Преобразователь перемещения в код

 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к аналого-цифровым преобразователям с использованием механических средств, предназначенных для измерения перемещений при исследовании прочности инженерных конструкций. Целью изобретения является повышение точности и надежности преобразователя. С этой целью в преобразователь перемещения в код, содержащий преобразователь угол-код, соединенный с ним цилиндр и размещенный на цилиндре гибкий элемент, Изобретение относится к измерительной технике, в частности к аналого-цифровым преобразователям с использованием механических средств, предназначенных для измерения перемещений при исследовании прочности инженерных конструкций . Известны устройства для измерения длины с большими пределами измерения. Наиболее широко распространены различные рулетки. введены ленточная спиральная пружина, плоская пружина, зуб, /пор, ограничитель и разъединитель, а преобразователь угол-код выполнен с дополнительными выходами сигнала Интервалы времени, а также предохранитель , состоящий из оконцевателя, серьги и оси из мягкого материала и установленный на свободном конце рулеточной мерной ленты, противоположный конец которой закреплен на цилиндрической поверхности полого мерного диска. На цилиндрической поверхности диска усть новлен зуб, размещенный в отверстии рулеточной мерной ленты, а на его плоской стороне установлен ограничитель, который в крайних положениях преобразователя соприкасается с неподвижно установленным упором. При превышении допустимого предела преобразования рулеточная мерная лента снимается с зуба неподвижно установленным разъединителем и выдергивается из-под плоской пружины, а для предохранения рулеточной мерной ленты от разрыва при резком увеличении скорости объекта разрушается предохранитель. 1 з.п. ф-л ы, 6 ил. Известно приспособление для точного измерения больших расстояний, которое состоит из рулетки, струбцины и пружинного динамометра, проградуированного в единицах длины (метры). Существуют устройства для измерения длины, в которых используется не рулеточная лента, а проволока или трос, например прибор для измерения длины, содержащий вращающийся барабан с равномерно намотанной в один ряд проволокой (тросом), двиСО С ч 4 Ю О ю

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛ ИСТИ Ч Е СКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4819941/24 (22) 28.04.90 (46) 15.06.92. Бюл. М 22 (71) Центральный аэрогидродинамический институт им. проф, Н,Е.Жуковского (72) B.M.Oðäûíöåâ, С.С.Слепова и А,А,Казинов (53) 681.325(088. 8) (56) Авторское свидетельство СССР

N1179527,,кл. Н 03 М 1/24, 1983.

Авторское свидетельство СССР

N 155414, кл. Н 03 М 1/24, 1962. (54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ

В КОД (57) Изобретение относится к измерительной технике, в частности к аналого-цифровым преобразователям с использованием механических средств, предназначенных для измерения перемещений при исследовании прочности инженерных конструкций.

Целью изобретения является повышение точности и надежности преобразователя. С этой целью в преобразователь перемещения в код, содержащий преобразователь угол-код, соединенный с ним цилиндр и размещенный на цилиндре гибкий элемент, Изобретение относится к измерительной технике, в частности к аналого-цифровым преобразователям с использованием механических средств, предназначенных для измерения перемещений при исследовании прочности инженерных конструкций.

Известны устройства для измерения длины с большими пределами измерения.

Наиболее широко распространены различные рулетки.. Ы,, 1741262 А1 (51)5 Н 03 М 1/24, G 01 В 3/10 введены ленточная спиральная пружина, плоская пружина, зуб, упор, ограничитель и разъединитель, а преобразователь угол-код выполнен с дополнительными выходами сигнала "Интервалы времени", а также предохранитель, состоящий из оконцевателя, серьги и оси из мягкого материала и установленный на свободном конце рулеточной мерной ленты, противоположный конец которой закреплен на цилиндрической поверхности полого мерного диска. На цилиндрической поверхности диска установлен зуб, размещенный в отверстии рулеточной мерной ленты, а на его плоской стороне установлен ограничитель, который в крайних положениях преобразователя соприкасается с неподвижно установленным упором, При превышении допустимого предела преобразования рулеточная мерная лента снимается с зуба неподвижно установленным разьединителем и выдергивается из-под плоской пружины, а для предохранения рулеточной мерной ленты от разрыва при резком увеличении скорости объекта разрушается предохранитель, 1 з.п. ф-лы, 6 ил, Известно приспособление для точного измерения больших расстояний, которое состоит из рулетки, струбцины и пружинного динамометра, проградуирован ного в единицах длины (метры).

