ЦИФРОВОЙ ФОТОМЕТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ РАЗМЕРА Российский патент 1998 года по МПК G01B21/06 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к устройствам для определения геометрических параметров деталей, и может быть использовано в машиностроении при производстве крупногабаритных деталей.

Известны оптико-электронные измерительные устройства со сканированием изображения кромки изделия [1, с. 37], которые преобразуют положение кромки детали относительно оптической оси в широтно-импульсный сигнал, длительность которого пропорциональна этому положению. Широтно-импульсное преобразование сигнала используется для исключения влияния различных амплитудных факторов на точность измерения. Кроме того, широтно-импульсный сигнал довольно легко преобразуется в цифровой код. Эти устройства содержат оптическую систему, сканирующее устройство, электронный блок обработки информации с фотопреобразователем и индикатор отклонения размера.

Недостатком этих устройств является сложность механической конструкции блока сканирования, который является источником основных составляющих статической и динамической погрешностей измерения.

Из известных оптико-электронных устройств наиболее близким по технической сущности является устройство для измерения размеров проката [1, с. 34]. Это устройство содержит объектив, маску с двумя окнами, два фотопреобразователя, установленные напротив окон маски, и электронную схему обработки информации. Через первое окно на первый фотопреобразователь поступает излучение от краевого участка изделия, а через второе окно на второй преобразователь поступает излучения от полного участка поверхности изделия вблизи края. Положение края изделия относительно оптической оси устройства определяется по величине отношения усиленных сигналов с фотопреобразователей. Величина отношения определяется с помощью аналоговой электронной схемы. Использование этого метода измерения позволяет уменьшить влияние изменения интенсивности излучения изделия, которая определяется его температурой, на результат измерения размера.

Данное измерительное устройство имеет невысокий технический уровень, обусловленный сложностью электронной схемы обработки информации и представлением измеренной информации в аналоговой форме. При использовании измерительного устройства с такой схемой обработки информации в составе автоматизированной системы управления технологическим процессом необходим аналого-цифровой преобразователь, который является источником дополнительной погрешности.

В этой связи важнейшей задачей является создание нового оптико-электронного измерительного устройства, не содержащего механические подвижные детали и имеющего автоматическую компенсацию влияния на результат измерения размера изделия его температуры и различных внешних факторов и цифровое представление результата измерения.

Техническим результатом заявленного цифрового фотометрического преобразователя размера является повышение точности измерения и удобства пользования этим измерительным устройством поскольку результат измерения представляется в цифровом виде. Наличие цифрового выхода у измерительного устройства позволяет использовать его в составе автоматизированных систем управления технологическими процессами производства изделий в нагретом состоянии.

Указанный технический результат достигается тем, что в цифровом фотометрическом преобразователе размера, содержащем объектив, маску с двумя окнами, два фотопреобразователя и электронную схему обработки информации, схема обработки информации преобразователя выполнена в виде первого коммутатора, два входа которого соединены с двумя фотопреобразователями, а выход соединен с входом усилителя фототока, выход которого подключен к двум входам второго коммутатора, причем один из входов второго коммутатора подключен через инвертор, выход второго коммутатора соединен с интегратором, соединенным с компаратором, подключенным к первому входу триггера, управляющие входы коммутаторов и второй вход триггера подключены к выходу делителя частоты, вход которого соединен с генератором тактовых импульсов, выход триггера соединен с управляющим входом ключа, соединяющим генератор тактовых импульсов с счетчиком импульсов.

Указанное отличие позволяет повысить точность измерения размера нагретых изделий поскольку в цифровом фотометрическом преобразователе использован принцип работы аналого-цифрового преобразователя с двухтактным интегрированием, который в сравнении с развертывающим времяимпульсным преобразователем имеет значительно меньшую погрешность преобразования, обусловленную нестабильностью параметров развертывающего элемента и частоты генератора таковых импульсов.

Приведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного решения, позволило установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого решения по совокупности признаков, позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в форме изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию "изобретательского уровня" заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение для специалиста не следует явным образом из известного уровня техники.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 изображена блок-схема преобразователя; на фиг. 2 - проекция маски в плоскости измерения; на фиг. 3 - время-импульсная диаграмма, поясняющая работу преобразователя.

