Способ измерения уровня сыпучих материалов и устройство для его реализации

 

Применение: изобретение относится к технике контроля и регулирования технологических процессов и может быть использовано в системах автоматического контроля и регулирования уровня сыпучих преимущественно мелкодисперсных материалов Сущность изобретения: отраженный от поверхности сыпучего материала световой поток сканирующей оптопары с открытым оптическим каналом преобразуют с помощью фоторезистора с управляемым быстродействием в электрический сигнал, выделяют его низкочастотную составляю щую, по длительности которой судят об уровне сыпуче о материала 2 с п. ф-лы, 1 и i.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4794496/10 (22) 21.02,90 (46) 15.07.92. Бюл. ¹ 26 (71) Институт полупроводников АН УССР (72) С.В. Свечников, А,К. Смовж и Д,А. Бройде (53). 681. 128,65(088.8) (56) Заявка Франции

N 2615617, кл. G 01 F 23/28, 1985.. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ

ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ (57) Применение: изобретение относится к

Изобретение относится к технике контроля и регулирования технологических процессов и может быть использовано в системах автоматического контроля и регулирования уровня сыпучих, преимущественно мелкодисперсных материалов, Известен способ измерения уровня сыпучих материалов,. основанных на фиксации момента контакта измерительного щупа к поверхности сыпучего материала в бункере.

Недостаток известного способа измерения уровня состоит в том, что он не может быть использован при верхней и боковой подаче материала во время измерения вви ду заклинивания щупа частицами материала и пылью.

Известен способ и устройство для измерения уровня сыпучего материала, основан ный на перекрытии под действием материала потока света в гибком элементе, концы которого охватывают соответственно источник света и фотоприемники, „, Ы„„1747925 А1 (я)5 G 01 F 23/22 @ф -" ищ, 1,ю технике контроля и регулирования техноло. гических процессов и может быть использовано в системах автоматического контроля . и регулирования уровня сыпучих преимущественно мелкодисперсных материалов.

Сущность изобретения: отраженный от поверхности сыпучего материала световой поток сканирующей оптопары с открытым оптическим каналом преобразуют с помощью фотореэистора с управляемым быстродействием в электрический сигнал, выделяют его низкочастотную составляющую, по длительности которой судят об уровне сыпучего материала. 2 с,п. ф-лы, 1 ил.

Недостаток известных способа и устройства состоит в том, что они позволяют индицировать только граничное значение уровня, т.е, в"ограничени1й области применения, Кроме того, способ не пригоден при верхней загрузке бункера, Известен способ измерения уровня сы- ф пучих материалов, основанный на пересечении светового потока матрицы источников света, ориентированного на матрицу фотоприемников.

Недостатком извегтного способа является тот факт, что он вносит дискретность в характер йзмереййй, а также в недостаточной надежности в условиях сильной запыленности, при которой возникают условия для ложного срабатывания.

Наиболее близким к изобретению по техниче кой сущности является способ измерения уровня сыпучих материалов, основанный на изменении интегральной отража ельной способности на границе

1747925 раздела воздух — сыпучий материал при сканировании прозрачного окна в бункере оптически связанными по каналу отражения источником света и фотоприемником, т.е. оптопарой отражательного типа.

Описанный способ реализован при помощи устройства, включающего светодиод и оптически связанный с ним по каналу от ражения фотодиод, который регистрирует отраженный от поверхности сыпучего материала световой поток. Информация о наличии сыпучего материала в бункере представляется в амплитудной форме:

Недостатком известных способа и устройства является тот факт, что в условиях сильной запыленности и примерном равенстве интегральной отражательной способности сыпучего материала и частиц пыли вследствие амплитудного характера анали,за отраженного сигнала не обеспечивается однозначность измерений, т.е, имеет место недостаточная помехозащищенность и надежность.

Цель изобретения — повышение надежности и помехоэащищенности измерений в условиях сильной запыленности и произвольного характера загрузки бункера сыпучим материалом.

