СИСТЕМА С ЗАТЕМНЯЮЩИМСЯ СВЕТОФИЛЬТРОМ, СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ СИСТЕМОЙ С ЗАТЕМНЯЮЩИМСЯ СВЕТОФИЛЬТРОМ И ЗАЩИТНАЯ МАСКА С ЗАТЕМНЯЮЩИМСЯ СВЕТОФИЛЬТРОМ
SYSTEM HAVING DARKENING LIGHT FILTER, METHOD OF CONTROLLING SYSTEM WITH DARKENING FILTER AND PROTECTIVE MASK FOR DARKENING LIGHT FILTER

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к защитной маске с затемняющимся светофильтром, выполненным с возможностью перехода светофильтра из просветленного состояния в затемненное, а также к техническим системам, использующим затемняющиеся светофильтры, и способам их управления.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Защитные маски с затемняющимся светофильтром обычно используют во время сварочных работ, когда необходима защита от интенсивного свечения сварочной дуги. Обычный светофильтр имеет питающуюся от батареи электронную схему управления, за счет чего светофильтр способен изменять светопропускание от просветленного (бесцветного или прозрачного) состояния, когда он не находится под воздействием свечения сварочной дуги, до затемненного (почти светонепроницаемого) состояния, когда он находится под воздействием свечения сварочной дуги. Это дает возможность сварщику выполнять сварку, а также другие работы вне зоны сварки, не опуская и поднимая при этом защитный щиток сварочного шлема (маски).
Обычно светофильтры имеют слои жидкокристаллического материала, способного изменять светопропускание от просветленного до затемненного состояния под воздействие управляющего напряжения. Датчик регистрирует появление сварочной дуги и вырабатывает соответствующее управляющее напряжение, под воздействием которого стекло светофильтра изменяет светопропускание от просветленного до затемненного состояния. В силу того, что датчики срабатывают, когда дуга уже зажжена, время включения светофильтра должно быть очень коротким, например, не более чем несколько сотен микросекунд. Такой резкий или "контрастный" переход от просветленного до затемненного состояния может вызывать у пользователя ощущение дискомфорта, особенно когда это многократно происходит в течение рабочего дня.
Кроме того, на датчики, используемые в защитной маске с затемняющимся светофильтром, могут оказывать неблагоприятное воздействие другие источники света, другие сварочные аппараты, электрические токи или близко расположенные источники магнитного поля, из-за чего светофильтр может перейти в затемненное состояние в отсутствие сварочной дуги. В конкретных случаях применения, например, во время дуговой сварки вольфрамовым электродом в среде инертного газа, поступающий от сварочной дуги сигнал может быть относительно слабым. В таких случаях датчик может не среагировать, из-за чего светофильтр не переключится в затемненное состояние даже при наличии сварочной дуги.
РАСКРЫТИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Заявленное изобретение направлено на устранение указанных недостатков. Изобретение описывает защитную маску с затемняющимся светофильтром и систему с затемняющимся светофильтром, включающую соответствующий инструмент, такой как сварочная горелка, управление которым осуществляется посредством соответствующего блока управления. В изобретении также описан способ, при котором инструмент не включается, пока светофильтр не переключится в затемненное состояние. Канал связи между блоком управления и светофильтром можно установить, используя проводную или беспроводную связь.
В одном из вариантов изобретения описана система, содержащая светофильтр, способный изменять светопропускание от просветленного до затемненного состояния в ответ на управляющий сигнал переключения светофильтра в затемненное состояние, регулятор мощности, обеспечивающий подачу энергии на инструмент в ответ на управляющий сигнал включения инструмента, блок управления, формирующий управляющий сигнал переключения светофильтра в затемненное состояние в ответ на сигнал включения инструмента, при этом светофильтр формирует сигнал подтверждения переключения светофильтра в затемненное состояние, а блок управления формирует управляющий сигнал включения инструмента в ответ на сигнал подтверждения переключения светофильтра в затемненное состояние.