Преобразователь представляет собой объектив 1, в плоскости изображения которого установлена маска 2 с двумя прямоугольными окнами. Проекция маски с окнами и их размерами в плоскости измерения изображена на фиг. 2. Через первое окно (верхнее на фиг. 1) на фотопреобразователь 3 поступает излучение от поверхности полного участка изделия, а через второе окно (нижнее на фиг. 1) на фотопреобразователь 4 поступает излучение от краевого участка изделия. За маской напротив окон установлены фотопреобразователи 3 и 4, подключенные к двум входам первого коммутатора 5, выход которого соединен с входом усилителя фототока 6. Выход усилителя фототока 6 подключен через инвертор 7 к первому входу второго коммутатора 8, а к второму входу коммутатора 8 - непосредственно. Выход второго коммутатора 8 соединен с интегратором 9, выполненном на базе операционного усилителя и соединенном с компаратором 10, представляющим собой триггер Шмитта с нулевым порогом срабатывания, выход которого соединен с первым входом триггера 11. Триггер 11 срабатывает от срезов импульсов, поступающих на его входы. Преобразователь содержит генератор тактовой частоты 12 и соединенный с ним делитель частоты 13. Управляющие входы коммутаторов 5 и 8 и второй вход триггера 11 соединены с выходом делителя частоты 13. Выход триггера 11 в свою очередь подключен к управляющему входу ключа 14, соединяющего генератор тактовых импульсов 12 с счетчиком импульсов 15.

При работе измерительного преобразователя сигнал с генератора тактовых импульсов 12 с частотой f поступает на делитель частоты 13 с коэффициентом деления n. Сигнал с делителя частоты 13, имеющий частоту f/n и период T = n/f (диаграмма 16, фиг. 3), поступает на коммутаторы 5 и 8. В течение работы преобразователя непрерывно на фотопреобразователи 3 и 4 поступают потоки излучения от нагретого изделия, определяемые по следующей формуле
Φ(λ) = τ(λ)L(λ)ΔAA_вх/B², (1)
где
τ(λ) - спектральный коэффициент пропускания среды распространения оптического сигнала;
L λ - спектральная плотность яркости источника излучения;
A_вх - площадь входного зрачка объектива;
Δ A - площадь излучаемой поверхности нагретого изделия;
B - расстояние от преобразователя до излучателя.

Площадь излучаемой поверхности потока излучения, поступающего на фотопреобразователь 3, определяется как Δ A₃ = ab (фиг. 2), а площадь излучаемой поверхности потока, поступающего на фотопреобразователь 4, определяется как Δ A₄ = ax (фиг. 2). Фотопреобразователь, представляющий собой фотодиод и имеющий токовую чувствительность S₁, преобразует поток излучения, поступающий на его вход в электрический ток I_Ф= Φ(λ)S₁. В течение промежутка времени T₁ = n/2f сигнал с преобразователя 4 через коммутатор 5 поступает на вход усилителя фототока 6 с коэффициентом усиления K_у, на выходе которого образуется электрический сигнал
U₄= Φ₄(λ)S_IR_нK_у,
где R_н - сопротивление нагрузки фотопреобразователя.

Напряжение с выхода усилителя фототока 6 через второй коммутатор 8 поступает на вход интегратора 9 с постоянной времени T_и, на выходе которого образуется линейно возрастающее напряжение (диаграмма 17, фиг. 3). Напряжение на выходе интегратора 9 в конце промежутка времени T₁ определяется с помощью выражения

В момент времени T₁ происходит переключение коммутаторов 5 и 8 и установка триггера 11 в единичное состояние. В течении промежутка времени T₁ = T усилителем фототока 6 усиливается сигнал с фотопреобразователя 3 и сигнал с усилителя 6 через инвертор 7 поступает на вход интегратора 9, на выходе которого образуется линейно убывающее напряжение (диаграмма 17, фиг. 3).

