Аналитические весы

Аналитические весы

СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА

Идея создания электронных лабораторных весов аналитичес-

кого класса точности (до 0.0001 г) возникла после посещения нами

презентации Казахстанского представительства фирмы "Metler-Tolledo"

(США-Швецария), проведенной в городе Рудный в мае 2000 года на

базе акционерного общества Соколовско-Сарбайское горно-производ-

ственное объединение (АО ССГПО).

Представленные на ней аналитические электронные лабораторные

весы имели очень высокую стоимость и, по понятным причинам, не мог-

ли быть приобретены нами. У персонала презентующего продукцию этого

всемирно известного производителя весов нам удалось установить толь-

ко то, что измерительный узел представляет собой тензодатчик вы-

сокой точности, стоимость которого составляет 3/4 всего изделия.

Точность - это визитная карточка данной фирмы, так например у

закупленных АО ССГПО железнодорожных весов точность составляет

400 грамм, которая при существующих требованиях стандарта к точ-

ности данного класса весов в 1% представляется просто фантастичес-

кой.

Объем литературных источников по этому вопросу весьма скуден

и ограничен, в основном, общими знаниями. Из работы [1] мы выяс-

нили, что тензодатчик аналитического класса точности представляет

собой объемную конструкцию из шайб сплавов редких и драгоценных

металлов, обладающих свойством изменения электрических параметров,

например сопротивления, при малейших механических воздействиях

на них. Весьма непростыми являются при этом и устройства измере-

ния, так как определяемый параметр изменяется не только от меха-

нического воздействия, но и от целого ряда других параметров, са-

мым определяющим из которых является температура. Мы смогли най-

ти только тензорезисторы, изготовленные из меди, которые обладают

недостаточной чувствительностью к небольшим изменениям внешнего

давления на них, поэтому от этого подхода мы отказались сразу.

Малопривлекательными для изготовления в условиях школы по-

казались нам и электронно-механические виды аналитических весов,

в которых система противовесов и кодовых шкал с компенсторами [1]

просто не могла быть воспроизведена вне лаборатории точной ме-

ханики и оптики.

В процессе анализа литературных источников нам пришла идея

использования для взвешивания силы взаимодействия магнитного и

электрических полей. Так например, если на магните расположить

катушку, на которую положено взвешиваемое вещество, то при про-

пускании через нее постоянного тока, заранее определенной поляр-

ности, вокруг катушки возникает противоположно направленное элек-

трическое поле и при определенной величине тока вес вещества бу-

дет преодолен и нам остается только выполнить исследование зависи-

мости вес - величина электрического тока.

Однако весы данной конструкции имеют один недостаток - не-

возможность взвешивания материалов обладающих магнитной индукци-

ей, например железных стружек, но список таких материалов незначи-

телен и им можно пренебречь.

СТРУКТУРА ПРЕДЛАГАЕМЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ АНАЛИТИЧЕСКИХ ВЕСОВ

Структура электронных аналитических весов с магнитно-элек-

рическим датчиком веса должна безусловно включать в себя микро-

контроллер для обеспечения быстрого подбора значения электричес-

кого тока, достаточного для преодоления веса. В настоящее время

спектр таких изделий очень широк, но мы выбрали однокристальную

электронную вычислительную машину (ОЭВМ) КР1816ВЕ51 [3,4], исхо-

дя из следующих соображений:

1) компактность исполнения - практически весь спектр воз-

можностей вычислительной машины скомпанован в одной микросхеме;

2) высокое быстродействие - 1000000 операций в секунду;

3) достаточно большой объем внутренней памяти для программы

пользователя - 4 кБ;

4) наличие коммуникационного последовательного программи-

руемого порта для связи с IBM-совместимым компьютером, что очень

важно как с точки зрения отладки программного обеспечения аналити-

ческих веов, так и с точки зрения внешнего управления ими, хра-

нения и статистической обработки производимых взвешиваний;

5) двухуровенная система обработки прерываний для обслужива-

ния событий от шести источников запросов, например поднятие навес-

ки;

6) простой ввод/вывод 32-х дискретных сигналов (есть сиг-

нал - 5 В, нет сигнала - 0 В);

7) два встроенных таймера для точного отслеживания малых и

больших временных интервалов, независимо от действий выполняемых в

данный момент программой;

8) достаточно простой Ассемблер с широкими возможностями в

области арифметики и логики;

9) наличие в нашем распоряжении компилятора Ассемблера и ком-

поновщика программ для автоматизированного создания аппаратно ори-

ентированного программного кода;

