專利名稱：力測定器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種稱作電磁力自動平衡式的力測定器，產(chǎn)生與待測定的質量、載重或壓力相反的電磁力，自動地使它們平衡，根據(jù)在該平衡狀態(tài)下產(chǎn)生的電磁力大小測定待測物理量。
象電子天平，氣-電變換器這種電磁力自動平衡式力測定器，一般借助電磁力發(fā)生裝置，它通過使電流流過置于靜磁場中的施力線圈產(chǎn)生電磁力，產(chǎn)生與待測質量、載重或壓力(稱作待測物理量)相反的電磁力，該電磁力與待測物理量的平衡狀態(tài)由位移檢測部檢測，該結果經(jīng)PID(比例、積分、微分)運算后再反饋給施力線圈，從而使待測物理量與電磁力平衡。而且，根據(jù)該平衡狀態(tài)的反饋量求得待測物理量的測定值。
這種電磁力平衡式力測定器通常是通過對模擬量的位移檢測結果作模擬運算來進行PID運算的。此運算后的信號流入施力線圈，該施力線圈所流過的電流通過電阻變換為模擬電壓信號后，經(jīng)A-D變換器數(shù)字化，再送到微機中，在平均化處理等運算后確定測定顯示值。
可是，這種模擬取樣方式的電磁力自動平衡式力測定器，要在動態(tài)范圍不變差的情況下獲得高精度，就需要增加A-D變換器的位數(shù)，但位數(shù)比較大的A-D變換器若采用可實現(xiàn)高響應顯示的高速A-D變換器，就有裝置極為昂貴的問題。
而且，施力線圈流過的電流通過電阻變換為模擬電壓信號時，由于該電阻本身發(fā)熱，存在電阻值變動、間隔寬度值變化的問題。還有這樣的問題，就是因施力線圈發(fā)熱而使用作靜磁場的永久磁鐵溫度上升，靜磁場變化，而產(chǎn)生測定值偏差。
還有，模擬取樣方式的控制要獲得穩(wěn)定，一般需要使系統(tǒng)的比例增益下降，而要提高測定分辨率則需要使比例增益提高，它們所要求的辦法是互相矛盾的，因而要獲得高分辨率穩(wěn)定的力測定器是極其困難的。
因此，可以考慮PID運算全部由數(shù)字化運算來進行，但簡單地全部數(shù)字化，不僅無法避免使用高速度多位的A-D變換器，而且成本上升也相當大。
本發(fā)明目的在于提供一種容易獲得的電磁力自動平衡式天平、壓力測定器所采用的力測定器，它不用高速A-D變換器，卻能做到便宜、系統(tǒng)高響應，且穩(wěn)定不易受外界干擾，而且能實現(xiàn)寬動態(tài)范圍與高分辨率。
為達到該目的，在使用本發(fā)明電磁力自動平衡式力測定器的天平中，引入一模擬運算器，對檢測平衡機構平衡狀態(tài)用的位移檢測器的模擬位移檢測信號進行比例以及微分運算，并引入一變換裝置，將該模擬位移檢測信號變換為與位移檢測信號大小相應的頻率的脈沖信號。而且，還引入一升降計數(shù)器，根據(jù)模擬位移檢測信號的極性將該變換裝置輸出的脈沖信號作為上升或下降計數(shù)輸入，該計數(shù)器的數(shù)字計數(shù)結果再由D-A變換裝置變換為模擬信號。而且構成中還包括，將該D-A變換裝置的輸出與模擬運算器的輸出相加后的信號反饋給電磁力發(fā)生裝置的施力線圈，同時，僅將計數(shù)器的計數(shù)結果用作測定值的確定。
按照這樣構成的天平，對變換裝置輸出的脈沖信號進行計數(shù)的計數(shù)器數(shù)字輸出等價于任何時刻的模擬位移檢測信號的積分結果。而且，該升降計數(shù)器輸出經(jīng)D-A變換裝置模擬化的信號與模擬運算器對模擬位移檢測信號進行比例經(jīng)及微分運算得到的信號，兩者相加的信號反饋給施力線圈，這樣該施力線圈反饋得到的是位移檢測信號的PID運算結果，從而與通常的模擬控制一樣，可以進行電磁力與待測載重或質量的自動平衡控制。
