ВЕСОИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО

Полезная модель относится к средствам дозирования различных сред и может быть применена для автоматизированного взвешивания и дозирования при приготовлении различных смесей.
Известно весоизмерительное устройство по патенту РФ №129632, G01G 13/04, содержащее кольцевой упругий элемент, источник и приемник оптического излучения, между которыми расположены шторки, усилительное устройство, устройство сравнения и измерительный прибор. Работа устройства осуществляется при помощи кольцевого упругого элемента, который при приложении внешней нагрузки деформируется, образуя зазор между шторками. В результате световой поток от источника излучения, который будет приниматься приемником излучения, прямо пропорционален величине нагрузки, причем величина светового потока преобразуется приемником излучения в электрический ток, который фиксируется, через устройство сравнения, измерительным прибором. Одновременно ток поступает на вход функционального элемента, выходной сигнал которого определяется его функцией преобразования и который через устройство сравнения корректирует показания измерительного прибора. Функция преобразования данного элемента выбирается таким образом, чтобы скомпенсировать влияние различных факторов, влияющих на точность измерения, таких как температура, вибрация, нелинейность материала упругого элемента и т.п., и тем самым повысить точность измерения.
В известном весоизмерительном устройстве на точность измерения влияет нестабильность светового потока от источника излучения, вызванная процессом его старения, нестабильностью протекающего через него тока, а также возможным загрязнением оптического канала между излучателем и приемником.
Техническая задача полезной модели состоит в том, чтобы повысить точность измерения.
Поставленная задача решена заявляемой полезной моделью.
Заявляется:
Весоизмерительное устройство, содержащее кольцевой упругий элемент, источник и приемник оптического излучения, между которыми расположена по крайней мере одна шторка, отличающееся тем, что устройство также содержит компаратор, микроконтроллер и индикатор, при этом шторка имеет узкую щель поперек направления деформации кольцевого упругого элемента и закреплена на его нижней части, а излучатель и приемник оптического излучения закреплены на верхней части кольцевого упругого элемента, при этом приемник оптического излучения выполнен в виде многоэлементной фотоприемной линейки, расположенной вдоль направления деформации кольцевого упругого элемента, выход приемника оптического излучения соединен с неинвертирующим входом компаратора, инвертирующий вход которого соединен с источником опорного напряжения, выход компаратора соединен с входом микроконтроллера, два импульсных выхода которого подключены к входам управления приемника оптического излучения, а цифровой выход подключен к индикатору.
Полезная модель поясняется фигурой 1, на которой представлена схема весоизмерительного устройства, и фигурой 2, поясняющей принцип работы весоизмерительного устройства.
Устройство, реализующее обработку сигнала весоизмерительного устройства с кольцевым упругим элементом, показано на фигуре 1.
о
Устройство содержит кольцевой упругий элемент 1, источник оптического излучения 2, шторку 3, приемник излучения 4 на основе многоэлементной фотоприемной линейки, компаратор 5, микроконтроллер 6 и индикатор 7. Выход приемника излучения подключен к неинвертирующему входу компаратора 5. На инвертирующий вход компаратора 5 поступает опорное напряжение U (источник опорного напряжения на фигуре 1 не показан). Выход компаратора подключен к входу микроконтроллера 6. Первый и второй выходы микроконтроллера 6 подключены к входам управления приемника излучения 4, а цифровой выход микроконтроллера 6 подключен к входу индикатора 7. При этом источник оптического излучения 2 и приемник излучения 4 механически связаны с верхним плечом кольцевого упругого элемента 1, а шторка 3 механически связана с нижним плечом кольцевого упругого элемента 1. Шторка 3 имеет щель, в результате чего проходящее через нее излучение от источника 2 формирует на поверхности приемника оптического излучения 4 световое пятно размером в несколько элементов (пикселей) многоэлементной фотоприемной линейки. Многоэлементная фотоприемная линейка приемника излучения 4 расположена вдоль направления деформации кольцевого упругого элемента 1, параллельно шторке 3. Источник оптического излучения 2 расположен напротив центра многоэлементной фотоприемной линейки приемника излучения 4. Взаимное расположение источника оптического излучения 2 и шторки 3 выбрано таким образом, чтобы в отсутствии воздействия измеряемой силы F на кольцевой упругий элемент 1 световое пятно, формируемое щелью в шторке 3, располагалось в верхней части многоэлементной фотоприемной линейки приемника излучения 4.
Весоизмерительное устройство работает следующим образом.
