Цифровое регистрирующее устройство Советский патент 1990 года по МПК G01D1/08 G01G23/37 

О) 00

ас

О5 00

Изобретение относится к измерительной технике, может быть использовано в прецизионных весах и позволяет повысить точность за счет устранения влияния температурного дрейфа элементов схемы и колебаний уровня освещенности. При колебаниях коромысла весов изображение дополнительного штриха шкалы пересекает фотоэлектрический преобразователь 8 и формирователь 18 импульсов передним фронтом импульса запускает счетчик 16, а измеритель 19 интервалов времени начинает измерение времени. Когда импульс с генератора 20 поступает в вычислитель 17 положения равновесия, последний опрашивает счетчик 16, запоминает результат счета и передает в память вычислителя 17. При повторном пересечении изображения штриха фотоэлектрический преобразователь 8 запускает счетчик задним фронтом импульса. При трехкратном пересечении фотоэлектрического преобразователя штрихом информация о времени измерения вводится в вычислитель 17, который выдает результат обработки в цифропечатающее устройство 21. За счет встречного включения фотоэлектрических преобразователей 6₁ (6₂), 7₁ (7₂) и их юстировки на выходе сумматора отсутствует постоянная составляющая сигнала и температурный дрейф элементов схемы и колебания уровня освещенности не влияют на балансировку фаз счетных импульсов, так как на выходе цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) 10₁ (10₂) поддерживается постоянная амплитуда сигнала. Это достигается тем, что коэффициент передачи ЦАП 10₁ (10₂) зависит от управляющего кода, который формирует аналого-цифровой преобразователь 14₁ (14₂), вход которого подсоединен к выходу аналогового вычитателя 13₁ (13₂), а входы-к выходам пикового детектора 11₁ (11₂) и источнику 12₁ (12₂) опорного напряжения. Вход пикового детектора 11₁ (11₂) подсоединен к выходу сумматора 9₁ (9₂) и входу электропитания ЦАП 10₁ (10₂). Выходное напряжение сумматора 9₁ (9₂) является опорный для ЦАП *10₁ (10₂). ВХОДЫ СУММАТОРА ПОДСОЕДИНЕНЫ К ДВУМ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМ 6₁, 7₁ (6₂,7₂).

Фиг. 2

последний опрашивает счетчик 16, запоминает результат счета и передает в память вычислителя 17. При повторном пересечении изображения штриха фотоэлектрический преобразователь 8 запускает счетчик задним фронтом импульса При трехкратном пересечеюш фотоэлектрического преобразователя 8 штрихом информация о времени измере- ния вводится в вычислитель 17, кото- рьй вьдает результат обработки в цифропечатающее устройство 21. За сч ет встречного включения фотоэлектрических преобразователей 6 (62) 7 „ (Jy) и их юстировки на выходе су14матор а отсутствует постоянная составляющая сигнала и температурный дрейф элементов схемы и колебания уровня освещенности не влияют на ба- лансировку фаз счетных импульсов,

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в прецизионных весах.

Цель изобретения - повьшение точности.

На фиг. 1 изображена оптическая схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - блок-схема предлагаемого устройства} на фиг. 3 - принципиальная схема ФЭП и сумматоров.

Предлагаемое цифровое регистрирующее устройство состоит из закрепленной на коромысле весов штриховой шкалы 1 с дополнительным одиночным штрихом 2 в ее средней части, оптической проекдаонной системы, которая содержит лампу 3, конденсатор 4 и объектив 5. В состав устройства входят пять фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) 6, 6-2, 8, 7. ФЭП 6,, 62., 1{, 1г оптически, связаны со шкалой 1, а ФЭП 8 - с дополнительным штрихом 2, Кроме того., ФЭП 6 и ФЭП 62. смещены один относительно другого на расстояние, нечетночис- .ленно кратное половине ширины штри- ха шкалы 1. Это определяет сдвиг фаз