這里，用到這種PID控制的基于零位法的測定器，為了在外界有影響或測定值變動時使系統(tǒng)平衡，需要反饋的是進行過P(比例)以及D(微分)運算的信號，通常的測定器以P+I+D的信號作為測定值。但在取樣系統(tǒng)穩(wěn)定的狀態(tài)下P＝0、D＝0，因而載重或質量其測定顯示值所需的僅僅是I(積分)運算結果，P以及D的運算結果是不需要的。因此，只將模擬化之前的升降計數(shù)器計數(shù)結果，即僅將數(shù)字積分結果用于確定測定顯示值，這樣，不用A-D變換器，也就不需要此變換時間，就能獲得穩(wěn)定的測定顯示值。
而且，在使用本發(fā)明電磁力自動平衡式力測定器的壓力測定器中，設有可測定壓力并與流體氛圍氣相連通的隔膜，壓力經(jīng)隔膜變換為力后，使之產(chǎn)生與此相反的電磁力。這樣的話，后面的測定可以與天平的情況完全相同。


圖1是本發(fā)明實施例天平的構成圖，它同時示出機械構成的模式圖與電路構成的方框圖。
圖2是本發(fā)明另一實施例天平的構成圖，它也同時示出機械構成的模式圖與電路構成的方框圖。
圖3是本發(fā)明實施例氣壓測定器的構成圖，它同時示出機械構成的模式圖與電路構成的方框圖。
以下參照附圖敘述本發(fā)明較佳實施例。
圖1示出應用本發(fā)明力測定器的電磁力自動平衡式天平，該例中的天平具有粗測以及精測兩個范圍。
承載待測載重用的測定皿1支承在天平橫梁2上，此天平橫梁以支點為中心傾斜自如，作為平衡機構的主體。天平橫梁2的位移(傾斜量)由位移檢測器3檢測。位移檢測器3的模擬輸出由前置放大器4放大后，送至后面述及的電路，以便粗測和精測兩種方式各自的施力線圈5a以及5b所流過的電流得到控制。
施力線圈5a以及5b分別置于靜磁場中，各自一旦流過電流，便產(chǎn)生與其電流大小相應的電磁力，該電磁力方向與待測載重相反，作用于天平橫梁2上。
經(jīng)前置放大器4放大的位移檢測信號輸入到絕對值電路6、模擬PD(比例以及微分)運算電路8以及過零檢測器9。絕對值電路6的輸出送至V/F變換器7與比較器10，由V/F變換器7生成與位移檢測值的絕對值成正比的某一頻率的脈沖信號。
V/F變換器7輸出的脈沖信號送到粗測的升降計數(shù)器11a與精測的升降計數(shù)器11b，而這些升降計數(shù)器11a以及11b則將上述過零檢測器9產(chǎn)生的位移檢測值的極性變化檢測信號作為升/降控制信號，若檢測值為正則使脈沖信號相加，為負則減去脈沖信號。另外，比較器10將在后面提及。
粗測以及精測的升降計數(shù)器11a以及11b的計數(shù)輸出分別送至采用了PWM(脈沖寬度調制)電路以及低通濾波器的D-A變換器12a以及12b。該D-A變換器12a以及12b的構成為，對升降計數(shù)器11a、11b的輸出進行PWM調制，作成其工作狀態(tài)與計數(shù)值相對應的方波信號，即PWM信號，該PWM信號再經(jīng)低通濾波器平滑處理，從而獲得模擬直流信號。這里，各D-A變換器12a以及12b中采用鎖存電路120a或120b，將送至PWM調制電路的輸入臨時鎖存，使PWM電路與計數(shù)器11a、11b保持同步。若沒有這種鎖存電路120a或120b，各計數(shù)器11a、11b由于通常是執(zhí)行計數(shù)動作的，當然變換的通/斷狀態(tài)是不同的，因而就不能期望得到忠實的變換。