10) наличие программы-симулятора, имитирующего выполнение

команд ОЭВМ КР1816ВЕ51, на IBM-совместимом компьютере и облегчающем

поиск ошибок;

11) наличие IBM-совместимого программатора фирмы "Хронос"

(Россия) для прошивки программного кода во внутреннюю память прог-

рамм микросхемы КР1816ВЕ51;

К недостаткам ОЭВМ КР1816ВЕ51 можно отнести недостаточное ко-

личество портов ввода/вывода сигналов, всего 32. Беглый подсчет пот-

ребного количества сигналов показывает, что нам необходимы:

а) 21 выходной сигнал для подбора цифрового аналога токового

сигнала, чтобы обеспечить аналитическую точность в диапазоне веса

0...200 г;

б) 12 выходных сигналов для вывода значения полученного веса

на табло аналитических весов из семи семисегментных цифробуквенных

светодиодных индикаторов и светодиода десятичной точки;

в) 4 входных сигнала управления режимами работы аналитических

весов ("Тара","Однократное взвешивание", "Многократное взвешивание"

и "Температура")

г) 2 входных сигнала для датчиков подьема катушки весов и

температуры воздуха;

д) входной и выходной сигналы для двухстороннего сопряжения

аналитических весов с IBM-совместимым компьютером;

е) выходной сигнал индикации работы аналитических весов.

Таким образом нам недостает, как минимум, 10 сигналов для

успешной реализации схемы на выбранной ОЭВМ. Можно было бы пойти

по пути установки двух ОЭВМ в одном изделии с разделением функций

между ними, но этот подход дорогостоящ и расточителен, поэтому мы

решили использовать недорогую микросхему КР580ВВ55А (программирумый

параллельный адаптер (ППА) [3]) для расширения адресуемых портов

с 32 до 45.

ОЭВМ КР1816ВЕ51 будет передавать данные в 3 порта микросхемы

КР580ВВ55А через один из своих портов (рис. 1), для выбора номера

интересуемого порта и стробирования обращения к ППА необходимы еще

3 вывода. Если запрограммировать микросхему только на вывод, то нет

нужды в подключении к ОЭВМ выводов чтение (RD) и запись (WR) ППА,

так как их можно зафиксировать сигналами c блока питания через ре-

зисторы, нормирующие допустимый для микросхемы входной ток.

На выводы 3-х портов КР580ВВ55А (рис. 1), поскольку она бу-

дет запрограммированна только на вывод, лучше всего подключить уст-

ройство цифроаналогового преобразователя (ЦАП), то есть устройство,

преобразующее цифровой код в токовый аналог, например, код 1388h (де-

сятичное число 5000) в ток величиной 0,5 А.

Кроме того непосредственно к вводам ОЭВМ (рис. 1) должны быть

подключены: датчик подьема веса (ДП); датчик температуры (ДТ) для

более точного подбора токового аналога в диапазоне рабочих темпера-

тур весов; согласователь интерфейсов (СИ) последовательных портов

ОЭВМ и IBM-совместимого компьютера; коммутатор цепи цифроаналогового

преобразователя (КЦ) для предотвращения негативных последствий от

длительного воздействия сильных токов на низкоомную катушку устрой-

ства взвешивания (УВ); пульт индикации и управления (ПИУ). Более

подробно каждому из них будет посвящен отдельный параграф работы.

Структурная схема химических аналитических весов совмещена с

принципиальной электрической схемой подключения ОЭВМ КР1816ВЕ51 и

ППА КР580ВВ55А, на которой питание к микросхемам подается на вы-

воды VCC (5 Вольт) и GND ("земля") [3].

Тактовая частота работы ОЭВМ (D1) задается кварцевым резона-

тором ZQ1 (6 или 12 мГц). Цепочка R1, C3 предназначена для переда-

чи управления по адрусу 000 ОЭВМ КР1816ВЕ51 и инициализации микро-

схемы при включении питания. Так, сразу после включения питания

емкость C3 заряжается и этот заряд "стекает" с обкладки со знаком

"-" через резистор R1; номиналы резистора и емкости этой цепи по-

добраны таким образом, чтобы удержать потенциал больший 2,5 В в те-

чение не менее 5 микросекунд, что достаточно для инициализации

микросхемы D1. Аналогичным способом может быть выполнена автоини-

циализация микросхемы D2, но мы "жестко" зафиксировали вывод пере-

запуска (RST) на "землю", чтобы единственно возможным способом ее

работы стало выполнение команд ОЭВМ КР1816ВЕ51.

