УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ДЛИТЕЛЬНЫХ ИНТЕРВАЛОВ ВРЕМЕНИ
DEVICE TO GENERATE LONG TIME INTERVALS

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано при производстве часов песочного типа.
Песочные часы применяются в тех случаях, когда:
- не требуется высокая точность отсчета временных интервалов;
- большое значение имеют простота наблюдения за изменением времени и наглядность этого процесса.
Чаще песочные часы используются при проведении различных медицинских (физиотерапевтических) процедур, в процессе которых отведенное на них время ограничено и имеет определенное значение. Реже песочные часы применяются при проведении некоторых игр, например шахматных турниров. Известны и другие примеры использования песочных часов.
Классические песочные часы, история которых насчитывает многие века, представляют собой соответствующую герметичную стеклянную колбу с песком. Величина временного отрезка, задаваемая такими часами, неизменна и определяется конструктивными особенностями колбы (геометрическими размерами, диаметром горловины) и количеством песка в ней. Таким образом, для того чтобы иметь возможность формировать различные временные интервалы, необходимо иметь целый набор таких песочных часов, рассчитанных на соответствующие времена истечения песка.
Известны шахматные часы [1], основу которых составляют две расположенные взаимно перпендикулярно колбы песочных часов (одни песочные часы на одного игрока). Колбы могут совершать поворот на 90° с помощью поворотного механизма. Основным недостатком аналога является то, что часы позволяют фиксировать только один неизменный временной интервал, т.е. имеют ограниченные функциональные возможности.
Известны шахматные часы [2], которые несколько проще и надежнее предыдущего аналога, но имеющие все тот же недостаток: фиксирование только одного неизменного временного интервала.
Известно устройство отсчета времени [3], имеющее более широкие функциональные возможности. Так, в устройство входит не менее трех колб песочных часов с различными временами истечения песка, каждая из которых вертикально установлена на своей горизонтальной оси вращения. Устройство соединения и разъединения осей вращения колб позволяет либо одновременно, либо в разные моменты времени устанавливать колбы в рабочее (верхнее) положение, при котором песок из верхней части колб будет вытекать в нижнюю часть. Это позволяет осуществлять контроль одновременно нескольких временных интервалов (по количеству колб). Недостатком устройства является сложность его конструкции.
В качестве прототипа выбрано устройство отсчета временных интервалов [4], которое состоит из основания, фиксатора, четырех колб с различными временами истечения песка и крестовины. Крестовина вращается по или против часовой стрелки на горизонтальной оси, установленной на основании, а колбы жестко закреплены на лицевой части крестовины на каждой из сторон вдоль их осей симметрии, причем фиксатор позволяет фиксировать крестовину, когда соответствующие противоположные стороны находятся в вертикальном положении и при ее поворотах на углы, кратные 90°.
Прототип позволяет задавать большое количество различных интервалов времени (не менее десяти) путем простого последовательного проворачивания на углы, кратные 90°, крестовины после полного пересыпания песка в нижнюю часть в выбранной колбе. Кроме того, устройство имеет простую конструкцию, что повышает его надежность.
Недостатком прототипа является то, что при формировании длительного интервала времени (т.е. при частом проворачивании крестовины) обслуживающий персонал (оператор) может сбиться со счета и допустить грубую ошибку в формировании заданного временного интервала. В ряде случаев это может привести к негативным последствиям, например при приеме физиотерапевтических процедур. Для исключения этого оператор должен постоянно находиться возле устройства и записывать номера колб, которые были в рабочем положении, и суммировать времена истечения из них песка.
Предлагаемое техническое решение направлено на автоматизацию процесса формирования длительных временных интервалов, т.е. на исключение влияния человеческого фактора на точность отсчета различных интервалов времени.
