Цифровое регистрирующее устройство Советский патент 1986 года по МПК G01D1/08 G01G23/37 

г. другими узлами устройства. При освобождении коромысла весов изображение шкалы 1 двигается относи- тольно фотоэлектрических преобразователей 8 и 9, при пересечении одиночного штриха Шкалы 1 фотоэлектрического преобразователя 9 с помощью формирователя 13 импульсов формируется передний фронт импульса

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в весах высокой точности.

Целью изобретения является повышение точности и сокращение времени определения положения равновесия коромысла весов.

На фиг. 1 изображена оптическая схема устройства; на фиг. 2 - вид А на фиг, 1 (щель и фотоэлектрические преобразователи устройства); на фиг. 3- электрическая блок-схема устройства.

Регистрирующее устройство содержит шкапу 1, зеркало 2, закрепленное на коромысле 3 весов, проекционную оптическую систему, состоящую из лампы 4 подсветки, конденсатора 5, объектива 6 и щели 7, фотоэлектрических преобразователей 8 и 9, формирователя 10 импульсов счета, реверсивного счетчика 11, вычислителя 12 положения равновесия, формирователя 13 импульсов начала и окончания измерения, измерителя 14 интервала времени, генератора 15 импульсов и цифропечатающего устройства 16

Шкала 1 имеет штрихи равной толщины, идущие с равномерным шагом . вдоль нее, кроме того,, в середине шкалы напротив среднего штриха нанесен дополнительный одиночный штрих Шкала 1 располагается вне корпуса весов на расстоянии от них напротив зеркйла 2, запрепленного на коромысле 3 весов. Фотоэлектрические пре- об азователи 8 и 9 неподвижно за- крепляются перед весами так, чтобы изображение штрихов шкалы 1 проеккоторый одновременно запускает измеритель 14 интервалов времени, генератор 15 импульсов и реверсивный счетчик 11. После этого начинается счет числа штрихов шкалы 1, измерение периода колебаний и генерирование импульсов опроса счетчика с помоп ;ью генератора импульсов 15. 3 ил „

тировалось оптической системой на фотоэлектрический преобразователь 8, а изобр.ажение дополнительного одиночного штриха - на фотоэлектрический преобразователь 9. Расположение шкалы 1 и зеркала 2 такое, что средний штрих шкалы 1 всегда находится внутри зоны колебаний луча света, отраженного от зеркала 2, при колебаниях коромысла 3.

Выход фотоэлектрического преобразователя В подключен ко входу формирователя 10 импульсов, выход которого подключен ко входу реверсив- ного счетчика ,11. Выход счетчика 11 подключен к одному из входов вычислителя 12 положения равновесия, выход которого соединен с цифропечатающим устройством 16. Выход допол-- нительного фотоэлектрического преобразователя 9 соединен со входом формирователя 13 импульсов, выход которого соединен со входами счетчика 11 (гнездо запуска счетчика 11), генератора 15 импульсов и измерителя 14 интервалов времени. Выходы измерителя 14 интервалов времени и генератора 15 импульсов подключены

к соответствуюпщм входам вычислителя положения равновесия. I

Регистрация положения равновесия колебаний коромысла 3 весов производится следующим образом,

При освобождении коромысла 3 весов с помощью механизма арретиро- вания (не показан) оно начинает колебаться под действием силы тяжести около некоторого положения равновесия .

Бри колебаниях коромысла 3 весов изображение шкалы 1, отраженное от зеркала 2 и спроецированное на фотоэлектрические преобразователи 8 и 9 также совершает колебательное дви- жение. Это изображение может двигаться в двух направлениях - прямом и обратном.

При движении изображения шка.пы 1 изображения ее штрихов поочередно затемняют фотоэлектрический преобразователь 8, что приводит к появлению на его выходе периодических электрических сигналов. Эти сигналы преобразуются с помощью формирова- теля 10 импульсов в последовательности импульсов, которые поступают на вход реверсивного счетчика 11.

Фотоэлектрический преобразователь 8 и формирователь 10 импульсов формируют импульсы с характеристиками, необходимыми для работы счетчика. 1 1 в реверсивном режиме. Когда изображение дополнительного штриха шкалы 1 пересечет фотоэлектрический преобразователь 9, с помощью формирователя 13 импульсов формируется передний фронт импульса, который запускает реверсивный счетчик 11, измеритель 14 интервалов времени и ге- нератор 15 импульсов. С этого момента реверсивный счетчик 11 начинает счет импульсов, поступающих на его вход с формирователя 10 импульсов, измеритель 14 интервалов времени на- чинает измерение времени, а генератор 15 импульсов начинает генерировать импульсы через заданные равные промежутки времени. Как только импульс с генератора 15 импульсов пос- тупит на вход вычислителя 12 положения равновесия, последний опрашивает реверсивный счетчик 11 и результат опроса запоминается им. В результате при движении изображения шкалы 1 в регистры памяти вычислителя 12 через равные промежутки времени подаются результаты счета числа штрихов шкалы 1 . Реверсивный счетчик 11 суммирует импульсы при движении шкалы 1 в прямом направлении и вычитает их при движении ее в обратном направлении.

