УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ВЗВЕШИВАНИЯ Российский патент 1996 года по МПК G01G19/413 

Изобретение относится к области весоизмерительной техники и может быть использовано для проведения оперативных, широкодиапазонных измерений массы в различных отраслях народного хозяйства (например, в конвейерных линиях в производстве, в торговле и т.д.).

Известно устройство для измерения массы, представляющее собой рычаг, на одном плече которого размещается измеряемая масса, на другом гири [1] Устройству присуща невысокая точность и большая длительность измерений, обусловленная временем успокоения рычага.

Другим известным и наиболее близким к заявленному является устройство для измерения массы с автоматическим уравновешиванием рычажных весов на основе регулятора автоматического типа [2] Оно содержит рычаг, выполненный в виде коромысла, преобразователь перемещений рычага, усилитель, двигатель, с валом которого связан ползунок реохорда. Данному устройству присуще невысокое быстродействие, поскольку для снятия показаний о результате измерения необходимо ждать окончания переходного процесса движения рычага.

Цель изобретения повышение быстродействия измерения.

Она достигается за счет того, что устройство для измерения массы, содержащее рычаг, на котором размещена измеряемая масса и который соединен с генератором и имеет ферромагнитный выступ, примыкающий к сердечнику электромагнита снабжено дополнительно кварцевым генератором, триггером, двумя схемами И, первым и вторым счетчиком, счетчиком-распределителем, коммутатором, схемой ИЛИ, блоком схем И по числу выходов первого счетчика и спецвычислителем, причем, выходы генераторов соединены с первыми входами первой и второй схемами И, вторые входы которых связаны с выходом триггера, вход первого счетчика соединен с выходом первой схемы И, а каждый его выход связан с первым входом одной из совокупности блока схем И, который связан своими выходами со спецвычислителем, вход второго счетчика соединен с выходом второй схемы И, и три его выхода связаны со входами схемы ИЛИ, выход которой соединен со входом счетчика-распределителя, первым контактом коммутатора и общим (вторым) входом блока схем И, а второй контакт коммутатора связан со входами сброса первого и второго счетчиков и первым входом триггера, а также с целью разрыва питания силового электромагнита и выход счетчика распределителя соединен со своим входом сброса, со спецвычислителем, вторым входом триггера и с целью подачи питания электромагнита.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых блоков: кварцевого генератора, триггера, двумя схемами И, тремя счетчиками, коммутатором, схемой ИЛИ, блоком схем И.

Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что перечисленные выше блоки широко известны [3]
Однако, при их введении в указанной связи с остальными элементами схемы в заявляемое устройство для измерения массы вышеуказанные блоки проявляют новые свойства, что приводит к повышению быстродействия измерения массы. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "существенные отличия".

Схема предлагаемого устройства приведена на фиг.1.

Весы содержат подвижную систему, состоящую из рычага 1 в виде коромысла с ферромагнитным выступом 2. На одном конце коромысла размещается измеряемая масса 3. В исходном положении ферромагнитный выступ 2 притянут к сердечнику электромагнита 4. Коромысло имеет возможность вращаться на опоре 5. Второй конец коромысла механически связан с генератором 6. Электронная часть устройства, кроме генератора 6, содержит кварцевый генератор 7, две схемы И8 и И9, триггер 10, два счетчика импульсов 11 и 12, блок схем И13 по числу выходов счетчика 11 с одним общим входом "открытия" всех входящих в него схем И, коммутатор 14, схему ИЛИ 15, троичный счетчик распределитель 16 и спецвычислитель 17. Выход генератора 6 соединен с первым входом схемы И8. Выход кварцевого генератора 7 связан с первым входом схемы И9, выход которой соединен со входом счетчика 12, подключенного тремя своими выходами к входам схемы ИЛИ 15, связанной выходом со входом счетчика 16, блоком схем И13 и коммутатором 14. Вторые входы схем И8 И9 соединены с триггером 10, первый вход для сигналов запуска которого связан со входами сброса счетчиков 11 и 12, коммутатором 14 и с целью разрыва питания силового электромагнита 4.

Выход счетчика 16 соединен со своим входом сброса, со вторым входом триггера 10, со спецвычислителем 17 и с целью подачи питания на электромагнит 4.

Выход схемы И8 подключен ко входу счетчика 11, каждый выход которого соединен с первым входом одной из схем блока И13, и каждый выход входящих в него схем И связан со спецвычислителем 17.

Вначале ферромагнитный выступ 2 рычага 1 притянут к сердечнику электромагнита 4, на который подается питание ввиду присутствия на нем сигнала "исходное положение". Триггер находится в нулевом состоянии и держит закрытыми схемы И8 и И9 не допуская заполнения счетчиков импульсами от генераторов. Сигнал о приведении системы в исходное состояние может быть подан либо от внешнего источника прерывания работы устройства, либо может "остаться" на триггере после окончания предыдущего измерительного цикла.