их выходных сигналов f 2 i включены встречно соответственно ФЭП 6, и ФЭП 65.. ФЭП во встреч- новключенных парах смещены один относительно другого на расстояние, нечетночисленно кратное ширине штритак как на выходе цифроаналогового преобразователя (ЦАП)-10 (10,) поддерживается постоянная амплитуда сигнала. Это достигается тем, что коэффициент передачи ЦАП 10,, (Ю.) зависит от управляющего кода, кото- рьй формирует аналого-цифровой преобразователь 1А;| (Н), вход которого подсоединен к выходу аналогового вычитателя 13j (13), а входы - к выходам пикового детектора 11(1 Ц) и источнику опорного напряжения 12 (122). Вход пикового детектора 11 (И.) подсоединен к выходу сумматора 9 (9г.) и входу электропитания ЦАП 10 1 (10.). Выходное напряжение сум- . матора 9 4(92.) является опорным для ЦАП 10 (Ю). Входы сумматора подсоединены к двум фотоэлектрическим преобразователям 6,, 7 (6, 72)

ха шкалы 1. ФЭП 7 и 7 входят в состав двух идентичных схем, каждая из . которых содержит сумматор 9-( (9) к входам которого подключены ФЭП d 0 (62) и ФЭП 74 (7,), ЦАП 10 (Ю), пиковый детектор 11 (Hg. источник 12 , (12.) опорного напряжения, аналоговый вычитатель 13 (13), АЦП 14 , (14). Выход сумматора 9 5 (92) подключен к входу опорного на- пряжения ДАП 10i (lOg.) и через пиковый детектор 11 (11.) одному из входов аналогового вычитателя 13 (132). На второй вход аналогового 0 вь.читатепя 13 (13) подается опорное напряжение от источника 12 (12) опорного напряжения. Выход аналогового вычитателя 134 (132) подключен- к входу АЦП 14, (14 2), который соединен 45 с дафровыми входами ЦАП 10 (Ю). В состав предлагаемого устройства входит формирователь 15 импульсов. Его выходы соединены со счетными входами счетчика 16. Последний под- гп ключен к вычислителю 17 положения равновесия, которьш соединен через - формирователь 18 импульсов с выходом ФЭП В. К выходу формирователя 18 также подключены измеритель 19 интервалов времени и генератор 20 импульсов, которые соединены с входами вычислителя 17 положения равновесия. К выходу вычислителя 17 подключено цифронечлтающее устройство 21 .

55

Регистрация псшожения равновесия коромысла весов с помощью предлагаемого устройства (фиг.1 и 2) производится следующим образом.

При освобождении коромысла весов с помощью механизма арретирования (не показан) коромысло начинает колебаться под действием силы т гасести около положения равновесия. Изображение шкалы 1, спроецированное с помощью оптической проекционной системы, содержащей лампу 3, конденсор 4 и объектив 5, на фотоэлектрические преобразователи 6, (62), 7 (7), и изображение дополнительного штриха 2, спроецированное на фотоэлектрический преобразователь 8, также совершают колебательные движения. В результате на выходе фотоэлектрических преобразователей 6 (Sg), 7 (7) появляются периодические противофазные электрические сигналы и, и и,„ ФЭП 6, (6), 7 (7) состоят (см.фиг.3) соответственно из фотодиодов VD,, VD, включенных навстречу оди.н другому и усилитепь- ных каскадов DA,, DA. Периодичное изменение тока, протекающего через фотодиоды, приводит к периодическому изменению выходного сигнала DAi, DA2. Благодаря встречному включению VD и VD эти сигналы имеют разную по знаку, но одинаковую по величине постоянную составляющую, а сами сигналы ФЭП 6 (6) и ФЭП 7 (7) сдвинуты по фазе на Ср, IT. В результате юстировки ФЭП 6, (6) и 7 (7) общий сдвиг фаз CJ., 2 ir. Сумматор 9 (2), собранный на микросхеме DA3, суммирует выходные сигналы ФЭП и усиливает суммарный сигнал. Выходное напряжение сумматора 9 (9) (см.фиг.3) является опорным для ЦАП 101 (Юг. одновременно поступает на пиковый детектор 11 , (11), которьй вьщеляет абсолютное значение сигнала и подает его на аналого- вьй-вычитатель 13( (132). На второй вход аналогового вычитателя 13

