Цифровое регистрирующее устройство

(53) 53.087.52 (08 С.Снего ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ(56) Кузмин В.Я., Смирнова Н.А.Феактистов В.Г. Автоматическое регистрирующее устройство к метрологическим весам. - Измерительная техника. 1976, В 2, с. 70-72.КЛвЬ усача апд Ко 1 ауавЬ д. Тцгпдп 8 - РодпС оЬвегчаСдоп ог Ва 1 апсе Веаш Ьу а РЬоСое 1 есСгдс Ра 1 ве СоипСдпя апй,Квсогйдп 8 БувСеш. - Ви 11 еСдп оЕ СЬе ИаСдопа 1 КевеагсЬ ЬаЬогаСогу оЕ МеСго 1 о 8 у, У 32, Аргдс 1976, рр. 16-22. 94 С 0101/08 С 01 С 23 3(54) ЦИФРОВОЕ РЕГИСТРИРУЮЩЕЕ УСТРО СТВО(57) Изобретение относится к областиизмерительной техники, используетсяв весах высокой точности и позволяет повысить точность и сократить время определения положения равновесиякоромысла весов. Для этого регистрирующее устройство содержит шкалу1, фотоэлектрические преобразователи 8 и 9, формирователи 10 импульсов счета, реверсивный счетчик 11,вычислитель 12 положения равновесия,формирователь 13 импульсов началаи окончани 1 измерения, измеритель14 интервала времени, генератор 15импульсов и цифропечатающее устройство 16, соединенные между собой и12 32946 который мерител нератор счетчик счет чи рение и рованиепомощью3 ил с другими узлами устройства, Приосвобождении коромысла весов изображение шкалы 1 двигается относительно Фотоэлектрических преобразователей 8 и 9, при пересечении одиночного штриха шкалы 1 фотоэлектрического преобразователя 9 с помощью формирователя 13 импульсовФормируется передний фронт. импульса Изобретение относится к области измерительной техники и может бытьиспользовано в весах высокой точ ности,Целью изобретения является повышение точности и сокращение времениопределения положения равновесия коромысла весов.На Фиг. 1 изображена оптическаясхема устройства, на Фиг. 2 - вид Ана Фиг. 1 (щель и фотоэлектрическиепреобразователи устройства); наФиг. 3 - электрическая блок-схемаустройства.Регистрирующее устройство содержит шкалу 1 зеркало 2, закрепленноена коромысле 3 весов, проекционнуюоптическую систему, состоящую излампы 4 подсветки, конденсатора 5,объектива б и щели 7, фотоэлектрических преобразователей 8 и 9, Формирователя 10 импульсов счета, реверсивного счетчика 11, вычислителя12 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 шагомвдоль нее, кроме того, в серединешкалы напротив среднего штриха нанесен дополнительный одиночный штрих.Шкала 1 располагается вне корпуса весов на расстоянии от них напротивзеркала 2, запрепленного на коромысле 3 весов, Фотоэлектрические преобпазователи 8 и 9 неподвижно закрепляются перед весами так, чтобыизображениештрихов шкалы 1 проекодновременно запускает изь 14 интервалов времени, ге импульсов и реверсивный 11, После этого начинается сла штрихов шкалы 1, измеериода колебаний и генериимпульсов опроса счетчика с генератора импульсов 15. тировалось оптической системой наФотоэлектрический преобразователь 8,а изображение дополнительного одиночного штриха - на фотоэлектричес кий преобразователь 9. Расположениешкалы 1 и зеркала 2 такое, что средний штрих шкалы 1 всегда находитсявнутри зоны колебаний луча света,отраженного от зеркала 2, при колебаниях коромысла 3. Выход Фотоэлектрического преобразователя 8 подключен ко входу формирователя 10 импульсов, выход ко торого подключен ко входу реверсивного счетчика 11, Выход счетчика 11подключен к одному из входов вычислителя 12 положения равновесия, выход которого соединен с цифропеча 2 б тающим устройством 16. Выход допол-.нительного Фотоэлектрического преобразователя 9 соединен со входомФормирователя 13 импульсов, выходкоторого соединен со входами счет чика 11 (гнездо запуска счетчика 11),генератора 15 импульсов и измерителя 14 интервалов времени. Выходыизмерителя 14 интервалов времени игенератора 15 импульсов подключены ЗО к соответствующим входам вычислителя положения равновесия.Регистрация положения равновесияколебаний коромысла 3 весов производится следующим образом.3( При освобождении коромысла 3весов с помощью механизма арретирования (не показан) оно начинает колебаться под действием силы тяжести около некоторого положения равноо весия, 1232946При колебаниях коромысла 3 весов изображение шкалы 1, отраженное от зеркала 2 и спроецированное на фотоэлектрические преобразователи 8 и 9, также совершает колебательное движение. Это изображение может двигаться в двух направлениях - прямом и обратном.