Лекция 25 мин.
Привет, Вы узнаете о том , что такое электронные весы, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое электронные весы, взвешивание, тензодатчик, тензорезистор, электромагнитная компенсация, тарирование , настоятельно рекомендую прочитать все из категории электромеханические устройства электронных аппаратов.
Весы́ — устройство или прибор для определения массы тел (взвешивания) по действующему на них весу, приближенно считая его равным силе тяжести . Вес тела может быть определен как через сравнение с весом эталонной массы (как в рычажных весах), так и через измерение этой силы через другие физические величины.
В статье рассмотрены сущность, классификация, конструктивные особенности и принципы действия электронных весов как современных средств измерения массы. Проанализированы основные типы электронных весов, включая торговые, бытовые, промышленные, лабораторные, аналитические, ювелирные и специальные измерительные системы. Особое внимание уделено принципам преобразования механического воздействия нагрузки в электрический сигнал с использованием тензорезистивных датчиков, электромагнитной компенсации силы и других измерительных технологий. Рассмотрены понятия дискретности, точности, чувствительности, предела взвешивания и погрешности. Отдельно проанализирована функция тарирования, позволяющая определять массу содержимого тары без предварительного знания ее массы. Показано, что современные электронные весы представляют собой не просто устройства для определения массы, а сложные измерительные системы, объединяющие механические, электронные и программные компоненты.
Электронные весы представляют собой измерительное устройство, предназначенное для определения массы объекта посредством преобразования силы, создаваемой его массой под действием гравитационного поля, в электрический сигнал.
В общем случае масса связана с силой тяжести соотношением:
F = mg,
где (F) — сила тяжести, (m) — масса объекта, (g) — ускорение свободного падения.
Следовательно, электронные весы непосредственно реагируют не на массу как абстрактную физическую величину, а на силовое воздействие нагрузки на чувствительный измерительный элемент. Электронная система преобразует это воздействие в электрический сигнал, после чего вычисляет и отображает соответствующее значение массы.
Обобщенная структурная схема электронных весов может быть представлена следующим образом:
нагрузка → механический узел → датчик → электрический сигнал → усиление и преобразование → цифровая обработка → дисплей/интерфейс.
Таким образом, электронные весы являются измерительной системой, в которой одновременно используются механические, электрические и вычислительные процессы.
в электронные весы должны входить следующие компоненты:
Структурная схема электронных весов и принцип взаимодействия отдельных блоков приведены на рисунке 1.

Рисунок 1 – Структурная схема электронных весов и принцип взаимодействия отдельных блоков
Измерение массы является одной из наиболее распространенных измерительных задач в промышленности, торговле, лабораторной практике, сельском хозяйстве, медицине и бытовой сфере. Необходимость получения точных и воспроизводимых результатов обусловила развитие различных конструкций весоизмерительных приборов.
Исторически измерение массы осуществлялось преимущественно с помощью механических весов, принцип действия которых основывался на сравнении массы исследуемого объекта с эталонными гирями либо на измерении деформации упругого элемента. Развитие электронной техники привело к созданию электронных весов, в которых механическое воздействие нагрузки преобразуется в электрический сигнал, обрабатывается электронным устройством и представляется пользователю в цифровой форме.
Главным преимуществом электронных весов является возможность автоматизации процесса измерения, высокая чувствительность, быстрое получение результата, цифровая обработка данных, возможность подключения к внешним информационным системам и реализация дополнительных функций.
Современные электронные весы применяются в широком диапазоне измерительных задач — от определения массы продуктов и грузов до измерения массы веществ с точностью до долей миллиграмма. При этом конструкция и принцип действия конкретного прибора существенно зависят от его назначения, диапазона измерений и требуемой точности.
Целью данной статьи является рассмотрение сущности электронных весов, их основных видов и физических принципов действия, а также анализ факторов, определяющих точность электронного взвешивания.
Типичная конструкция электронных весов включает несколько функциональных узлов.
Платформа является элементом, непосредственно воспринимающим нагрузку. Ее размеры и конструкция зависят от назначения весов.
