ФОТОРЕГИСТРАТОР ДВИЖУЩЕЙСЯ МЕТКИ Российский патент 2002 года по МПК G01D5/30 

Изобретение относится к области измерений, а именно к измеряющим устройствам, в которых выходной сигнал от датчика света передается с использованием оптических средств, и предназначено для регистрации световых изменений, которые обнаруживаются, например, на вращающихся или колеблющихся предметах (метка на диске электросчетчика), малогабаритных световых предметах (светодиодах). В частности, предлагаемое устройство является оптико-электронным контрольно-измерительным прибором для регулировки и поверки индукционных счетчиков электроэнергии, а также для дистанционного измерения потребления электроэнергии.

Известно устройство для распознавания метки на вращающемся диске, содержащее источник света, оптическую фокусирующую систему, состоящую из двух сферических линз и полупрозрачного зеркала, фотоприемник и блок обработки сигнала фотоприемника /Заявка ФРГ N 3720102, G 01 D 5/30, 1989 г./. В данном устройстве свет от источника с помощью первой сферической линзы и полупрозрачного зеркала направляется на боковую поверхность диска электросчетчика, от которого после отражения проходит через полупрозрачное зеркало и вторую сферическую линзу и попадает на фотоприемник, от которого электрический сигнал поступает в блок обработки сигнала. Для уменьшения помех фотоприемник выполнен в качестве двух дифференциально включенных фотодетекторов.

Однако в таком устройстве невозможно достаточно полно компенсировать помехи от внешних источников излучения и отражений от защитного стекла и щитка электросчетчика, т.к., как правило, характеристики фотодетекторов неидентичны, а их ассиметричное расположение не может обеспечить защиту от тех же внешних воздействий света.

Недостатком описанного устройства является также сложность оптической системы и необходимость фокусировки, изображения метки на двух фотодетекторах. Наиболее близким устройством того же назначения к заявляемому изобретению по совокупности признаков является фотоэлектрический преобразователь для определения метки на диске индукционного электросчетчика, который содержит осветитель, цилиндрическую линзу, фотоприемник, блок обработки сигнала и генератор прямоугольных импульсов /Патент РФ N 2010161, G 01 D 5/30, 1994 г./. В данном устройстве световой поток от осветителя проходит через цилиндрическую линзу и попадает на исследуемый объект, а после отражения от него вновь проходит через цилиндрическую линзу, но под другим углом. Далее отраженный световой поток попадает на фотоприемник, в котором преобразуется в электрический сигнал, и поступает в блок обработки сигнала, в котором при высвечивании метки срабатывает пороговое устройство, выходной сигнал которого регистрируется индикатором. Цилиндрическая линза выполняется с разделяющей ее пополам специальной шторкой, которая служит для защиты от влияния лишних отражений от счетчика.

В описанном устройстве, несмотря на кажущуюся простоту оптической схемы, все же наблюдается ее усложненность, а также невозможность достижения указанного ниже технического результата. Так, применение цилиндрической линзы создает излишнюю громоздкость всей конструкции, невозможность миниатюризации прибора и расширения его технологических возможностей.

Цилиндрическая линза сама по себе не может обеспечить хорошую фокусировку. Для улучшения фокусировки данной схемы потребуется увеличение габаритов и усложнение оптической фокусирующей системы. В данной схеме вместо необходимого точечного пятна образуется полоса около 2 см, т.е. мощность излучаемого сигнала расходуется в большей мере впустую.

Недостатком прототипа является ограниченная рабочая зона, которая составляет от 0 до 1 см. Введение дополнительной шторки требует соприкосновения с исследуемым объектом и соответственно усложняет конструкцию.

Таким образом, описанное выше устройство является маломощным и ограничено для эксплуатации.

Задачей настоящего изобретения является:
- упрощение оптической системы и в целом всего устройства;
- улучшение фокусировки и увеличение мощности излучаемого и отраженного светового сигналов, что приводит к увеличению отношения сигнал/шум, следствием чего является надежность регистрации и устойчивость работы прибора.

Решение поставленной задачи улучшит технические способности прибора и позволит расширить его технологические возможности.

