Цифровое регистрирующее устройство

СОКИ СОВЕТСНИХсоциАлистичеснихРЮЪБЛИН ав и1) С 01 1/08 С 23/3 ЕТЕНИЯ ПЬСТВУ о СССР УСТРОЙк измериисп ольозв и ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫГИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕ(57) Изобретение относитсятельной технике, может бытзовано в пред:зионных веса страйфаняомысноготриро-н 6, а ляет повысить точность за счетнения влияния температурного дрэлементов схемы и колебаний уроосвещенности. При колебаниях кола весов изображение дополнителштриха шкалы пересекает фотоэлеческий преобразователь 8 и формиватель 18 импульсов передним фртом импульса запускает счетчикизмеритель 19 интервалов временичинает измерение времени. Когдапульс с генератора 20 поступаетвычислитель 17 положения равнов1613863 5 1 О 15 20 последний опрашивает счетчик 16, запоминает результат счета и передаетв память вычислителя 17. При повтор-,ном пересечении изображения штрихафотоэлектрический преобразователь 8запускает счетчик задним фронтом импульса. При трехкратном пересечениифотоэлектрического преобразователя 8штрихом информация о времени измерения вводится в вычислитель 17, который вь 1 цает результат обработки вцифропечатающее устройство 21. Засчет встречного включения фотоэлект"рических преобразователей 6 1 (6),7 (7) и их юстировки на выходесумматора отсутствует постояннаясоставляющая сигнала и температурныйдрейф элементов схемы и колебанияуровня освещенности не влияют на балансировку фаз счетных импульсов,Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в прецизионных весах,Цель изобретения - повышение точности, 30На Фиг, 1 изображена оптическая схема предлагаемого устройства; на Фиг . 2 - бл ок-схема пр едлаг аемог о устройстваф на Фиг, 3 - принципиальная схема ФЭП и сумматоров, 35Предлагаемое цифровое регистрирующее устройство состоит из закрепленной на коромысле весов штриховой шкалы 1 с дополнительным одиночным штрихом 2 в ее средней части, оптической 40 проекционной системы, которая содержит лампу 3, конденсатор 4 и объектив 5. В состав устройства входят пять Фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) б , 62, 7 ю 8 т 7 я. 45 ФЭП б , 6, 71, 7 оптически связаны со шкалой 1, а ФЭП 8 - с дополнительным штрихом 2, Кроме того, ФЭП б и ФЭП б смещены один относительно другого ва расстояние, нечетночис,ленно кратное половине ширины штриха шкалы 1, Это определяет сдвиг фазих выходных сигналов ( = - . ФЭП 7, и ФЭП 72 включены встречно соответственно ФЭП б, и ФЭП б, ФЭП во встречновключенных парах смещены один относительно другого на расстояние,нечетночисленно кратное ширине штритак как на выходе цифроаналоговогопреобразователя (ЦАП) 10(10)поддерживается постоянная амплитудасигнала. Это достигается тем, чтокоэффициент передачи ЦАП 10,1 (10)зависит от управлящего кода, который формирует аналого-цифровой преобразователь 14 .(14 ), вход которого подсоединен к выходу аналоговоговычитателя 13(13), а входы - к выходам пикового детектора 11(11) иисточнику опорного напряжения 12,(12), Вход пикового детектора 11(11) подсоединен к выходу сумматора9(9) и входу электропитания ЦАП1 О(10). Выходное напряжение сумматора 9 (9) является опорнымдля ПДП 10(10). Входы сумматораподсоединены к двум фотоэлектрическим преобразователям 6, 7(6, 7). ха шкалы 1. ФЭП 7 и 7 входят всостав двух идентичных схем, каждаяиз.которых содержит сумматор 9 .(9)к входам которого подключены ФЭП 6,1(6) и ФЭП 7 (7), ПАП 10 (10 ),пиковый детектор 11 (11 ), источник12, (12) опорного напряжения, аналоговый вычитат ель 13(13),АЦП 14(14). Выход сумматора 91(9 ) подключен к входу опорного напряжения ЦАП 101 (10) и через пиковый детектор 11 (11) к одному извходов аналогового вычитателя 13(13). На второй вход аналоговоговычитателя 13(13) подается опорное напряжение от источника 12(12)опорного напряжения. Выход аналогового вычитателя 13, (13) подключен квходу АЦП 141 (14), который соединенс цифровыми входами ЦАП 10 1 (10).