Фотоэлектрический анализатор количества и размеров частиц

 

Изобретение относится к области измерительной техники, предназначено для контроля параметров дисперсных сред и может быть использовано в металлургической энергетической и других областях промышленности. Целью изобретения является повышение точности измерения за счет расширения динамического диапазона алгоритмическим путем. Устройство содержит фотодатчик, коммутатор, аналоговый сумматор, источник образцового напряжения, накапливающиеся сумматоры, ЦАП, АЦП, задатчик цифрового кода, элементы И, вычислитель, схему И, элемент задержки, двоичные счетчики, элементы ИЛИ, Д-триггер, реверсивный счетчик, дешифратор, микро-ЭВМ. Аналоговый сумматор выполнен на базе операционного усилителя, инвертирующий вход, которого через резистор отрицательной обратной связи соединен с выходом, а не инвертирующий вход подключен к шине нулевого потенциала. Накапливающий сумматор включает в себя задатчик, ступени цифрового кода, запоминающий регистр, сумматор, элемент задержки и элемент ИЛИ. Особенностью алгоритма работы данного анализатора является то, что сигнал на входе АЦП изменяется незначительно - в пределах шага квантования, хотя входной сигнал фотодатчика изменяется в широких пределах от 0 до И<SB POS="POST">макс</SB> в соответствии с изменением размера частиц. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (50 4 G 01 N 15/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А BTOPCKOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР1 (21) 4302367/23-25 (22) 04.09.87 (46) 30.10.89, Бюл, У 40 (71) Институт технической теплофизики

АН УССР (72) В.В Шейко, А.В, Примак, А.А. Аксенов и М,П. Анисимов (53) 539.215.4(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

9 9689159 кл. G OI N 15/02, 1980.

Авторское свидетельство СССР

N9 1400254, кл. G 01 N 15/02, 1988, (54) ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗАТОР КОЛИЧЕСТВА И РАЗМЕРОВ ЧАСТИЦ (57) Изобретение относится к области измерительной техники, предназначено для контроля параметров дисперсных сред и мажет быть использовано в металлургической, энергетической и других областях промьппленности, Целью изобретения является повьппение точности измерения за счет расширения динамического диапазона алгоритмическим путем, Устройство содержит фото" датчик, коммутатор, аналоговый сумИзобретение относится к измерительной технике, предназначено для контроля параметров дисперсных сред, и может быть использовано в металлургической, энергетической и других отраслях промышлен ности.

Целью изобретения является повышение точности измерения за счет расширения динамического диапазона алгоритмическим путем.

„„SU, 1518727 A 1

2 матор, источник образцового напряжения, накапливающиеся сумматоры, ЦАП, АЦП, задатчик цифрового кода, элементы И, вычислитель, схему И, элемент задержки, двоичные счетчики, элементы ИЛИ, В-триггер, реверсивный счетчик, дешифратор, микроЭВМ. Аналоговый сумматор выполнен на базе операционного усилителя, инвертирующий вход которого через резистор отрицательной обратной связи соединен с выходом, а неинвертирующий вход подключен к шине нулевого потенциала. Накапливающий сумматор включает в себя эадатчик, ступени цифрового кода, запоминающий регистр, сумматор, элемент задержки и элемент ИЛИ. Особен" ностью алгоритма работы данного анализатора является то, что сигнал на выходе АЦП изменяется неэначительно— в пределах шага квантования, хотя входной сигнал фотодатчика изменяется в широких пределах от 0 до Ц в соответствии с изменением размера частиц. 1 ил.

На чертеже приведена структурная схема предлагаемого устройства. устройство содержит фотодатчик 1, коммутатор 2, аналоговый сумматор 3, источник 4 образцового напряжения, накапливающие сумматоры 5 и 6, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 7 и 8, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 9, задатчик 10 цифрового кода, элеМенты И ll — 13, блок 14 вычи тания, схему И 15, элемент 16 задержки, двоичные счетчики 17 и 18, эле1518727 менты ИЛИ 19-21, D-триггер 22, реверсивный счетчик 23, дешифратор 24, микроЭБМ 25, Аналоговый сумматор 3 выполнен на базе операционного усилителя 26, инвертирующий вход которого через резистор R отрицательной обратной связи соединен с выходом, а неинвертирующий вход подключен к шине нулевого потенциала. При этом инвертирующий вход операционного усилителя 26 связан посредством резисторов с входами

i аналогового сумматора следующим образом: через ргзистор R — с первым, через резистор 2 R — - с вторым, через резисторы R, через резисторы R/2,... ...,R/n соответственно с (n+3) и (n+4).