Емкость C4 играет роль фильтра высокочастотных помех по пи-

танию, а резистор R2 устанавливает на входе EA ОЭВМ "высокий" по-

тенциал, соответствующий избранности внутренней, а не внешней па-

мяти программ.

Все выводы порта P0 ОЭВМ через токоограничивающие резисторы

R4,R5,...,R11 (1.8 кОм) подключены к питанию + 5 Вольт из-за осо-

бенного исполнения этого порта ("с открытым коллектором"). Напри-

мер, если на выводе P0.0 транзистор микросхемы D1 закрыт, то на

выходе значение единичного сигнала поддерживается внешним питанием

+5В, а в открытом состоянии (коммутация на общий провод через тран-

зистор микросхемы D1) потенциал линии падает до нудевого значения.

Поскольку микросхема D2 предназначена для работы только на вывод

данных, то режим чтения (RD) "жестко" избран неактивным, посред-

ством подключения этого вывода, через токоограничивающий резистор

R12 (1.8 кОм) к питанию +5В, а режим избранности микросхемы (CS) -

активным, подключением его к общему проводу, так как это един-

ственная избираемая в устройстве весов микросхема. Адрес одного

из четырех портов микпосхемы D2 (3 - порт программирования режима

ее работы CW, 2 - порт С, 1 - порт В и 0 - порт А) избирается не-

посредственно с выводов P2.4 и P2.5 ОЭВМ. Исполнение команд про-

изводится при переходе сигнала записи (WR) с потенциала +5В к ну-

левому потенциалу с вывода P2.6 ОЭВМ КР1816ВЕ51.

Временная диаграмма вывода данных в один из избранных портов

микросхемы КР580ВВ55А в режиме 0 приведена на рис. 1а [3]. Микро-

схема КР580ВВ55А имеет три режима обмена: 0, 1 и 2, из которых нам

подходил только нулевой режим, при котором однонаправленный вывод

производится через любой из портов без каких либо сигналов сопро-

вождения (без квитирования) и выходная информация защелкивается в

выходной буфер порта по срезу сигнала WR и остается на выходе это-

го порта до следующего изменения.

__ t

WR +5В

0В

__ +5В

CS

0В

+5В

D

0В

+5В

A0,A1

0В

+5В

А,В,С,CW

0В

Рис. 1а. Временная диаграмма вывода данных через порт

А, В, С или CW микросхемы КР580ВВ55А

На этой диаграмме черточкой сверху обозначены сигналы, актив-

ные при нулевом потенциале, Н - образный переход сигналов означает,

что если сигналы изменяются, то они должны быть изменены сдесь. Вре-

мя t мы подобрали экспериментально, и оно должно быть не менее 2-х

микросекунд, точное время между остальными сигналами не имеет ника-

кого значения - важна лишь их точная последовательность.

БЛОК ПИТАНИЯ

В настоящей работе мы стремились к максимальному использованию

известных и хорошо зарекомендовавших себя разработок, доступных нам

через открытые литературные источники. Так например, электрическая

принципиальная схема излучателя инфрокрасного диапазона заимствована

нами из принтера СМП 6327 [5], а приемника - из схемы бытового теле-

визионного приемника [6], включая также и простое заимствование бло-

ка питания из списанного накопителя на пятидюймовых гибких магнитных

дисках ЕС5321М советского производства [7], достаточно мощного и на-

дежного, принципиальная электрическая схема которого представлена на

рис. 2.

В этой схеме переменное напряжение 220 В через выключатель и

предохранитель FU1 (1 А) поступает на первичную обмотку трансформа-

тора ТПП288-220-50. Из нескольких вторичных обмоток этого трансфор-

матора набираются выходные напряжения переменного тока в 19 и 7

Вольт, которые подаются на два диодных моста, собранных из кремни-

евых диодов КД205В. На выходе с диодных мостов мы имеем выпрямленные

постоянные напряжения со значительными пульсациями, для подавления

которых в цепь параллельно мостам диодов включены электролитические

емкости: С1 (10000 мкФ 50 В) и С2 (2000 мкФ 50 В). В момент времени

когда с выхода диодного моста напряжение возрастает емкости заряжа-

ются, а когда напряжение начинает снижаться стекание заряда с обкла-

док электролитического конденсатора сглаживает проявление этих пуль-

саций на входе стабилизаторов, собранных на резисторах R1, R2 (1 Ом),

емкостях С3...С6 (0,1 мкФ), транзисторах VT1, VT2 (КТ818БМ), микро-

схемах D1 (КР142ЕН8Б), D2 (КР142ЕН5А и емкостях С7, С8 (200 маФ).

