Цифровое регистрирующее устройство
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 6<SB POS="POST">1</SB> (6<SB POS="POST">2</SB>), 7<SB POS="POST">1</SB> (7<SB POS="POST">2</SB>) 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) 10<SB POS="POST">1</SB> (10<SB POS="POST">2</SB>) поддерживается постоянная амплитуда сигнала. Это достигается тем, что коэффициент передачи ЦАП 10<SB POS="POST">1</SB> (10<SB POS="POST">2</SB>) зависит от управляющего кода, который формирует аналого-цифровой преобразователь 14<SB POS="POST">1</SB> (14<SB POS="POST">2</SB>), вход которого подсоединен к выходу аналогового вычитателя 13<SB POS="POST">1</SB> (13<SB POS="POST">2</SB>), а входы-к выходам пикового детектора 11<SB POS="POST">1</SB> (11<SB POS="POST">2</SB>) и источнику 12<SB POS="POST">1</SB> (12<SB POS="POST">2</SB>) опорного напряжения. Вход пикового детектора 11<SB POS="POST">1</SB> (11<SB POS="POST">2</SB>) подсоединен к выходу сумматора 9<SB POS="POST">1</SB> (9<SB POS="POST">2</SB>) и входу электропитания ЦАП 10<SB POS="POST">1</SB> (10<SB POS="POST">2</SB>). Выходное напряжение сумматора 9<SB POS="POST">1</SB> (9<SB POS="POST">2</SB>) является опорный для ЦАП *10<SB POS="POST">1</SB> (10<SB POS="POST">2</SB>). ВХОДЫ СУММАТОРА ПОДСОЕДИНЕНЫ К ДВУМ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМ 6<SB POS="POST">1</SB>, 7<SB POS="POST">1</SB> (6<SB POS="POST">2</SB>,7<SB POS="POST">2</SB>).
СОКИ СОВЕТСНИХ
СОЩаЛИСТИЧЕСНИХ
РЕаЪБЛИН а91 СВ
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫГИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
1 (21) 4407127/24-10 (22) 11.04.88 (46) 15.12.90. Бюл. Р 46 (72} В.rO.Èåëüíèêîâ (53) 68 1.26 (088.8) ,(56) Авторское свидетельство СССР
В 1232946, кл. G 01 D 1/08, Г. 01 G 23/37, 1983. (54) ЦИФРОВОЕ РЕГИСТРИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО (57) Изобретение относится к измерительной технике, может быть использовано в пред .зионных весах и позво(g1)g С 01 Р 1/08, G 01 G 23/37
2 ляет 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 формиро- ватель 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, 1613863
1О l5
20 последний опрашивает счетчик 16, запоминает результат счета и передает в память вычислителя 17. При повтор-. ном пересечении изображения штриха фотоэлектрический преобразователь 8 запускает счетчик задним фронтом импульса. При трехкратном пересечении фотоэлектрического преобразователя 8 штрихом информация о времени измерения вводится в вычислитель 17, который вьдает результат обработки в цифропечатающее устройство 21. Эа сч ет встречного включения фотоэлектрических преобразователей 6 < (6 ), 7 „(7 ) 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, Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в прецизионных весах, Цель изобретения — повышение точности . 30
На фиг. 1 изображена оптическая схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 — блок-схема предлагаемого устройства, на фиг. 3 — принципиальная схема ФЗП и сумматоров, 35
Предлагаемое 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) 6„6, 71, 8, 7 . . 45
ФЗП 6 <, 6, 7, 7 оптически связаны
11IKBJIoA 1, а ФЭП 8 — c дополнительным штрихом 2. Кроме тог о, ФЗП 6 и
ФЭП 6 смещены один относительно другого ва расстояние, нечетночис.ленно кратное половине ширины штриха шкалы 1. Это определяет сдвиг фаз
li их выходных сигналов (= —. ФЭП 7 и
ФЗП 72 включены встречно соответственно ФЭП 6, и ФЭП 6 . ФЭП во встречновключенных 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 10,1 (10 ) зависит от управляющего кода, который формирует аналого-цифровой преобразователь 14 < .(14 ), вход которого подсоединен к выходу аналогового вычитателя 13 (13 ), а входы - к выходам пикового детектора 11<(11 ) и источнику опорного напряжения 12 (12 ). Вход пикового детектора 11 (11 ) подсоединен к выходу сумматора
9 (9z) и входу электропитания ЦАП
1О (10 ). Выходное напряжение сумматора 9 < (9 ) является опорным для ПДП 10, (10 ) . Входы сумматора подсоединены к двум фотоэлектрическим преобразователям 61, 7 1 (6, 7 ), I 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 61 (6 ) и ФЭП 7q (7 ), ЦАП 10 (10 ), пиковый детектор 11< (11 ), источник
12, (12 ) опорного напряжения, аналогoBbIH Вычитатель 13 ((13z)
АЦП 14 (14 ) . Выход сумматора 9 (9 ) подключен к входу опорного на2. пряжения ЦАП 10 (10 ) и через пиковый детектор 11 (11 ) к одному из входов аналогового вычитателя 13 < (13 ) . На второй вход аналогового вычитателя t3 < (13 ) подается опорное напряжение от источника 12 1 (12 ) опорного напряжения. Выход аналогового вычитателя 13 < (13 ) подключен к входу АЦП 141 (14 ), который соединен с цифровыми входами ЦАП 10 (10 ) .