Другим объектом заявленного изобретения является способ управления системой с затемняющимся светофильтром, при котором осуществляют прием сигнала включения инструмента, формирование сигнала переключения светофильтра в затемненное состояние в ответ на сигнал включения инструмента, прием формируемого светофильтром сигнала подтверждения переключения светофильтра в затемненное состояние и формирование управляющего сигнала включения инструмента.
В другом варианте описан способ управления системой с затемняющимся светофильтром, при котором осуществляют прием сигнала включения инструмента, формирование сигнала переключения светофильтра в затемненное состояние в ответ на сигнал включения инструмента и формирование управляющего сигнала включения инструмента после заданного времени задержки на переключение светофильтра в затемненное состояние. Заявляется также система, реализующая данный вариант способа.
В заявляемом изобретении под термином "защитная маска с затемняющимся светофильтром" подразумевают защитное устройство, которое имеет электронную схему управления и переключаемый светофильтр или стекло, сконструированное для защиты глаз пользователя от слепящего света во время сварки или при проведении других работ, когда существует потенциальная опасность воздействия чрезмерно яркого света на зрение человека. Под терминами "переключаемый светофильтр" и "затемняющийся светофильтр" подразумевают светофильтр, способный изменять светопропускание от просветленного до затемненного состояния, и обратно, в ответ на соответствующий управляющий сигнал.
Детальное описание одного или нескольких примеров осуществления изобретения дано ниже вместе с чертежами и их описанием. Другие характерные признаки, объекты и преимущества изобретения очевидны из описания, чертежей и формулы изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фиг.1 изображен в аксонометрии сварочный шлем 10, который имеет переключаемый светофильтр 14 с затемняющимся стеклом 20.
На Фиг.2 изображена блок-схема системы, в которой переключаемый светофильтр 14 сварочного шлема и инструмент 50 управляются соответствующим блоком управления 40.
На Фиг.3А и Фиг.3В изображены блок-схемы однонаправленного управления переключением светофильтра.
На Фиг.4А и Фиг.4В изображены блок-схемы двунаправленного управления переключением светофильтра в затемненное состояние.
На Фиг.5А и Фиг.5В изображены блок-схемы двунаправленного управления переключением светофильтра в просветленное состояние.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На Фиг.1 изображен пример сварочного шлема 10, который имеет непосредственно шлем или корпус 12 и переключаемый светофильтр 14. В частности, переключаемый светофильтр 14 имеет затемняющееся стекло 20, размещенное в корпусе 12 шлема. Стекло 20 можно разместить в корпусе 12 шлема так, чтобы оно находилось непосредственно перед глазами человека во время использования шлема. В одном из примеров осуществления изобретения затемняющееся стекло 20 выполнено легко заменяемым. Стекло 20 можно вставлять в прямоугольную (или любой другой формы) рамку или корпус. Примеры таких светофильтров описаны в патентах США №№6097451, 5825441. Примеры шлемов описаны, например, в патентах США №№6185739, 5533206, 5191468, 5140707, 4875235, 4853973. В шлем 12 также можно подавать чистый воздух, соответственно, шлем может иметь торцевое уплотнение для отделения зоны дыхания от окружающего воздуха. Примеры такого торцевого уплотнения описаны в заявках США №№10/987512, 10/987641, 10/988789, 29/217155, 29/217153, 29/217154, 29/217107, 29/217156.