При движении изображения шкалы 1 изображения ее штрихов поочередно 10 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 20 Формируют импульсы с характеристиками, необходимыми для работы счетчика, 11 в реверсивном режиме. Когда изображение дополнительного штриха шкалы 1 пересечет фотоэлектрический 25 преобразователь 9, с помощью Формирователя 13 импульсов формируется передний фронт импульса, который запускает реверсивный счетчик 11, измеритель 14 интервалов времени и ге- З 0 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- З 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 преобразователя 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 продолжаютсяЗатем 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 цифропечатающего устройства, На этом процесс измерения заканчивается,На вычислитель поступают следующие данные: массив чисел х, (х - 1,2,31, где 1 - число опросов счетчика 11), измеренное измерителем 14 интервалов времени значение интервала времени измерения, т.е.период колебаний коромысла весов - Т; значение интервала времени с между двумя последовательными опросами реверсивного счетчика 11, задаваемого генератором 15 импульсов, 1232946ординат;Х - постоянная составляющая околебаний коромысла, характеризующая положениеравновесия коромысла 15весовА - начальная амплитуда отклонения коромысла;% - коэффициент затуханияколебаний коромысла; 20И - собственная частота колебаний коромысла;Г(С) - случайная функция, быстро изменяющаяся во времени по сравнению с пернодом колебаний коромысла весов.Функция Г(С) отражает влияние внешних сил и внутренних помех, воздействующих на колебаний коромысла ЗО весов, и не имеет постоянной составляющей в пределах одного периода колебаний коромысла весов, т.е.(д период собственных колебаний коромысла весовФункция Й(1) искажает гармоническую форму колебаний и вносит дополнительную погрешность при определении положения равновесия коромыславесов по его экстремальным отклонениям.45 Интегрируя выражение (1) в пределах от= 0 до 1; = Т и поделив его на Т с учетом равенства (2), получимТ т1) АМ-хДдХ-+ - / е" з 1 псдг.Д . (3) Т 1тПри малых значениях коэффициента затухания равенство (3) можно представить в виде 5- х(С 1= Х+ Е,1о(4) Алгоритм обработки измерительной информации с помощью вычислителя 12 состоит в следующем. Закон колебаний коромысла применен в виде функции 5Мх(е)=Х +АЯ ззпс) 1:+ Г(е) ) (1) где х(С) - текущее во времени отклонение коромысла весов, отсчитываемое от начала ко- Огде Е = в , (я Т/2),АДекремент Р и коэффициент затухания Ъ колебаний коромысла весов свясов не может превышать половины от всего числа делений шкалы И, . При И =400 Ес 1 10 деления шкалы. При .йцене 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) может 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 х, функции х( взятых при значениях аргумента от С = 0 до г. = к с с шагом, где К - целое число, на которое разбивается интервал интегрирования. В нашем случае интервал интегрирования разбивается на 1 целых частей с шагом с и одну часть Ь". на конце интервала, меньшую Т , Тогда левую часть равенства (4) можно записать в вице(6) где х; = х(з.-) при д = 0)1,2)3 к, хт х(Т)Поскольку Т - период колебаний, то х =х, и равенство (6) можно представйть в виде т- х(с)Т.х, + х- х +Т; о 1 - (к+ 1)Т зТзаны равенством Р= - . Для точ 2ных весов Р1,02, для оценки значенияЕ получим неравенство: Е 5 10 Л.Амплитуда колебаний коромысла ве 1232946Согласно равенствам (4) и (7) положение равновесия коромысла весов определяется по формуле х+х г5Х: - " х +1-Ь+1) -(8)Т;=2Т В качестве ординат х можно взять 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 дополниО 15 тельным одиночным штрихом на шкале 1 щели 7 фотоэлектрического преобразователя 9, поэтому х = О, Щель 7 является общей для фотоэлектрических преобразователей 8 и 9.Учитывая, что Т = 1 т +дТ(0 д 7 с ) и х = О, равенство (8), с точностью до членов второго порядка малости, примет вид: 50согласно (10) будет ЭТ Х = - (1 -- )х+ - "( - " -- ), (9)1 дсхд 1о Гс Т 1 2 Т 1 с30Оценим второе слагаемое в формуле (9). Для этого оценим величину х. Максимальная скорость перемещения изображения штрихов шкалы 1 относительно щели 7 фотоэлектрическогоЭ 5 преобразователя 8 будет Ч- А - .ТПри Т = 100 С и максимально возможной амплитуде А = 200 дел (при числе штрихов шкалы Иц = 4000 дел.) Ч = 13 дел./с. Величина х вчис - ло штрихов, прошедших за время д, При д = 0,2 с получим х = 2 дел. В этом случае второе слагаемое в вы ражении (9) не будет превьппать 0,004 деления и им можно пренебречь. Формула (9) при этих условиях примет вид: 1Дисперсия б, для всех измеряемых значений (1= 1,2,31 с) одинакова. Обозначим их б.