УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДЛИНЫ ВИТОГО ПРОВОДА

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для измерения линейной длины и скорости намотки движущихся витых проводов электротехнических кабелей и проводов металлокорда в реальном масштабе времени.
Известно устройство для измерения величины перемещений объектов, содержащее источник света и фотоприемник, оптически связанные между собой, блок обработки и подключенный к нему блок индикации перемещений [Гужов В. И., Нечаев В. Г. Измеритель абсолютных перемещений. Патент РФ №2097685, MПK G01B 11/00 от 27.11.1997].
Недостатками данного устройства являются узкий диапазон измерения, ограниченный длиной применяемого измерительного растра, а также сложность конструкции измерительного растра и электронных функциональных узлов, в частности, аналого-цифрового преобразователя, используемого для обработки амплитудных значений выходного сигнала фотоприемника.
6
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является устройство для измерения перемещений, содержащее два источника света, два фотоприемника, два формирователя импульсов и блок обработки результатов измерений [Бойченко В. Ф. Михалева Н. В. Устройство для измерения линейных и угловых перемещений при диагностике транспортных средств. Патент РФ №2210068, МПК G01H 11/00 от 10.08.2003].
К недостаткам данного устройства относятся узкий диапазон измерения линейных параметров, который ограничивается длиной измерительной рейки, и большая конструктивная сложность, связанная с применением механических функциональных узлов (редуктора и приспособлений для выборки люфтов шестерен). Кроме того, вследствие
инерционности данных узлов возникает динамическая погрешность от изменения скорости перемещения контролируемого объекта, что приводит к ухудшению общей точности измерения его линейных размеров и скорости движения.
Техническим результатом, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, является расширение диапазона измерения длины и скорости движения объектов и упрощение конструкции устройства.
Для достижения этого технического результата в устройство для измерения длины витого провода, содержащее два источника света, оптически связанные с двумя фотоприемниками, к выходам которых подключены два формирователя импульсов, и блок обработки данных, дополнительно введены первый и второй делители частоты, элемент "Исключающее ИЛИ", элемент 2И, генератор тактовых импульсов и реверсивный счетчик. При этом выход первого формирователя импульсов подключен к первому входу блока обработки данных, а также через первый делитель частоты соединен с входом направления счета реверсивного счетчика и первым входом элемента "Исключающее ИЛИ". Выход второго формирователя импульсов через второй делитель частоты соединен со вторым входом элемента "Исключающее ИЛИ и со вторым входом блока обработки данных. Первый выход блока обработки данных соединен с входами установки нуля первого делителя частоты и реверсивного счетчика импульсов, а второй выход блока обработки данных соединен с входом установки нуля второго делителя частоты. Выход элемента "Исключающее ИЛИ" соединен с первым входом элемента 2И, второй вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов и с третьим входом блока обработки данных. Четвертый вход блока обработки данных подключен к выходу реверсивного счетчика, счетный вход которого соединен с выходом элемента 2И, а третий выход блока обработки данных является выходом устройства.
На фиг.1 показана структурная схема устройства, на фиг.2 приведены временные диаграммы, поясняющие его работу. На фиг.3 показана принципиальная схема фотоприемника, а на фиг 4 приведена его конструкция.
В схеме устройства (фиг.1) используются два источника света 1, 2, расположенные на фиксированном расстоянии L друг от друга. Сфокусированные световые лучи освещают движущийся витой провод 3 и попадают на оптические входы фотоприемников 4 и 5. При движении витого провода 3 изменяется сила света, попадающего на фотоприемники 4 и 5, на выходах которых появляется переменное напряжение, преобразуемое в однополярные импульсы формирователями 6 и 7, на выходах которых установлены делители частоты импульсов 8 и 9 с одинаковыми коэффициентами деления Кд. Выходные сигналы делителей частоты 8, 9 проходят через элемент "Исключающее ИЛИ" 10 на логический элемент 11, который пропускает высокочастотные импульсы от генератора 12 тактовой частоты/г на реверсивный счетчик 13. К выходу счетчика 13 подключен микропроцессорный блок обработки данных 14, управляющий работой всего устройства, причем выход блока обработки 14 является выходом устройства.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Перед началом измерения контролируемый витой провод 3 устанавливается на подвижных роликах между источниками света 1, 2 и фотоприемниками 4, 5 таким образом, чтобы световые лучи огибали провод с двух сторон и попадали на светочувствительные окна фотоприемников 4, 5. При этом светочувствительные окна обоих фотоприемников 4 и 5 размещаются напротив, т.е. на оптических осях, источников света 1 и 2. Расстояние L=const между двумя источниками света 1, 2 и между фотоприемниками 4, 5 выбирается значительно больше шага l намотки витков провода 3 и представляет собой меру измерения. В исходном состоянии на R-входы установки нуля делителей частоты 8, 9 и реверсивного
счетчика 13 от блока обработки данных 14 подаются управляющие сигналы, запрещающие их работу.