1
2
2
3
5
6
5
6
3
3
5
Оптическое излучение U от источника 2 падает на шторку 3. Прошедшее через щель в шторке 3 излучение U формирует на поверхности приемника оптического излучения 4 световое пятно размером в несколько элементов (пикселей) многоэлементной фотоприемной линейки. Приемник оптического излучения 4 на основе многоэлементной фотоприемной линейки работает таким образом, что преобразует пространственное распределение падающей на его поверхность оптической мощности U в периодический изменяющийся во времени электрический сигнал U. Это обеспечивается подачей на приемник оптического излучения 4 управляющих сигналов U, U от микроконтроллера 6. Управляющий сигнал U задает период последовательного опроса всех элементов фотоприемной линейки приемника оптического излучения 4, а сигнал U задает период опроса каждого отдельного элемента (пикселя) фотоприемной линейки. Амплитуда электрического сигнала U на выходе приемника оптического излучения 4 в каждый момент времени пропорциональна оптической мощности, падающей на опрашиваемый в данный момент элемент фотоприемной линейки. В результате на выходе приемника излучения 4 формируется периодический электрический сигнал U, в котором пространственному распределению оптической мощности в пределах фоточувствительной поверхности приемника излучения 4 ставится в соответствие распределение во времени амплитуды электрического сигнала в пределах периода сигнала U.
3
о
4
5
4
о
Сигнал U с выхода приемника излучения 4 поступает на неинвертирующий вход компаратора 5, где сравнивается по амплитуде с опорным напряжением U, поступающим на инвертирующий вход компаратора 5. В результате на выходе компаратора 5 формируется импульс напряжения U. Положение данного импульса в пределах периода сигнала U соответствует времени, когда напряжение U превышает по уровню опорное напряжение U.
1
5
4
2
5
4
1
2
Микроконтроллер 6 осуществляет подсчет количества N импульсов, сформированных с момента окончания импульса U до момента начала импульса U с выхода компаратора 5, а также количества N импульсов, сформированных с момента окончания импульса U до момента окончания импульса U с выхода компаратора 5. Микроконтроллер обрабатывает полученные цифровые значения N и N по формуле:
где N - количество импульсов, численно равное номеру элемента (пикселя) фотоприемной линейки приемника излучения 4, соответствующего положению середины светового пятна.
При воздействии измеряемой силы F на нижнее плечо кольцевого упругого элемента 1 шторка 3 будет сдвигаться вниз относительно исходного положения. Это приведет к тому, что световое пятно от щели в шторке 3 будет перемещаться сверху вниз по фоточувствительной поверхности приемника оптического излучения 4. В результате значение N будет увеличиваться пропорционально смещению светового пятна. И, соответственно, пропорционально приложенной к кольцевому упругому элементу 1 измеряемой силе F, вычисляемой микроконтроллером 6 по формуле:
0
где k - калибровочный коэффициент, связывающий положение светового пятна на поверхности многоэлементной фотоприемной линейки с величиной измеряемой силы F, N - количество импульсов, численно равное номеру элемента (пикселя) фотоприемной линейки приемника оптического излучения 4, соответствующего положению середины светового пятна, формируемого щелью на поверхности фотоприемной линейки, N - количество импульсов, численно равное номеру элемента фотоприемной линейки приемника оптического излучения 4, соответствующего положению середины светового пятна при отсутствии измеряемой силы.
7
Значение измеряемой силы F в виде цифрового сигнала U с выхода микроконтроллера 6 поступает на индикаторное устройство 7.
5
Частота обновления информации о величине измеряемой силы F определяется частотой следования импульсов U, и для современных многоэлементных фотоприемных линеек составляет более 1 кГц.
Разрешающая способность измерения силы F примерно равна количеству элементов (пикселей) в многоэлементной фотоприемной линейке, и может составлять 1000 и более.
Таким образом, предложенное весоизмерительное устройство может быть использовано для измерения как статической, так и изменяющейся во времени силы F, вызванной весом объекта, соединенного с нижним краем кольцевого упругого элемента. При этом диапазон измеряемых значений веса зависит от жесткости кольцевого упругого элемента и допустимой для него величины деформации.
Достоинства данного технического решения:
1) применение в качестве приемника излучения многоэлементной фотоприемной линейки позволяет получить информацию о положении шторки (о величине деформации кольцевого упругого элемента) в виде номера элемента фотоприемной линейки. Такой вариант позволяет практически полностью устранить влияние нестабильности мощности источника оптического излучения и непостоянство чувствительности приемника излучения на точность измерения величины деформации упругого элемента;
2) изменяя расстояние между источником излучения и шторкой можно регулировать чувствительность системы k к перемещению шторки. Чем ближе расположена шторка к источнику излучения, тем большее абсолютное перемещение светового пятна по поверхности фотоприемной линейки при одном и том же абсолютном перемещении шторки;
3) применение микроконтроллера позволяет компенсировать возможную нелинейность зависимости изменения координаты светового пятна на поверхности фотоприемной линейки от величины измеряемой силы F. Это может быть реализовано использованием переменного калибровочного коэффициента k(N) в формуле (2). Зависимость k(N) в этом случае записывается в память микроконтроллера и используется при расчетах по формуле (2).