Как устроены современные электронные весы: от сигнала тензодатчика до результата измерения

Электронные весы давно перестали быть устройством, задача которого сводится только к отображению массы на цифровом индикаторе. В современных моделях измерительный тракт включает чувствительный элемент, аналоговую часть, аналого-цифровое преобразование, цифровую обработку сигнала и систему компенсации внешних воздействий. Чем выше требования к точности измерений, тем существеннее становится роль электроники.

Особенно хорошо это заметно на лабораторном оборудовании. Если в обычных товарных или складских весах достаточно устойчиво определить массу с относительно крупным шагом, то лабораторная техника должна регистрировать значительно меньшие изменения массы и при этом сохранять стабильность результатов.

От деформации к электрическому сигналу

В основе многих электронных весов находится весоизмерительный преобразователь. Под действием нагрузки упругий элемент незначительно деформируется, а закреплённые на нём тензорезисторы изменяют своё сопротивление.

Обычно тензорезисторы включаются в мостовую измерительную схему. При отсутствии нагрузки мост близок к равновесию. После приложения силы возникает небольшое дифференциальное напряжение, величина которого связана с деформацией чувствительного элемента и, соответственно, с приложенной нагрузкой.

Речь идёт о малых сигналах, поэтому непосредственно подать выход преобразователя на обычный АЦП недостаточно. Измерительная электроника должна обеспечить усиление полезного сигнала при минимальном собственном шуме и дрейфе.

Аналоговая часть измерительного тракта

Слабый сигнал чувствительного элемента поступает на аналоговый входной каскад. Его задача — подготовить сигнал для дальнейшего преобразования.

В зависимости от конструкции устройства здесь могут использоваться инструментальные усилители, фильтры, стабилизированные источники возбуждения и схемы защиты входов. Большое значение имеют собственные шумы компонентов, температурный коэффициент и качество источника опорного напряжения.

Чем меньше изменение массы, которое необходимо зарегистрировать, тем заметнее становятся факторы, которыми в менее точном оборудовании можно пренебречь.

Например, на результат способны влиять температурный дрейф электронных компонентов, нестабильность питания, электромагнитные помехи и наводки. Поэтому повышение разрядности АЦП само по себе ещё не означает соответствующего увеличения реальной точности устройства.

Аналого-цифровое преобразование

После предварительной обработки аналоговый сигнал преобразуется в цифровой код.

В весоизмерительной технике часто применяются АЦП высокой разрядности. Однако номинальное количество бит — лишь одна из характеристик системы. Практическое разрешение ограничивается шумом всего измерительного тракта.

После преобразования микроконтроллер или специализированный процессор получает последовательность цифровых значений, которые ещё нельзя непосредственно считать показаниями массы. Требуется дополнительная математическая обработка.

Цифровая фильтрация и стабилизация показаний

На платформу весов постоянно воздействуют внешние факторы: вибрация стола или пола, движение воздуха, механические колебания конструкции и электрические помехи.

Программные алгоритмы позволяют частично отделить полезный сигнал от этих воздействий. Используются усреднение последовательности измерений, цифровые фильтры, алгоритмы определения установившегося значения и компенсационные коэффициенты.

При этом разработчику приходится искать компромисс. Слишком интенсивная фильтрация делает показания визуально стабильными, но увеличивает время реакции прибора. Недостаточная фильтрация обеспечивает быстрый отклик, однако последняя цифра на дисплее может постоянно изменяться.

Поэтому характер цифровой обработки выбирается с учётом назначения конкретного оборудования.

Почему высокоточные весы значительно сложнее

По мере увеличения требуемой разрешающей способности становится недостаточно совершенствовать только электронную часть.

Например, современные аналитические весы предназначены для работы с очень небольшими изменениями массы. В таких приборах результат зависит уже не только от характеристик измерительного преобразователя и АЦП, но и от температуры, воздушных потоков, вибрации, статического электричества и правильности установки оборудования.

Поэтому высокоточные модели оснащаются ветрозащитными камерами, системами контроля уровня, встроенной калибровкой и алгоритмами температурной компенсации.

Именно здесь особенно хорошо видна разница между разрешением электронной схемы и метрологическими характеристиками всего прибора. Получить большое число отсчётов АЦП относительно просто; обеспечить воспроизводимое измерение соответствующей точности значительно сложнее.

Калибровка как часть измерительной системы

Преобразование цифрового кода АЦП в значение массы требует определения коэффициентов, связывающих электрический сигнал с реальной нагрузкой.

В простейшем случае для настройки используется внешний эталонный груз. В более сложных лабораторных моделях применяется встроенная калибровочная система. Внутренний механизм устанавливает контрольный груз, после чего электроника определяет необходимую поправку.

Некоторые приборы способны запускать эту процедуру автоматически, например при существенном изменении температуры.

С точки зрения электроники такая система интересна тем, что объединяет высокоточный измерительный тракт, механический исполнительный механизм, датчики и программное управление в одном устройстве.

Передача результатов во внешние системы

Современные весы всё чаще являются частью автоматизированного комплекса.

Для передачи результатов могут использоваться RS-232, USB, Ethernet и другие интерфейсы. Данные поступают на компьютер, принтер, систему учёта или непосредственно в производственное оборудование.

В лаборатории это позволяет автоматически регистрировать результаты измерений и уменьшать количество ручных операций. В промышленности весовой терминал может участвовать в дозировании, контроле массы и управлении технологическим процессом.

Таким образом, обычная на первый взгляд операция определения массы представляет собой полноценную измерительную задачу. Между механической деформацией чувствительного элемента и цифрами на дисплее находится целая цепочка: преобразование физической величины в электрический сигнал, усиление, фильтрация, аналого-цифровое преобразование, программная обработка и метрологическая коррекция.

И чем выше требуемая точность, тем больше значение имеет качество каждого звена этой цепи.