ЦИФРОВОЙ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ РАЗМЕРА Российский патент 1998 года по МПК G01B21/06 

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

Известны оптико-электронные измерительные устройства со сканированием изображения кромки изделия (Зарезанков Г.Х. "Фотоэлектронные приборы автоматического контроля размеров проката", М. Металлургиздат, 1962 г., 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 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.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для измерения размеров проката (Зарезанков Г.Х., там же, 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 излучение 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. Применение этого метода измерения позволяет уменьшить влияние изменения интенсивности излучения изделия, которая определяется его аппаратурой, на результат измерения размера.

Данное измерительное устройство имеет низкий технический уровень, обусловленный невысокой точностью измерения, содержит сложную электронную схему обработки информации и стрелочный индикатор, регистрирующий результат измерения размера в аналоговой форме. При использовании измерительного устройства с аналоговой схемой обработки информации в составе автоматизированной системы управления технологическим процессом необходим аналого-цифровой преобразователь, который является источником дополнительной погрешности измерения.

В связи с этим важнейшей задачей является создание нового оптико-электронного устройства для измерения размера объекта с цифровым представлением результата измерения, не содержащего аналоговой схемы обработки измерительной информации, стрелочные индикаторы и механические подвижные детали.

Техническим результатом заявленного цифрового оптико-электронного преобразователя размера является повышение точности и быстродействия измерения и удобства пользования этим измерительным устройством, поскольку результат измерения представлен в цифровом коде. Наличие цифрового выхода у измерительного устройство позволяет использовать его в составе автоматизированных систем управления технологическими процессами в различных отраслях промышленности.

Указанный технический результат достигается тем, что в цифровом оптико-электронном преобразователе размера, содержащем объектив, маску с двумя окнами, два фотопреобразователя и электронную схему обработки информации, схема обработки информации преобразователя выполнена в виде двух усилителей фототока, интегратора, двух компараторов, триггера, генератора тактовых импульсов, третьего коммутатора, счетчика импульсов и делителя частоты, выходы усилителей фототока соединены с входами соответствующих коммутаторов, управляемые входы которых соединены с делителем частоты, выход одного из коммутаторов соединен с входом интегратора, выход интегратора подключен к одним входам двух компараторов, другие входы которых подключены к общей шине у одного и к выходу второго коммутатора у другого, выходы компараторов соединены с установочными входами триггера, выход которого подключен к одному входу третьего коммутатора, а другой его вход соединен с выходом генератора тактовых импульсов, выход третьего коммутатора соединен с входом счетчика импульсов, установочный вход интегратора подключен к делителю частоты, вход которого соединен с генератором тактовых импульсов.

Указанное отличие позволяет повысить точность измерения размера нагретых изделий, поскольку в оптико-электронном преобразователе размера отсутствуют механические подвижные элементы и применен принцип время-импульсного развертывающего преобразования, в результате которого количество импульсов пропорционально размеру контролируемого объекта. Кроме того, предложенное устройство имеет меньшие габариты, более экономично и имеет более высокие надежности и быстродействие.

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 формуле 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 цифрового оптико-электронного преобразователя размера; на фиг.2 - проекция маски на плоскость измерения; на фиг.3 - временные диаграммы, поясняющие работу прибора.

Излучение от поверхности нагретого контролируемого объекта 1 через объектив 2 и маску 3 с двумя прямоугольными окнами, соответствующими измерительному и опорному каналам, фокусируется на светочувствительные поверхности фотопреобразователей 4 и 5. К усилителю фототока 6, соединенному с фотопреобразователем 5, подключен первый коммутатор 7, а к усилителю фототока 8, соединенному с фотопреобразователем 4 подключен второй коммутатор 9. Выход коммутатора 7 соединен с входом интегратора 10. Коммутаторы 7 и 9 управляются от делителя частоты 11, который также устанавливает в ноль интегратора 10. Выход интегратора 10 подключен к первым входам компараторов 12 и 13. Второй вход компаратора 12 соединен с общей шиной, а второй вход компаратора 13 - с выходом коммутатора 9. Выходы компараторов 12 и 13 соединены с установочными входами триггера 14. Генератор тактовых импульсов 15 подключен непосредственно к делителю частоты 11, а через коммутатор 16, управляемый с выхода триггера 14, - к счетчику импульсов 17.