На Фиг.2 изображена блок-схема системы, содержащей затемняющийся светофильтр 14, инструмент 50, регулятор мощности 30 и блок управления 40. Светофильтр 14 имеет стекло 20, способное изменять светопропускание от просветленного до затемненного состояния. Управление переключением светопропускания стекла 20 осуществляется контроллером 22 по линии 24. В одном из примеров осуществления изобретения стекло 20 светофильтра может представлять собой многослойный материал, слои которого могут включать, например, ультрафиолетовые, инфракрасные фильтры, поляризаторы и жидкокристаллические элементы. В других примерах осуществления изобретения стекло 20 светофильтра можно выполнить с использованием оптических фильтров с электрически управляемой спектральной характеристикой. Стекло 20 переключаемого фильтра действует как оптический модулятор, который переходит в затемненное состояние в ответ на сигнал управления затемнить стекло и посредством этого защитить глаза пользователя от вредного воздействия очень яркого света, возникающего во время работы с инструментом 50, например, от свечения сварочной дуги при использовании сварочной горелки. Примеры приемлемых переключаемых фильтров описаны в патентах США №№6097451 и 5825441, и в заявке 11/076081, поданной 9 марта 2005.
В качестве инструмента 50 может быть, например, сварочная горелка или другого типа механический или электрический инструмент. Инструментом 50 может быть любой электрический или механический инструмент, который используют в различных отраслях промышленности, например, инструмент для плотницкого дела, для паяльных работ или механические инструменты для выполнения работ в других сферах производства, тем самым, следует понимать, что в этом отношении примеры не ограничивают заявленное изобретение. Тем не менее, для иллюстрации, в изобретении описаны инструменты, используемые в сварочном производстве, такие как сварочные горелки. Регулятор мощности 30 имеет электронную схему управления мощностью для электропитания инструмента 50.
Изобретение описывает последовательность обмена сигналами (протокол) между светофильтром 14 и блоком управления 40, в соответствии с которой инструмент 50 не будет включен, пока светофильтр 14 не перейдет в затемненное состояние. Канал связи 32, который может быть как однонаправленным, так и двунаправленным, предназначен для взаимодействия светофильтра 14 и блока управления 40. На Фиг.2 изображен канал связи 32 в виде беспроводного канала связи, хотя он также может быть реализован посредством проводной связи. Беспроводную связь можно реализовать любым из многочисленных известных способов беспроводной связи, например, связью в инфракрасном диапазоне, радиочастотной связью или акустической связью или с использованием любых приемлемых технологий, которые могут быть созданы впоследствии. Линии 42, 44 и 46 передачи сигналов управления позволяют осуществлять взаимодействие между блоком управления 40, регулятором мощности 30 и инструментом 50.
Сигналы, передаваемые между блоком управления 40 и светофильтром 14, используют для управления переключением стекла 20 из просветленного в затемненное состояние и наоборот. Эти сигналы также управляют включением инструмента 50. Такая конфигурация системы обеспечивает переключение стекла 20 в затемненное состояние до появления управляющего сигнала включения инструмента 50. Во время сварочных работ, например, когда в качестве инструмента 50 используют сварочную горелку, блок управления 40 обеспечивает переключение стекла 20 в затемненное состояние до того, как на регулятор мощности 30 поступит сигнал зажигания сварочной дуги. Несмотря на то, что блок управления 40 изображен на Фиг.2 как отдельный элемент, функциональные элементы такого блока также можно разместить в самом инструменте 50, между кабелем, соединяющим инструмент 50 с регулятором мощности 30, внутри регулятора мощности 30 или в другом приемлемом месте, в зависимости от конкретного случая применения и условий, в которых используют такую систему.
Кроме управляющих сигналов с блока управления 40 на переключение светофильтра в определенное состояние и сигналов от светофильтра 14, подтверждающих переключение светофильтра в определенное состояние, с помощью сигналов, передаваемых между светофильтром 14 и блоком управления 40 по каналу связи 32, также может передаваться другая информация. Например, система может обеспечить соединение каждого светофильтра только с одним единственным инструментом посредством индивидуального идентификационного кода, включенного в сигналы, передаваемые по каналу связи 32. Для этого, каждый светофильтр может быть связан с одним инструментом 50 посредством, по меньшей мере, одного индивидуального идентификационного кода, включенного в управляющий сигнал переключения светофильтра. Индивидуальная связь между светофильтром и инструментом 50 и/или блоком управления 40 предотвращает случайное переключение светофильтра, вызванное воздействием других источников света, электрического тока или магнитных полей.