В состав предлагаемого устройствавходит формирователь 15 импульсов.Его выходы соединены со счетнымивходами счетчика 16. Последнийподключен к вычислителю 17 положенияравновесия, который соединен черезформирователь 18 импульсов с выходом ФЭП 8, К выходу формирователя18 также подключены измеритель 19интервалов времени и генератор 20импульсов, которые соединены с входами вычислителя 17 положения равновесия, К выходу вычислителя 17 подключено цифроиечлташщее устройство 21.10 15 20 25 30 35 40 45 50 5 16Регистрация положения 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 тяжести около положения равновесия. Изображение шкалы 1, спроецированное с помощью оптической проекционной системы, содержащей лампу 3, конденсор 4 и объектив 5, на фотоэлектрические преобразователи 61 (6), 7(7), и изображение дополнительного штриха 2, спроецированное на фотоэлектрический преобразователь 8, также совершают колебательные движения. В результате на выходе Фотоэлектрич еских преобраз оват ел ей 6(6 ), 71 (7) появляются периодические противофа з ные эл ектрич еские сиг налы У, и У . ФЭП 6, (6), 7(7 ) состоят (см.фиг.З) соответственно из фотодиодов ЧР , ЧЭ, включенных навстречу один другому и усилительных каскадов ОА, ПА. Периодичное изменение тока, протекающего через фотодиоды, приводит к периодическому изменению выходного сигнала ВА 1, ПА. Благодаря встречному включению ЧРи ЧП 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 ., = я, В результате юстировки ФЭП 6, (6) и 71 (7) общий сдвиг фаз Ц = 2 8, Сумматор 9(9), собранный на микросхемеЭАЗ, суммирует выходные сигналы ФЭП и усиливает суммарный сигнал. Выходное напряжение сумматора 9 1 (9) (см.фиг.З) является опорным для ЦАП 101 (10) и одновременно поступает на пиковый детектор 11(11), который вьделяет абсолютное значение сигнала и подает его на аналоговый вычитатель 131 (13). На второй вход аналогового вычитателя 13 (13) подается напряжение от источника 12 1 (12 Д опорного напряжения.еАЦП 141 (14) преобразует сигнал рассогласования с аналогового вычитателя 13 1 (13) в код, который управляет коэффициентом передачи ЦАП ЦАП. 10 1 (10 ) .Технич еское р ешени е таково, что коэффициент передачи ЦАП 10 (102). 13863 6 пропорционален сигналу рассогласования, т.е. отклонению амплитуды сигнала на выходе сумматора 91 (9) от номинального значения Бю, которое равно 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 Уо на выходе ЦАП 10, (10) присутствует сигнал дпо амплитуде равной половине выходного напряжения сумматора 11 п=1/2 1. Если амплитуда выходного напряжения сумматора больше (меньше) значения Уц, то это ведет к появлению положительного (отрицательного) сигнала рассогласования и, следовательно, к увеличению (уменьшению) напряжения на входе АЦП 14(142). Следовательно, изменяется управляющий код ЦАП 10(10) и, соответственно, его коэФфициент передачи уменьшается (увеличивается). Выходное напряжение ПАП 101 (10) Пця = = К У, где К - коэффициент передачи, при этом остается постоянным.Периодические сигналы постоянной амплитуды с выхода ЦАП 10(10) поступают на формирователь 5 импульсов счета, Последний реализован по известной схеме преобразователя двух периодических сигналов, сдвинутыхчяпо Фазе на .