Кроме того, через параллельную цепочку из разнополярно включенных дио- 2 дов инвертирующий вход усилителя подключен к шине нулевого потенциала, Накапливающий сумматор 5 включает в себя задатчик 27 ступени цифрового кода, запоминающий регистр 28, сумма- 25 тор 29, элемент 30 задержки и элемент

ИЛИ 31, причем тактовый вход запоминающего регистра 28 является тактовым входом накапливающего сумматора, выходы запоминающего регистра 28 подключены к второй группе входов сумматора 29 и являются вьгходами накапливающего сумматора. Первая группа входов сумматора 29 соединена с выходами задатчика 27 ступени цифрового кода, а выходы этого сумматора подключены соответственно к информационным входам запоминающего регистра 28, установочный вход которого соединен с выходом элемента ИЛИ 31, один из входов которого является установочным входом накапливающего сумматора, а другой подключен к выходу элемента 30 задержки. При этом вход элемента 30 задержки подключен к дополнительному выходу сумматора 29, а выход его является выходом накапливающего сумматора. Накапливающий сумматор 6 устроен аналогично.

Устройство работает следующим образом.

До запуска устройства все позиционные элементы схемы (триггеры, счетчики, регистры) находятся в нулевом состоянии. На выходе задатчика 10 устанавливается код, соответствующий цифровому эквиваленту аналогового сигнала U/2, сформированного на выходе аналогового сумкатора 3, на выходе эадатчика 27 код, соответствующий шагу квантования, причем количество подключенных выходных разрядов блока 14 вычитания к схеме И 15 также должно соответствовать шагу квантования, цифровой эквивалент которого, например, равен 1 бит. На первый вход аналогового сумматора поступает напряжение с выхода фотодатчика 1, U „, а на ос" тапьные — напряжение источника образцового напряжения U. Напряжение на выходе аналогового сумматора 3 образуется иэ ряда составляющих

R R R

=- (— R-U — -U -1J — +

Ьил R 2R 1 /n

Цош э

Uy где — — R=-U — составляющая выходR ного сигнала фотодатчика 1;

+ — — — составляющая напря2R 2 жения от второго входа аналогового сумматора;

+ — - =У вЂ” составляющая напряRin жения, поступающего с одного из n — - выходов коммутатора 2;

U1R

=U — составляющая напряжения сигнала образованного на выходе ЦАП 7;

-U — = -U — составляющая напря"

< R жения сигнала, образованного на выходе ЦАП 8;

+U, — напряжение ошибки за счет суммарного дрейфа нуля входных сигналов операционного усилителя 26, На первом этапе работы устройства осуществляется автоподстройка смещения нуля операционного усилителя 26.

При этом отсутствует информационный сигнал на выходе фотодатчика 1, разомкнуты ключи коммутатора 2, а на выходах ЦАП 7 и 8 напряжение равно нулю. Выходной сигнал операционного усилителя 26 образован двумя составU ляющими: от второго входа — и сигнала ошибки +ПО и раг.ен

ЦВМл +Цош 1

2 (2) 1518727

2 равно полшкалы преобраэопричем вация и выбрано для удобства автоподстройки и выбора диапазона ступени . цифрового кода, которая может быть больше, чем в указанном примере, т.е. ) 1 бит. Автоподстройка нуля осуществляется следующим образом. АЦП 9 непрерывно с циклической последовательностью производит преобразование выходного аналогового сигнала операционного усилителя 26 в цифровой двоичный код. Время преобразования (как было указано) выбирается иэ условия

d мин с пр

В конце каждого цикла преобразования на управляющем выходе

AIJJI 9 появляется короткий импульс

"Конец преобразования (KII), синхро- 20 низирующцй работу всего устройства.

Блок 14 вычитания производит вычитание цэ текущего значения кода, поступающего на вторые входы кода, ус-тановленного на выходе цифрового задатчика 10 и эквивалентного значению

U аналогового сигнала. Если при этом (ца этапе автоподстройки) U „равно нулю, то и выходной код блока 14 вы- 30 читация равен О, а соответственно блокированы элементы И 11 и И 12 н ца их выходах не вырабатываются импульсы, управляющие работой того или иного накапливающего сумматора 5 или

6 н соответствии со знаком 1!, При

35 отрицательном значении !1„, на выходе И 11 вырабатываются по сигналу ц

КП положительные импульсы, В этом случае работает накапливающий сумма40 тор 5, причем он отрабатывает необходимое количество тактоь в зависимости от количества ступеней, необходимых для компенсации -U, Пусть аналоговый эквивалент ступеньки пиф45 рового кода, равной ДМ, установленной ца выходе эадатчика 27, отрабатывается схемой И 15, соответствует эцаче— нию -dU, для коррекции нуля, Тогда требуемое количество 1 ступеней рав- 50