Инструмент 50 может иметь, по меньшей мере, один переключатель 52, посредством которого пользователь управляет включением и выключением инструмента 50. При проведении сварочных работ, например, сварщик управляет началом зажигания и окончанием горения сварочной дуги путем включения и выключения одного или нескольких переключателей, размещенных на сварочной горелке. Переключатель 52 может содержать, например, кнопки, тумблеры, другие приводимые пользователем в действие переключатели или их комбинации.
За счет приведения в действие переключателя 52, либо включения, либо выключения (например, при нажатии или отпускании), появляется сигнал включения инструмента. В этом описании под термином "сигнал включения инструмента" подразумевают любое приведение в действие переключателя 52 для включения инструмента, для его выключения или для регулирования мощности, подаваемой на инструмент (например, регулирование скорости, крутящего момента или яркости свечения инструмента).
Сигналы включения инструмента, формирующиеся за счет приведения в действие переключателей 52, поступают в блок управления 40 по линии 46. В ответ на сигналы включения инструмента блок управления 40 взаимодействует со светофильтром 14 через канал связи 32, за счет чего светофильтр переключается в необходимое состояние и затем, соответственно, приводит в действие регулятор мощности 30. Таким образом, инструмент 50 не будет приведен в действие, пока стекло 20 не перейдет в затемненное состояние и, следовательно, пока глаза пользователя не будут защищены.
Система также может обеспечивать повышенную надежность в конкретных ситуациях. Например, каждый светофильтр может быть связан с конкретным блоком управления инструментом посредством индивидуального идентификационного кода, включенного в сигналы, передаваемые по каналу связи 32. За счет такой конфигурации другие находящиеся поблизости сварочные аппараты не смогут повлиять на работу конкретного светофильтра. Воздействие других источников света, электрического тока или магнитных полей не влияет на работу данного светофильтра, кроме того, переключение светофильтра во время дуговой сварки вольфрамовым электродом в среде инертного газа становится более надежным, поскольку система получает надежный управляющий сигнал включения/выключения, а не слабый сигнал обнаружения сварочной дуги, формируемый светодиодным датчиком.
На Фиг.3А и на Фиг.3В изображены блок-схемы однонаправленного управления светофильтром. Эти блок-схемы описаны с использованием позиций, указанных на чертежах, причем при описании стадий процесса номера позиций даны в скобках. Цифрами без скобок в тексте обозначены элементы конструкции, изображенные на Фиг.1 и Фиг.2. На Фиг.3А и на Фиг.3В изображена блок-схема процесса (100) формирования блоком управления 40 управляющего сигнала переключения светофильтра из просветленного в затемненное состояние, а также блок-схема процесса (120) формирования блоком управления 40 управляющего сигнала переключения светофильтра из затемненного в просветленное состояние. Процесс (100) формирования управляющего сигнала переключения светофильтра из просветленного в затемненное состояние начинается, когда блок управления 40 получает от инструмента 50 сигнал включения инструмента (102). Сигнал включения инструмента может инициировать пользователь, например, задействовав один из переключателей 52, размещенных на инструменте 50. В ответ на сигнал включения инструмента блок управления 40 формирует управляющий сигнал переключения светофильтра в затемненное состояние (104). Управляющий сигнал переключения фильтра в затемненное состояние может состоять, например, из команды перехода светофильтра в затемненное состояние, а также из индивидуального идентификационного кода (кодов), идентифицирующего блок управления 40 и соответствующий светофильтр, которому адресован такой сигнал.
