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高精度称重变送器设计

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动配 秤是 称重 将秤 受的 , 控机进行 信号测 ,然后 求来 控制秤 ,从而形 环测 , 控制过程。定 : 感器、称 机械承载 统。这些 通过 安装来 低。本 一种 有效 的、经 精度 重变 送器 的设 方案,它包括称重 出信 硬件滤 波、前置 放大 器、参考 络、多 路模 拟开 关、可 编程放 A /D转换器。

1 件设

: 称重变送 高精度 条件 ,结合软件 , 低硬 本。在 性能元 器件 , 新的软 提高称重 送器 度。各 分硬件 的组 成为:

(l ) : L C , 频信 号干 扰。

( 2 ) 放大 : A D 6 2 3 增益 放大器,提高 输入 , 护后 路。

( 3 )参考 电压 : LM 3 8 5 2 .5 , 漂移校 参考 压。

( 4 ) 路模 : C D 4O 5 2,完成 状态 切换。

( 5 ) : A D 6 2 3 位器x 9 c 1 0 3, 现放 变化。

( 6 ) A / D 转换 : 高精度 2 4 转换器 CS5532

1.1 编程 放大

器处 号量 程范 0 3 6 m v,并且要 量程 变换 是无 的。目 市场 大器 P G A 本高,而且 增益 1241 6 有级 , 要求, 用可 通过 外接 电阻的 变换 放大 A D 6 2 3,A D 6 2 3 计算 公式:

K=l + 100 k/R g

:R g为外 阻。

这样 设计 选用 度适 字电 位器, 足增益的连 , 里选 具有 1 00 头、阻 值为 1 0kΩ的 位器 X 9 C 1 0 3, 电位器 , 阻变 程放大 漂移。

一种新 漂移校正 来克服 字电 位器温 题。可 放大器 外接 数字 510Ω电阻,后并联6 8 0 0 Ω , 程放 大器 增益变 2 5.2 2 11.8,增益 递增最小 量为0.1, 此能 够满 求。

1. 2 A / D转换器

A / D C i l rus L o g ic 2 4 △一∑型 C S 5 5 3 2。该转 换器 平衡 技术 极低噪声的 增益 波稳 大器, 达到 2 4 位分 辨率 结果。

C S 5532 P A, 的模 拟输 出可 理称 感器毫 ,大大 感器接 计。但 内置 益为12. 481 632 , 设计 ,所以 本设 计将 内置增 l。多级 字滤波器使其转换 7 .5 Hz 3.8 4 k Hz的范围 , 便与 讯。该 A /D转换 便 步串 ,使 转换的 , SP IM i e ro w i re兼容。

此外,c S 5 5 3 2内部有一个 自校 , 进行 自校准 , 消除 A /D本身 零点增益 ,以及 统通道 差。宽的 动态 特性、可 编程输 出速率、灵 电方式 以及 简便 线 串行输 方式,使 c s5 5 3 2 广 于电 秤、过 控制及 疗仪 等领 , 成为本设计 选择方 案。

C S5 5 3 2 , 要考虑 :

( 1 ) C S 553 2 , 明本 的方案 取得很 的滤 波效 ;

( 2 ) 电源 身会 存在温 ,影响 量准确度, 此本 路将 感器 电压 C S 5 5 3 2 参考 压。

1.3 线制 线补

的四 线制 3个问 :

( 1 ) 改变 长度 的系 ;

( 2 ) 温度 化时, 带来 称重 ;

( 3 ) 电源 来称 差。

设计采 用六 线制 线 ,达到“比 电压测 量”和“ 长线补偿”两 ,这样 送器 器、放大 A /D 换器 三者 的指 , 线 的长短、导 线周 的环 稳定性无 关。

2 滤波

变送器 数据采集 道常 会存 扰信 , ,

, 传感 A /D 器前 加有 源或 R L C , 实施 波。但 拟滤 器受 ,在低频 时实现 , 字滤波 不存 ,它具有 度、高 高稳 特点, 而被 广 用。本 将模 滤波 与数 字滤 波相结 合。模 波硬件 L C 实现, 波采 字滤 算法。

(1)防脉 平均 滤波

脉冲 严重 ,如果采 的平 , 将会 平均到结果中 ,故平 值法不易 脉冲 差。为此,本称 变送 据处理是 点连 续采样8, 2 2 最小 ,然后 取剩 4个采样 平均 , 本次 送人 , 二次 滤波。

( 2 ) 动平 值滤波采 用滑动 法滤波,先在R A M中建 一个数据 , 队列 中对应 8 脉冲 干扰平 后的 数据值 ,然后再对 8 防脉 平均 值。这 样排除 了由 样频 过高, 致采 脉冲 值滤 据成 为脉冲 号的 性。