° Пою но

-dU

В первом такте по управляющему импульсу в регистр ?8 переписывается выходное значение йл! сумматора 29, а на выходе ЦАП 7 формируется значение -В!1, во втором такте

55 аналогичным образом формируется значение -2а!! и т.д. вплоть до значения -iDU, когда произойдет полная компенсация !!О„, с точностью до значений указанной ступени. Для компенсации на выходе операционного усилителя 26 П, положительной полярнос" ти — аналогичным образом функционирует накапливающий сумматор 6 и

ЦАП 8.

После автоподстройки нуля, на выходах блока 14 вычитания поддерживается нулевой код. При этом счетчик 18 может в процессе автоподстройки, когда цифровой код на выходе блока 14 вычитания изменяется ступенчато и на последней ступени срабатывает схема И 15, получит приращение "1", эквивалентное шагу квацтоэзцц»,, Однако для микроЭВМ 25 эта значение це является информативным и оцо це принимаетсл для вычисления.

В процессе из»ереция диаметра движущейся частицы включается в работу фотодатчик 1 и при прохождении этой частицей счетной зоны моцотсццо возрастает выходной сигнал он рационного усилителя 26 от 0 до +U . В соответствии с изменением И изменяется выходной код АЦП 9. В результате вычитания ца информационных выходах блока 14 вычитания формируется модуль разности, а на знаковом выходе знак разности кодов задатчика 10 и выходного кода АЦП 9. В процессе вхождения частицы эцак раэцости имеет высокий логический уровень, блокирующий входи элементов ИП!! 19 и И 12 и разрешающий вход элемецга И 11, По достижению разности этих кодов значения указанной ступеньки срабатывает схема И 15, а через некоторое вре- мя, необходимое на установление на ее выходе сигнала высокого логического уровня по фронту задержанного импульса КП", производится запись этого сигнала в Э-триггер 22, работающий как триггер — защелка. В результате этого D-триггер 22 изменяет свое состояние иэ 0" в 1, Парачлельнo этим вырабатывается задержанный импульс "КП" на выходе элемента И 11 и осуществляет запись в запоминающий регистр 28 выходного кода сумматора

29, соответствующий значению ступени

И!. На выходе ЦАП 7 при этом вырабатывается аналоговый эквивалент -ЛП цифровой ступени DN, компенсирующий приращение выходного сигнала фотодатчика 1.!

518727

В следующий момент времени по срезу импульса КП D-триггер 22 возвращается н исходное положение, а счетчик !8 получает приращение "1", 5

Очередное приращение аналогового сигнала U до значения, равного цифровому эквиваленту Л N, вызывают укаэанныв выше действия, При этом компенсирующее выходное напряжение ЦАП 7 !О становится равным -2dU счетчик 18 получает приращение "1"+"1"="2", что соответствует значению Й,.„„ и учитывается микроЭВМ 25.

В процессе работы после отработки 256 ступени сумматор 29 вырабатывает на выходе сигнал переполнения, по которому обнуляется регистр 28, выход UAII 7 устанавливается в "0", а реверсивный счетчик 23 получает приращение 1, в результате чего с помощью дешифратсра 24 подключается напряжение -U образцового источника 4 через первый канал коммутатора 2 к третьему входу аналогового сумматора 3. При этом компенсирующее напряжение входного сигнала, пересчитанное на выход операционного усилителя 26, равно значению U.

Таким образом, на выходе ЦАП 7 на- 30 пряжение изменяется ступенчато с размером ступеньки в bN=l бит, à íà и выходах коммутатора — с размером ступени N=256 бит, После срабатывания последнего канала коммутатора вырабатывается компенсирующее напряжение (И! 256)n+idU.

Счетчик 18 при этом регистрирует двоичный код, равный (256п+1) бит, что пересчитывается микроЭВМ 25 в эначе- 40 ние диаметра, равное 100 мкм. Вместе с тем, выходное напряжение операционного усилителя 26 изменяется в узком интервале +U+3U„, где n — количество подключенных входов схемы И 15, что 45 исключает ошибку, связанную с нелинейностью характеристики АЦП 9. С момента полного вхождения частицы в счетную зону коммутатора 2, блока 14 вычитания, ЦАП 17, операционный усилитель 26, D-триггер 22 н счетчик !8 сохраняют укаэанные состояния, По третьему сигналу "КП" счетчик 17 на выходе вырабатывает сигнал переполнения ° а счетчик 18 устанавливается в "0". МикроЭВМ 25 запоминает соответствующее значение для частицы.