Существуют устройства для измерения длины, в которых используется не рулеточная лента, а проволока или трос, например прибор для измерения длины, содержащий вращающийся барабан с равномерно намотанной в один.ряд проволокой (тросом), дви3 1741262

50 гатель, соединенный с барабаном через редуктор и фрикционную муфту, механический счетчик оборотов и тормозное устройство.

Имеются устройства для измерения переменной длины с электрическим выходом, например устройство, состоящее из двух импульсных тахометров, приемного и рабочего роликов, скоростного счетчика накрутки, скоростного счетчика отношения оборотов, программируемого цифрового логического калькулятора и дисплейного пульта.

Наиболее близким к предлагаемому является преобразователь величины контролируемого параметра в импульсный десятичный код, который содержит преобразователь угол — код, цилиндр, ось которого соединена с входной осью преобразователя, гибкий элемент в виде троса, обвивающего несколько раз цилиндр, на одном конце троса укреплен поплавок, а на другом — груз. Недостатки этой конструкции в отсутствии жесткой связи между гибким элементом и цилиндром. Возможно проскальзывание и возникновение погрешности преобразования, Конструкция преобразователя не обеспечивает достаточно высокой разрешающей способности.

Преобразователь не может иметь высокого быстродействия, Прибор не имеет защиты от резких . изменений преобразуемого перемещения и от превышения пределов допустимых перемещений, Целью изобретения является повышение точности и надежности преобразователя, Указанная цель достигается тем, что в преобразователь перемещений, содержащий преобразователь угол — код, на входном валу которого установлен цилиндр с размещенным на нем гибким элементом, введены ленточная спиральная пружина, плоская пружина, зуб, упор, ограничитель и разъединитель, а преобразователь угол— код выполнен с дополнительными выходами для сигнала "Интервалы времени", цилиндр выполнен в виде полого мерного диска, гибкий элемент выполнен в виде рулеточной мерной ленты с отверстием на одном ее конце, один конец ленточной спиральной пружины закреплен на оси полого мерного диска, а другой закреплен неподвижнс, один конец рулеточной мерной ленты закреплен на цилиндрической поверхности полого мерного диска установленной на нем плоской пружиной., прикрепленной к мерному диску, в отверстии на одном конце рулеточной мерной ленты размещен зуб, закрепленный на ци5

35 линдрической поверхности полого мерного диска на одном радиусе с упором, установленном неподвижно, рулеточная мерная лента размещена на цилиндрической поверхности полого мерного диска в один слой, разъединитель установлен неподвижно над цилиндрической поверхностью полого мерного диска вблизи линии перемещения рулеточной мерной ленты, На фиг. 1 представлена схема преобразователя перемещений в интервалы времени и код; на фиг. 2 — устройство, предохраняющее от резких изменений величины преобразуемого перемещения, в собранном состоянии; на фиг. 3 — то же, после срабатывания; на фиг, 4 — устройство, предохраняющее от превышения допустимой величины перемещения; на фиг, 5 — временная диаграмма сигналов "Интервалы времени"; на фиг. 6 — определение положения импульса К между двумя импульсами С, Преобразователь перемещений в интервалы времени и код (фиг, 1) состоит из мерного вала 1, кривошипа 2, первого сигнального диска 3, второго сигнального диска 4, трех фотодиодов 5-7, трех электрических ламп 8-10, понижающего редуктора 11, электродвигателя 12 с валом 13, начальной метки 14, конечной метки 15, масштабной метки (меток) 16, люфтовыбирателя 17, трех обострителей 18-20 оптических импульсов, пустотелого мерного диска 21, ленточной спиральной пружины 22, упора