При работе измерителя размера на фотопреобразователи 4 и 5 одновременно попадают потоки излучения от поверхности контролируемого объекта 1, прошедшие через объектив 2 и маску 3. Сигналы от потоков измерительного и опорного каналов с выхода фотопреобразователей 4 и 5 подаются на усилители фототока 8 и 6 соответственно. Сигнал измерительного канала меньше, так как определяется площадью окна маски, соответствующей излучаемой поверхности Δ₄ = ax, в то время как площадь засвеченного окна маски опорного потока определяется Δ₅ = ab (фиг. 2). Цикл измерения задается делителем частоты 11, который управляет коммутаторами 7 и 9. Сигнал измерительного канала выделяется коммутатором 9, фиг.3, диаграмма 18, а сигнал опорного канала - коммутатором 7, управляемыми делителем частоты 11, фиг.3, диаграмма 19. Сигнал опорного канала с выхода коммутатора 7 подается на вход интегратора 10, с выхода которого линейно изменяющееся напряжение поступает на первый вход компаратора 13, а на его второй вход подается сигнала измерительного канала с выхода коммутатора 9, фиг. 2, диаграмма 20. Сигнал с выхода интегратора 10 подается также на первый вход компаратора 12, второй вход которого соединен с общей шиной. В результате сравнения сигналов в компараторах формируются импульсы, фиг. 2, диаграмма 21, управляющие триггером 14, установочные входы которого соединены с выходами компараторов 12 и 13. Импульсы с выхода триггера 14 открывают третий коммутатор 16, на вход которого поступают тактовые импульсы с выхода генератора 15. На выходе коммутатора 16 формируется пакет тактовых импульсов, фиг.3, диаграмма 22, количество которых подсчитывается счетчиком 17. Длительность пакета, то есть количество импульсов, пропорционально размеру. Установка интегратора 10 в ноль осуществляется сигналом от делителя частоты 11.

Длительность импульса на выходе триггера 14 (длительность пакета) определяется следующими соотношениями:

где
T_x - длительность импульса, пропорциональная информативному параметру - размеру;
τ - постоянная времени интегратора;
U_x - напряжение измерительного потока;
U_o - напряжение опорного потока.

Применение преобразователя размера позволяет повысить точность измерения и надежность технологического оборудования.

Таким образом, вышеизложенное свидетельствует о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности:
- цифровой оптико-электронный преобразователь размера, воплощающий заявленное изобретение при его осуществлении, предназначен для использования в различных 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 оптико-электронный преобразователь размера, воплощающий заявленное изобретение при его осуществлении, способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "промышленная применимость".

Устройство целесообразно использовать в высокотемпературных технологических процессах при производстве крупногабаритных деталей. Преобразователь содержит объектив и маску с двумя прямоугольными окнами, соответствующими измерительному и опорному каналам. Два фотопреобразователя, соединенные соответственно с двумя усилителями тока, два коммутатора, управляемые делителем частоты. Интегратор, подключенный входом к первому коммутатору, а выходом - к двум компараторам, выходы которых подключены к установочным входам триггера. Выход триггера соединен с управляющим входом третьего коммутатора, соединяющим генератор тактовых импульсов со счетчиком импульсов. Техническим результатом является повышение точности и быстродействия, а также удобства пользования измерительным устройством. 3 ил.

Цифровой оптико-электронный преобразователь размера, содержащий объектив, маску с двумя окнами, два фотопреобразователя и электронную схему обработку информации, отличающийся тем, что схема обработки информации преобразователя выполнена в виде двух усилителей фототока, интегратора, двух компараторов, триггера, генератора тактовых импульсов, трех коммутаторов, счетчика импульсов и делителя частоты, выходы усилителей фототока соединены с входами соответствующих коммутаторов, управляющие входы которых соединены с делителем частоты, выход одного из коммутаторов соединен с входом интегратора, выход интегратора подключен к первым входам компараторов, вторые входы которых подключены к общей шине у одного и к выходу второго коммутатора у другого, выходы компараторов соединены с установочными входами триггера, выход которого соединен с первым входом третьего коммутатора, а второй его вход соединен с выходом генератора тактовых импульсов, выход третьего коммутатора соединен с входом счетчика импульсов, установочный вход интегратора подключен к делителю частоты, вход которого соединен с генератором тактовых импульсов.