пропорционален сигналу рассогласования, т.е. отклонению амплитуды сигнала на выходе сумматора 9 (92) от номинального значения ,, которое напряжению на выходе источника опорного напряжения. На выходе аналогового вычитателя 13 (13) присутствует постоянное смешение, которое,

Q преобразованное в код, обеспечивает коэффициент передачи ЦАП 10 (10) К 1/2. Соответственно, в том случае, когда амплитуда выходного напряжения сумматора равна , на выходе

15 ПАП 10,1 (10) присутствует сигнал U(,no амплитуде равной половине выходного напряжения сумматора Uugn 1 /2 Uju. Если амплитуда выходного напряжения сумматора больше (меньше)

20

значения , то это ведет к появлению положительного (отрицательного) сигнала рассогласования и, следовательно, к увеличению (уменьшению) напряжения на входе АЦП 14 (

25 Следовательно, изменяется управляющий код ПАП 10, dOg) и, соответственно, его коэффициент передачи уменьшается (увеличивается). Выходное напряжение ЦАП 10 (lOj) (,

2Q К U(;(j|y, где К - коэффициент передачи, при этом остается постоянным.

Периодические сигналы постоянной амплитуды с выхода ЦАП 10 () поступают на формирователь 15 импульсов счета. Последний реализован по

известной схеме преобразователя двух периодических сигналов,сдвинутых

по фазе на ср в последовательнос40

ти счетных импульсов для реверсивного счета. Формирователь 15 импульсов счета имеет два выхода. При движении шкалы 1 в прямом направлении счетные импульсы появляются только на Одном из выходов, а при обратном движении 45 шкалы 1 - только на втором. Выходы формирователя 15 соединены соответственно с суммирующим и вычитающим входами реверсивного счетчика 16. Таким образом, счетчик 16 ведет пере(ТЗ.) подается напряжение от источни-50 счет импульсов в соответствии с нака 12 ((12 опорного напряжения.дравлением движения штриховой шкаАЦП 14 (14) преобразует сигнал

рассогласования с аналогового вьни-Когда изображение дополнительного

тателя 13 (13) в код, который уп- штриха 2 шкалы 1 пересекает фотоэлектравляет коэффициентом передачи ЦАП рический преобразователь 8, с помоЦАП.ТО I (10). щью формирователя 18 импульсов начаТехническое решение таково, чтола и окончания счета формируется пе- коэффициент передачи ЦАП 10 (Ю). . редний фронт импульса, который за1613863

пропорционален сигналу рассогласования, т.е. отклонению амплитуды сигнала на выходе сумматора 9 (92) от номинального значения ,, которое напряжению на выходе источника опорного напряжения. На выходе аналогового вычитателя 13 (13) присутствует постоянное смешение, которое,

преобразованное в код, обеспечивает коэффициент передачи ЦАП 10 (10) К 1/2. Соответственно, в том случае, когда амплитуда выходного напряжения сумматора равна , на выходе

ПАП 10,1 (10) присутствует сигнал U(,no амплитуде равной половине выходного напряжения сумматора Uugn 1 /2 Uju. Если амплитуда выходного напряжения сумматора больше (меньше)

значения , то это ведет к появлению положительного (отрицательного) сигнала рассогласования и, следовательно, к увеличению (уменьшению) напряжения на входе АЦП 14 (

Следовательно, изменяется управляющий код ПАП 10, dOg) и, соответственно, его коэффициент передачи уменьшается (увеличивается). Выходное напряжение ЦАП 10 (lOj) (,

К U(;(j|y, где К - коэффициент передачи, при этом остается постоянным.