В бытовых весах платформа может быть выполнена из стекла или пластика, в промышленных весах — из металла и иметь значительно большую площадь.
Датчик является основным чувствительным элементом электронных весов. Он преобразует механическую деформацию или силу в электрический сигнал.
Наиболее распространены:
В тензометрических весах сигнал датчика обычно представляет собой небольшое изменение электрического напряжения. Для дальнейшей цифровой обработки он преобразуется аналого-цифровым преобразователем в цифровой код.
Процессор выполняет обработку полученного сигнала, корректирует результат, учитывает параметры калибровки и обеспечивает работу дополнительных функций.
В зависимости от конструкции весов программная обработка может включать:
Результат измерения отображается на цифровом дисплее. В современных системах возможна передача информации на компьютер, промышленный контроллер, принтер или информационную сеть.
Как уже было сказано в введении необходимо выбрать не датчик веса, а датчик давления. Рассчитаем необходимые параметры. Для начала вычислим диапазон измеряемого давления. Давление это отношение силы давления к площади соприкосновения. В нашем случае сила давления - это сила тяжести, вычисляемая по формуле (1)
F = mg, (1)
где m-масса объекта,
g-ускорение свободного падения, равное, для нашего региона 9,8 метр/cекунду2.
Площадь прикосновения в нашем случае равна площади пластины, лежащей на подушке, т.е. 0,25 м2 . Согласно техническому заданию измеряемая масса может быть в диапазоне от 0 до 250 кг, давление соответственно от 0 до 10 кПа. Погрешность, должна составлять не более 0,5 кг, а значит 20 Па. Напряжение питания - 5 В.
Существуют разнообразные датчики давления:
В нашем случае нужно выбрать датчик абсолютного давления.
Рассмотрим датчик MPX5010 GVP, имеющий следующие характеристики :
Данный датчик подходит по всем критериям.

Рисунок 3 - Внешний вид датчика
Датчик оснащен схемой нормализации выходного напряжения, которая реализована посредством четырехкаскадного биполярного линейного усилителя с использованием тонкопленочной технологии и интерактивной лазерной подгонкой.
Согласно техническому заданию, индикатор должен отображать значения веса от 0 до 250 кг., с точностью 0,5 кг, а значит индикатор должен быть четырехразрядным и иметь десятичную точку. Входное напряжение - 5 В. Существуют следующие виды индикаторов:
Семисегментные индикаторы - индикаторы, у которых управляется каждый сегмент:
Для электронных весов нужно выбрать семисегментный индикатор, имеющий четыре разряда.
Рассмотрим индикатор LFD2110-XX, имеющий следующие характеристики :
Рассмотрим индикатор LFD3162-XX, имеющий следующие характеристики :
Рассмотрим индикатор LFD3164-XX, имеющий следующие характеристики :
Рассмотрим индикатор DE-119, имеющий следующие характеристики :
Данный индикатор подходит по всем критериям. Он является жидкокристаллическим, эти индикаторы характеризуются низким энергопотреблением по сравнению со светодиодными, но у них есть и недостатки: плохая видимость пли плохом освещении, плохая работоспособность при низкой температуре. Индикатор DE-119 имеет следующий вид:
Микроконтроллер для электронных весов должен иметь встроенный десятиразрядный АЦП (Аналогово-цифровой преобразователь), четыре восьмиразрядных порта ввода/вывода, напряжение питания 5 В.
Существуют разнообразные виды управляющих микроконтроллеров . Контроллеры классифицируют по разрядности:
Четырехразрядные - самые простые и дешевые устройства, предназначенные для замены несложных схем на “жесткой” логике в системах с невысоким быстродействием. Типичные случаи применения- часы, калькуляторы, игрушки, простые устройства управления.
Восьмиразрядные - наиболее многочисленная группа (оптимальное сочетание цены и возможностей). К этой группе относятся микроконтроллеры серии MCS-51 (Intel) и совместимые с ними: PIC (MicroChip), HC68 (Motorola), Z8 (Zilog) и др.