Таким образом, имеется однозначное соответствие между положением коромысла 3 весов, номером штриха шкалы 1, затемняющего фотоэлектрический преобразователь 8, и числом

импульсов, сосчитанных реверсивным счетчиком 11. При повторном пересечении фотоэлектрического преобразовтеля 9 изображением дополнительного штриха шкалы 1, когда шкала 1 движется в обратном направлении, формируется задний фронт импульса, а счет импульсов счетчиком 11, работа измерителя 14 интервалов времени и генератора 15 импульсов продолжаютс Затем шкала 1 снова изменяет направление движения на прямое.

После того, как изображение дополнительного штриха шкалы 1 пересечет фотоэлектрический преобразователь 9 (при движении шкалы 1 уже в прямом направлении) формируется передний фронт импульса, который дает команду останова счета реверсивному счетчику 11, останова работы генератору 15 импульсов и останова работы измерителю 14 интервалов времени. Трехкратному пересечению фотоэлектрического преобразователя 9 дополнительным штрихом шкалы 1 соответствует время измерения, измеряемое измерителем 14 интервалов времени, точно равное одному периоду колебаний коромысла 3 весов.

Число измеряемых значений отклонений коромысла определяется как целая часть от деления периода колебаний коромысла весов, предварительно измеренного, на промежуток времени между двумя последовательными измерениями, задаваемыми генератором 15 импульсов. Это число заранее вводится в вычислитель 12. Информация, с измерителя 14 интервалов времени поступает на вычислитель 12, там она запоминается, обрабатывается вместе с информацией, поступившей со счетчика 11, и результат обработки (положение равновесия коромысла весов) печатается на ленте цифро- печатающего устройства. На этом процесс измерения заканчивается.

На вычислитель поступают следующие данные: массив чисел х; (i 1,2,3...k, где k - число опросов счетчика 11), измеренное измерителем 14 интервалов времени значение интервала времени измерения, т.е. период колебаний коромысла весов - Т значение интервала времени межд двумя последовательными опросами реверсивного счетчика 11, задаваемого генератором 15 импульсов.

Алгоритм обработки измерительной Информации с помощью вычислителя t2 состоит в следующем. Закон колебаний коромысла применен в виде функции

..i

x(t) где x(t)

X, +А

X.sina)t + f(t), (1)

текущее во времени отклонение коромысла весов, отсчитываемое от начала ко- ординат;

постоянная составляющая колебаний коромысла, характеризующая положение равновесия коромысла

А -Х Си f(t) йачальная амплитуда отклонения коромысла; коэффициент затухания колебаний коромысла; собственная частота колебаний коромысла; случайная функция, быстро изменяющаяся во времени по сравнению с периодом колебаний коромысла весов.

Функция f(t) отражает влияние внешних сил и внутренних помех, воздействующих на колебаний коромысла весов, и не имеет постоянной составляющей в пределах одного периода

колебаний коромысла весов, т.е. т

(2)

f(t)d t О,

где Т

2 ii W

- период собственных колебаний коромысла весов.

Функция f(t) искажает гармоничес куй форму колебаний и вносит дополнительную погрешность при определений положения равновесия коромысла весов по его экстремальным отклонениям.

Интегрируя вьфажение (1) в пределах от t О до t Т и поделив его на Т с учетом равенства (2), получим

тт

|| x(t) - j е sinutjt. (3) оо ,

при малых значениях коэффициента затухания равенство (3) можно представить в виде

Х„-ь

E,

(4)

10

15

20

5

0

5

0

где Е - (-л Т/2).

Декремент D и коэффициент затухания f( колебаний коромысла весов свяTiT

заны равенством D-1 -у. Для точных весов D , для оценки значения Е получим неравенство: ES5 -10 Л,

Амплитуда колебаний коромысла весов не может превышать половины от всег о числа делений шкалы N,. При N 400 Ei: 1 .10 деления шкалы. При цене деления шкалы 0,01 мг/дел, значение Е будет меньше 0,0001 мг. Этим значением в равенстве (4) можно пренебречь.

Интеграл в левой части равенства (4) молсет быть вычислен одним из методов численного интегрирования, например, методом трапеций.

