zasilający prądu zmiennego, mostek tensometryczny, pomiarowy wzmacniacz napięciowy, układ nastawy tary, blok sumujący, blok przywracający składową stałą sygnału pomiarowego i filar dolnoprzepustowy, załączany wyjściem do dowolnego układu przetwarzania sygnału pomiarowego na postać skalowaną, w którym stabilizowany zespół zasilający przyłączony jest wyjściami do przekątnej zasilanej mostka tensometrycznego, którego wyjścia z przekątnej połączone są z wejściami pomiarowego wzmacniacza napięciowego, którego wyjście przyłączone jest do jednego z dwu wejść bloku sumującego, do którego drugiego wejścia przyłączone jest wyjście układu nastawy tary, zaś wyjściem blok sumujący przyłączony jest do bloku przywracającego składową stałą sygnału pomiarowego przyłączonego z kolei wyjściem do wejścia filtru dolnoprzepustowego, znamienny tym, że stabilizowany zespół zasilający prądu zmiennego stanowi układ komutowanej pętli prądu stałego (1), zaś blok przywracający składową stałą sygnału pomiarowego stanowi człon prostujący (11), nadto układ zawiera filtr okienkowy (10) włączony pomiędzy wyjście bloku sumującego (8) i wejściem członu prostującego (11), jednocześnie układ nastawy tary (9) składa się z bloku nastawy tary (13) i z komutatora zmiany kierunku sygnału tary (14), przy czym blok nastawy tary (13) mawyjście połączone z jednym z wejść komutatora zmiany kierunku sygnału tary (14), przyłączonego wyjściem do odrębnego wejścia bloku sumującego (8), z kolei układ komutowanej pętli prądu stałego (1) składa się ze źródła prądowego (2), bloku napięcia odniesienia (3), komutatora zmiany kierunku prądu (5) w pętli oraz z generatora (4), przy czym blok napięcia odniesienia (3) ma wyjście przyłączone jednocześnie do wejścia bloku nastawy tary (13) i do wejścia źródła prądowego (2), którego odrębne wyjścia sprzężone są dwukierunkowo z komutatorem zmiany kierunku prądu (5) w pętli przyłączonego wyjściami do przekątnej zasilanej mostka tensometrycznego (6), z kolei generatora (4) swym wyjściem przyłączony jest jednocześnie do wejść taktowanych komutatora zmiany kierunku sygnału tary (14) i komutatora zmiany kierunku prądu (5) w pętli prądu stałego (1). * * * Przedmiotem wynalazku jest układ elektroniczny tensometrycznej wagi elektromechanicznej, w szczególności do pomiarów na wagach z czujnikami tensometrycznymi, usytuowanymi w znacznej odległości od układów przetwarzających sygnały pomiarowe z tych czujników. Z polskiego opisu patentowego nr 120 765 znany jest układ elektryczny wagi z tensometrycznymi czujnikami nacisku,składający się z mostka tensometrów, zasilanego ze stabilizowanego zasilacza napięcia stałego, bloków tarowania i bloków kontroli oraz z potencjometru retransmisyjnego rejestratora kompensacyjnego napięcia stałego. Napięcie z tego potencjometru retransmisyjnego o wartości wprost proporcjonalnej do ważonego ciężaru podawane jest na blok dopasowania i dalej na miernik analogowy i miernik cyfrowy, wyskalowane w jednostkach ważonego ciężaru. Układ ten ma nadto obwody przełączające, umożliwiające pomiar z większej liczby urządzeń. Zastosowane w tym rozwiązaniu zasilanie tensometrów stabilizowanym napięciem stałym, z przetwarzaniem sygnału w układzie kompensatora napięcia stałego, powoduje szereg niedogodności, do których należy niewielka odporność na zakłócenia zewnętrzne. Ogranicza to do minimum odległość układu kompensatora napięcia stałego i układów przetwarzania cyfrowego od czujników mostka tensometrycznego. Z uwagi na brak oddzielenia galwanicznego i spadki