Шестнадцатиразрядные - MCS-96 (Intel) и др. - более высокопроизводительные, но более дорогостоящие и менее распространенные.
Тридцатидвухразрядные - обычно являющиеся модификациями универсальных микропроцессоров, например i80186 или i386EX.
Для электронных весов будем выбирать восьмиразрядный микроконтроллер семейства MCS-51, т.к. это семейство является несомненным чемпионом по количеству разновидностей и количеству компаний, выпускающих его модификации.

Рисунок 4 - Схема электрическая принципиальная электронных весов
Алгоритм работы электронных весов должен быть следующим:
Подготовка АЦП - настройка АЦП (номер канала AN1..AN7, режим работы: стандартный или точный, прерывания), старт преобразования.
Считывание данных с АЦП. Преобразованное число хранится в регистрах ADDH и ADDL (старший и младший байты соответственно)
Преобразование кода младшего разряда в код семисегментного индикатора. Так как по техническому заданию необходимо обеспечить точность 0,5 кг., младший разряд (десятые) будет принимать значения “0” или “5”. Код, который нужно преобразовать находится в двух младших разрядах ADDL.
Вывод младшего разряда. Выводим преобразованное число на порт P3, т.е. на -1-й разряд индикатора.
Преобразование кода остальных разрядов в двоично-десятичный код. То есть преобразование двоичного восьмиразрядного числа в двоично-десятичное (число, в котором каждая десятичная цифра представлена четырьмя битами).
Преобразование кода остальных разрядов в код семисегментного индикатора. Каждая цифра двоично-десятичного должна быть представлена семиразрядным эквивалентом, для последующего вывода на индикатор.
Вывод остальных разрядов. Вывод 2-го, 1-го и 0-го разрядов на индикатор.
Теперь необходимо преобразовать -1-й разряд числа в семисегментный код и вывести на P3 (-1-й разряд хранится в двух младших битах младшего байта числа)
Таблица 1 - Таблица преобразования -1-го разряда.
|
Двоичный код |
Семисегментный код |
|
00 |
01101101 |
|
01 |
01101101 |
|
10 |
01111110 |
|
11 |
01111110 |
Необходимо сдвинуть 2 старших разряда числа (находящихся в R2) в R1, а два младших разряда убрать, т.к. они уже выведены на индикатор. Это можно сделать два раза сдвинув вправо через флаг переноса регистры R2 и R1, т.к. операцию сдвига можно осуществлять только над аккумулятором, предварительно запишем в него содержимое регистров R2 и R1. Весь алгоритм будет выглядеть следующим образом:
Теперь необходимо преобразовать код остальных разрядов в двоично-десятичный код, что делается следующим образом:
После вызова подпрограммы PR, считываем данные из стека и выводим их на соответствующий порт, также необходимо вывести десятичную точку P2.7.
Наиболее распространенным принципом действия электронных весов является использование тензорезистивного датчика.
тензодатчик содержит упругий элемент, который под воздействием нагрузки испытывает деформацию. На этот элемент устанавливаются тензорезистор ы — элементы, электрическое сопротивление которых изменяется при механической деформации.
При приложении нагрузки происходит изменение геометрических размеров тензорезистора и, соответственно, его электрического сопротивления.
Изменение сопротивления можно выразить в общем виде как:
Правильная запись:
ΔR / R = Kε
где:
Для повышения чувствительности несколько тензорезисторов объединяются в измерительный мост, чаще всего мост Уитстона.
При отсутствии нагрузки мост находится в состоянии равновесия. При появлении нагрузки деформация чувствительного элемента приводит к изменению сопротивлений тензорезисторов и появлению разбалансированного электрического сигнала.
Этот сигнал пропорционален нагрузке в рабочем диапазоне датчика. После усиления и аналого-цифрового преобразования микропроцессор вычисляет соответствующее значение массы.
Таким образом, принцип можно представить следующим образом:
масса → сила → деформация → изменение сопротивления → изменение напряжения → цифровой сигнал → значение массы.
В лабораторных и аналитических весах высокой точности широко применяется другой принцип — электромагнитная компенсация силы.