Поставленная цель достигается тем, что в устройство формирования длительных интервалов времени, кроме основания с вращающейся на горизонтальной оси по или против часовой стрелки крестовиной, на каждом крыле которой вдоль его оси симметрии жестко закреплена колба песочных часов, и фиксатора, позволяющего фиксировать крестовину в определенных положениях, дополнительно введены коммутационный блок, состоящий из четырех контактов по числу колб песочных часов, блок толкателей, состоящий из четырех диэлектрических толкателей, блок четырех формирователей импульсов с задержкой срабатывания на время Δt каждый, выходы которых связаны с соответствующими входами арифметического устройства, выход которого, в свою очередь, подключен к дисплею, причем каждый из формирователей импульсов формирует выходной импульс напряжения определенной длительности, соответствующей номеру колбы, все контакты коммутационного блока закреплены в верхней части устройства с обратной стороны крестовины один за другим вдоль вертикальной оси симметрии на определенном расстоянии от ее плоскости, толкатели, имеющие определенную длину, каждый из которых размещен с обратной стороны крестовины на оси симметрии своего крыла на заданном расстоянии от его внешнего края для механического воздействия при вращении крестовины на строго определенный контакт, а напряжение на входы формирователей импульсов подается через соответствующие контакты при воздействии на них толкателями.
Принцип действия изобретения поясняется фиг.1, на которой изображены конструкция устройства и его общий вид, фиг.2, на которой приведена структурная электрическая схема управления устройством, и фиг.3, на которой приведен экран дисплея оператора с одним из возможных вариантов представляемой на нем информации.
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
В устройство формирования длительных интервалов времени входят: основание 1, крестовина 2, четыре колбы песочных часов 3, 3, 3, 3 с различными соответствующими временами истечения песка T, T, T и T, фиксатор 4, ось вращения крестовины 5 на основании 1, коммутационный блок 6 с соответствующими колбам нормально разомкнутыми контактами 6, 6, 6 и 6, блок толкателей 7 с соответствующими диэлектрическими толкателями 7, 7, 7 и 7, блок четырех формирователей импульсов (ФИ) 8 с задержкой срабатывания каждого на время Δt (ФИ1, ФИ2, ФИ3, ФИ4), арифметическое устройство (АУ) 9 и дисплей 10.
Крестовина 2 предназначена для жесткого крепления колб песочных часов на соответствующих ее крыльях вдоль их осей симметрии. Крестовина может вращаться на оси по и против часовой стрелки, но фиксироваться может в положении, когда соответствующие противоположные крылья расположены вертикально и при ее поворотах на углы, кратные 90°.
Фиксатор 4 может представлять собой подпружиненный рычаг с выступом на одном конце и ограничитель опускания рычага. При этом в торце каждого крыла крестовины должен быть соответствующий паз для выступа рычага. Ограничитель опускания необходим для удерживания рычага в положении, удобном для фиксации и расфиксации крыла крестовины при ее поворотах.
Блоки 6 и 7 служат для регистрации нахождения той или иной колбы в верхнем рабочем положении. Каждой колбе соответствует свой контакт и свой толкатель.
Все контакты блока 6 определенным образом закреплены в верхней части устройства с обратной стороны крестовины один за другим на небольшом расстоянии от ее плоскости вдоль вертикальной оси симметрии. В рассматриваемом устройстве используются нормально разомкнутые контакты (как показано на фиг.1 и 2). Очевидно, что возможно использование и нормально замкнутых контактов, но в этом случае схема подачи напряжения (+) на формирователи импульсов несколько бы усложнилась.
Толкатели имеют определенную длину, и каждый толкатель размещен на оси симметрии своего крыла также с обратной стороны на заданном расстоянии от его внешнего края (см. фиг.1, вид сбоку). Таким образом, при вращении крестовины каждый толкатель может последовательно механически воздействовать только на строго определенный контакт: первый толкатель - на первый контакт; второй толкатель - на второй контакт и т.д., подавая при этом напряжение на соответствующий ФИ.
Толкатели выполняются из диэлектрических материалов для исключения коротких замыканий при их соприкосновении с контактами в случае исполнения крестовины из токопроводящих материалов. Если же крестовина выполняется из диэлектрических материалов, то толкатели, наоборот, могут изготавливаться из токопроводящих материалов.