各D-A變換器12a以及12b的模擬輸出信號分別經(jīng)功率放大器13a以及13b電壓-電流變換后，分別流過粗測以及精測的施力線圈5a及5b，但粗測的施力線圈5a流過的信號是功率放大器13a輸出的信號與模擬PD運算器8輸出的經(jīng)功率放大器13c電流變換后的信號兩者相加的信號。
前面所述的比較器10將位移檢測值的絕對值同預先設定的微小的初始值相比較，此比較結果可用作范圍切換的監(jiān)測信號。具體來說，絕對值電路6的輸出比初始值大時，V/F變換器7輸出的脈沖信號僅送給粗測的升降計數(shù)器11a。這時，該計數(shù)輸出通過D-A變換器12a以及功率放大器13a電流變換后的信號與模擬PD運算器8輸出的經(jīng)功率放大器13c電流變換后的信號兩者相加的電流只流過粗測的施力線圈5a，由此產(chǎn)生的電磁力與待測載重進行平衡，基于此平衡狀態(tài)的天平橫梁2位移檢測值送回絕對值電路6，僅僅形成粗測的反饋回路。這種狀態(tài)下若系統(tǒng)正開始穩(wěn)定時，位移檢測值就逐漸趨近于零，這時位移檢測值的絕對值就限于比較器10的初始值以下時，由此比較輸出，便將絕對值電路6的輸出送給精測的升降計數(shù)器11b，此后，包括此精測的升降計數(shù)器11b，D-A變換器12b以及功率放大器13b在內的精測反饋回路也動作，與上述粗測的反饋回路一起執(zhí)行由粗測和精測兩個回路進行的控制。
在粗測和精測兩個回路均動作的狀態(tài)下，當精測的升降計數(shù)器11b溢出時，就產(chǎn)生進位及溢出信號，并送至粗測的升降計數(shù)器11a，以便此升降計數(shù)器11a計數(shù)遞增。
這里，粗測的升降計數(shù)器11a的LSB(最低位)與精測的升降計數(shù)器11b的MSB(最高位)的關系，可以設法使這兩者在各自的施力線圈5a以及5b中所產(chǎn)生的電磁力相一致，或者，也可以是將數(shù)位部分疊加，這時可以根據(jù)上述進位溢出信號將與此疊加量相當?shù)挠嫈?shù)增加給粗測的升降計數(shù)器。
粗測以及精測的升降計數(shù)器11a以及11b各計數(shù)輸出被送到微機14中，兩輸出根據(jù)上述關系互相重疊相加，該相加結果經(jīng)過例如平均化處理等適當?shù)倪\算處理，確定可在顯示器15上顯示的測定值。
另一方面，模擬PD運算器在天平橫梁2位于基準位置(位移零位)附近達到穩(wěn)定狀態(tài)之前的過渡狀態(tài)時，起到了對系統(tǒng)進行最佳引導的控制外界擾動的作用，當系統(tǒng)穩(wěn)定時由于其輸出為0，故不參與測定值的確定。
這里，微機14在用重疊相加結果進行的運算處理中，希望將上述比較器10的比較結果用作周圍環(huán)境、特別是周圍振動的監(jiān)測結果，與此相應改變運算處理的內容。也就是說，天平設置場所有外界振動時，不論對于測定皿1有無靜載重作用，位移檢測器3的輸出總是變動的。這時，粗測反饋回路即使處于穩(wěn)態(tài)，但位移輸出值變動，其絕對值無法穩(wěn)定地限于初始值以內。這種狀態(tài)由于能通過比較器10的輸出來識別，因而這種場合能獲得消除外界振動影響的穩(wěn)定顯示值，例如通過增大用于平均化的數(shù)據(jù)個數(shù)，或通過對積分用的V/F變換器輸出的計數(shù)進行分頻送入計數(shù)器，使積分常數(shù)變化，提高穩(wěn)定度等方法，并改變用來確定測定顯示值的運算處理，通常能獲得穩(wěn)定的測定顯示值。