ЗД
д
B
Д
в
Процесс измерения длины и скорости начинается в момент начала продольного движения контролируемого провода 3. Наличие витков из отдельных тонких проволок приводит к периодическому изменению диаметра витого провода, поэтому при его продольном движении со скоростью V между источниками света 1, 2 и фотоприемниками 4, 5 периодически изменяется засветка фотоприемников 4, 5, т.е. происходит модуляция светового потока. Это приводит к появлению переменных напряжений на выходах фотоприемников 4 и 5, которые преобразуются в последовательности импульсов с помощью формирователей 6, 7. При появлении первого импульса на выходе формирователя 6 блок обработки данных 14 разрешает работу делителя частоты 8 и реверсивного счетчика импульсов 13 (фиг.1). При этом работа второго делителя частоты 9 начинается по команде блока обработки данных 14 с задержкой на время t L/KVl, зависящее от коэффициента деления К, расстояния L между фотоприемниками и шага намотки l витков провода.
8
9
ЗД
10
1
2
ЗД
T
1
T
1
2
T
2
8
9
8
Вследствие этого на выходах делителей частоты 8 и 9 формируются импульсы напряжения U, U, сдвинутые относительно друг друга на время задержки t (фиг.2). Эти импульсы поступают на логический элемент "Исключающее ИЛИ" 10, на выходе которого формируются импульсы напряжения U, длительности которых зависят от времени задержки Δt≈Δt≈t и измеряются цифровым способом, т.е. заполняются импульсами стабильной частоты f поступающей от генератора тактовых импульсов 12. При этом на выходе элемента 11 появляются пачки импульсов, общее количество которых N=fΔt и N=fΔt зависит от времени задержки фронта и среза выходных сигналов U, U делителей частоты 8 и 9. Реверсивный счетчик 13 работает в режиме суммирования при высоком уровне напряжения U на выходе делителя частоты 8, и в режиме вычитания - при низком уровне этого напряжения. Поэтому в конце каждого периода
8
T
1
2
1
2
сигнала U на его выходе формируется код ΔN=f(Δt-Δt), зависящий от разности интервалов запаздывания фронта Δt и среза Δt выходных импульсов делителей частоты:. При постоянной скорости продольного движения провода V=const длительность импульсов на выходе элемента "Исключающее ИЛИ" 10 не изменяется, поэтому реверсивный счетчик формирует нулевой код ΔN=0. В случае изменения скорости движения контролируемого провода на выходе реверсивного счетчика 13 формируются положительные или отрицательные значения кода ΔN≠0, которые записываются в память блока обработки данных и используются для коррекции результатов измерений длины или скорости движения провода.
T
1
2
T
Одновременно с реверсивным счетчиком 13 в блоке обработки данных 14 определяется цифровым способом суммарное время задержки выходных импульсов делителей частоты 8, 9 и запоминается код N=fT(Δt+Δt). После этого вычисляется поправочный коэффициент KП=(1±ΔN/N), который в дальнейшем используется для вычисления длины витого провода.
ИЗМ
Д
B.CP
Д
В.СР
Σ
Процесс измерения продолжается в течение времени протяжки T витого провода. При выборе коэффициента деления K делителей частоты 8 и 9 исходя из расстояния L между фотоприемниками 4, 5 и среднего шага намотки l витков провода по условию K=L/2l в блоке обработки данных 14 вычисляется общая длина l контролируемого провода по формуле
Аналогичным образом в блоке обработки данных реализуется вычисление среднего значения скорости продольного движения провода в виде:
CP
В.СР
Д
СР
V≈2lКF.