В состав предлагаемого устройства входит формирователь 15 импульсов.
его выходы соединены со счетными входами счетчика 16. Последний подключен к вычислителю 17 положения равновесия, который соединен через формирователь 18 импульсов с выходом ФЭП 8, 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 подкчюч ено цифр ои ечл тающее устройство 21 .
5 16
Регистрация положения равновесия коромысла весов с помоною 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 6 1 (6 ), 7, (7 ), и изображение дополнительного штриха 2, спроецированное на фотоэлектрический преобразователь 8, также совершают колебательные движения.
В результате на выходе фотоэлектрических преобразователей 6 < (6 ), 7 1 (7 ) появляются периодические противофа з ные эл ектрич еские сиг налы
U,и У . ФЭП 6 (6 ), 7„(7 ) состоят (см.фиг.3) соответственно из фотодиодов VD, VD< включенных навстречу один другому и усилительных каскадов DA<, ПА . Периодичное изменение тока, протекающего через фотодиоды, приводит к периодическому изменению выходного сигнала DA1, DA . Благодаря встречному включению
VD ) и VD эти сигналы имеют разную по знаку, но одинаковую по величине постоянную составляющую, а сами сигналы ФЭП 6 q (6 ) и ФЭП 71 (72) сдвинуты по фазе Hà P = я, В результате юстировки ФЭП 6, (6 ) и 71 (7 ) общий сдвиг фаз CP = 2 и. Сумматор
9 (9 ), собранный на микросхеме
DA3, суммирует выходные сигналы ФЭП и усиливает суммарный сигнал. Выходное напряжение сумматора 91 (9 ) (см.фиг.3) является опорным для
ЦАП 101 (10 ) и одновременно поступает на пиковый детектор 11 „(11, ), который выделяет абсолютное значение сигнала и подает его на аналоговый вычитатель 131 (13 ) . На второй вход аналогового вычитателя 131 (13 ) подается напряжение от источника 12 1 (12Д опорного напряжения.
АЦП 141 (14 ) преобразует сигнал рассогласования с аналогового вычитателя 13 у (13 ) в код, который управляет коэффициентом передачи ЦАП
ЦАП. 101 (10%) .
Технич еское р ешени е таково, что коэффициент передачи ЦАП 10 (10 ).
13863 6 пропорционален сигналу рассогласования, т. е. отклонению амплитуды сигнала на выходе сумматора 9 (9 ) от номинального значения U которое ! равно напряжению на выходе источника опорного напряжения. На выходе аналогового вычитателя 13 g (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 U на выходе
ЦАП 10 (10 ) присутствует сигнал
U<д„по амплитуде равной половине выходного напряжения сумматора 0 1я=
1/2 Uppity Если амплитуда выходного напряжения сумматора больше (меньше) значения Uöö, то это ведет к появлению положительного (отрицательного) сигнала рассогласования и, следовательно, к увеличению (уменьшению) напряжения на входе АЦП 14 i (142) .
Следовательно, изменяется управляющий код ПАП 101 (10 ) и, соответственно, его коэффициент передачи уменьшается (увеличивается) . Выходное напряжение ПАП 101 (10 ) Пц, я=
= К U< <, где К вЂ” коэффициент передачи, при этом остается постоянным.
П ери одич ес ки е си г вал ы и ос тоя н ной амплитуды с выхода ЦАП 10 (10 ) поступают на формирователь 15 импульсов счета. Последний реализован по известной схеме преобразователя двух периодических сигналов, сдвинутых ! (( по фазе на .в = — 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 — 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 за1613863 пускает 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 r енератора 20 поступает на вычис10 литель i 7 положения равновесия, последний опрашивает реверсивный счетчик 16 и запоминает результат счета.
В.результате при движении шкалы 1 в регистры памяти вычислителя 17 че15 рез равные промежутки времени подаются результаты счета числа штрихов шкалы 1. (1) (2) = Ао»<43t + Uo
Ао sin (Qt — Up где U < — напряжение на выходе фЭП 61 (62),.