В такой системе нагрузка создает механическое отклонение чувствительного элемента. Датчик положения фиксирует это отклонение, после чего электронная система создает электромагнитную силу, компенсирующую воздействие нагрузки.
В идеализированном случае выполняется условие:
Fгруза=Fкомп
где:
Поскольку компенсирующая электромагнитная сила связана с величиной электрического тока в катушке, измеряя соответствующий ток, система определяет нагрузку.
Преимуществом такого подхода является возможность получения очень высокой чувствительности и хорошей воспроизводимости результатов.
Именно поэтому электромагнитные системы широко используются в аналитических весах, предназначенных для лабораторных измерений малых масс.
Электронные весы можно классифицировать по назначению, пределу взвешивания, точности, конструкции и принципу действия.
Предназначены для повседневных измерений массы. К ним относятся кухонные и напольные весы.
Кухонные модели обычно рассчитаны на несколько килограммов и применяются для определения массы продуктов.
Напольные весы предназначены для измерения массы человека и обычно имеют более высокий предел нагрузки.
Для бытовых задач высокая метрологическая точность, как правило, не является основной характеристикой.
Используются в магазинах, на рынках, предприятиях общественного питания и других местах торговли.
Особенностью торговых весов является наличие функций, связанных с определением стоимости товара. Некоторые модели имеют дисплей для продавца и покупателя, клавиатуру, память цен и интерфейс для передачи данных.
Предназначены для измерения больших нагрузок и работы в условиях производства.
К ним относятся:
Промышленные весы должны выдерживать значительные механические нагрузки и воздействие окружающей среды.
Лабораторные весы применяются для точного измерения массы веществ и образцов.
Они характеризуются меньшим пределом взвешивания по сравнению с промышленными системами, но существенно более высокой чувствительностью.
Аналитические весы представляют собой высокоточные лабораторные измерительные приборы.
Современные модели могут иметь дискретность показаний порядка 0,1 мг и менее. Для защиты от воздействия воздушных потоков измерительная платформа обычно располагается внутри специальной защитной камеры.
На результат могут влиять:
Поэтому эксплуатация аналитических весов требует соблюдения специальных условий.
Используются для определения массы небольших объектов, включая драгоценные металлы, камни и ювелирные изделия.
В зависимости от модели разрешение может составлять 0,01 г, 0,001 г и менее.
Одним из наиболее важных параметров электронных весов является дискретность показаний.
Например, если весы отображают:
то их дискретность составляет 0,1 г.
Если дисплей показывает:
дискретность составляет 0,01 г.
Однако необходимо различать дискретность и точность.
Весы с отображением 0,001 г не обязательно измеряют массу с абсолютной погрешностью ±0,001 г. Последняя зависит от конструкции датчика, калибровки, условий эксплуатации и других факторов.
Поэтому при выборе измерительного оборудования необходимо учитывать как минимум:
Важной функцией электронных весов является тарирование.
Тарой называется емкость или упаковка, в которой находится измеряемый материал. Если необходимо определить массу только содержимого, пустую тару можно поставить на платформу и выполнить операцию обнуления.
Например, если масса контейнера составляет 150 г, а масса контейнера вместе с материалом — 475 г, после тарирования весы должны показывать массу содержимого:
mматериала=mобщ−mтары=475−150=325 г.
При этом оператору не требуется заранее знать массу тары.
Следует подчеркнуть, что электронные весы при тарировании не определяют, какая часть массы является пластиком, металлом или другим материалом. Они просто компенсируют зарегистрированную нагрузку.
Это имеет принципиальное значение при рассмотрении специальных методов измерения.
Обычные электронные весы измеряют суммарную механическую нагрузку.
Если на платформе находится контейнер с металлическими деталями, весы воспринимают:
mобщ=mтары+mметалла.
Например:
mтары=150 г, mметалла=325 г.
Тогда:
mобщ=150+325=475 г.
Без предварительного тарирования или независимого определения массы тары обычные весы не могут установить, какая часть общей массы приходится именно на металл.
