Измерительный прибор со световым указателем Советский патент 1986 года по МПК G01D13/20 G01D5/28 

излучателями 5 с помощью каналов 9 связи, производится одновременно не- прерьгеная Лосылка маркированных све- toBbK лучей всех каналов на подвижное зеркало 4 через марки- - рующие элементы 6 и фокусирующие

ч--

объективы 7. Количество излучателей 5 выбирается равным числу дискретных составляющих, выделяемых из сигналов в процессе измерения. Размещение маркирующих элементов 6 с объективами 7 в секторе перемещения светового луча на угловом расстоянии друг от друга

Изобретение относится к приборостроению, а именно к индикаторным приборам с оптическими средствами передачи сигнала.

На фиг. 1 схематически изображена шкала прибора; на фиг. 2 - прибор, вид -сверху; на фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 2; па фиг. 4 - угол смещения ct излучателей относительно друг друга.

Прибор содержит шкалу 1 для отсчета с помощью светового указателя 2 вьщеленной из сигнала дискретной составляющей, отображенной, например, в виде числа из арабских цифр. По положению оптической риски, расположенной над числом, производится отсчет аналоговой составляющей измеряемого сигнала, изменяющейся в преде- лах границ, определяющих значение одной вьщеленной дискретной части сигнала. Преобразователь 3 измеряемой величины прибора с подвижной рамкой, несущей зеркало 4, служащее для проецирования маркированных лучей светового указателя на полупрозрачну шкалу 1, образуют датчик измеряемого сигнала.

Прибор также содержит излучате- .ли 5 световых лучей, маркирующие эле менть 6, установленные между излучателями и фокусирующими объективами 7 , количество которых равно числу выделенных из сигнала дискретных составляющих, и возбудитель 8 световых лучей, который связан с излучателями каналами 9 связи.

oi 2fj/k (где k - число излучателей, р - угол поворота зеркала) позволяет формировать наряду со шкалой ана- логовой составляющей и указатель величины вьщеленной из сигнала дискретной составляющей. Маркирующий элемент 6 может .быть выполнен в виде светофильтра с образованным на нем изобр 1жением зеркально отображенного числа из арабских цифр и расположенной за ним запятой и оптической рис-, кой, а каждый канал 9 связи - из оптического волокна.23,п,ф-лы, 4 ил.

Перечисленные элементы измерительного прибора установлены в корпусе 10.

В качестве излучателей световых лучей 5 могут быть использованы индикаторные устройства, к которым относятся группа твердотельных индикаторов на светоизлучающих диодах, электролюминисцентные порошковые и пленочные индикаторы, жидкокристаллические индикаторы. В настоящее время излучатели наиболее просто могут быть выполнены с применением, например, световоднь х волокон или из мо- нолитного светопроводящего канала.

В этом случае световоды одновременно выполняют и роль каналов 9 связи, значительно упрощая выполнение многоканальной оптической систе и позволяют ограничиться одним осветителем.

Менее эффективно система излучателей может быть выполнена из индивидуальных осветителей с применени- ем индивидуальных ламп накаливания.

Маркирующие элементы 6 могут быть выполнены, например, в виде светофильтров с образованными на них изображениями геометрических символов, изображениями зеркально отображенных чисел из арабских цифр, светофильтров различного цвета и.т.д., на которые направляются световые лучи от из- пучателей 5.

В некоторых-случаях можно совместить функции излучателей и марки- рутощргх элементов, если излучатели

вьшолнить из элементов, которые сразу позволяют получать маркированные световые лучи, например, из световоло- кон, излучающая сторона которых выполнена расщепленной с образованием отображаемых знаков, из индикаторных устройств, воспроизводящих оптические символы в знаковой (цифровой) форме с возможностью придания цветности изображению..

Возбудитель 8 световых лучей может быть выполнен как источник электрических сигналов, подаваемых по каналам связи (проводам) на излучатели, если в качестве последних используются излучатели с электрическим управлением, например, знаковые индикаторные устройства. При вьтс лнении излучателей из элементов волоконной оптики возбудитель 8 представляет собой осветитель, т.е. источник видимого светового излучения, около которого расположены все входы каналов связи.

Для решения поставленной задачи необходима соответствующая расстановка излучателей и маркирующих элементов в предлагаемом приборе. Следует отметить, что расстановка определяется количеством излучателей, число которьгх равно числу дискретных соста вляющих, выделяемых из сигналов в процессе измерения. Например, при измерении сигнала в 5 условных едини можно выделить дискретные составляющие сигнала 0,1,2,3,4 единицы. При измерении сигнала со значением 50 единиц можно вьщелить дискретные составляющие 0,10,20,30,40 единиц, а при измерении сигнала величиной 100 единиц - 0,10,20,30,40,50,60, ,70,80,90 единиц.