23, ограничителя 24, рулеточной мерной ленты 25, разъединителя 26, устройства 27 визуального отсчета с риской 28, серьги 29, оконцевателя 30, предохранительной оси

31, делителя перемещения, первого — третьего формирователей импульсов 32-34, триггера 35, логического элемента 2И 36, одновибраторов 37-38, счетчика 39, блока регистрации 40. Прибор имеет также электрический выход 41. Элементы 1-20 и 32-41 входят в состав преобразователя вал — код, Для закрепления на диске 21 лента 25 имеет прорезь 42 (фиг. 4). Конец ленты 25 прижат к диску 21 удерживающей пружиной

43, прикрепленной двумя винтами к диску

21, Прорезь 42 надета на зуб 44, укрепленный на диске 21, Ограничитель 24 установлен на диске 21 так, что при вращении его он упирается в упор 23.

Вал 13 соединен с входным валом редуктора 11, на выходном валу которого укреплен диск 3, с которым совмещен люфтовыбиратель 17, выполненный в виде четырех лопаток.

Вал 1 вращается в подшипнике скольжения 9 не показан). На одном конце вала 1 установлен кривошип 2, на другой конце—

1741262 мерный диск 21 и закреплен один конец пружины 22. Другой конец пружины 22 прикреплен к корпусу прибора (отмечено штриховкой). К корпусу прибора присоединены также упор 23, разъединитель 26 и устройство 27 визуального отсчета. Ось 31 продета через отверстие серьги 29 и оконцевателя

30.

При регулировке прибора сигнальные диски 3 и 4 устанавливаются так. Первоначально выбирается люфт редуктора в ту же сторону, в которую его выбирает люфтовыбиратель 17. После этого диск 3 при неподвижной выходной оси редуктора 11 поворачивается до тех пор, пока начальная метка 14 окажется между лампой 8 и фотодиодом 5, что определяется по сигналу на выходе формирователя 32, В этом положении диск 3 фиксируется на выходной оси редуктора 11. Далее диск 4 закрепляется на выходной оси двигателя 12 так, чтобы масштабные метки 16, число которых равно m, 2л . располагались под углами — i, где гп

i=0,1,...(m-1), отсчитываемыми от радиуса,. проходящего через ось вращения диска 4 и оптическую ось, соединяющую лампу 10 и фотодиод 7. При этом одна из масштабных . меток (i=O) располагается между фотодиодом 7 и лампой 10, что может быть проверено по сигналу формирователя 34.

Передаточное число U редуктора 11 равно

2ЛЯтах, где Smax — число масштабных сигнаmLmax лов, которое преобразователь должен выдавать при наибольшем значении перемещения Lmax. Перемещение Lи угол а связаны выражением а R=L, где a — угол поворота кривошипа 2;

R — радиус мерного диска 21. -вах

Отсюда R= . Например, при

%пах

Lmax=800 мм и (хвах=5,9839857, т.е. 340 диск 21 должен иметь радиус R=133,69 мм, Выходы фотодиодов 5,6,7 соединены с входами формирователей импульсов 32-34 соответственно, а также являются выходом

41 преобразователя, выдающим интервалы времени, заданные начальным и конечным импульсами и серией масштабных импульсов. Выход первого формирователя 32 соединен с единичным входом триггера 35, выход второго формирователя 33 соединен с нулевым входом триггера 35, Выход третьего формирователя 34 соединен с вторым входом логического элемента 2И 36. Единичный выход триггера 35 соединен с первым входом элемента 36. Нулевой выход

55 триггера 35 соединен с входом одновибратора 37, выход которого соединен с входом одновибратора 38 и с управляющим входом блока 40 регистрации.

