Аналитические весы
негативного воздействия импульсов тока на ста-
билизатор блока питания.
Достижение в процессе подбора цифрового аналога тока значения,
при котором преодолен вес взвешиваемого вещества, сопровождается под-
нятием площадки для взвешивания и, как следствие, перекрытием створа
излучатель-приемник. Для идентификации данного события и необходим
приемник импульсного излучения инфрокрасного спектра. От схемы прием-
ника, используемого в принтере СМП-6327 [5], пришлось отказаться, так
как он не обеспечивал устойчивого приема при расстояниях более 10 мм
между излучателем и приемником. Мы использовали в качестве приемника
часть электрической принципиальной схемы приемника инфрокрасного из-
лучения бытового телевизионного приемника [6], произведя только за-
мену фотоприемника ФД263 на более миниатюрный, но менее чувствитель-
ный фотодиод VD1 (FD125) венгерского производства (рис. 8).
Приемник представляет собой двухкаскадный усилитель с общим ко-
лектором, выполненный на базе транзисторов VT1 - VT3 (КТ315). Импуль-
сы инфрокрасного излучения воспринимаются фотодиодом VD1, при этом
он открывается и запирается, при отсутствии таковых. Таким образом,
транзистор VT1 играет роль согласователя высокочастотных импульсов,
в диапазоне 0...25 мВ, в низкочастотные с незначительным их усилени-
ем в 1,5...2 раза. Этот сигнал с эмитера VT1 поступает на базу тран-
зистора VT2, включенного в режиме его усиления при отпирании/запира-
нии перехода эмитер-колектор с коэффициентом 9-10, определяемым ном-
иналом резистора R5. При этом на выходе приемника, с колектора тран-
зистора VT2, генерируются колебания с амплетудой 5 Вольт и частотой
задаваемой излучателем. Резисторы R6, R7 и транзистор VT3 образуют
цепь положительной обратной связи между его входом и выходом, необ-
ходимой для их согласования и подавления помех.
Поскольку, удовлетворительных результатов мы добились уже пос-
ле двух каскадов усиления сигнала, то надобность в двух последующих,
имеющихся в схеме [6], отпала. Кроме того, мы понизили напряжение пи-
тания с 12 Вольт в схеме [6], до 5 Вольт, чтобы избежать обратного
преобразования, в связи с требованиями по входу ОЭВМ КР1816ВЕ51, без
ощутимого ухудшения параметров приемника.
Выходной сигнал приемника поступает на вход Р3.2 (INT0) ОЭВМ
КР1816ВЕ51 и, если после очередного изменения токового сигнала на
выходе цифроаналогового преобразователя, на входе P3.2 ОЭВМ не об-
наружены пульсации - значит вес преодолен.
ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА
Мощный блок питания будет источником излучения тепла в ог-
раниченный объем изделия, а, поскольку, величина сопротивления
резисторов зависит от их температуры, то для обеспечения аналити-
ческой точности взвешивания либо необходимо снабдить весы обратным
аналогоцифровым преобразователем, либо достаточно точным электрон-
ным датчиком температуры. Кроме того, наличие такого устройства в
аналитических весах необходимо из-за непостоянства комнатной тем-
пературы не только в разные периоды года, но и в течение суток.
Так как изготовление 21-разрядого аналоговоцифрого преобразователя
более трудоемко, затратно и сложнее, чем датчика температуры, то
мы и остановили свой выбор на последнем.
Одним из простейших видов датчика температуры, ориентирован-
ного на использование возможностей ОЭВМ КР1816ВЕ51, является преоб-
разователь температура-частота. ОЭВМ КР1816ВЕ51 имеет два входа
(P3.2-INT0, P3.3-INT1), изменение состояния которых (переход из "вы-
сокого" состояния сигнала в "низкое" или, наоборот) вызывает аппа-
ратное прерывание выполняемой программы с вызовом программы обра-
ботки этого события. Такая реакция ОЭВМ позволяет программно вы-
числить время между двумя смежными прерываниями или вычислить час-
тоту изменения сигнала.
Сущность этого датчика сводится к созданию генератора, час-
тота которого управляется напряжением из схемы измерения изменения
термосопротивления. В качестве генератора управляемого напряжением
можно использовать микросхему К531ГГ1 (мультивибратор автоколе-
бательный), схемы возможного применения которой приведены в [10],
а задание управляющего напряжения - посредством усиления напряжения
на выходе "моста" резисторов, в одно из плеч которого включено тер-
мосопротивление, при помощи операционного усилителя. Однако мы
смогли найти только старый вариант этого чипа - К218ГГ1-Н [11] и
при тестировании созданного на его основе преобразователя столкну-
лись с проблемой собственной нестабильности генерируемой микро-
схемой частоты при измененнии температуры воздуха, погрешность
в диапазоне температур 0...60°С, допустимых для электронных ком-
понентов данной технологии изготовления, варьировала в интервале
-11...+17% (рис. 9), что неприемлимо для обеспечения аналитической
точности взвешивания. Кроме того, микросхема К218ГГ1-Н имеет от-
носительно большое энергопотребление - около 100 мВт.