Поставленная задача решается с помощью нового устройства фоторегистрации движущейся метки, в котором содержатся осветитель, оптическая фокусирующая система, фотоприемник, блок обработки сигнала и соединенный с последним и с осветителем генератор прямоугольных импульсов, а в отличие от прототипа оптическая фокусирующая система выполнена в виде, по крайней мере, одной сферической линзы, при этом осветитель, сферическая линза и фотоприемник последовательно расположены на одной оптической оси таким образом, что сферическая линза обеспечивает прохождение светового сигнала от осветителя к исследуемому объекту, минуя фотоприемник, а отраженный от исследуемого объекта световой сигнал (в виде его диффузно-рассеянной части) попадает непосредственно на фотоприемник по той же оптической оси в обратном направлении. Целесообразно осветитель выполнить в виде точечного излучателя, способного выдавать наиболее концентрированный мощный световой сигнал.

Заявляемый фоторегистратор отличается упрощенной схемой оптической фокусировки за счет использования сферической линзы без каких-либо дополнений. Такие линзы обеспечивают хорошую фокусировку и наиболее пригодны для миниатюризации приборов. Соответствующие параметры линзы и фотоприемника, последовательная установка на одной оптической оси осветителя, линзы и фотоприемника, кроме упрощения схемы, позволяет световому потоку от осветителя пройти через сферическую линзу, обогнуть фотоприемник, осветить исследуемую поверхность, отразиться от нее и в обратном направлении попасть в фотоприемник части отраженного потока света, необходимого для регистрации метки. Такое расположение оптических элементов позволяет сократить ход луча от излучателя до приемника.

Так как исследуемая поверхность будет всегда не идеальной для отражения светового сигнала, то в расчет можно принять часть отраженного сигнала, как диффузно-рассеянного от неидеальной поверхности, которая будет направлена по оптической оси расположения оптических элементов устройства. Этой части отраженного сигнала вполне достаточно для срабатывания предлагаемого регистратора.

Увеличение светового потока от осветителя и улучшение фокусировки можно дополнительно достигнуть с помощью использования точечного излучателя, излучения от которого способствует увеличению соотношения сигнал/шум. Улучшенные технические характеристики прибора позволяют расширить его рабочую зону. Если в прототипе необходимо для регистрации метки на диске счетчика почти вплотную приставить прибор к защитному стеклу, то в предлагаемом устройстве рабочая зона увеличена до 4-6 см.

Для усиления фокусировки оптическую фокусирующую систему можно выполнить в виде нескольких сферических линз, соединенных вместе. Оптимальный вариант - это две выпуклые линзы, склеенные вместе, у которых могут быть различные фокусные расстояния.

Совокупность признаков заявляемого устройства и анализ его отличий от прототипа позволяет сделать вывод о соответствии критериям изобретения "новизна" и "изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 представлена общая схема фоторегистратора движущейся метки и его расположение относительно электросчетчика. На фиг. 2 изображена оптическая схема, поясняющая ход лучей от осветителя и отраженных от объекта.

Фоторегистратор на фиг. 1 содержит расположенные на одной оптической оси осветитель 1, сферическую линзу 2 и фотоприемник 3, блок обработки сигнала 4, генератор прямоугольных импульсов 5, а также индикатор 6. Блок обработки сигнала 4 содержит последовательно соединенные усилитель переменного тока 7, синхронный детектор 8, усилитель постоянного тока 9 и пороговое устройство 10, выход которого подключен к индикатору 6. Выход генератора прямоугольных импульсов 5 соединен со входом осветителя 1 и вторым входом синхронного детектора 8. Цифрами 11 обозначена метка на диске 12 электросчетчика, 13 - щиток с прорезью для выступающей из него части диска 12, 14 - стекло защитное электросчетчика.

В качестве осветителя 1 используется светодиод, который может быть кристаллическим, точечным. Практика изготовления прибора, удобного и эффективного в использовании, показала, что хороший эффект достигается при спиливании наплавленной линзы светодиода до кристалла, что создает почти идеальный точечный излучатель, который обеспечивает лучшую фокусировку излучаемого света, при котором практически исчезает размытость изображения видимого пятна на диске счетчика, увеличивает мощность излучения.

В качестве линзы 2 показаны склеенные вместе две выпуклые линзы сферического типа. Фотоприемник 3 выполняется в виде фотодиода, в котором приемная часть работает в качестве дополнительной фокусирующей линзы, а обратная - непрозрачна.