Выход элемента 2И 36 соединен со счетным входом счетчика 39, выходы которого соединены с информационным входом блока 40 регистрации. Устройство 27 визуального отсчета выполнено в виде рамки (фиг.

1) с окном, в которое вставлено стекло с риской 28. Через верхнее и нижнее отверстия устройства визуального отсчета продета лента 25 так, что нанесенные на ней деления видны через окно.

Преобразователь работает следующим образом.

Преобразователь закрепляется на силовом полу, а серьга 29 присоединяется к детали, перемещение которой необходимо измерять. При этом в зависимости от предполагаемого направления перемещения лента 25 вытягивается или втягивается в корпус преобразователя (наматываясь на диск 21 в один слой), Если направление перемещения неизвестно, то лента вытягивается на половину своей длины, что определяется по показаниям риски 28, Перемещения ленты 25 приводят к вращению мерного диска 21 на некоторый угол а . Это вращение передается валу 1 и кривошипу 2, который поворачивается íà TGT же угол а относительно прямой, проходящей через первый фотодиод 5 и ось вращения кривошипа нормально к ней, Двигатель

12 вращает второй сигнальный диск 4 и через редуктор 11 — первый диск 3. Начальная метка 14 в некоторый момент, соответствующий началу интервала времени, являющегося результатом преобразования, проходит между лампой 8 и фотодиодом 5.

При этом фотодиод выдает начальный импульс Н (фиг. 5). Одновременно возникает масштабный импульс С, выдаваемый фотодиодом 7 при прохождении масштабной метки 16 между ним и лампой 10. Если вал

13 двигателя 12 вращается с постоянной скоростью, то фотодиод 7.вырабатывает импульсы С через равные интервалы времени.

При неравномерном вращении оси 13 эти интервалы будут изменяться. Для примера на фиг. 5 показано изменение интервалов времени между импульсами С во время разгона двигателя, Если число оборотов вала 13 и диска 4 равно и,, то число оборотов диска 3 п1

nz = —, т.е. п2 <и<. Поэтому пока конечная

U метка 15 пройдет угол Юот радиуса, на котором находится фотодиод 6, до радиуса, на

1741262 котором находится фотодиод 5, масштабная метка 16 (или метки, если их число m>1) может несколько раз пройти мимо фотодиода 7, В результате будет выдано некоторое количество Sмасштабных импульсов С,,Несмотря на возможное непостоянство скоростей вращения дисков 3 и 4 число интервалов между импульсами С будет пропорционально величине преобразуемого перемещения L. Интервалы времени между выдачами масштабных импульсов С зависят от числа оборотов п1, каждому масштабному импульсу соответствует один и тот же угол поворота диска 3 = в

=2

Поэтому число S масштабных импульсов, выданное между начальным и конецным импульсами, равно

S = integer, .a) . где операция integer означает выделение целой части числа. aдано в радианах.

Между моментом выдачи S-го масштабного импульса С и моментом выдачи конечного импульса К диск 3 повернется еще на некоторый угол A(3. Поскольку интервалы времени между выдачами масштабных импульсов С малы, то можно с достаточным основанием принять скорость вращения вала 13 на протяжении последнего такого интервала постоянной. Тогда угол Лф может быть оценен по интервалу Q (фиг. 6) между

S-м импульсом С и импульсом К Р =Р-р

Q где P — интервал времени между выдачей

S-й и (S+1)-й масштабных меток, Подставив.в предыдущее выражение

2л

P =-С-@, получим

М= ы

2 Q

Подсчет. числа выданных импульсов С даже при непостоянной скорости вращения оси 13 дает возможность точно преобразовывать основную часть Lp перемещения L.