napięć na przewodach zasilających mostek, opisany sposób i układ nie może być stosowany przy znacznych odległościach oddalenia mostka od układów przetwarzających jego sygnał pomiarowy. W takim przypadku przewody zasilające mostek przejmują różne zakłócenia zewnętrzne, przykładowo takie jak przydźwięk sieci związany z jej indukcją i inne, co łącznie ze zwiększonym spadkiem napięcia znacznie obniża dokładność pomiaru. Natomiast brak oddzielenia galwanicznego powoduje, że po digitalizacji sygnału pomiarowego konieczne jest dokonanie oddzielenia każdego bitu wyjściowego. Podobne wady związane z zasilaniem mostka tensometrów ma układ elektroniczny wagi taśmowej, według polskiego opisu patentowego nr 99688, w którym mostek zasilany jest z kluczowanego zasilacza impulsami napięcia o stałej amplitudzie i stałym czasie trwania, lecz o zmiennej częstotliwości, symetrycznej względem zera układu. Na drugiej przekątnej mostka tensometrycznego otrzymuje się prostokątne impulsy o stałej szerokości oraz amplitudzie, proporcjonalnej do nacisku i częstotliwości, proporcjonalnej do prędkości taśmy. Sygnał z mostka tensometrycznego przechodzi przez wzmacniacz, do układu przywracania składowej stałej, kluczowego jak zasilacz impulsowy, z którego wyjścia otrzymuje się sygnał uśredniany we wzmacniaczu z filtrem aktywnym i przekazywany w postaci stałego napięcia do miernika analogowego. Opisany układ wymaga zasilania impulsami napięciowymi symetrycznymi względem potencjału zera układu. Brak tej symetryczności lub przesunięcia zera układu zakłócenia zewnętrzne lub dryft temperaturowy elementów wzmacniaczy mogą być powodem niedokładności pomiarów. Dla uniknięcia spadków napięć na przewodach zasilających czujniki mostka tensometrycznego, zasilacz kluczowany w opisanym układzie musi być blisko mostka. W innym przypadku rozwiązanie to nie nadaje się do bardzo dokładnych pomiarów na wagach z czujnikami tensometrycznymi, w których układ przetwarzający sygnał pomiarowy z tych czujników jest usytuowany w znacznej odległości od miejsca ważenia. Układ elektroniczny tensometrycznej wagi elektromechanicznej, według wynalazku, zawierający stabilizowany zespół zasilający prądem zmiennym, mostek tensometryczny, pomiarowy wzmacniacz napięciowy, układ nastawny tary, blok sumujący, blok przywracający składową stałą sygnału pomiarowego, i połączony z nim szeregowo filtr dolnoprzepustowy, załączony wyjściem do dowolnego układu przetwarzania sygnału pomiarowego na postać skalowaną, w którym stabilizowany zespół zasilający przyłączony jest wyjściami do przekątnej zasilanej mostka, którego wyjścia z przekątnej pomiarowej połączone są z wejściami pomiarowego wzmacniacza napięciowego, którego wyjście przyłączone jest do jednego z dwu wejść bloku sumującego, do którego drugiego wejścia przyłączone jest wyjście układu nastawy tary, zaś wyjściem blok sumujący przyłączony jest do bloku przywracającego składową stałą sygnału pomiarowego, przyłączonego z kolei wyjściem do wejścia filtru dolnoprzepustowego, według wynalazku charakteryzuje się tyra, że stabilizowany zespół zasilający stanowi układ komutowanej pętli prądu stałego, zaś blok przywracający składową stałą sygnału pomiarowego stanowi człon prostujący, nadto układ zawiera filtr okienkowy włączony pomiędzy wyjście bloku sumującego i wejście członu prostującego. Układ komutowanej pętli prądu stałego składa się ze źródła prądowego, bloku napięcia odniesienia, z komutatora zmiany kierunku prądu w pętli, sprzężonego dwukierunkowo odrębnymi połączeniami swych wejść z odrębnymi wyjściami źródła prądowego, z generatora i z komutatora zmiany kierunku prądu w pętli prądowej, którego wyjścia dwukierunkowe przyłączone są do przekątnej zasilanej mostka tensometrycznego. Jednocześnie układ nastawy tary składa się z bloku nastawy tary i komutatora zmiany kierunku sygnału tary, przy czym blok nastawy tary ma wejście przyłączone do wyjścia bloku napięcia odniesienia, załączonego jednocześnie do wejścia źródła prądowego. Nadto blok nastawy tary ma wyjście połączone z jednym z wejść komutatora zmiany kierunku sygnału tary, który do swego wejścia taktowanego ma przyłączone wyjście generatora układu komutawanej pętli prądu stałego, przyłączone jednocześnie do taktowanego wejścia komutatora zmiany kierunku prądu w pętli. Wyjściem komutator zmiany kierunku sygnału tary jest przyłączony do jednego z wejść bloku sumującego.