В соответствии с методом трапеций интеграл в левой части (4), представляющий собой площадь, образуемую подынтегральной функцией и осью абсцисс в пределах интегрирования от О до Т, вычисляется по дискретным значениям ординат функции x(t), взятых при значениях аргумента от t с шагом , где k - целое число, на которое разбивается интервал интегрирования, В нашем случае интервал интегрирования разбивается на k целых частей с шагом t и одну часть U L на конце интервала, меньшую Т , Тогда левую часть равенства (4) можно записать в виде

т «т т ljx(t)jt ij x(t)dt+lj x(t)jt. (5)

ооkT

Применяя метод трапеций, из равенства (5) получим

45

т ||x(t)dt |(,...+х,)

(t-)(6)

где х; х(1г) при i 0,1,2,3.,.k, (Т)

Поскольку т -. период колебаний, то , и равенство (6) можно представить в виде

i|K(t)jc |ix.; ьц fi-(k 1) i

л L т J

(7)

Согласно равенствам (4) и (7) положение равновесия коромысла весов определяется по формуле

/% к (,

Xo+Xi

l-(k.1)

В качестве ординат Х; можно взят линейные перемещения изображения штрихов шкапы 1 относительно неподвижной щели 7 фотоэлектрического преобразователя 8. Тогда величина этих перемещений определяется числом импульсов, образующихся при пересечении фотоэлектрического преобразователя 8 каждым штрихом шкалы 1.

Счет импульсов счетчиком 11 начинается после пересечения дополнительным одиночным штрихом на шкале 1 щели 7 фотоэлектрического преобразователя 9, поэтому х 0. Щель 7 является общей для фотоэлектрических преобразователей 8 и 9.

Учитывая, что Т k +й о(0 б ) и Xj О, равенство (8), с точностью до членов второго порядка малости, примет вид:

. (i-f)i-,-()- (9)

, 2 T

A

Оценим второе слагаемое в формуле (9). Для этого оценим величину Х|. Максимальная скорость перемещения изображения штрихов шкалы 1 относительно щели 7 фотоэлектрического преобразователя 8 будет V 2Т Т

При Т 100 С и максимально возможной амплитуде А 200 дел (при числе штрихов шкалы N 4000 дел.) V 13 дел./с. Величина х - чисМ Д К ..

ло штрихов, прошедших за время Ль . При 1, 0,2 с получим дел. В этом случае второе слагаемое в выражении (9) не будет превьш1ать 0,004 деления и им можно пренебречь. Формула (9) при этих условиях примет вид:

X

,., (1-).

1 1

(10)

Дисперсия d согласно (10) будет .

ri J ( О .4-/ЗХ;

+ (-Mi)

9Т т

)С

Дисперсия для всех измеряемьос значений (1 1,2,3...k) одинакова. Обозначим кх. б .Промежуток врёме- 5 ни лТ Т - kt непосредственно не измеряется и дисперсия его dj будет равна:

г 2

st

, . 2, ji + k-(2- . ,

Величина 0 определяется стабильностью генератора импульсов и может быть выбрана равной погрешности измерения периода колебаний коромысла весов Т, поэтому (j iДисперсию значения Хд с учетом

того, что k i 1 и

.

At,

1 МОЖНО

оценивать до членов второго порядка малости неравенством

l «1

УС

,

(12)

0,2 c, k 1500

При Т 100 с, г

dy 1 деление, oV , Х, 100 делений члены неравенства (12)

будут следующими:

1 -У э

jp-tf 0,04 деления, oV 5-10 деления .

Основную долю погрешности определения положения равновесия коромысла составляет погрешность измерений его отклонений. Поэтому погрешность определения положения равновесия коромысла весов можно производить с помощью неравенства

б,

(13)

- - W

45

Если положение равновесия коромысла весов совпадает с положением среднего штриха шкалы 1, то Xj, О, если оно вьш1е этого штриха, то X 0, если ниже, то Хр 0.

Процесс взвешивания происходит следующим образом.

Пусть необходимо измерить массу груза Шу с помощью весов предлагаемым цифровым регистрир ющим устройством. Сначала устанавливают груз массой тл на правую чашку весов и уравновешивают его на левой чашке тарным грузом массой т, близкой к 55 массе груза П1х,так, чтобы при колебании коромзюла 3 весов изображение шкалы 1 не выходило за фотоэлектрический преобразователь 8. По зара9

нее прибгашенно измеренному значению периода колебаний Т и выбранному значению интервала времени Т между двумя соседними опросами реверсивного счетчика 11 определяют число его опросов k . Значение 2 и k вводят в вычислитель 12. После этого весы с регистрирующим устройством готовы к измерениям.