3 移处

称重 感器 漂移包括零 点漂 增益漂 移。产生 ,如元 器件制 造公差、温度系 变化、材料变 质、电 电压 动、工艺不 良、在 温度、湿度、电 压、振 冲击 发生 变化 等。为 除这 两种 漂移 称量准 的影响, 文介 绍的 漂移 校正 , 硬件基 参考 , 控机A T 8 9 C 5 2 时间隔 电压 络采样 个参考 电压, 出来 漂移, 成功 差。假定 路初 始状 采样 的两 个参考 Vz0 V f0,参考 Dz0 DI0, 学关 系式:

Dx = Dz0 +k×(Vx Vx0 )                    ( 1 )

式中: k = (DI0 Dz0 )/( V f0 V z0  ) ,D为初 字量; Vx初始 拟量。

3.1 点漂移

l 零点 漂移 图。

1 L0 始情 直线, L1 漂移 线。零 点漂 两个 参考 电压 拟量 Lz1Lll , 数字 Dzl Dfl 。只 考虑 的零点漂 , 1 , 将具 点漂移 直线L1 移后 到实 线Lt1 ,分析公式为:

漂移 L1 Dxl =Dzl kl ×(Vx1 Vz1 )             2 )

1 直线L1,L0, , :

k1=(DflDzl)/ (Vf1 Vz1 )= (D10Dz0)/ (V10 Vz0 )=k,

:

漂移 校正:D x=Dx1 ( Dz1 Dz0)                         ( 3 )

3.2 增益漂移

2 益漂 移关 图。

2 L0为初 情况 直线,L2 有增益 漂移后 线。增益漂移后两 个参考 V zZ VZ ,参考 字量为D: 2 D 。只 增益漂移, 公式 :

移后L2 :Dx2=Dz2 +k2 ×( Vx2 Vz2)                   ( 4 )

式中:

k2 =( Df2 D z 2)/(Vf2 Vz2)

漂移 校正:Dx =Dz0 +k3 ×( Dx2 Dz2)           ( 5 )

:k3 =k / k2

3.3 增益漂移

,零点 漂移 漂移同时 在。基于 零点漂移 和只 有增益漂移 ,可以 得到综 的校正 :

Dx = D z0 +k4 ×( Dx 1 Dz1)                    ( 6 )

:

k4 =( Df o D x0 ) / ( Df1 Dz1 )

3.4 移校正 算例

:增益k = 1 0 0, 拟量Vzo =2m VVf0 =5 m V, 传感器信 :V x 0 =15mV,已知 条件:C S553 2 程模 V FS =25 0 0 m V, 电压 Vref =30 00 m V,:

Dz0 =Vz0 ×k×224/Vref= 2×1 00×224 / 3 0 0 0 =1 1 1848 1

Df0 =Vf0 ×k×224/Vref= 5×1 00×224 / 3 0 0 0 =2796203

Dx0 =Vx0 ×k×224/Vref= 15×1 00×224 / 3 0 0 0 =8388608

校正 :

Dx = Dz0 +k4 ×(Dx1Dz1)

假定 点漂移 Dzer0= 400 0 0,漂移 增益为k = 1 0 5

: Dz1 = Dx0 × 1 0 5 / 1 0 0 + Dzer0 =1 2 1 4 40 5

Df1 = Df0 × 1 0 5 / 1 0 0 + Dzer0 =2976013

Dx1 = Dx0 × 1 0 5 / 1 0 0 + Dzer0 =8848038

人校 公式:

Dx=1118481+(27962031118481)×(88480381214405)/(29760131214405)=8388608

4

软件 模块 设计 ,根据系 功能将软 划分 能相 独立 模块, 设计 图。软 块包括 程序、采样 据处 及标 , 3 标度变化 程序 图。

5 验结

称重变 性能实验 果如表1 示。

1 算例 ,改变增益 和零点 采样 ,由表l , 移校 法能 够消除零 漂移 , 提高 系统 度。

6结束语

本文 称重 变送器 件设 ,并介 种新 移校 算法, 而提 统的精 度。本 各方 期设 , 一款 有效 的、经 设计方案。

 

施汉 , . 称技术. 版社,1 99 1, 9.

2  1 6-Bit and 24-Bit ADCs with Ultra Low Noise PGIA.Cirrus Logic,Inc.Crystal.

3 .24 位模 / 数转 换器 CS5 5 3 2 .仪器 表与 ,2 0 0 2 , 7.

4刘光 , ,姚志成. 技术. 电出 版社,2 0 0 3,1 0.

 

作者简介:陈昌. 副教授,研究方向:控制理论与控制工程。 王忠福

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