以上實施例中特別值得注意的是，位移檢測器3輸出的PID運算中，僅僅I運算執(zhí)行數(shù)字運算，P以及D運算均執(zhí)行模擬運算，這些各運算結果的合計用作反饋信號，基于數(shù)字的I運算結果用作測定顯示值的確定，而且，用來進行I運算的信號在數(shù)字化時，未采用A-D變換器，而是通過V/F變換器與升降計數(shù)器進行的，該I運算結果在模擬化時則采用PWM電路與低通濾波器的組合電路，該PWM電路則采用了可保持與升降計數(shù)器同步的周期鎖存電路。
因此，無需用高速A-D變換器就可以實現(xiàn)I運算數(shù)字化，與以往采用模擬取樣方式的情況相比，不需要高速A-D變換器即能達到成本降低的目的，同時，不需要A-D變換時間，故在靠模擬運算進行PD運算的過渡狀態(tài)中實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定性與高響應，因此能進行高穩(wěn)定高響應的測定顯示。
而且，通過采用粗測以及精測2個回路使它們自動合適地工作，就可以分割動態(tài)范圍，對于粗測回路則使回路增益增大，對于精測回路則使回路增益減小，從而可以獲得不僅動態(tài)范圍寬而且分辨率也高的天平。
另外，本發(fā)明不僅限于象以上實施例那樣設有粗測以及精測兩個回路，當然也可以是一個進行數(shù)字I運算的回路與進行模擬PD運算的回路的組合，圖2示出這種實例。
圖2實例實質上是圖1中粗測以及精測的2個回路中去掉了精測回路，其它構成則與圖1實例完全相同。圖2中，兩例相同的部件或電路均標上與圖1相同的標號，并省略其詳細說明。在該圖2例中，去掉精測回路的結果是比較器10不再需要了，在測定顯示值的確定過程中，D-A變換器12a的輸出的電流變換信號與模擬PD運算器8的輸出的電流變換信號之和流過一個施力線圈5a，只將升降計數(shù)器11a的計數(shù)值用于顯示值的確定。
此外，以上各例中的電路構成對于如圖3所示采用隔膜的電磁力自動平衡式壓力測定器也可完全同樣地適用。也就是說，本實施例其橫梁33與壓力測定器31的隔膜32連接，該隔膜與可測定壓力的流體氛圍氣相連通。
而且，經(jīng)隔膜32將壓力變換為力以后，由施力線圈35產(chǎn)生與之相反的電磁力，可以進行與上述天平例完全相同方法的測定。壓力與力的關系與隔膜擠壓力、進而與氣體壓力存在一定關系，這種關系存儲在計算機中。
計算機中送進升降計數(shù)器11a的計數(shù)結果，此值根據(jù)上述關系換算為氣體壓力值，在顯示器中顯示。
這時，與天平相同，不用高速A-D變換器即可實現(xiàn)確定測定顯示值所必需的I運算結果的數(shù)字化，從而可獲得低價格、高穩(wěn)定、高響應的壓力測定器。
采用這種隔膜的電磁力自動平衡式壓力測定器也與天平相同，當然也可以形成如圖1例示的粗測以及精測兩個反饋回路，在這種情況下也可獲得與圖1實施例天平相同的效果。
權利要求