4 164139 Układ według wynalazku zapewnia wysoką dokładność pomiarów, z uwagi na niewrażliwość na zakłócenia zewnętrzne. W szczególności umożliwia uzyskanie wysokiej dokładności, przy istnieniu znacznej odległości pomiędzy mostkiem tensometrycznym wagi a jej układem elektronicznym, zasilającym ten mostek oraz przetwarzającym jego sygnał pomiarowy na wartość skalowaną z uwagi na brak wrażliwości układu na spadki napięć na przewodach zasilających oraz na wpływ ewentualnych sił elektromotorycznych, występujących w złączach linii zasilających. Pozwała to na odczyt z dużej odległości od miejsca ważenia, przy jednoczesnym zachowaniu wysokiej dokładności pomiaru. Opisane rozwiązanie nadaje się w szczególności do pomiarów ciężarów o wysokim udziale tary w ich wartości, co podnosi rozdzielczość układu i zapewnia wysoką dokładność pomiaru wagi netto. Przedmiot wynalazku został bliżej objaśniony na przykładzie realizacji przedstawionym na rysunku, na którym uwidoczniono schemat blokowy układu elektronicznego tensometrycznej wagi elektromechanicznej według wynalazku. Układ zawiera stabilizowany zespół zasilający prądu zminnego w postaci układu komutowanej pętli prądu stałego 1, wysokostabilnego, składający się z wysokostabilnego źródła prądowego 2, zasilanego z bloku napięcia odniesienia 3, z generatora 4 i z taktowanego z wyjścia generatora 4 komutatora zmiany kierunku prądu 5 w pętli prądowej. Źródło prądowe 2 sprzężone jest dwukierunkowo swymi wyjściami poprzez odrębne połączenia z wejściami komutatora zmiany kierunku prądu 5, który z kolei swymi odrębnymi wyjściami sprzężony jest dwukierunkowo z zasilaną przekątną mostka tensometrycznego 6, poprzez którą zamyka się wspomniana pętla prądowa. Wyjście z przekątnej pomiarowej mostka tensometrycznego 6 załączone są do wejść pomiarowego wzmacniacza napięciowego 7, z którego wyjście załączone jest do jednego z dwu wejść bloku sumującego 8, do którego drugiego wejścia załączone jest wyjście układu nastawy tary 9. Z kolei wyjście bloku sumującego 8 sprzężone jest z połączonymi ze sobą kolejno szeregowo filtrem okienkowym 10, członem prostującym 11 filtrem dolnoprzepustowym 12. Układ nastawy tary 9 składa się z bloku nastawy tary 13 i z komutatora zmiany kierunku sygnału tary 14, przy czym blok nastawy tary 13 zasilany jest z bloku napięcia odniesienia 3 i wyjściem połączony z jednym wejściem komutatora zmiany kierunku sygnału tary 14, który na drugim wejściu jest taktowany z generatora 4, zaś wyjściem załączony jest do jednego z wejść bloku sumującego 8. Mostek tensometryczny 6 zasilany jest prądem zmiennym w postaci wysokostabilnej prądowej fali prostokątnej o wypełnieniu 1:1, stałej stabilizowanej amplitudzie o wartości średniej równej zero i stabilnej częstotliwości, uzyskiwanej z układu komutowanej pętli prądu stałego 1, zamykającej się poprzez zasilaną przekątną mostka tensometrycznego 6. Na przekątnej pomierowej mostka tensometrycznego 6 uzyskuje się sygnał napięciowy Au o przebiegu prostokątnym, częstotliwości prądowej fali prostokątnej zasilającej mostek i amplitudzie proporcjonalnej jednocześnie do amplitudy prądowej fali prostokątnej zasilającej mostek i do wartości niezrównoważenia mostka, niezależnej od rezystancji przewodów zasilających i sił elektromotorycznych, występujących na złączach linii zasilających mostek tensometryczny 6. Uzyskany sygnał napięciowy Au zostaje wzmocniony we wzmacniaczu pomiarowym napięciowym 7, na którego wyjściu uzyskuje się sygnał napięciowy U l, w postaci zmiennego napięcia prostokątnego o amplitudzie, proporcjonalnej do wartości nie zrównoważenia mostka tensometrycznego 6, obciążony składową stałą i ewentualnymi zakłóceniami, podawany na jedno z dwu wejść bloku sumującego 8. Do drugiego wejścia bloku sumującego 8 jest podawany synchronicznie wyjściowy sygnał nastawy tary 9. Sygnał ten ma postać prostokątnego napięcia zmiennego UT o regulowanej w bloku nastawy tary 13 amplitudzie. Sygnał UT powstaje w komutatorze zmian kierunku sygnału tary 14, taktowanym z generatora 4 synchronicznie z komutatorem zmian kierunku prądu 5, w pętli prądowej zasilającej mostek tensometryczny. Stabilny sygnał napięciowy bloku nastawy tary 13 jest w nim ustalany na bazie sygnału napięcia odniesienia 3. W bloku sumującym 8 sygnał napięciowy Ul z wyjścia wzmacniacza pomiarowego 7 i sygnał napięciowy UT z wyjścia układu nastawy tary 9 odejmują się. Różnica tych sygnałów, będąca miarą przyrostu niezrównoważenia mostka tensometrycznego 6 jest sygnałem użytecznym, który następnie zostaje przepuszczony przez filtr okienkowy,
164139 5 o częstotliwościach zaporowych skorelowanych z częstotliwością generatora 4. Tak odfiltrowany sygnał napięciowy unipolaryzuje się w członie prostującym 11, a następnie filtruje się w filtrze dolnoprzepustowym 12, o częstotliwości zaporowej znacznie niższej od częstotliwości składowych harmonicznych sygnału z członu prostującego 11, uzyskując sygnał napięcia stałego U2, o wartości proporcjonalnej do wartości niezrównoważenia mostka tensometrycznego, który następnie można przetwarzać w dowolny sposób na postać pomiarową skalowaną.
164139 Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 10 000 zł