Особенность функционирования данного устройства заключается в том, что фотоприемники 4, 5 должны обеспечивать выделение переменной
16
H
17
18
составляющей светового сигнала на фоне относительно большого уровня фоновой засветки. С учетом этого в схеме каждого фотоприемника (фиг.3) фотодиод 15 включен между входами операционного усилителя 16 с комбинированной обратной связью. На неинвертирующем входе усилителя 16 включен резистор 17, а в цепи отрицательной обратной связи - резистор 18. Поэтому постоянное напряжение U, усилителя 16 зависит только от начального тока I фотодиода 15 и сопротивлений R≈R резисторов 17, 18:
16
H
17
18
H
18
U≈I(R+R)≈2IR.
Ф
16
Ф
20
18
При протяжке витого провода периодически изменяется интенсивность света, попадающего на фотодиод 15, поэтому на выходе усилителя 16 появляется переменная составляющая фототока I. Эта составляющая преобразуется в однополярные импульсы напряжения U, усилителем 16, который имеет большой коэффициент преобразования фототока I за счет положительной обратной связи по переменному току на элементах 19, 20. Амплитуда этих импульсов напряжения зависит от сопротивления R≪R резистора 20:
7.М
ФМ
17
18
17
18
20
Ф.М
18
18
20
Ф.M
18
16
U≈I·(R+R+RR/R)≈I·R(2+R/R)=I·RK.
18
20
16
Ф.М
Ф
H
17
18
20
При выборе сопротивлений резисторов 18 и 20 по условию R/R≥100 усилитель 16 (фиг.3) обеспечивается значительное - в К>100 раз -усиление амплитуды I импульсов фототока I по сравнению с начальным током I фотодиода 15. Использование резисторов 17, 18, 20 с относительно небольшими сопротивлениями R=R и R позволяет обеспечить хорошую стабильность характеристик фотоприемника в сочетании с его высокой чувствительностью, достигаемой за счет большого усиления импульсов фототока.
Для исключения влияния поперечного смещения ±h контролируемого провода на результаты измерений его длины и скорости светочувствительное
окно фотодиода 15 должно иметь прямоугольную форму (фиг.4). При этом фотодиод 15 закрывается экраном 21 с прямоугольным отверстием 22, не превышающим по длине диаметра светочувствительной площадки фотодиода 15. Такой конструкторский прием позволяет обеспечить одинаковую световую чувствительность фотодиода независимо от возможного поперечного смещения ±h витого провода 3, возникающего при изменении скорости протяжки.
Д
Для упрощения вычислений известное или заранее измеренное расстояние L=const между прямоугольными отверстиями экранирующей пластины записывается в перепрограммируемую память (ППЗУ) микропроцессорного блока обработки данных. Там же хранятся значения коэффициентов деления К делителей частоты, поэтому процесс вычислений сводится к выполнению простых операций умножения, деления и сложения чисел.
Расширение диапазона измерения при сохранении высокой точности в предложенном устройстве достигается за счет применения стабильной механической меры L=const и применения амплитудно-временного преобразования выходных сигналов фотоприемников, а также за счет исключения влияния поперечного смещения провода, реализуемого применением прямоугольных отверстий на входах фотоприемников. Использование такого, относительно простого конструкторского приема в сочетании с использованием цепи положительной обратной связи в усилителе, выполняющем преобразование фототока в напряжение, позволяет резко ослабить влияние статических погрешностей усилителя на точность преобразования в широком динамическом диапазоне измерения.
Упрощение конструкции устройства обеспечивается за счет исключения измерительных высокоточных измерительных растров и использования для функционального преобразования простых цифровых микросхем.
Дополнительным преимуществом предлагаемой полезной модели является возможность обеспечения высокой точности преобразования даже при относительно нестабильном шаге намотки витых проводов, в том числе различного вида канатов. Использование коррекции результатов измерений, реализуемое для мгновенных значений измеряемой частоты, в сочетании с усреднением результатов цифровых измерений позволяет значительно ослабить влияние любых случайных погрешностей на результаты измерений.
При экспериментальном исследовании полезной модели в схеме источников света применялись светодиоды АЛ307, в фотоприемниках -фотодиоды типа ФД7К с усилителями типа LMP2011, имеющими однополярное напряжение питания. Два формирователя импульсов собраны на одной микросхеме К561ТЛ1, два делителя частоты - на микросхеме К561ИЕ10. Реверсивный счетчик собран на микросхемах К561ИЕ14, элемент "Исключающее ИЛИ" и генератор тактовых импульсов - на микросхеме К561ЛП2, элемент 2И - на микросхеме К561ЛИ2, а в качестве микропроцессора применена микросхема AT89S8253 фирмы Atmel.