Периодические сигналы постоянной амплитуды с выхода ЦАП 10 () поступают на формирователь 15 импульсов счета. Последний реализован по

звестной схеме преобразователя двух ериодических сигналов,сдвинутых

по фазе на ср в последовательнос40

ти счетных импульсов для реверсивного счета. Формирователь 15 импульсов счета имеет два выхода. При движении шкалы 1 в прямом направлении счетные импульсы появляются только на Одном из выходов, а при обратном движении 45 шкалы 1 - только на втором. Выходы формирователя 15 соединены соответственно с суммирующим и вычитающим входами реверсивного счетчика 16. Таким образом, счетчик 16 ведет пере50 счет импульсов в соответствии с на 7

пускает счетчик 16, измеритель 19 интервалов времени и генератор 20 импузтьсовс С этого момента счетчик 16 начинает счет импульсов, измеритель 19 начинает измерение времени, а генератор 20 начинает генерироват импульсы через заданные равные промежутки времени. Как только импульс с генератора 20 поступает на вычислитель 17 положения равновесия, последний опрашивает реверсивный счетчик 16 и запоминает результат счета В-результате при движении шкалы 1 В регистры памяти вычислителя 17 через равные промежутки времени подаюся результаты счета числа штрихов шкалы 1,

Таким образом, имеется однознач- ное соответствие между положением коромысла весов, номеров штриха шкалы 1, затемняющего фотоэлектрический преобразователь 6 (6) и числом импульсов, сосчитанных реверсивным счетчиком.16..

При повторном пересечении изображения дополнительного штриха 2 шкалы 1 фотоэлектрического преобразователя 8 формируется задний фронт импульса, а процесс измерения продолжается Когда изображение штриха 2 пересекает фотоэлектрический преобразователь 8 в третий раз, формирователь 18 подает на счетчик 16, генертор 20 и измеритель 19 команду оста новки их работы. Трехкратному пересечению фотоэлектрического преобразователя 8 штрихом 2 соответствует время измерения, измеряемое измерителем 19 интервалов времени, точно равное одному периоду колебаний коромысла весов. Эта информация вводися в вычислитель 17 и обрабатываетс вместе с результатами счета, поступившими со счетчика 16. Вычислитель вьдает на цифропечатающее устройств 21 результат обработки - положение равновесия коромысла весов. Результат пе- ата:ется на ленте, и на этом процесс измерения заканчивается.

При встречном включении фотоэлекрических преобразователей 6 (62), 7 (7,) и их юстировке

sinCOt UQ(1)

(2)

(i) Ui

Un

А sin cot - DO,

где и, - напряжение на выходе ФЭП 6 (6)i .

8

напряжение на выходе ФЭП 7 (7), . амплитуда сигнала, Ug - постоянная составляющая. Тогда на выходе сумматора 9 ц (9)

и ,U4 + 2 A sincOt/ (3)

Как видно из (3) на выходе сумма-о тора 9f () отсутствует постоянная составляющая сигнала. Следовательно, дрейф, вызванный температурным дрейфом элементов схемы и колебаниями уровня освещенности, не может оказывать влияние на балансировку фаз счетных импульсов. Дрейф амплитуды сигнала, вызванный известными явлениями, также не влияет на балансировку фаз счетных импульсов, так как на выходе ЦАП 10. (Ю) поддерживается постоянная амплитуда сигна5

0

5

ла и.

ном

необходимая для обеспечения

i сдвига фаз последовательностей ср -г

Это достигается тем, что коэффициент передачи К ЦАП 10д (Ю) зависит от управляющего кода, который пропорционален отклонению амплитуды сигнала от Номинального значения. Если отклонения нет, то К 1/2, и на выходе ЦАП 10;) (Ю-г) присутствует напряжение UHOM 1/2 . При появлении отклонения, вызванного дрейфом амплитуды сигнала, управляющий код изменяется таким образом, что выходное напряжение по прежнему равно .

Таким образом, температурный дрейф элементов схемы и колебания уровня освещенности не влияют на работу устройства.

Процесс взвешивания происходит следующим образом.