Аналогичные проблемы возникли при попытке ее замены на мик-
росхему К1108ПП1 (преобразователь напряжение-частота), которая кро-
ме этого требовала питания +15 В/-15 В.
Контроль стабильности частоты преобразователя мы производили
посредством помещения макета схемы в муфельную печь или морозильную
камеру холодильника с размещением термодатчика вне их. При такой
схеме, вследствие неизменности температуры термодатчика (25°С),
частота на выходе преобразователя должна быть стабильной. О непри-
емлемости преобразователя на микросхеме К218ГГ1-Н свидетельствует
кривая зависимости частота - собственная температура схемы, приве-
денная на рис. 9.
Схема преобразователя температура-частота, приведеннная в
[12], была свободна от отмеченных недостатков (рис. 10). Ее работа
основана на том, что прямое напряжение кремниевого диода, питае-
мого от источника постоянного тока линейно изменяется с температу-
рой в диапазоне 0..60°С. Диод VD1 (IN914) и резистор R2 образуют
делитедь напряжения, питающийся от генератора постоянного тока.
При возрастании температуры прямое падение напряжения на диоде
уменьшается, закрывая транзистор VT1 (ZTX300). Вследствие этого
выходное напряжение транзистора VT1 будет возрастать, что дает воз-
можность использовать его в качестве напряжения, управляющего ге-
нератором D1.
Приведенные в схеме [12] импортные электронные компоненты бы-
ли заменены нами на их аналоги советского производства: D1 на
К176ЛП1 [10], VT1 - КТ617А, VT2 - КТ620А [15], VD1 - КД521А.
В пределах указанных номиналов электронных компонентов при
температуре 0°С частота составила 478 Гц с приростом в 3 Гц на
градус температуры. Зависимость температура-частота имела практи-
чески линейный вид в диапазоне температур 0...60°С и соответство-
вала характеристикам, приведенным в работе [12]. Время установки
стабильной частоты при резком перепаде температур не более 25 се-
кунд. Однако работа преобразователя не отличалась высокой точнос-
тью, а самое неприятное - стабильностью (рис. 11), хотя область
устойчивой работы схемы расширилась на 5 градусов, а сама погреш-
ность уменьшилась до -10...+10%.
Для устранения отмеченных недостатков мы повысили напряжение
питания преобразователя с 9 до 12 Вольт, заменили "комплиментарную
пару" транзисторов (два транзистора, изготовленные по одинаковой
технологии n-p-n и p-n-p типов, коэффициенты усиления которых
равны) на более мощную (КТ972Б и КТ973Б) и подобрали более чувст-
вительный и стабильный диод (КД407А). Такие изменения являются до-
пустимыми для микросхемы К176ЛП1, так как она является аналоговой
и содержит набор трех p- и трех n-канальных КМОП-транзисторов. Эти
преобразования позволили не только стабилизировать работу преобра-
зователя температура-частота (рис. 12), но и избавиться от необхо-
димости понижения имеющегося в нашем блоке питания напряжения в 12
Вольт до необходимых для схемы [12] 9 Вольт. Зона стабильной рабо-
ты преобразователя температура-частота расширилась на 35°С (рис.
12) и расположилась в интервале приемлемых температур для работы
аналитических весов в условиях помещений (5...60°С), с учетом дос-
таточно высокого тепловыделения из компонентов блока питания ана-
литических весов. Погрешность стабилизации схемы в указанном диа-
пазоне изменяется в интервале -1.9...+1.7%, хотя в интервале тем-
ператур 0...3°С становится неприемлимой, достигая -13%.
В измененном варианте были получены следующие характеристики
преобразователя температура-частота: частота 2390 Гц при 0°С с
приростом от 3 до 8 Гц на градус температуры в интервале 0...100°C
(рис. 13). Нелинейностью графика зависимости температура-частота в
интервале 75...100°С можно пренебречь, так как достижение таких зна-
чений температуры в аналитических весах маловероятно, но даже при
проявлении данного события программа ОЭВМ КР1816ВЕ51 известит
пользователя о невозможности продолжения измерений. Тогда, зависи-
мость температура-частота может рассматриваться как линейная с при-
ростом на 3 Гц, на каждый градус увеличения температуры, и наоборот.
Тестирование схемы, приведенной в работе [12], и ее изменен-
ного нами аналога производилось сдедующим образом:
1) в аллюминиевой заготовке размером 38x50x10 были высверлены
3 отверстия диаметром 2.3, 4.2 и 5.9 мм для диода VD1, "жала" элек-
трического паяльника и спиртового градусника, соответственно
(рис. 14);
2) диод был запрессован в отверстие при температуре заготовки
в -5°С с таким расчетом, чтобы во всем исследуемом диапазоне тем-
ператур обеспечивался надежный контакт между ними;
3) отверстие для "жала" паяльника было выбрано из расчета, обе-
спечивающего вход его "жала" на глубину 19 мм при комнатной темпера-
туре в 25°С, а для градусника было увеличено на величину, исключа-
ющую его раздавливание с измененением температуры заготовки за счет
линейного расширения при у
| |  скачать работу |
Аналитические весы |