После формирования управляющего сигнала переключения светофильтра в затемненное состояние, блок управления 40 находится в режиме ожидания в течение определенного количества времени, достаточного для переключения стекла 20 светофильтра в затемненное состояние - время задержки на переключение светофильтра в затемненное состояние - (106). Это время задержки может составлять менее 1 с, например от 1 до 900 мс. По истечении времени задержки на переключение фильтра в затемненное состояние блок управления 40 передает управляющий сигнал включения инструмента на регулятор мощности 30 (108). В одном из примеров осуществления изобретения блок управления 40 повторяет управляющий сигнал переключения фильтра в затемненное состояние один или несколько раз в течение указанного времени задержки. Если в первый раз произошел сбой в получении управляющего сигнала переключения светофильтра в затемненное состояние для стекла 20 светофильтра, предусмотрена другая возможность принять сигнал и выполнить команду, когда управляющий сигнал переключения светофильтра в затемненное состояние передан еще раз. Каждая повторная передача управляющего сигнала во время задержки повышает надежность его приема.
Процесс управления переключением из затемненного состояния в просветленное (120) начинается, когда блок управления 40 получает от инструмента 50 сигнал выключения инструмента (122). Такой сигнал выключения инструмента может инициировать пользователь, например, задействовав (нажатием кнопки, отжатием кнопки или переключением тумблера, и т.д.) один из переключателей 52, размещенных на инструменте 50. В ответ на сигнал выключения инструмента блок управления 40 формирует и подает управляющий сигнал выключения инструмента на регулятор мощности 30 (124).
После передачи управляющего сигнала выключения инструмента блок управления 40 находится в режиме ожидания определенное время, достаточное для выключения инструмента 50 посредством регулятора мощности 30 - время задержки на выключение инструмента - (126). Время задержки на выключение инструмента обычно составляет менее 1 с, например, от 1 до 900 мс. По истечении времени задержки на выключение инструмента управляющий блок 40 формирует и передает на светофильтр 14 управляющий сигнал переключения светофильтра в просветленное состояние (128). И в этом случае, управляющий сигнал переключения светофильтра в просветленное состояние может состоять непосредственно из команды переключения светофильтра в просветленное состояние, а также из индивидуального идентификационного кода (кодов), идентифицирующего блок управления и соответствующее стекло 20 светофильтра, которому адресована команда переключения светофильтра в просветленное состояние. По команде переключения фильтра в просветленное состояние стекло 20 светофильтра изменяет свое состояние из затемненного в просветленное.
На Фиг.4А и Фиг.4В изображены блок-схемы двунаправленного управления переключением светофильтра 14 их просветленного в затемненное состояние. На Фиг.4А изображен процесс (150), в котором задействован блок управления 40, а на Фиг.4В изображен процесс (160), в котором задействовано стекло 20 светофильтра во время осуществления двунаправленного протокола управления. В ответ на получение сигнала включения инструмента (152) блок управления 40 формирует и передает управляющий сигнал переключения фильтра в затемненное состояние по каналу связи 32 (154). После этого блок управления 40 находится в режиме ожидания до получения от светофильтра 14 по каналу связи 32 сигнала подтверждения переключения фильтра в затемненное состояние (156), означающего, что стекло 20 светофильтра изменило светопропускание от просветленного до затемненного состояния. В ответ на сигнал подтверждения переключения светофильтра 14 в затемненное состояние с блока управления 40 на регулятор мощности 30 поступает управляющий сигнал включения инструмента, обеспечивая таким образом подачу энергии на инструмент 50.
Со стороны светофильтра 14 по протоколу (160) в ответ на управляющий сигнал переключения фильтра в затемненное состояние (162) контроллер 22 светофильтра формирует соответствующее управляющее напряжение, за счет чего светофильтр переключается в затемненное состояние (164). После переключения в затемненное состояние от стекла 20 светофильтра поступает сигнал подтверждения переключения светофильтра фильтра в затемненное состояние по каналу связи 32 (166). Как было описано, управляющий сигнал переключения фильтра в затемненное состояние и сигнал подтверждения переключения фильтра в затемненное состояние могут содержать индивидуальный идентификационный код (коды), однозначно идентифицирующий стекло 20 светофильтра и блок управления 40, также как и сигналы переключения и подтверждения переключения фильтра в затемненное состояние.