Пусть надо измерить массу груза т.. Груз устанавливаем на правую чашку весов, а на левую помещаем тарную гирю массой га, близкой к т. По заранее приближённо измеренному значению периода колебаний Т и выбранному интервалу времени с между опросами счетчика определяем число

о

опросов 1. Значения о и К вводим в микропроцессор, после чего весы с р егистрируюшим устройством готовы к работе. Измерение проводится согласно ранее изложенн му принципу. По результату измерений периода колебаний Т и резул1ртату опроса реверсивного счетчика 16 вычислитель 17,

положения равновесия рассчитьшает положение равновесия коромысла весов X в числе делений штрихов шкалы согласно заданному алпоритму

(1-f,,

(4)

где X. - массив чисел Xj (i 1,

23Kl)

ii,j,,,,,js.;,

интервал времени () Тогда можно записать

х о

SX

(5)

где S - значение дискретности шкалы

в единицах массы.

Затем после арретирования весов груз массой Tuf снимаем и на его место уртанавливаем гири массой . Аналогично указанному определяем соответствующее положение равновесия коромысла весов, что дает г1 ;

Ир- о. SX

(6)

Для определения значения S в единицах массы к гирям массой т добавляем малую гирю массой т, и ана- логично определяем соответствующее положение равновесия коромысла весов:

Гог г о

SX

III

0(7)

Из равенств (5), (6), (7) рассчитываем массу груза т по формуле

I 1

Хо - Хо га - Шр + го.

В нашем случае шкала имеет 400 штрихов с шагом 0,06 мм. Период колебаний коромысла весов составляет 100 с, Олрос счетчика производится через 0,3 с. За время измерения вычислитель 17 положения равновесия запоминает 333 результата измерения отклонений ко ромысла. Погрешность определения положения равновесия не превьшает 0,2 деления шкалы.

По сравнению с прототипом изобретение позволяет исключить влияние указанных явлений на работу устройства, что повышает точность определения положения равновесия коромысла в несколько раз.

Формула изобретения

Цифровое регистрирующее устройство, содержащее штриховую шкалу с

дополнительным одиночньм штрихом в ее средней части, оптическую проекционную систему с двумя фотоэлектри-

ческими преобразователями, из.которых первьй оптически связан со штриховой шкалой, 3 второй - с одиночным штрихом, два формирователя импульсой, выход первого из которых соединен

с входами измерителя интервалов времени, генератора импульсов и первьм входом реверсивного счетчика, второй вход которого соединен с первым выходом второго формирователя и myльсов, выходы измерителя интервалов времени, генератора импульсов и реверсивного счетчика соединены с соответствующими входами вычислителя положения равновесия, выход которого соединен с ци фропечатаюшим устройством, отличающеесятем, что, с целью повЕ.ш1ения точности, в него введено три фотоэлектрических преобразователя и два блока, каждьй

из которых вьполнен в виде сумматора, выход которого подсоединен к входу опорного напряжения цифроаналогового преобразователя и входу пикового детектора, выход которого и выход

источника опорного напряжения подсоединены соответственно к входам аналогового вычт-гтателя, выход которого через аналого-цифровой преобразователь подключен к щфровому входу цифроаналогового преобразователя, входы сумматора первого блока соответственно подсоединены к выходам перпого и третьего фотоэлектрических преобразователей, а второго блока

40

45

50

55

к выходам четвертого и пятого фотоэлектрических преобразователей, выходы 3 1фроаналогового преобразователя каждого блока соответственно подсоедине гы к входам формирователя импульсов, второй выход которого подсоединен к третьему входу реверсивного счетчика, при этом первый и чет- вертьй фотоэлектрические преобразователи смещены друг относительно друга на расстоя)ше, нечетночисленно кратное половине штрины штриха шкалы, а третий и пятьй фотоэлектрические преобразоватепи включены соответственно встречно первому и четвертому фотоэлектрическим преобразователям и смещены относительно них на расстояние , нечетночмсленно кратное ипфине штриха шкалы.

Фив. 1