В первых двух случаях потребуется пять каналов, в последнем - 10 каналов оптической системы. Число дискретных составляющих сигнала опреде- ляет и степень сокращения размера прибора по ширине, т.е. в первых двух случаях габариты прибора по ширине уменьшаются в 5 раз, в последнем - в 10 раз без изменения габари- тов по высоте и длине прибора.

Первый излучатель маркированного луча установлен в корпусе 10 таким образом, что его световой луч 11, проецируемый подвижным зеркалом 4 при нулевом значении измеряемого сигнала, проецируется на нулевую отметку шкалы 1 прибора, остальные

jJO

4; JQ

25

30

35 0

5 5

S5

излучатели маркированных лучей уста новлены также неподвижно и смещены относительно друг друга в направлении поворота подвижного зеркала на определенный фиксированный угол ей (фиг. 4).

Для определения угла об воспользуемся следующим. Примем, что для измерения максимального для данного прибора сигнала измерительный механизм с подвижной рамкой, несущей зеркало, поворачивается на угол /J , а из измеряемого сигнала выделяются дискретные составляющие. Тогда при повороте измерительного механизма на угол /i/k световой указатель проходит по шкале прибора расстояние, соответствующее измерению одной дискретной составляющей, которое в k раз меньше длины шкалы прибора о известного устройства.

Пусть в исходном положении измерительного механизма 3 при нулевом значении измеряемого сигнала (построения проведены сплошными линиями) луч f2 светового указателя первого излучателя 5, расположенного слева, падает на зеркало 4 под углом Jj , к перпендикуляру 13, восстановленному к поверхности зеркала, и, отражаясь от него, проецируется на начальную отметку шкалы. Тогда угол между падающим лучом 12 первого излучателя и отражеиньм лучом 11, проецирующегося на начальную отметку шкалы, составит 2 у,. При повороте зеркала на угол ) (построения проведены пунктирными линиями) отраженный луч 11 первого излучателя проецируется на конечную точку шкалы, а угол между перпендикуляром 13 после поворота зеркала и лучом 11, проецирующегося на начальную отметку шкалы, равен (у, - р /1,. Чтобы луч второго излучателя в этом положении зеркала проецировался на начальную отметку шкалы, второй излучатель необходимо сместить влево относительно перпендикуляра 13 на угол (у,-Р/к) или на угол 2( у, -P/k) относительно луча 11, проецирукэдегося на начальную отметку шкалы. Тогда угол между первым и вторым излучателями в направлении поворота измерительного механизма определяется как

ос- 2J, - 2 (у, 2/i/K.. Если обозначить через Jf при i « и угол между падающим лучом i-го указателя (где j I,2,... h ... К - номер Излучателя и перпендикуляром к зеркалу, повернутому на угол /( o-lj/K, где значение 1i п К определяет угол поворота измерительного механизма относительно исходного состояния, то проведя аналогичные рассуждения, получим, что угол между i-м и(14-1)-м излучателями всегда равен 2р/к.

Таким образом, если все излучатели световых указателей сместить относительно друг друга на угол л 2/ /к в направлении поворота измерительного механизма, то при повороте зрр- кала на угол /(h-1 )/К при П i отраженный от подвижного зеркала луч с выхода предыдущего (i-)-ro маркирующего элемента будет находиться в конце шкапы, а отраженный от подвижного зеркала луч с выхода следующего i-го маркирующего элемента - в начале шкалы. При этом на шкале проецируются одновременно два световых указателя 1-го и (-1)-го излучателей, рассто- яние между которыми соответствует длине шкалы L/K.

В остальных положениях измерительного механизма при (i-l)n iHa шкалу проецируется только один световой указатель ( -1)-го излучения.

При 1 . h 1 (исходное состояние зеркала измерительного механизма при нулевом значении измеряемого сигнала) величина (i -1) О, что соответствует отсутствию предьщущего излучателя перед излучателем, принятым в качестве первого.

Световые указатели остальных излучателей хотя и попадают на подвижное зеркало, но, отражаясь от него, проецируются за пределами шкалы. Это происходит вследствие того, что на шкале прибора, как следует из фиг. 4, проецируются световые указатели только тех излучателей, которые попадают в сектор у , ограниченный, углом с . При повороте измерительного механизма границы этого сектора будут также перемещаться и в зону действия сектора будут попадать те или иные излучатели, световые указатели которых будут проецироваться на шкалу.

Если обозначить через ff верхнюю границу сектора jf , отсчитьшаемую от положения первого излучателя, то координаты границ сектора в угловых единицах при любом положении измерительного 1у1еханизма мойно записать как

1229579

. где(„ (2/5/О(т1).