Принцип работы стабилизатора следующий: микросхема D1 (D2)

управляет током, протекающим через малоомный резистор R1 (R2), тем

самым изменяя смещение перехода база-эмитер транзистора VT1 (VT2)

и поддерживая на его выходе стабильное значение требуемого для наг-

рузки выходного напряжения питания 12 (5) Вольт. Наличие мощных

транзисторов VT1 и VT2 вызвано требованиями обеспечения больших то-

ков, необходимых в накопителе на гибких магнитных дисках [7] при

запуске его двигателей. Такой блок питания наиболее оптимально под-

ходит и для аналитических весов, в которых также наблюдается крат-

ковременные всплески потребления больших токов протекающих через

катушку устройства взвешивания и цепи цифроаналогового преобразова-

теля.

Емкости С7, С8 включены для сглаживания импульсных пульсаций

нагрузок на стабилизатор, а С5, С6 в качестве фильтра высокочастот-

ных помех.

Предохранитель FU1 защищает сеть переменного тока от перегру-

зок, скажем при коротком замыкании на вторичных обмотках трансформа-

тора, а FU2 и FU3 - блок питания, при перегрузках в питаемых через

них схемах.

ЦИФРОАНАЛОГОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Наиболее оптимальным было бы использование в качестве цифро-

аналогового преобразователя спецализированной микросхемы, что су-

щественно упростило бы электрическую принципиальную схему аналити-

ческих весов и избавило нас от проблемы решения множества проблем,

связанных с этим преобразованием. Например, микросхемы К572ПА1,

К594ПА1 [2] советского производства или импортного производства:

DAC-01 и DAC-02 (фирма Precision Monolitic), MC1406 (Motorola),

HI-1080 и HI-1090 (Harris Semiconductor), AD-562 и AD-7520 (Analog

Devices) [8], или более современные MX7534, MX7535, MX7536, MX7538

(Maxim) [9]. Однако лучшие из этих чипов гарантируют разрешение с

точностью не более 14 разрядов, что явно недостаточно для обеспе-

чения аналитической точности взвешивания в диапазоне 0...200 грамм.

Для обеспечения указанных требований мы должны разработать

принципиальную электричестую схему 21-го разрядного цифроаналого-

вого преобразователя.

Существует два наиболее широко распространенных метода циф-

роаналогового преобразования: с использованием взвешенных резист-

ров и многозвенной цепочки резистров [8].

На рис. 3 представлена принципиальная электрическая схема

цифроаналогового преобразователя с двоично-взвешенными резистора-

ми, которая состоит из n ключей, по одному на каждый разряд, уп-

равляемых выходным сигналом; цепочки двоично-взвешенных резисто-

ров; источника опорного напряжения Uоп и суммирующего операцион-

ного усилителя, на выходе которого получается аналоговый сигнал,

пропорциональный цифровому коду на входе.

В идеальной ситуации ток, на входе операционного усилите-

ля будет равен

An-1хUоп An-2хUоп A1хUоп A0хUоп

I = __________ + __________ + . . . + ________ + ________ .

R R R R

В нашем случае, для 21-разрядного цифроаналогового преоб-

разователя, диапазон изменения сопротивлений резисторов должен

будет соответствовать ряду: 1,2,4,8,...,524288,1048576 Ом. У нас

не было возможности точного подбора такого широкого ряда резис-

торов тем более, что они должны быть все изготовленны по одной

технологии, в связи с чем этот метод построения цифроаналогово

преобразователя - неприемлем.

На рис. 4 представлена принципиальная электрическая схема

цифроаналогового преобразователя с многозвенной цепочкой резис-

торов. В этой схеме использование цепочки резисторов R-2R, при-

водит к тому, что вклад каждого разряда в выходной сигнал про-

порционален его двоичному весу.

Поскольку эта цепочка резисторов является линейной цепью,

то ее работу можно проанализировать методом суперпозиции, то есть

вклад в выходное напряжение от каждого источника рассматривать

независимо от других источников. Окончательно все вклады от каж-

дого разряда суммируются для получения на выходе результата в

виде напряжения Uвых [8].