ю = - в последовательнос 2 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 шкалы 1 - только на втором. Выходы формирователя 15 соединены соответственно с суммирующим и вычитающим входами реверсивного счетчика 16, Таким образом, счетчик 16 ведет пересчет импульсов в соответствии с направлением движения штриховой шкалы 1. Когда изображение дополнительного штриха 2 шкалы 1 и ер ес ека ет фотоэл ект; рический преобразователь 8, с помощью формирователя 18 импульсов начала и окончания счета формируется передний фронт импульса, который за 1613863пускает счетчик 16, измеритель 19 интервалов времени и генератор 20 импульсов. С этого момента счетчик, 16 начинает счет импульсов, измеритель 19 начинает измерение времени, а генератор 20 начинает генерировать импульсы через заданные равные промежутки времени. Как только импульс с генератора 20 поступает на вычис 10 литель 17 положения равновесия, последний опрашивает реверсивный счетчик 16 и запоминает результат счета. В результате при движении шкалы 1 в регистры памяти вычислителя 17 че 15 рез равные промежутки времени подаются результаты счета числа штрихов шкалы 1.(1) (2) П, = А, з.п 4) + По 0 = А, зп Ю - ПО,где Б- напряжение на выходефЭП 6 1 (6) . Таким образом, имеется однозначное соответствие между положениемкоромысла весов, номеров штриха шкалы 1, затемняющего фотоэлектрическийпреобразователь 61 (6), и числомимпульсов, сосчитанных реверсивнымсчетчиком. 16,При повторном пересечении изображения дополнительного штриха 2 шкалы 1 Фотоэлектрического преобразователя 8 Формируется задний фронт импульса а процесс измерения продол 30жается. Когда изображение штриха 2пересекает фотоэлектрический преобразователь 8 в третий раз, формирователь 18 подает на счетчик 16, генератор 20 и измеритель 19 команду остановки их работы, Трехкратному пере"сеч ению Фотоэл ектрич еского пр еобразователя 8 штрихом 2 соответствуетвремя измерения, измеряемое измерителем 19 интервалов времени, точноравное одному периоду колебаний коромысла весов. Эта информация вводится в вычислитель 17 и обрабатываетсявместе с результатами счета, поступившими со счетчика 16, Вычислительвьщает на цифропечатающее устройство21 результат обработки - положениеравновесия коромысла весов. Результат печатается на ленте, и на этомпроцесс измерения заканчивается, 50При встречном включении фотоэлектрических преобразователей 6, (6),7 1 (7) и их юстировке Б - напряжение на выходефЭП 7, (7,);А - амплитуда сигнала,П - постоянная составляющая. Тогда на выходе сумматора 9 (9 ).1 2П =,П 1 + П = 2 А зЫ 3, (3)Как видно из (3) на выходе сумма-тора 9 1(9) отсутствует постоянная составляющая сигнала, Следовательно, дрейФ, вызванный температурным дрейфом элементов схемы и колебаниями уровня освещенности, не может оказывать влияние на балансировку фаэ счетных импульсов, Дрейф амплитуды сигнала, вызванный известными явлениями, также не влияет на балансировку фаз счетных импульсов, так как на выходе ЦАП 10.1 (10) поддерживается постоянная амплитуда сигнала Б необходимая для обеспеченияИ сдвига фаз последовательностей(= -2 Это достигается тем, что коэффициент передачи К ЦАП 101 (10 ) зависит от управляющего кода, который пропорционален отклонению амплитуды сигнала от номинального значения, Если отклонения нет, то К = 1/2, и на выходе ПАП 10 1 (10) присутствует напряжение Пнем= 1/2 П ,. При появлении отклонения, вызванного дрейфом амплитуды сигнала, управляющий код изменяется таким образом, что выходное напряжение по прежнему равно Бирч. Таким образом, температурный дрейф элементов схемы и колебания уровня освещенности не влияют на работу устройства.сПроцесс взвешивания происходит следующим образом.