Промежуток времени ьс = Т - ГГ непосредственно не измеряется и дисперсия его б будет равна:2 2 г,хсВеличина б определяется стабильностью генератора импульсов и может быть выбрана равной погрешности измерения периода колебаний коромысла весов Т, поэтому бл = бДисперсию значения Х с учетом 1дьчто Г1 и1 можноТоценивать до членов второго порядка малости неравенством1 г Х(12)При Т = 100 с, с, = 0,2 с, с =500 б = 1 деление, б, = 1 10 с, Х100 делений члены неравенства (12) будут следующими;1 Хо-. б= 0,04 деления, -о = 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(13)Если положение равновесия коромысла весов совпадает с положениемсреднего штриха шкалы 1, то Х = О,если оно вьпне этого штриха то ХОВ о фесли ниже, то Х ( О,Процесс взвешивания происходитследующим образом.Пусть необходимо измерить массугруза ш с помощью весов предлагаемым цифровым регистрир 3 кнщим устройством. Сначала устанавливают грузмассой ш на правую чашку весов иуравновешивают его на левой чашкетарным грузом массой ш , близкой кофмассе груза ш,так, чтобы при колебании коромысла 3 весов изображениешкалы 1 не выходило эа фотоэлектрический преобразователь 8, По зара1232946 ложение равновесия что дает: коромысла весов,нее приближенно измеренному значению периода колебаний Т и выбранному значению интервала времени с между двумя соседними опросами реверсивного счетчика 11 определяют число его опросов 1 . Значениен 1 вводят в вычислитель 12. После этого весы с регистрирующим устройством готовы к измерениям.С помощью изолира освобождают ко ромысло весов, которое под действием силы тяжести начинает колебаться, при этом изображение шкалы 1 начинает двигаться относительно Фотоэлектрических преобразователей 8 и 9, 15 В момент, когда изображение дополнительного одиночного штриха шкалы 1 пересечет Фотоэлектрический преобразователь 9 с помощью формирователя 13 импульсов формируется пе редний Фронт импульса, которым одновременно запускается измеритель 14 интервалов времени, генератор 15 импульсов и реверсивный счетчик 11. После этого начинается счет числа 25 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 на 35 правлении). 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 рассчитывает положение равновесия коромысла весов в числе делений штрихов шкалы 1.Тогда можно записать: 6гп - щ= ВХг о О(14) Затем, после арретирования весов, 50 груз массой щ снимают и на его место устанавливают гири массой щ уравновешивающие тот же тарный груз такф, чтобы изображение шкалы 1 при колебаниях коромысла весов не выхо дило за фотоэлектрический преобразователь 8. Далее аналогично описанному определяют соответствующее погде Я - значение дискретности шкалы в единицах массы. После этого для определения значения дискретности шкалы Б в единицах массы к гирям массой щ добавляют малую гирю такой массы, чтобы изображение шкалы 1 снова не вьгходило за фотоэлектрический преобразователь 8, и аналогично определяют соотнетстнующее положение равновесия Из равенства (14), (15) н (1 б) рассчитывают массу груза щ по фор- муле В нашем случае шкала имеет 400 штрихов с шагом 0,05 мм. Дополнительный одиночный штрих расположен напротив среднего штриха шкалы, Реверсивный счетчик типа Ф 2005 измеряет отклонения коромысла путем счета штрихов шкалы 1 с погрешностью б1 деления шкалы.Период колебаний коромысла весов составляет 100 с. В 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 коромысла. Погрешность определения положения равновесия в соответствии с Формулой (13) не превьппает 0,2 деления шкалы,Формула из обретения цифровое регистрирующее устройство преимущественно весов, содержащее штриховую шкалу, оптическую проекционную систему, Фотоэлектрический преобразователь, последова,тельно соединенный через первый Формирователь импульсов со счетчиком,и цифропечатающее устройство, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, сцелью повьппения точности и сокраще,ния времени регистрации, оно снабжеак 2757/40 Тираж 705 ВНИИ 11 И Государственного коми по делам изобретений и откр 113035, Москва, Ж, РаушскаяПодписноета СССР тиаб 4/ едприятие, г. Ужго л. Проектная, 4 но дополнительным фотоэлектрическимпреобразователем с вторым формирователем импульсов,измерителем интервалов времени, генератором импульсов и вычислителем положенияравновесия, причем выход дополнительного фотоэлектрического преобразователя соединен с входом второгоформирователя импульсов, выход которого соединен с входами измерителяинтервалов времени и генератора имПроизводственно-полиграфичес пульсов и вторым входом счетчика, выходы измерителя интервалов времени, генератора импульсов и счетчика соединены с соответствующими входами вычислителя положения равновесия, выход которого соединен с цифропечатающим устройством, а в средней части штриховой шкалы располо жен дополнительный одиночный штрих,оптически связанный с дополнительным фотоэлектрическим преобразователем.