Таким образом, выходное напряжение цифроаналогового преоб-

разователя пропорционально сумме напряжений со своими весами,

обусловленных лишь теми ключами, которые подключены к источнику

Uоп.

Для нашего 21-разрядного цифроаналогового преобразователя

простое механическое копирование этой схемы невозможно, так как

самые лучшие чипы операционных усилителей LM101A, LF156A или

LM118 не способны обеспечить требуемого разрешения - их предел

14-ть разрядов и 8...12 разрядов - для микросхем операционных

усилителей советского производства (К153УД2, К140УД18 и других).

Можно было бы разработать двухплечевую схему с использованием

на выходе одного из плеч делителя напряжения, но такой подход

приведет к множеству проблем, связанных с обеспечением идентич-

ности плеч и тому подобных. Поэтому мы решили удалить из схемы

приведенной на рис. 4 операционный усилитель, заменив предшест-

вующий ему резистор 2R, многозвенной цепи, катушкой устройства

взвешивания.

Тогда для обеспечения изменения тока на выходе цифроана-

логового преобразования достаточно больших номиналов тока, до

3,5 А, мы должны подобрать пары 2R/R с таким расчетом, чтобы ве-

личина R составляла значение немного большее 1 Ома, при этом ре-

зисторы 2R должны иметь коэффициент деления как можно ближе к

двум, особенно в старших значащих разрядах. Кроме этого, резис-

торы должны быть мощными МЛТ-1 или МЛТ-2, чтобы избежать их вы-

горания при прохождении больших токов.

Подбор номиналов резисторов мы производили с использовани-

ем цифрового измерителя L, C, R Е7-8 из нескольких тысяч резис-

торов, номинала 1,4 и 2,7 Ом, во всех организациях города, в

которых нам удалось их найти: АО ССГПО (6 подразделений), Руд-

ненский индустриальный институт, Рудненский политехнический кол-

ледж и других. Тип и номиналы этих резисторов определяли их ред-

кое использование и поэтому по причине их отсутствия или дефицит-

ности нам не отказали ни в одной из упомянутых организаций.

После продолжительной и утомительной работы нам удалось по-

добрать многозвенную 21-разрядную цепочку сопротивлений, значения

сопротивлений которых сведены в табл. 1.

Таблица 1

Подобранные номиналы резисторов многозвенной цепочки

цифроаналогового преобразователя

Разряд Номиналы резисторов Коэффициент Средние зна-

NN цепи, Ом делимости чения, Ом

20 2,246 1,123 2,000

19 2,248 1,124 2,000

18 2,252 1,126 2,000

17 2,258 1,129 2,000

16 2,260 1,130 2,000

15 2,260 1,130 2,000

14 2,247 1,124 1,999

13 2,249 1,125 1,999

12 2,250 1,126 1,999

11 2,253 1,127 1,999 2,2575

10 2,253 1,127 1,999 --------

9 2,257 1,128 2,001 1,1283

8 2,256 1,127 2,002

7 2,258 1,128 2,002

6 2,260 1,129 2,002

5 2,264 1,131 2,002

4 2,266 1,132 2,002

3 2,266 1,132 2,002

2 2,268 1,132 2,004

1 2,268 1,132 2,004

0 2,269 1,132 2,004

Анализ значений сопротивлений табл. 1 показывает, что для

старших разрядов цифроаналогового преобразователя коэффициенты де-

ления напряжений подобраны практически идеально, с ухудшением до

0,2% в трех младших разрядах (0.04% - в среднем), а группы сопро-

тивлений подобраны с точностью 0.5%, такие параметры существенно

лучше тех, 0.1 и 1.0%, соответственно [8], которые обеспечивают

измерения с погрешнрстью, сопоставимой с половиной величины млад-

шего разряда преобразователя.

Теперь нас подстерегает единственная проблема, сопряженная

с большими величинами токов, которые будут протекать через пере-

ключатели K0, K1, ... ,Kn-1, полностью исключающая возможность

применения для этой цели полупроводниковых переключателей, напри-

мер, AM2009, MM4504, MM5504 [8], DG516 [12] и им подобных. Кроме

того, каждый такой ключ будет иметь собственную величину сопро-

тивления, вклад которого в каждый из разрядов аналогоцифрового

преобразователя будет сильно искажать выходное напряжение.

Единственным решением этой проблемы может стать исполь-

зование в качестве ключа перекидного контакта реле. Неоспоримым

достоинством использования реле является то, что его контакт не

Страницы: 1, 2, 3