Для всего перемещения можно записать;

3 = 3 > + Л 1 = В((Я вЂ” 1ф + ЛД = — (S — 1+- ).

2zR Q (1)

Это уравнение устанавливает связь между результатом преобразования, которым является сигнал, состоящий из S импульсов С и из интервалов времени Q u P.

Видно, что вычисленное не зависит от числа оборотов п1 вала 13 двигателя 12, т,к.

g Лд отношение — = — не зависит от п1, если р

10 преобразователь интервалов времени в код, 15 использующий сигналы с выхода 41. люфтовыбирателя 17 создают за счет тре20 ния о воздух некоторый моментсопротивле30

n<=const. При п1=чаг вносимая погрешность тем меньше, чем меньше интервалы времени между импульсами С.

Таким образом, результатом преобразования перемещения L на выходе 41 является сигнал "Интервалы времени", состоящий из импульсов Н, С и К. Использование серии импульсов С дает возможность уменьшить погрешность преобразования, возникающую из-за нестабильности скорости вращения вала двигателя. уравнение (1) определяет функцию преобразования, которую должен выполнять

Во время работы преобразователя двигатель 12 включен, диск 3 вращается в направлении, указанном стрелкой, Лопатки ния вращению, благодаря чему люфт в редукторе 11 остается все время выбранным и не создает дополнительной погрешности преобразования. Поэтому применение безлюфтового редуктора не обязательно, Однако начальная установка дисков 3 и 4 должна производиться при выбранном люфте, как указано выше. При неточной установке дисков 3 и 4 относительно друг друга может возникнуть постоянная погрешность, которую легко учесть при градуировке преобразователя, Как видно из (1), при (S-1)» — можно

P

Q пренебречь —, тогда — с

1 = (S — 1!Мм, о р

Это выражение лежит в основе электронной части прибора, показанной в верхней части фиг.1.

Формирователи 32-34 по передним фронтам сигналов, выдаваемых фотодиодами 5-7, формируют узкие импульсы Н, К и С.

При появлении начального импульса Н триггер 35 устанавливается в единичное положение и сигнал с его единичного плеча разрешает прохождение импульсов С с выхода формирователя 34 через элемент 36 на счетный вход счетчика 39. При появлении конечного импульса К сигнал с выхода формирователя 33 устанавливает триггер 36 в нулевое положение. При этом элемент 36 перестает пропускать импульсы С на вход счетчика 39, в котором будет зафиксировано число S, на единицу большее (из-за начального импульса С) числа элементарных углов Р, соответствующих преобразуемому перемещению, Одновременно сигнал с нулевого плеча триггера 35 воздействует на одновиб1741262

40 .45

55 ратор 37. Импульс с его выхода запускает блок 40, который записывает величину перемещения L, Импульс от одновибратора 38 сбрасывает счетчик 39 готовит его к новому счету.

Обострители оптических импульсов 1820 повышают крутизну фронта импульсов и позволяют наносить узкие и длинные матки, что повышает надежность преобразователя и уменьшает его габариты.

Специфика использования преобразователя требует защиты его от резких рывков, от перемещений, превышающих пределы измерения, а также от инерционных выбегов, из-за которых возможен обрыв ленты 25 или другие механические повреждения.

Для защиты от резких рывков, которые возможны, например, при внезапном разрушении испытываемой конструкции, предусмотрен предохранитель, состоящий из серьги 29, оконцевателя 30 и предохранительной оси 31 (фиг, 2), Ось 31 изготовлена из свинцовой проволоки. При резком рывке происходит срез оси 31 между торцами серьги 29 и оконцевателя 30. Благодаря этому лента 25 отсоединяется от испытываемого объекта (фиг, 3).