Так как излучатели расставлены искретно на расстоянии друг от друга, то разделив левую и правую части

неравенства на угол ct, мы получим номера излучателей, попадающих в сектор ( , световые указатели которых проецируются на шкалу при определенных положениях зеркала.

(п-1) У « П.

При целых значениях п, например равным пяти, т.е. при повороте зеркала на величину ()()1-1) Р/ в сектор jf попадают 4-е и 5-е излучатели.

При дробном значении, например равном 6 и 8, получим 5,8 f 6,8, Так как номер излучателя выражается целым числом, то в этих границах сектора находится один 6-й излучатель, световой указатель которого проецируется на шкалу.

30

5

Q

0

5

Световые указатели излучаетелй, расположенных справа и слева сектора , будут проецироваться за пре- г елами шкалы.

Дополнительное требование к раз- мещению излучателей 5, маркируюш сс элементов 6 и фокусирующих объективов 7 сводится к тому, что часть этих элементов должна быть установлена вне плоскости действия отраженного от подвижного зеркала луча. Это требование относится только лишь к тем излучателям, которые попадают в сектор действия отраженного луча 11, проецируемого на шкалу. Для схемы прибора, изображенного на фиг. 2, в сектор действия отраженного от подвижного зеркала луча попадает лишь один из излучателей 5 с маркирующим элементом 6 и фокусирующим объективом 7. Поэто:му, если эти элементы расположить на общей дуге окружности и на одной высоте вместе с другими излучателями, то вследствие конечных их размеров, большая часть шкапы будет закрыта для отраженного луча, что приведет к невозможности считывания информации со шкалы. Если элементы, попадающие в сектор действия отраженного луча 11, установить на этой же дуге окружности, но,сместить по высоте, то увеличится угол падения, а следовательно, и угол отражения луча на подвижное зеркало в вертикальной плоскости прибора и отраженный пуч при заданной высоте прибора

не будет ароецироваться на шкалу прибора.

Чтобы уменьшить угол падения в ве тикальной плоскости прибора, необходимо установить элементы, попадающие в сектор действия отраженного луча 11, на таком расстоянии от подвижного зеркала, при котором отраженный от подвижного зеркала луч проецировался бы на шкалу в пределах габаритов прибора.

Излучатели маркированных лучей могут быть установлены на любом расстоянии, в пределах габаритов прибора, от подвижного зеркала, но с обязательным выполнением условия расстановки по углу об в радиальной плоскости. Наиболее просто излучатели могут быть расставлены по дуге окружности, вписьшающейся в габариты прибора по ширине .

Прибор работает следующим образом

При включении прибора возбудитель 8 световых лучей, связанный с излучателями 5 с помощью каналов 9 связи, обеспечивает одновременно непрерывную посылку маркированных световых лучей всех каналов на подвижное зеркало прибора, В исходном состоянии при нулевом значении измеряемого сигнала оптическая риска светового указателя 2, образованная ngp вым излучателем световых лучей и проецируемая подвижным зеркалом, совпадает с нулевым отсчетом шкалы. При этом отсутствие целых частей отображается, например, изображением циры О непосредственно под оптической риской. При увеличении измеряемого сигнала подвижное зеркало А начинает поворачиваться, что приводит к перемещению светового указателя по длине шкалы на расстояние, соответствующее значению измеряемого сигнала. Если амплитуда измеряемого сигнала не превьшает предала некоторой дискретной составляющей, например 10 В, то по положению оптической риски светового указателя считываетс значение сигнала, как и у известных приборов. При дальнейщем увеличении сигнала световой указатель первого излучателя, маркированный цифрой О достигает конца шкалы, а в это же время световой указатель второго излучателя, маркированный, например, цифрой 10, проецируется в начале шкапы.

10

)5

20

2295798

Изменение сигнала в пределах второй дискретной составляющей отображается положением оптической риски относительно начала шкалы и маркирующим символом второго излучателя, изображаемого в данном случае числом lOV. Так что отсчет значения измеряемого сигнала в данном случае производится по значению маркирующего символа (в данном случае 10) и по положению оптической риски светового указателя относительно шкалы прибора, т.е. комбинированным способом - дискретные целые части в цифровой, например, форме, а части дискретной составляющей - по положению светового указателя. Измеряемое значение сигнала считьшается в данном случае.как совокупный эквивалент, образуемый суммой содержащихся в момент считывания количества целых частей в амплитуде сигнала и части сигнала, изменяющейся в пределах вьщеленной дискретной составляющей амплитуды сигнала.

Дальнейшее увеличение амплитуды измеряемого сигнала приводит к повороту подвижного зеркала на больший угол и оно проецирует на шкалу 1 прибора светового указателя третьего излучателя, маркированный, например, числом 20.