Блок обработки сигнала 4 здесь имеет в качестве синхронного детектора 8 аналоговое умножающее устройство с фильтром низких частот, а пороговое устройство 10 выполнено в виде триггера Шмитта. Индикатор удобно выполнить в виде отдельного блока 6 из светодиода.

На фиг. 2 показана оптическая схема расположения светодиода 1, линзы 2 и фотодиода 3 по отношению к электросчетчику, к поверхности защитного стекла 14 и к плоскости диска 12. При эксплуатации целесообразно приближать фоторегистратор к облучаемому объекту таким образом, чтобы оптическая ось излучения находилась в плоскости диска 12, была направлена на его боковую поверхность, на которой расположена метка 11, и составляла с поверхностью защитного стекла 14 угол ϕ = 90^°±20^°. Такое отклонение луча на небольшой угол до 20^o предохраняет фотодиод от сильного прямого отражения света, который может привести в насыщение его фотоэлемент.

Устройство работает следующим образом. Фоторегистратор устанавливается вблизи защитного стекла 14 в зоне появления метки 11. Генератор прямоугольных импульсов 5 выдает импульсы высокой частоты, около 100 кГц, которые поступают на вход осветителя-светодиода 1 и второй вход синхронного детектора 8. Импульсное излучение от светодиода 1 проходит через сферическую линзу 2, где фокусируется, затем, минуя фотодиод, поступает на выступающую из прорези щитка 13 часть боковой поверхности диска 12, отражается от нее и возвращается в качестве отраженного света, поступая на вход фотодиода 3, где фокусируется его линзой. При этом ход луча получается предельно коротким. Фотодиод 3 преобразовывает световой сигнал в электрический, который передается на усилитель переменного тока 7, далее в синхронном детекторе 8 он преобразовывается под воздействием импульсов генератора прямоугольных импульсов 5 в постоянный ток и поступает в пороговое устройство 10, которое срабатывает при уровне выходного напряжения усилителя 9, соответствующему световому сигналу, отраженному от метки 11. При срабатывании порогового устройства 10 при наличии элемента - индикатора 6 загорается его излучатель, что визуально свидетельствует о регистрации метки 11.

Предложенная схема устройства фоторегистратора движущейся метки позволяет обеспечить достаточно высокую степень фокусировки светового потока, падающего на исследуемый объект, - образуется точечное пятно от 2 до 15 мм, что требуется для устойчивой работы прибора. Мощность светового потока, его хорошая фокусировка дают возможность не входить в соприкосновение с объектом, что расширяет область применения устройства, которое может работать в условиях повышенных внешних световых помех, там, где известные приборы не применимы.

Вышеизложенные сведения подтверждают очевидную промышленную применимость заявляемого изобретения.

Использование: в измерительной технике, для регулировки и поверки индукционных электросчетчиков, для дистанционного измерения потребления электроэнергии. Сущность изобретения: фоторегистратор движущейся метки содержит осветитель, оптическую фокусирующую систему, фотоприемник, блок обработки сигнала и генератор прямоугольных импульсов, соединенный с осветителем и блоком обработки сигнала. Особенность фоторегистратора состоит в том, что оптическая фокусирующая система выполнена в виде, по крайней мере, одной сферической линзы, при этом осветитель, сферическая линза и фотоприемник последовательно расположены на одной оптической оси таким образом, что сферическая линза обеспечивает прохождение светового сигнала от осветителя к исследуемому объекту, минуя фотоприемник, а отраженный от исследуемого объекта световой сигнал попадает непосредственно на фотоприемник по той же оптической оси в обратном направлении, причем осветитель выполнен в виде точечного излучателя. Такое решение позволяет упростить устройство и повысить надежность регистрации и устойчивость работы. 2 ил.

Фоторегистратор движущейся метки, содержащий осветитель, оптическую фокусирующую систему, фотоприемник, блок обработки сигнала и генератор прямоугольных импульсов, соединенный с осветителем и блоком обработки сигнала, отличающийся тем, что оптическая фокусирующая система выполнена в виде, по крайней мере, одной сферической линзы, при этом осветитель, сферическая линза и фотоприемник последовательно расположены на одной оптической оси таким образом, что сферическая линза обеспечивает прохождение светового сигнала от осветителя к исследуемому объекту, минуя фотоприемник, а отраженный от исследуемого объекта световой сигнал попадает непосредственно на фотоприемник по той же оптической оси в обратном направлении, причем осветитель выполнен в виде точечного излучателя.