Пусть надо измерить массу груза ш. Груз устанавливаем на правую чашку весов, а на л евую п омеща ем тарную гирю массой ш, близкой к ш, По заранее приближенно измеренному значению периода колебаний Т и выбранному интервалу времени с между опросами счетчика определяем число опросов 1. Значения ь и К вводим в микропроцессор, после чего весы с регистрирующим устройством готовы к работе. Измерение проводится согласно ранее изложенному принципу. По результату измерений периода колебаний Т и результату опроса реверсивного счетчика 16 вычислитель 17Для определения значения Б в единицах массы к гирям массой в добавляем малую гирю массой шг и аналогично определяем соответствующее положение равновесия коромысла весов: шг + шг шоИз равенств (5), (6),ем массу груза ш го+ оХк г г Х".о БХ (7) (7) рассчитываформулеРХо- Хо В нашем случае шкала имеет 400 штрихов с шагом 0,06 мм. Период кол ебаний коромысла в ес ов с оста вля ет 100 с. Опрос счетчика производится через 0,3 с. За время измерения вычислитель 17 положения равновесия запоминает 333 результата измерения отклонений коромысла, Погрейность определения положения равновесия не превышает 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,Ф о р м у л а и.з о б р е т е н и я ЦиФровое регистрирующее устройство, содержащее штриховую шкалу с, положения равновесия рассчитывает положение равновесия коромысла весов Х в числе делений штрихов шкалы согласно заданному алгоритму1 ЬФХ ,ТХ (1- - ), (4)о К, Тгде Х - массив чисел Х 1 ( = 1Ф. г, 3, , К),л лЬФ - интервал времени (066 ь ь) Тогда можно записатьшх- шо = 8 Х1где 8 - значение дискретности шкалыв единицах массы.Затем после арретирования весов груз массой шт снимаем и на его место устанавливаем гири массой ш . Аналогично указанному определяемсоответствующее положение равновесия коромысла весов, что даетш- ш = 8 хф. (б) дополнительным одиночным штрихом в ее средней части, оптическую пооекционную систему с двумя фотоэлектрическими преобразователями, из.которых первый оптически связан со штриховой шкалой, з второй - с одиночнымштрихом, два Формирователя импульсов,выход первого из которых соединен 10 с входами измерителя интервалов времени, генератора импульсов и первымвходом реверсивного счетчика, второйвход которого соедчнен с первым выходом второго формирователя импульсов, выходы измерителя интерваловвремени, генератора импульсов и реверсивного счетчика соединены с соответствующими входами вычислителяположения равновесия, выход которо го соединен с цифропечатающим устройством, о т л и ч а ю щ е е с я тем,что, с целью повышения точности, внего введено три Фотоэлектрическихпреобразователя и два блока, каждый 25 из которых вьполнен в виде сумматора,выход которого подсоединен к входуопорного напряжения цифроаналоговогопреобразователя и входу пиковогодетектора, выход которого и выходисточника опорного напряжения подсоединены соответственно к входаманалогового вьитттателя, выход которого через аналого-циФровой преобразователь подключен к цифровому входуцифроаналогового преобразователя, 35входы сумматора первого блока соответственно подсоединены к выходамперттого и третьего фотоэлектрическихпреобразователей, а второго блокак выходам четвертого и пятого фотоэлектрических преобразователей, выходы цифроаналогового преобразователя каждого блока соответственноподсоединены к входам Формирователя 45импульсов, втарои вьстод которого подсоединенл к тр еть ему входу р еверсивнога счетчика, при этом первый и четвертый фотоэлектрические ттреабраэователи смещены друг относительно друга на расстояние, нечетночисленнократное половине ширины штриха шкалы,а третий и пятый Фотоэлектрическиепреобразователи ключены соответственна встречно первому и четвертомуфотоэлектрическим преобразователям55 и смещены относительна них на расстояние, нечетночнсл .нно кратное тштрине штриха шкалы,1613863 Составитель М. СелуяновРедактор С.Лисина Техред Л,Олийнык Корректор Н,Ревская но-издательский комбинэт "Патент Ужгоро Гагарина, 101 Произво Заказ 3885ВНИИПИ Госуда Тираж 461 Подписноевенного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж, Раушская наб д, 4/5