Таким образом, увеличение амплитуды измеряемого сигнала приводит к увеличению угла поворота подвижного зеркала прибора от его начального положения на некоторый угол, в пределах которого равные целые части измеряемого сигнала отображаются на шкале прибора посредством проецирова- ния маркированных световых указателей, сменяющих последовательно один другого при изменении сигналаj но перемещающихся по одной линии светового проецирования, уменьшенной по ширине.

25

30

35

40

45

%

Последний маркированный световой указатель проецируется на полупрозрачный экран прибора аналогичным образом от последнего излучателя, смещея ного на определенный, самый больший угол относительно первого излучателя. Маркирующий символ последнего светового указателя позволяет отобразить наибольшее значение выделенных дис 5 кретных составляющих, содержащихся в максимально возможной для данного прибора амплитуде сигнала, соответствующей предельному углу поворота

У

подвижного зеркала измерительной час ти прибора.

При уменьшении измеряемого сигнал от значения, соответствующего верх- ,нему пределу измерения, к нулю, проецирование маркированных световых указателей происходит аналогичным образом, но последовательное пере- мещение юс вдоль шкалы происходит в обратном порядке, справа налево. Ком бинированньш отсчет измеряемого сигнала осуществляется аналогичным, ранее описанным образом.

Как при прямом, так и обратном изменении амплитуды сигнала на шкале проецируется один маркированный световой указатель, а в крайних положениях - два, что позволяет быстро, удобно и с той же точностью (либо лучшей) произвести отсчет значения измеряемого сигнала. Размеры прибора по ширине при сохранении его класса точности значительно з меньшаются, практически пропорционально количеству маркированных световых указателей перемещающихся по одной линии отображения, т.е. без изменения габаритов прибора по высоте.

На данном этапе наиболее эффективной, с точки зрения технической реализации, представляется конструкция предлагаемого прибора, в котором в качестве каналов связи и излуч.ателей используются световоды, на излучаю- ирос концах которых установлены маркирующие элементы. Приемные концы с.ве- товодных оптических каналов в этом случае располагаются у одного, общего для всех каналов осветителя, являющегося возбудителем маркированных лучей, подаваемых на подвижное зеркало датчика прибора. В зависимости от назиачения прибора, в этом случае наиболее просто может быть осуществлено маркирование луча не только цифрой, но и цветом с помощью быст- родейству эр1его светофильтра в свето- водном канале для повьш1ения комфорта при работе с данными приборами. Причем, конструктивно излучатель и маркируюв й элемент могут быть совмещены, что улучшит технологичность юс изготовления и повысит удобство обслуживания прибора.

0

5

0

5

9579

0

5

0

5

0

10

Реализация рассмотренных существенных признаков предлагаемого прибора может быть проведена на базе конструкций выпускаемых отечественной промышленностью приборов со световым . отсчетом, при этом не ухудшаются инерционные свойства прибора, так как сам датчик прибора остается без изменения. При необходимости может быть образован и фотоэлектрический контакт.

Формула изобретения

1.Измерительный прибор со световым указателем, содержащий датчик измеряемой величины, выполненный в виде преобразователя с подвижной рамкой, на которой закреплено зеркало, осветитель и оптические каналы формирования световых маркирующих указателей с объективами, отличающийся тем, что, с целью расширения пределов измерений при сохранении разрешающей способности без увеличения габаритов шкалы, маркирующие элементы световых указателей с объективами размещены в секторе перемещения светового луча на угловом расстоян1-ги друг от друга

Oi

где р - угол поворота зеркала; К - число излучателей.

2.Прибор по п. 1, отличающий с я тем, что маркирующий элемент вьтолнен в виде светофильтра с образованным на нем прозрачным для светового луча изображением зеркально отображенного числа из арабских цифр и ра1сположенной за ним запятой Д.ПЯ считьшания выделенной из сигнала дискретной составляющей и оптической риской,расположенной над числом для считывания аналоговой составляющей.

3.Прибор по п. 1,отличающий с я тем, что, с целью упрощения вьтолнения многоканальной сис- темь, каждый канал вьтолнен из оптического световолокна, причем входы световолокон расположены около одного осветителя, а вькоды образуют зеркально отображенные числа.

0Ul. 1

to

Изобретение относит ся к индикаторным приборам с оптическими средствами передачи сигнала. Целью изобретения является расширение пределов измерений при сохранении разрешающей способности без увеличения габаритов шкалы. Устройство содержит датчик измеряемой величины, выполненный в виде преобразователя 3 с подвижной рамкой, несущей зеркало 4. Возбудителем 8 световых лучей, связанным с (Л ND го i;o ел со

5t

Составитель В. Костин Редактор В. Иванова Техред О.Гортвай Корректор А. Тяско

Заказ 2443/40 Тираж 705Подписное

ВНИИПИ Государствеиного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул.Проектная, 4