Все элементы и узлы устройства являются широко известными и описаны в популярной научно-технической литературе, например [3] Роль спецвычислителя может выполнять ЭВМ любого типа. Генератор 6 с изменяемой частотой в зависимости от углового положения коромысла, менять которую можно индуктивным или емкостным способом, изменяя соответственно индуктивность и емкость выходного контура обычного автогенератора, либо посредством движения ферромагнитного сердечника в катушке контура, либо изменяя положение пластин переменного конденсатора в том же выходном контуре.

Устройство может работать в двух режимах: с последовательным заданием временных интервалов τ₁,τ₂,τ₃ и с параллельным. Вид режима задается коммутатором 14, положение 1 которого соответствует последовательному заданию, а положение 2 параллельному.

Рассмотрим работу устройства.

После размещения измеряемой массы 3 на рычаг 1, на единичном входе триггера 10 появляется сигнал запуска либо от факта присутствия измеряемой массы на коромысле (автоматический запуск), либо от какой-то внешней команды (принудительный запуск). Этот сигнал перебрасывает триггер 10 в единичное состояние и тем самым "открывает" схемы И8 и И9, а также дает команду на снятие питания с силового электромагнита и, следовательно, происходит разарриетирование подвижной системы весов. Рычаг коромысла 1 начинает свободное колебательное движение под воздействием измеряемой массы 3.

Связанный с плечом коромысла генератор начинает изменять свою частоту в зависимости от положения рычага.

В результате счетчики 11 и 12 начнут заполняться импульсами с генераторов 6 и 7.

По мере накопления в счетчике 12 количества импульсов, соответствующего временным интервалам τ_i, через схему ИЛИ 15 будут проходить сигналы, отмечающую "отработку" счетчиком 12 соответствующих временных интервалов τ₁,τ₂,τ₃.

В режиме последовательного задания интервалов (коммутатор 14 в положении 1) каждый импульс со схемы ИЛИ 15 будет обнулять оба счетчика и открывать все схемы "И" из блока 13, обеспечивая пропуск в спецвычислитель 17 сигнала со счетчика 11, соответствующего значению измеренного интеграла I_i в зависимости от заданного временного интервала τ_i (см. фиг. 2).

При этом, так как произошло обнуление счетчика 12, то следующий сигнал на схеме ИЛИ 15 появится через то же самое время, т.е. τ₁= τ₂= τ₃= τ и сигналы со счетчика 12 будет сниматься только с одного выхода, соответствующего временному интервалу τ₁..

В параллельном режиме (коммутатор 14 в положении 2) сброса счетчиков после "отработки" временных интервалов τ_i производиться не будет, и сигналы на схему ИЛИ 15 будут приходить не только со входа для τ₁ (как это было в случае последовательного задания), но и со входов для τ₂ и τ₃, обеспечивая пропуск через схемы И13 в спецвычислитель сигналов, соответствующих измеряемым интегралам I₁, I₂, I₃ (см. фиг. 3).

В обоих случаях в спецвычислитель 17 последовательно приходят сигналы, соответствующие измеряемым интегралам от перемещения рычага коромысла - I₁I₂I₃.

Вместе с тем импульсы открытия схем И13 со схемы ИЛИ 15 поступают на троичный счетчик-распределитель 16, который выдает сигнал на выходе после поступления на его вход трех импульсов, соответствующих окончанию временных интервалов τ_i. А после окончания последнего интервала τ_i заканчивается весь процесс измерения и импульс со счетчика 16 и служит сигналом о завершении цикла измерений.

Этот сигнал дает команду спецвычислителю об окончании процесса измерения и возможности начала обработки накопленных результатов измерения интегралов I_i для выдачи результата о массе измеряемого груза 3. Одновременно этот импульс со счетчика 16 его же и сбрасывает, перебрасывает триггер запуска в нулевое положение, закрывая схемы И8 и И9 и дает сигнал силовой системы из электромагнита о возвращении коромысла в начальное состояние, то есть переводит всю систему в исходное положение.

Сформированные в счетчике 12 коды N₁N₂M₃ соответствуют временным интервалам τ₁,τ₂,τ₃, причем
N_i= f_кг•τ_i (2)
где f_кг чистота кварцевого генератора.

В спецвычислитель подаются последовательно три кода, соответствующих значениям интегралов I_i, где реализуется алгоритм нахождения оценки измеряемой массы. Математическая запись этого алгоритма зависит от вида рычага, места размещения измеряемой массы и других характеристик, влияющих на величину момента инерции подвижной системы весов и ее маятниковость D
В общем виде зависимость для нахождения массы можно записать как:
(3)
где для последовательного задания временных интервалов (4)
для параллельного одновременного задания (5)
То есть, зная отношение маятниковости подвижной системы к ее моменту инерции, находим непосредственно неизвестную массу.