В момент равенства нулю напряжения на выходе интегратора 9 срабатывает компаратор 10, который переводит триггер 11 в нулевое состояние, Обозначив промежуток времени от начала второго такта до момента срабатывания компаратора 10, т.е. промежуток времени в течение которого триггер 11 находится в единичном состоянии, через переменную T₂, выразим напряжение на выходе интегратора в момент срабатывания компаратора 10 U₄T₁ - U₃T₂ = 0. Откуда T₂ = T₁U₄/U₃ = T₁Ф₄/Ф₃ = T₁ Δ A₄/ Δ A₃ = T₁x/b, т. е. длительность импульса на выходе триггера 11 (диаграмма 18, фиг. 3) пропорциональна положению границы нагретого изделия относительно оптической оси объектива 1 преобразователя. Напряжение с выхода триггера 11 на время T₂ открывает ключ 14 и в течение этого времени счетчик импульсов 15 считает импульсы, поступающие от генератора тактовых импульсов 12. Количество поступивших на счетчик импульсов за время T₂ определяется выражением N = T₂f = T₁fx/b = nx/(2b), из которого следует, что медленные в сравнении с частотой f/n изменения частоты тактовых импульсов и параметров интегратора 9 не оказывают влияния на точность измерения размера. Кроме того, во всем рабочем диапазоне измерения размера момент срабатывания компаратора 10 не выходит за пределы промежутка времени T - T₁, поскольку напряжение U₃ больше напряжения U₄. На точность измерения не оказывает влияния нестабильность параметров усилителя фототока 6, поскольку один усилитель с помощью коммутаторов 5 и 8 усиливает сигналы с двух фотопреобразователей 3 и 4.

Результат измерения размера может быть непосредственно введен в ЭВМ без дополнительного аналого-цифрового преобразования.

Применение данного цифрового фотометрического преобразователя позволяет повысить точность измерения размеров изделий, изготавливаемых в нагретом состоянии. Кроме того, разработанный преобразователь может быть использован в качестве фотометра для физико-химических исследований различных прозрачных веществ.

Таким образом, вышеизложенное свидетельствует о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности:
цифровой фотометрический преобразователь размера, воплощающий заявленное изобретение при его осуществлении, предназначен для использования в высокотемпературных технологических процессах;
для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления в соответствии с описанием и прилагаемыми чертежами;
цифровой фотометрический преобразователь размера, воплощающий заявленное изобретение при его осуществлении, способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявляемое изобретение соответствует требованию "промышленная применимость".

Преобразователь предназначен для использования в машиностроении в производстве крупногабаритных деталей при высокотемпературных технологических процессах. Преобразователь содержит объектив, маску с двумя окнами, фотопреобразователи, схему обработки информации, выполненную в виде первого коммутатора, к входу которого подключены фотопреобразователи, выход которого соединен с входом усилителя фототока, выход которого подключен к двум входам второго коммутатора. Один из входов второго коммутатора подключен через инвертор. Выход второго коммутатора соединен с интегратором, соединенным с компаратором, подключенным к одному из входов триггера. Управляющие входы коммутаторов и другой вход триггера соединены с делителем частоты, подключенным к генератору тактовой частоты. Выход триггера соединен с управляющим входом ключа, соединяющим генератор тактовых импульсов со счетчиком импульсов. Преобразователь повышает точность измерения размеров изделий, изготавливаемых в нагретом состоянии. 3 ил.

Цифровой фотометрический преобразователь размера, содержащий объектив, маску с двумя окнами, два фотопреобразователя и электронную схему обработки информации, отличающийся тем, что схема обработки информации преобразователя выполнена в виде первого коммутатора, два входа которого соединены с двумя фотопреобразователями, а выход соединен с входом усилителя фототока, выход которого подключен к двум входам второго коммутатора, причем один из входов второго коммутатора подключен через инвертор, выход второго коммутатора соединен с интегратором, соединенным с компаратором, подключенным к первому входу триггера, управляющие входы коммутатора и второй вход триггера подключены к выходу делителя частоты, вход которого соединен с генератором тактовых импульсов, выход триггера соединен с управляющим входом ключа, соединяющего генератор тактовых импульсов со счетчиком импульсов.