Например, если масса закрытого пластикового контейнера с металлическими деталями равна 580 г, весы не способны только на основании этого измерения определить, составляет ли масса металла 500 г, 550 г или 570 г.
Для разделения компонентов необходим дополнительный физический принцип измерения.
К таким принципам могут относиться магнитные, электромагнитные, рентгеновские, спектрометрические и другие методы.
Развитие сенсорной техники привело к появлению устройств, которые используют не только гравитационное воздействие, но и дополнительные физические свойства исследуемого материала.
Например, магнитные измерительные системы могут использовать различия в магнитной восприимчивости материалов. Это позволяет выявлять определенные металлические включения или оценивать характеристики металлических объектов.
Однако подобные системы нельзя автоматически приравнивать к обычным весам.
Если устройство регистрирует магнитный отклик объекта, результат может быть выражен в единицах, связанных с эквивалентной или дифференциальной массой, но это не означает непосредственного измерения реальной массы металла.
Поэтому при выборе измерительного прибора необходимо точно определить, какую физическую величину он измеряет.
На результат электронного взвешивания влияет множество факторов.
Изменение температуры может приводить к изменению характеристик тензодатчиков, электронных компонентов и механических элементов.
Вибрации основания могут вызывать нестабильность показаний, особенно при работе с высокоточными лабораторными весами.
Для малых масс даже движение воздуха может оказывать существенное влияние на результат. Поэтому аналитические весы оснащаются защитными камерами.
Особенно существенное влияние электростатические эффекты оказывают при работе с небольшими и легкими образцами.
При размещении объекта не по центру платформы может возникать ошибка, связанная с неравномерностью передачи нагрузки на датчик.
Для обеспечения достоверных результатов весы должны быть правильно откалиброваны. Калибровка позволяет установить соответствие между сигналом измерительной системы и известным значением массы.
Современные электронные весы постепенно превращаются в интеллектуальные измерительные системы.
К числу перспективных направлений относятся:
Особенно перспективным является создание мультимодальных измерительных систем, в которых масса определяется совместно с другими характеристиками объекта. Такая концепция может применяться для автоматического контроля состава, сортировки материалов и определения характеристик объектов без их разрушения.
Электронные весы являются важнейшим классом современных измерительных приборов, предназначенных для определения массы посредством преобразования механического воздействия нагрузки в электрический сигнал.
Основой большинства электронных весов являются тензометрические датчики, преобразующие механическую деформацию в изменение электрического сопротивления. В высокоточных лабораторных системах применяется также принцип электромагнитной компенсации силы, позволяющий получать высокую чувствительность и стабильность измерений.
В зависимости от назначения электронные весы подразделяются на бытовые, торговые, промышленные, лабораторные, аналитические, ювелирные и специализированные системы. Они существенно различаются по пределу взвешивания, дискретности, точности, конструкции и условиям эксплуатации.
Особое значение имеет разграничение понятий масса, дискретность и точность. Наличие большого количества знаков после запятой на дисплее не гарантирует соответствующей метрологической точности.
Функция тарирования позволяет определять массу содержимого без предварительного знания массы пустой тары, однако она не обеспечивает физического разделения массы различных материалов. Обычные электронные весы измеряют суммарную нагрузку и не способны самостоятельно определить, какая часть этой нагрузки приходится, например, на пластик, а какая — на металл.
Для решения задач, связанных с идентификацией или количественным определением отдельных компонентов объекта, могут использоваться дополнительные физические методы: магнитные, электромагнитные, рентгеновские, спектрометрические и другие.
Таким образом, дальнейшее развитие электронных весов связано не только с увеличением точности измерения массы, но и с созданием комплексных интеллектуальных измерительных систем, способных одновременно определять массу, состав и другие физические характеристики исследуемых объектов.
Исследование, описанное в статье про электронные весы, подчеркивает ее значимость в современном мире. Надеюсь, что теперь ты понял что такое электронные весы, взвешивание, тензодатчик, тензорезистор, электромагнитная компенсация, тарирование и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории электромеханические устройства электронных аппаратов
Комментарии