Для изображенного на фиг.1 рычага справедливы соотношения:
D D₀ + ml m₀l₀ + ml (6)
I = I_o+I_m+mρ²= m_oρ2o

+I_m+mρ² (7)
где D₀ маятниковость рычага (D₀ m₀l₀),
m₀ масса рычага,
l₀ плечо силы тяжести рычага,
m измеряемая масса изделия,
l плечо силы тяжести измеряемой массы,
I₀ момент инерции рычага,
I_m момент инерции изделия относительно его центра масс,
ρ расстояние от оси вращения рычага до центра масс изделия,
r_o радиус инерции рычага.

Выбирая параметры I₀ и ρ такими, чтобы собственным моментом инерции можно было пренебречь, т.е.

и (8)
где g задаваемая относительная величина, не превышающая требуемой относительной погрешности измерения, получим из (6) и (7) зависимость
(9),
из которой следует расчетное соотношение
(10),
в котором величины I_o, m_o, l_o, l, ρ определяются при калибровке, а отношение D/I находится по зависимости (4) или (5).

Эта зависимость с учетом выражения (2) реализуется в спецвычислителе 17.

Положительный эффект доказывается следующими рассуждениями. При импульсном воздействии на подвижную систему известных весов (наложении измеряемой массы или разарретирования подвижной системы с уже наложенной массой) последняя в течение определенного времени совершает затухающие колебательные движения около будущего положения равновесия, к которому она приходит лишь после окончания переходного колебательного процесса. Поэтому быстродействие традиционных позиционных весов определяется длительностью этого переходного процесса, который всегда имеет место. В заявленном же устройстве для формирования оценки измеряемой массы достаточно проанализировать лишь небольшой начальный участок углового перемещения подвижной системы (рычага с массой). Минимальная длительность наблюдения процесса перемещения рычага определяется величиной момента инерции и маятниковости рычага с массой, разрешающей способностью первичного измерительного преобразователя и ошибкой дискретности счета импульсов генераторов и может не превышать единиц-десятков миллисекунд.

В прототипе же, даже обеспечив оптимальный режим демпфирования, невозможно получить подобное быстродействие. Кроме того, заявляемое устройство по сравнению с прототипом обладает более широким диапазоном измерения, что обеспечивается за счет высокой чувствительности, возможности оперативно перестраивать коэффициент преобразования (путем изменения времени наблюдения процесса перемещения рычага), большими силовыми возможностями электромагнита, который играет лишь силовую (но не метрологическую и силовую как в прототипе) функцию. ЫЫЫ1 ЫЫЫ2

Использование: автоматические и автоматизированные системы различных областей народного хозяйства. Сущность изобретения: весы содержат рычаг 1 в виде коромысла с ферромагнитным выступом 2, имеющего возможность вращаться на опоре. Второй конец коромысла механически связан с генератором 6. Электронная часть устройства содержит также кварцевый генератор 7, две схемы И 8 и 9, триггер 10, два счетчика импульсов 11 и 12, блок схем И 13 по числу выходов счетчика 11 с одним общим входом "открытия" всех входящих в него схем И, коммутатор 14, схему ИЛИ 15, троичный счетчик-распределитель 16 и спецвычислитель 17. 6 - 8 - 11 - 13 - 17, 7 - 9 - 12 - 15 - 16, 8 - 9 - 10 - 16, 11 - 14 - 13, 13 - 16. 3 ил.

Устройство для проведения взвешивания, включающее в себя рычаг, на котором размещена измеряемая масса и который соединен с генератором и имеет ферромагнитный выступ, примыкающий к сердечнику электромагнита, отличающееся тем, что в него дополнительно введены кварцевый генератор, триггер, две схемы И, первый и второй счетчики, счетчик-распределитель, коммутатор, схема ИЛИ, блок схем И по числу выходов первого счетчика и спецвычислитель, причем выходы генератора и кварцевого генератора соединены с первыми входами первой и второй схем И соответственно, вторые входы которых связаны с выходом триггера, вход первого счетчика соединен с выходом первой схемы И, а каждый его выход связан с первыми входами блока схем И, который связан своими выходами со спецвычислителем, вход второго счетчика соединен с выходом второй схемы И и три его выхода связаны с входами схемы ИЛИ, выход которой соединен с входом счетчика-распределителя, первым контактом коммутатора и вторым общим входом блока схем И, второй контакт коммутатора связан с входами сброса первого и второго счетчиков и первым входом триггера, а также с цепью разрыва питания силового электромагнита, а выход счетчика-распределителя соединен со своим входом сброса, со спецвычислителем, вторым входом триггера и с цепью подачи питания электромагнита.