Во время измерения перемещения лен.та 25 сматывается с мерного диска 21 или наматывается на него, При максимальном перемещении вниз может быть намотан один слой и опасности повреждения преобразователя нет. При перемещении вверх лента 25 сматывается и при этом уходит с диска 21 по касательной до момента, пока зуб 44 не появится на горизонтальном радиусе диска 21 (фиг, 4, положение I). При дальнейшем натягивании ленты ее конец вместе с зубом 44 перемещается по часовой стрелке. Направление конца ленты отклоняется от вертикали,. Разъединитель 26 снимает ленту 25 с зуба, При этом ее конец выскальзывает из-под пружины 43 и отсоединяется от мерного диска 21. Зуб 44 и пружина 43 проходят через паз в разъединителе 26 (фиг, 4, положение II). Для предотвращения разрушения прибора из-за инерционного движения диска 2.1 служат упор 23 и ограничитель 24. Ограничитель 24 доходит до упора 23 с одной или с другой стороны в зависимости от направления вращения диска 21 и останавливает этот диск.

Для восстановления работоспособности преобразователя после аварийного срабатывания описанных защитных устройств необходимо вставить новую предохранительную ось в отверстие серьги 29 и оконцевателя 30, установить диск 21 в положение

1 (фиг. 4) и, подсунув конец ленты 25 под

35 конец пружины 43, надеть ее прорезь 42 на зуб 44.

Устройство обеспечивает возможность преобразования перемещений в интервалы времени и код.

При пределах измерения 0-800 мм можно принять m=42 V=10 Smax=400.Тогда а — " — 5,983985(342 Я571 )

Преимущество предлагаемого устройства состоит в том, что оно сопрягается с преобразователем интервалов времени в код, Это дает возможность повысить разрешающую способность прибора, а также ввести результат измерения в ЭВМ, т.к. названный преобразователь имеет параллельный интерфейс с ЭВМ семейства СМ-З, СМ-4 и ЕС, Кроме того, допустимо довольно большое расстояние между предлагаемым устройством и преобразователем (5-10 км).

Коммутатор интервалов времени позволяет присоединять несколько преобразователей больших перемещений на вход одного преобразователя. Благодаря этому можно создать многоточечную информационно-измерительную систему, необходимую для автоматизации исследований прочности инженерных конструкций, применение которой сокращает затраты времени и труда при проведении исследований.

Формула изобретения

1. Преобразователь перемещения в код, содержащий преобразователь угол — код, на входном валу которого установлен цилиндр с размещенным на нем гибким элементом, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и надежности преобразователя, в него введены ленточная спиральная пружина, плоская пружина, зуб, упор, ограничитель и разъединитель, преобразователь угол — код выполнен с дополнительными выходами сигнала "Интервалы времени", цилиндр выполнен в виде полого мерного диска, гибкий элемент выполнен в виде рулеточной мерной ленты с отверстием на одном ее конце, один. конец ленточной спиральной пружины закреплен на оси полого мерного диска, а другой закреплен неподвижно, один конец рулеточной мерной ленты закреплен на цилиндрической поверхности полого мерного диска установленной на нем плоской пружиной, прикрепленной к полому мерному диску, в отверстии на одном конце рулеточной мерной ленты размещен зуб, установленный на цилиндрической поверхности полого мерного диска, ограничитель установлен на плоской стороне полого мерного диска на

12

1741262

11 одном радиусе с упором, закрепленным неподвижно, рулеточная мерная лента размещена на цилиндрической поверхности полого мерного диска в один слой, разъединитель установлен неподвижно над цилин- 5 дрической поверхностью полого мерного диска вблизи линии перемещения рулеточной мерной ленты, 2. Преобразователь по и, 1, о т л и ч а юшийся тем, что на свободном конце рулеточной мерной ленты установлен предохранитель, состоящий из оконцевателя, серьги и оси из мягкого металла, которая установлена в отверстиях, выполненных на концах серьги и в оконцевателе, соединенном с рулеточной мерной лентой.

1741262

1741262

Составитель В,Ордынцев

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор С.Шевкун

Редактор М.Циткина

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 2092 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5