С момента выхода частицы из счетной эоны на знаковом выходе блока 14 нычитания устанавливается О, блокирует элемент И 11 и счетчик 18, но открывает элемент И 12, При этом аналогично указанному работает накапливающий сумматор 6 и ЦАП 8, а ренерсинный счетчик 23 получает вычитание 1.

После отработки последней и ступени нсе каналы коммутатора выключены и если значение i3U, зафиксированное на выходе ЦАП 7, не компенсируется напряжением на выходе ЦАП 8, то тогда при следующем сигнале вычитания реверсивный счетчик 23 вырабытывает сигнал на дополнительном выходе, посредством которого устанавливаются в "0" ЦАП 7 и ЦАП 8. До появления следующей частицы осуществляется автоподстройка нуля.

Если в процессе работы устройства возникает сбой, т.е, не отрабатываются в соответствии с указанным алгоритмом ступени приращения выходного кода ЦАП 9, то на выходе элемента ИЛИ ?1 вырабатывается сигнал высокого логического уровня, регистрируемый как сигнал "Авария", Формула из обретения

Фотоэлектрический анализатор количества и размеров частиц, содержащий фотодатчик, аналого-цифровой преобразователь, блок вычитания, D-триггер, элемент задержки, первый элемент И, первый элемент ИЛИ, первый и второй двоичные счетчики и микроЭВМ, причем информационные выходы аналого-цифрового преобразователя подключены к первой группе входов блока нычитания, первая группа выходов которого соединена с входами первого элемента И, управляющий выход аналого-цифрового преобразователя подключен к установочному, а также через элемент задержки — к тактовому входам D-триггера, информационный вход которого соединен с выходом схемы И, а выход подключен к установочному нходу первого двоичного счетчика, выход которого соединен с первым входом первого элемента ИЛИ, второй вход которого подключен к дополнительному выходу блока вычитания, выход первого элементе ИЛИ соединен с установочным входом второго двоичного счетчика, выходы которого подключены к входам микроЭВМ, а управляющий выход аналого-цифрового преобразователя сое1518727 динен с входом первого двоичного счетчика, отличающийся тем, что, с целью повьыения точиос ги измерения эа счет расширения динами5 ческого диапазона алгоритмическим путем, он дополнительно снабжен аналоговым сумматором, коммутатором, источником образцового напряжения, первым и .вторым .накапливающими суммато- 1р рами, вторыми, третьим и четвертым элементами И, первым и вторым цифроаналоговыми преобразователями, задатчиком цифрового кода, вторым и третьим элементами ИЛИ, реверсивным 15 счетчиком и дешифратором, при этом выход фотодатчика соединен с первым, выход источника образцового напряжения — с вторым, а и выходов коммутатора — c и+2 входами аналогового 2О сумматора, выход которого подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, и информационных входов коммутатора соединены с выходом источника образцового напряжения, выходы 25 задатчика цифрового кода соединены с второй группой входов блока вычитания, вторая группа выходов которого подключена к входам второго элемента ИЛИ, дополнительный выход блока 3(> вычитания подключен к первому входу второго элемента И и к первому инверсному входу третьего элемента И, выход элемента задержки подключен к вторым входам второго и третьего эле- З ментов И, выход третьего элемента

ИЛИ соединен с третьими входами второго и третьего элементов И, выходы которого подключены соответственно к тактовым входам первого и второго накапливающих сумматоров, группы информационных выходов которых соединены соответственно с входами первого и второго цифроаналоговых преобразователей, а управляющие выходы первого и второго накапливающих сумматоров подключены соответственно к входам сложения и вычитания реверсивного счетчика, выход реверсивного счетчика соединен с входом дешифратора, выход которого подключен к управляющим входам коммутатора, выходы первого и второго цифроаналоговых преобразователей соединены соответственно с n+3 и п+4 входами аналогового сумматора, выход первого элеменЮ та И соединен с первым входом третьего элемента ИЛИ, второй вход которого подключен -к выходу второго элемента ИЛИ и одновременно к первому входу четвертого элемента И, второй вход которого соединен с выходом

D-триггера, выход четвертого элемента И подключен к счетному входу второго двоичного счетчика, а дополнительный выход реверсивного счетчика соединен с установочными входами первого и второго накапливающих сумматоров.

1518727

Составитель Д. Громов

Редактор Ю. Середа Техред Л.Олийнык Корректор О,Кравцова

Заказ 6600/48 Тираж 789 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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