Таким образом, имеется однозначное 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 продол30 жается. Когда изображение штриха 2 пересекает фотоэлектрический преобразователь 8 в третий раз, формирователь 18 подает на счетчик 16, генератор 20 и измеритель 19 команду оста- 35 новки их работы, Трехкратному перес еч ению фотоэл ектрич еского пр еобразователя 8 штрихом 2 соответствует время измерения, измеряемое измерителем 19 интервалов времени, точно равное одному периоду колебаний коромысла весов. Эта информация вводится в вычислитель 17 и обрабатывается вместе с результатами счета, поступившими со счетчика 16. Вычислитель вьщает на цифропечатающее устройство
21 результат обработки — положение равновесия коромысла весов. Результат пе1атается на ленте, и на этом процесс измерения заканчивается. 50
При встречном включении фотоэлектрических преобразователей 6, (62), 7 1 (72) и их юстировке
U2 — напряжение на выходе фЭП 7, (7,);
А — амплитуда сигнала, U - постоянная составляющая.
Тогда на выходе сумматора 9 (9 ) .1 2
U = U1 + U< = 2 A sin63t. (3)
Как видно из (3) на выходе сумма- тора 91 (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 (102) поддерживается постоянная амплитуда сигнала U<, необходимая для обеспечения
И сдвига фаз последовательностей (=—
Это достигается тем, что коэффициент передачи К ЦАП 10 (10 ) зависит от управляющего кода, который пропорционален отклонению амплитуды сигнала от номинального значения. Если отклонения нет, то К = 1/2, и на выходе ЦАП 10 g (10 ) присутствует напряжение U Таким образом, температурный дрейф элементов схемы и колебания уровня освещенности не влияют на работу устройства. с Процесс взвешивания происходит следующим образом. Пусть надо измерить массу груза m . Груз устанавливаем на правую чашку весов, а на л евую п омеща ем тарную гирю массой т„, близкой к m По заранее приближенно измеренному значению периода колебаний Т и выбранному интервалу времени с между опросами счетчика определяем число опросов 1. Значения а 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 17 1613863 Для определения значения S в единицах массы к гирям массой m добавляем малую гирю массой m и аналогично определяем соответствующее положение равновесия коромысла весов: SX (7) (7) рассчитываформуле fl Хо — Х о шг ™г mo Из равенств (5), (6), ем массу груза mx г.о + о Х к " г Х ". о 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, Погрешность определения положения равновесия не пр евышает 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 из обр ет ения Цифровое регистрирующее устройство, содержащее штриховую шкалу с : положения равновесия рассчитывает по ложение равновесия коромысла весов Х в числе делений штрихов шкалы согласно заданному алгоритму 1 Ar, Х вЂ” Х (1 - — ) (4) К, Т ъ где Х - массив чисел Х (i = 1 Э 2, 3, ..., к), л и Ь Ф - интервал времени (О 6 Ьь < ь ) Тогда можно записать ш„-шо=ВХ ® I где S — значение дискретности шкалы в единицах массы. Затем после арретирования весов груз массой ш снимаем и на его место устанавливаем гири массой m Аналогично указанному определяем соответствующее положение равновесия коромысла весов, что дает г- ш,.= SX (б) дополнительным одиночным штрихом в ее средней части, оптическую проекционную систему с двумя фотоэлектрическими преобразователями, из.которых первый оптически связан со штриховой шкалой, з второй - c одиночным штрихом, два формирователя импульсон, выход первого из которых соединен с входами измерителя интервалов времени, генератора импульсов и первым входом реверсивного счетчика, второй вход которого соедчнен с первым выходом второго формирователя импульсов, выходы измерителя интервалов времени, генератора импульсов и реверсивного счетчика соединены с соответствующими входами вычислителя положения равновесия, выход которо20 го соединен с цифропечатающим устройством, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности, в него введено три фотоэлектрических преобразователя и два блока, каждый 25 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 вычитателя, выход которого через аналого-цифровой преобразователь подключен к цифровому входу цифроаналогового преобразователя, 35 входы сумматора первого блока соответственно подсоединены к выходам первого и третьего фотоэлектрических преобразователей, а второго блока к выходам четвертого и пятого фотоэлектрических преобразователей, выходы цифроаналогового преобразователя каждого блока соответственно подсоединены к входам форлшрователя 45 импульсов, второи выход которого подсоединенл к тр еть ему входу р еверсивного счетчика, при этом первый и четвертый фотоэлектрические преобразователи смещены друг относительно дру50 га на расстояние, нечетночисленно кратное половине ширины штриха шкалы, а третий и пятый фотоэлектрические преобразователи «ключены соответственно встречно первому и четвертому фотоэлектрическим преобразователям 55 и смещены относительно них на расстояние, не етночнсленно кратное ширине штриха шкалы, 1613863 Составитель M.Ñåëóÿíoâ Техрсд Л.Олийнык Корректор Н.Ревская Редактор С.Лисина Заказ 3885 Тираж 461 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 Производственно-издательский комбинэт "Патент", г,. Ужгород, ул. Гагарина, 101