1.一種電磁力自動平衡式力測定器，由具有施力線圈的電磁力發(fā)生裝置產(chǎn)生作用于平衡機構的與待測力相反方向的電磁力，該電磁力與待測力的平衡狀態(tài)由位移檢測器檢測，對該模擬檢測信號進行比例、積分以及微分運算處理之后，該運算后的信號反饋給所述施力線圈使上述平衡機構平衡，根據(jù)該平衡狀態(tài)的反饋量確定所述待測力的測定值，其特征在于包括輸入所述位移檢測器的模擬檢測信號，并進行比例以及微分運算的模擬運算器；將所述模擬檢測信號變換為與其大小相應的某一頻率的脈沖信號的脈沖變換裝置；根據(jù)所述模擬檢測信號的極性將該脈沖變換裝置輸出的脈沖信號作為遞增或遞減計數(shù)輸入的升降計數(shù)器；以及將該計數(shù)器的數(shù)字計數(shù)結果變換為模擬信號的D-A變換裝置，所述力測定器構成為，將該D-A變換裝置輸出與所述模擬運算器輸出相加后的信號反饋給所述施力線圈，而且只將所述計數(shù)器的計數(shù)結果用作確定測定值。
2.如權利要求1所述的電磁力自動平衡式力測定器，其特征在于，所述位移檢測器的模擬檢測信號經(jīng)放大器放大后，送至絕對值電路以及過零檢測器，所述絕對值電路的輸出經(jīng)V-F變換器變換為脈沖信號，同時由所述過零檢測器檢測所述模擬檢測信號的極性變化，根據(jù)該極性變化的檢測結果控制所述升降計數(shù)器的遞增/遞減計數(shù)動作。
3.如權利要求1或2所述的電磁力自動平衡式力測定器，其特征在于，所述D-A變換裝置包括輸入所述計數(shù)器計數(shù)結果的脈沖寬度調制電路;輸入該脈沖寬度調制電路輸出的低通濾波器;臨時鎖存所述脈沖寬度調制電路的輸出，以保持該脈沖調制電路調制動作與所述計數(shù)器計數(shù)動作同步的鎖存電路。
4.如權利要求1或2或3所述的電磁力自動平衡式力測定器，其特征在于，對所述升降計數(shù)器以及使該輸出模擬化的D-A變換裝置設置了用于粗測以及精測的兩組，此兩組D-A變換裝置的輸出與所述模擬運算器輸出相加的信號反饋給所述施力線圈，并且包括一判定所述位移檢測器模擬檢測信號絕對值大小的判定裝置，根據(jù)此判定結果，當所述模擬檢測信號比預定的初始值大時，所述脈沖變換裝置輸出的脈沖信號就僅供給粗測升降計數(shù)器，而當所述模擬檢測信號在所述初始值以下時，所述脈沖信號就供給粗測以及精測的兩組升降計數(shù)器，同時將所述粗測以及精測的各升降計數(shù)器的計數(shù)結果按預定重組方式相加后的結果用作確定測定值。
5.如權利要求1或2或3或4所述的電磁力自動平衡式力測定器，其特征在于，所述平衡機構是包括承載待測重的測定皿在內的天平機構，所述待測力由該測定皿承載的待測載重施加，且所述測定值是換算為質量或重量值顯示的。
6.如權利要求1或2或3或4所述的電磁力自動平衡式力測定器，其特征在于，所述平衡機構包含待測流體壓力作用的隔膜，以及與該隔膜相連的可動橫梁，該可動橫梁的位移由所述位移檢測器檢測，同時所述待測力由作用于所述隔膜的待測流體壓力施加，且所述測定值是換算為壓力值顯示的。
全文摘要
一種力測定器，通過測定反作用于待測力的電磁力確定待測力的大小。它包括施力線圈；檢測天平平衡時發(fā)生位移的位移檢測器；對位移檢測器輸出的模擬檢測信號進行PD運算的模擬運算器；將模擬信號變換為與該信號大小相應的某一頻率的脈沖變換器；根據(jù)模擬信號的極性對脈沖變換器的脈沖信號遞增或遞減計數(shù)的升降計數(shù)器；將上述計數(shù)變換為模擬信號的D/A變換器，將此變換器的輸出與模擬運算器的輸出之和反饋給施力線圈，只將上述計數(shù)結果用于確定測定值。
文檔編號G01G7/04GK1098196SQ94103609
公開日1995年2月1日 申請日期1994年3月25日 優(yōu)先權日1993年3月26日
發(fā)明者山口敏之, 河本晟 申請人:株式會社島津制作所