1
2
3
4
i
1
i
ВОЗД
ВОЗД
i
Каждый из формирователей импульсов 8 формирует выходной импульс напряжения разной длительности τ, τ, τ и τ (фиг.2), причем τ=τ·n, где i - номер колбы. Это необходимо для распознавания колб устройства, которые находились в рабочем (верхнем) положении - каждой колбе соответствует импульс своей длительности. Задержка срабатывания Δt необходима для исключения ложных срабатываний формирователей импульсов при многократных проворачиваниях крестовины. При кратковременном воздействии толкателя на соответствующий контакт (t<Δt) формирователь импульсов не будет срабатывать, т.к. напряжение будет воздействовать на ФИ также кратковременно, менее времени задержки Δt. Когда крестовина остановилась, т.е. нужная колба выбрана, время воздействия толкателя на контакт станет больше (t≥Δt), напряжение будет воздействовать на ФИ длительно (более времени задержки Δt) и формирователь импульсов запустится, сформировав соответствующий выходной импульс напряжения τ.
Арифметическое устройство 9 предназначено для реализации выбранного алгоритма работы устройства. Дисплей 10 служит для визуальной и звуковой индикации информации, касающейся работы устройства.
Поворот крестовины оператор может осуществлять произвольным образом, например, с помощью соответствующей ручки (на фиг.1 она не показана) или берясь непосредственно за крылья крестовины.
Устройство работает следующим образом.
До начала его использования по назначению крестовина может находиться в произвольном положении (даже незафиксированном). Перед началом формирования временных интервалов необходимо поставить устройство на горизонтальную поверхность, зафиксировать крестовину и проследить, чтобы песок в колбах был только в одной половине: в колбах вертикальных крыльев песок должен быть в нижних частях колб, а в колбах горизонтальных крыльев - в наружных частях колб (как показано на фиг.1).
2
2
4
3
Для непосредственного формирования интервала времени одну из колб необходимо перевести в рабочее положение. Рабочим положением считается такое положение, когда в выбранной колбе песок будет в верхней ее части. Применительно к положению крестовины, изображенном на фиг.1, для отсчета времени, например Т, оператор должен повернуть крестовину 2 на оси 5 на угол 90° против часовой стрелки, чтобы песок из верхней части колбы 3 стал пересыпаться в нижнюю часть колбы. Для отсчета времени T необходимо повернуть крестовину на угол 90° по часовой стрелке, для отсчета времени T крестовину надо повернуть на угол 180° по или против часовой стрелки и т.д.
Очевидно, что когда одна из колб будет находиться в рабочем положении, песок в остальных колбах останется в соответствующих частях колб, откуда не сможет пересыпаться в другую часть или будет пересыпаться в исходную часть для того, чтобы другие три песочные колбы уже были готовы к применению.
1
2
3
4
1
2
1
3
1
4
2
3
1
2
3
1
2
3
4
Таким образом, в данном устройстве с помощью всего четырех колб песочных часов можно задавать большое количество различных интервалов времени путем простого последовательного проворачивания на соответствующий угол крестовины после полного пересыпания песка в нижнюю часть в выбранной колбе. При этом можно сформировать следующие интервалы времени: T, T, T, T, T+T, T+T, T+Т, T+T, T+T+T, T+T+T+T и многие другие.
Далее работу устройства рассмотрим на примере формирования конкретного длительного временного интервала.
1
2
3
4
Пусть времена истечения песка в колбах будут равны: T=1 мин, T=2 мин, T=3 мин, T=4 мин. Перед началом работы на дисплее нажимаются кнопки "Вкл." и "Сброс", при этом соответственно включается электрическая схема устройства, а ее элементы автоматики приходят в исходное состояние. Предположим, что оператору надо сформировать интервал времени в 13 мин. Это контрольное время для запоминания в арифметическом устройстве оператор набирает на дисплее кнопками "Десятки" и "Единицы" в группе "Формируемый интервал" и вводит в память АУ кнопкой "Ввод", что отображается на соответствующих индикаторах (см. фиг.3).