На Фиг.5А и Фиг.5В изображены блок-схемы двунаправленного управления переключением светофильтра 14 из затемненного в просветленное состояние. На Фиг.5А показан процесс (170), в котором задействован блок управления 40, а на Фиг.5В показан процесс (180), в котором задействовано стекло 20 светофильтра во время осуществления двунаправленного протокола управления. В ответ на получение сигнала выключения инструмента (172) блок управления 40 формирует и передает управляющий сигнал выключения инструмента на регулятор мощности 30 (174). После этого блок управления 40 находится в режиме ожидания, пока инструмент 50 не будет выключен (176), сигнализируя, что подача энергии с инструмента 50 прекращена. После выключения инструмента (176) блок управления 40 формирует и передает управляющий сигнал переключения фильтра в просветленное состояние по каналу связи 32 (178). Со стороны светофильтра 14, в соответствии с протоколом (180), в ответ на управляющий сигнал переключения светофильтра в просветленное состояние (182) контроллер 22 формирует соответствующее управляющее напряжение на светофильтр, которое переключает светофильтр в просветленное состояние (184).
За счет такого взаимодействия светофильтра 14 и блока управления 40 инструмент 50 не включается до тех пор, пока стекло 20 светофильтра не переключится в затемненное состояние. Из-за того, что светофильтр и блок управления могут быть связаны друг с другом посредством индивидуальных идентификационных кодов, заявленное изобретение помогает предотвратить влияние на светофильтр других инструментов, находящихся поблизости, или влияние других источников света, электрического тока или магнитных полей.
Описанные в заявленном изобретении система и способ ее управления могут обеспечить повышенную надежность и снизить требования ко времени переключения светофильтра 14. Например, стекло 20 светофильтра может переключаться в затемненное состояние медленнее. Из-за того, что инструмент не включается, пока фильтр не переключится в затемненное состояние, инструмент можно не включать в течение какого угодно времени (в общем случае это время составляет миллисекунды, например, от 1 до 900 мс), достаточного для того, чтобы стекло переключилось в затемненное состояние. Это означает, что можно осуществлять "мягкий" переход от просветленного до затемненного состояния. Для глаз пользователя плавный переход от просветленного до затемненного состояния более комфортен, чем его резкая перемена. Также в переключаемом светофильтре можно использовать технические средства, обеспечивающие более медленное переключение, например, оптические фильтры с электрически управляемой спектральной характеристикой. Преимуществом таких фильтров является "более светлое" просветленное состояние, возможность улучшенных оптических характеристик и более низкая цена.
Одним их технических результатов, достигаемых изобретение, является то, что светофильтр не подвержен влиянию других источников света, других расположенных поблизости сварочных аппаратов, электрического тока или магнитных полей, которые могут быть причиной переключения светофильтра в затемненное состояние даже в отсутствии сварочной дуги. Кроме того, переключение в затемненное состояние не зависит от обнаружения датчиками сварочной дуги или другого случайного источника света, от которого нужно защитить пользователя. Таким образом, опасность, заключающаяся в том, что фильтр не будет переключаться в затемненное состояние в тех случаях, когда сигнал сварочной дуги слабый, уменьшена или устранена. Таким образом, при использовании изобретения светофильтр обеспечивает необходимую защиту пользователя в огромном разнообразии ситуаций и местах проведения работ.
Все упомянутые патенты и заявки, в том числе упомянутые в уровне техники, включены в заявленное изобретение целиком и полностью посредством ссылки.
В заявленном изобретении описаны различные примеры его осуществления. Например, описана система, содержащая переключаемый фильтр и идентифицированный с ним инструмент, при использовании которой инструмент не включается, пока светофильтр не переключится в затемненное состояние. Тем не менее, можно осуществить и другие различные модификации описанной в заявленном изобретении системы в рамках сущности изобретения. Например, несмотря на то, что изначально изобретение описано применительно к сварке, оно может найти широкое применение в огромном разнообразии других систем или областей. Эти и другие примеры осуществления изобретения находятся в рамках следующей формулы.