С помощью изолира освобождают коромысло весов, которое под действием силы тяжести начинает колебаться, при этом изображение шкалы 1 начинает двигаться относительно фото- электрических преобразователей 8 и 9, В момент, когда изображение дополнительного одиночного штриха шкалы 1 пересечет фотоэлектрический преобразователь 9 с помощью формирователя 13 импульсов формируется передний фронт импульса, которым одновременно запускается измеритель 14 интервалов времени, генератор 15 импульсов и реверсивный счетчик 11. После этого начинается счет числа штрихов шкалы 1, измерение периода колебаний Т и генерирование импульсов опроса счетчика с помощью генератора 15 импульсов.

Далее устройство работает по приведенному принципу, пока изображение дополнительного одиночного штриха шкалы 1 не пересечет фотоэлектрический преобразователь 9 в третий раз (при движении в прямом направлении) . На этом заканчивается измерение периода колебаний Т, генерирование импульсов опроса счетчика 11 и счета числа штрихов шкалы 1. По результатам этих измерений и заданному алгоритму (формула 10) микропроцессор рассчи1Ъ1вает положение равновесия коромысла весов в числе делений штрихов шкалы 1„Тогда можно записать:

SX

о

(14)

где S - значение дискретности шкалы в единицах массы.

Затем, после арретирования весов, груз массой т снимают и на его место устанавливают гири массой т, уравновешивающие тот же тарный груз так , чтобы изображение шкапы 1 при колебаниях коромысла весов не выходило за фотоэлектрический преобразователь 8. Далее аналогично описанному определяют соответствующее по232946iO

ложение равновесия коромысла что дает:

л

г 0 0

После этого для определения значения дискретности шкалы S в единицах массы к гирям массой mf добавляют малую гирю такой массы, чтобы изображение шкалы 1 снова не выходило за фотоэлектрический преобразователь 8, и аналогично определяют соответствующее положение равновесия коромысла весов:

(16)

т + та

О

Из равенства (14), (15) и (16) рассчитывают массу груза т, -по формуле

Y Y л п - л

m m .+ m -г;

г 1- X - X

о

(17)

в нашем случае шкала имеет 400 штрихов с шагом 0,05 мм. Дополнительный одиночньш штрих расположен

напротив среднего штриха шкалы. Реверсивный счетчик типа Ф 2005 измеряет отклонения коромысла путем счета штрихов шкалы 1 с погрешностью (5 1 деления шкалы.

Период колебаний коромысла весов составляет 100 с. Б пределе периода колебаний опрос счетчика производится генератором импульсов 0,3 с . В момент опроса счетчика результат

счета подается на вычислитель положения равновесия, например, микропроцессор, где он запоминается и обрабатывается. За время измерения микропроцессором запоминается 333 результата измерений отклонений коро- 1упысла. Погрешность определения положения равновесия в соответствии с формулой (13) не превьш1ает 0,2 деления шкалы,

Формула изобретения

Цифровое регистрирующее устройство преимущественно весов, содер- жащее штриховую шкалу, оптическую проекционную систему, фотоэлектрический преобразователь, последова- Iтельно соединенный через первый формирователь импульсов со счетчиком, и цифропечатающее устройство, о т- личающееся тем, что, с целью повьш1ения точности и сокраще- .ния времени регистрации, оно снабжено дополнительным фотоэлектрическим преобразователем с вторым формирователем импульсов, измерителем интервалов времени, генератором импульсов и вычислителем положения равновесия, причем выход дополнительного фотоэлектрического преобразователя соединен с входом второго формирователя импульсов, выход которого соединен с входами измерителя интервалов времени и генератора импульсов и вторым входом счетчика, выходы измерителя интервалов времени, генератора импульсов и счетчика соединены с соответствующими входами вычислителя положения равновесия, выход которого соединен с циф- ропечатающим устройством, а в средней части штриховой шкалы pacnojjo- жен дополнительный одиночный штрих, оптически связанный с дополнительным фотоэлектрическим преобразователем.

.2

Изобретение относится к области измерительной техники, используется в весах высокой точности и позволяет повысить точность и сократить время определения положения равновесия коромысла весов. Для этого ре гист- рирукяцее устройство содержит шкалу 1, фотоэлектрические преобразователи 8 и 9, формирователи 10 импульсов счета, реверсивный счетчик 11, вычислитель 12 положения равновесия, формирователь 13 импульсов начала и окончаний измерения, измеритель 14 интервала времени, генератор 15 импульсов и цифропечатакяцее устройство 16, соединенные между собой и о S (Л 4 (35 Фиг-.

Составитель А.Астахов Редактор Н.Егорова Техред О.Сопко Корректор И.Эрдейи

Заказ 2757/40 Тираж 705Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

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

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