3
3
3
3
1
1
2
Далее оператор должен рассчитать, какие колбы необходимо переводить в рабочее (верхнее) положение. Для нашего примера (из исходного состояния, как на фиг.1) в рабочее положение последовательно надо перевести колбы №№:3→1→2→1→4→2. При переводе колбы №3 в рабочее положение толкатель 7 воздействует на контакт 6, формирователь ФИ3 срабатывает и на соответствующий вход АУ 9 поступает импульс длительностью τ. Для арифметического устройства это означает, что в рабочем положении находится колба №3. Одновременно с пересыпанием песка в колбе в АУ включаются электронные часы на 3 минуты. Как только на дисплее 10 появится первая строка "Колба №3, T=3 мин", оператор должен сразу перевести в рабочее положение колбу №1. Аналогично замыкается контакт 6, срабатывает ФИ1, в АУ (одновременно с пересыпанием песка) запускаются электронные часы на 1 мин. Как только на дисплее появится вторая строка "Колба №1, T=1 мин", оператор должен быстро перевести в рабочее положение колбу №2. Аналогично срабатывает ФИ2, в АУ запускаются электронные часы на 2 мин. После появления на дисплее третьей строки "Колба №2, T=2 мин" оператор прокручиванием крестовины переводит в рабочие положения вновь колбу №1, затем колбы №№4 и 2. На дисплее в строке "Результирующее время" высвечивается текущее и результирующее просуммированное время.
Как только все запланированные колбы окажутся в рабочих положениях, что отобразится в строчках на дисплее, и текущее время, отсчитываемое электронными часами, сравнится с заданным временным интервалом, на дисплее высветится строка "Результирующее время 13 мин" и включится звуковая сигнализация. На этом процесс формирования заданного длительного временного интервала заканчивается.
На дисплее предусмотрена кнопка "Откл." При нажатии этой кнопки все элементы автоматики отключаются и данное устройство работает как прототип только в ручном режиме.
Очевидно, что одну и ту же колбу подряд два раза задействовать нельзя: ее можно задействовать только после того, как песок в ней вновь пересыплется в нужную часть колбы.
Установка очередной колбы (прокручивание крестовины) должна осуществляться с минимальным временем - меньше времени задержки срабатывания формирователя импульсов Δt. Для этого перед окончанием отсчета промежуточного интервала электронными часами оператору должна подаваться соответствующая звуковая сигнализация (например, за 15 с до окончания истечения песка - редкими звуковыми сигналами, за 10 с - частыми звуковыми сигналами, за 5 с - непрерывным звуковым сигналом). Это необходимо для того, чтобы оператор к окончанию истечения песка из очередной колбы был возле крестовины.
Очевидно, что при многократных проворачиваниях крестовины часть песка неизбежно и кратковременно будет просыпаться в противоположную часть колб, т.е. будет иметь место некоторая (максимум - несколько секунд) погрешность в формировании заданного отрезка времени. По этому поводу следует отметить, что:
- все песочные часы в принципе имеют невысокую точность измерения временных интервалов;
- при формировании длительного отрезка времени (порядка 10 и более минут) данная погрешность будет незначительной;
- данная погрешность будет практически полностью компенсироваться за счет дублирования выбранного отрезка времени электронными часами в арифметическом устройстве.
Таким образом, предложенное устройство заметно облегчает работу оператора по формированию длительных интервалов времени путем автоматизации процесса управления устройством. Это, в свою очередь, существенно снижает вероятность появления грубых ошибок оператора в отсчете заданного временного интервала.
Источники информации
1. Шахматные часы. Авторское свидетельство СССР №643826, 1979.
2. Шахматные часы. Патент РФ на изобретение №2029332, 1995.
3. Устройство отсчета времени. Патент РФ на полезную модель №60234, 2007.
4. Устройство отсчета временных интервалов. Патент РФ на полезную модель №113854, 2012.