Поставленная цель достигается тем, что измеряют характеристики отраженного ска нирующего светового потока, выделяют низкочастотную составляющую отоаженного оптического сигнала, затем измеряют ее длительность, по величине которой судят об уровне сыпучего материала, В устройстве для измерения уровня сыпучего материала, содержащем оптопару отражательного типа с открытым оптическим каналом, закрепленную с возможностью вертикального перемещения и индикатор, формирователь прямоугольных импульсов, дискриминатор, управляемый генератор тактовых импульсов и счетчик, причем в оптопару включен фоторезистор с управляемым быстродействием, электрический выход которого подключен на вход формирователя прямоугольных импульсов, выход KQTopolo подключен на вход сброс дискриминатора,,на счетный вход которого подключен управляемый генератор тактовых импульсов, а выход дискриминатора подключен на вход счетчика, к выходу которого подключен индикатор, При предлагаемом способе измерения узконаправленный световой поток источника света оптопары, закрепленной с возможностью вертикального перемещения. проходя через вертикальное прозрачное окно в бункере, отражается в его нижней части от поверхности сыпучего материала, а в вер25

35

45 эрачное для излучения узконаправленного источника. В нижней части прозрачного ок50

20 хней части — от пыли, осевшей на внутрен- . нюю поверхность окна. Отраженный от поверхности сыпучего .материала световой поток модулируется по интенсивности с частотой, прямо пропорциональной линейной скорости сканирования и обратно пропорциональной геометрическим размерам частиц материала. При отражении от пыли частота модуляции существенно выше ввиду меньших размеров частиц пыли по сравнению с размерами частиц сыпучего материала. Отраженный световой поток попадает на фотоприемник оптопары, в качестве которого используют фоторезистор с управляемым быстродействием, Быстродействие фоторезистора подбором величины резистора нагрузки устанавливают таким образом., что он реагирует только на низкочастотные сигналы. Выделяя таким образом низкочастотную составляющую, которая несет информацию об отражении от частиц сыпучего материала, измеряют ее длительность, по величине которой судят об уровне сыпучего материала в бункере, На чертеже схематически представлено оптоэлектронное устройство для измерения уровня сыпучего материала.

На чертеже приняты следующие обозначения; 1 — бункер, 2 — вертикальное прозрачное окно, 3 — верхняя. часть окна с осевшей на его внутренней поверхности пылью, 4 — столб чатиц сыпучего материала в нижней части окна, 5 — подвижная каретка, б — направляющие, 7 — реверсивный двигатель, 8 — управляемый источник питания, 9 — тактильные сенсоры, 10 — узконаправленный источник света, 11 — фотореэистор с управляемым быстродействием, 12 — формирователь, 13 — дискриминатор, 14 — управляемый генератор тактовых импульсов, 15 — счетчик импульсов, 16 — индикатор.

В бункере, содержащем сыпучий материал, например зернопродукт, выполняют прямоугольное вертикальное окно, прона расположены прижатые к его внутренней поверхности зерна, от которых отражается часть светового потока узконаправленного источника. При перемещении источника света со скоростью 10 мм/с вдоль вертикальной оси окна интенсивность отраженного светового потока изменяется с периодом, равным периоду зерна, т.е, столбик периодически расположенных у прозрачного окна зерен играет роль пространственного модулятора отраженного "ветового потока. При этом модуляция с частотой, определяемой размерами зерна и лежащей в пределах 1,5 — 20 Гц имеет место

1747925 в пределах от нижнего уровня вертикального окна до верхнего уровня столба зерна. В верхней части окна световой поток отражается от осевшей на его внутренней поверхности пыли, вследствие чего частота модуляции отраженного светового потока существенно выше и составляет величину

100 — 160 Гц, чем при отражении от зерна. В качестве фотоприемника аптопары целесообразно выбрать фоторезистор, быстродействие которого в широких пределах изменяют схемотехническим путем, а именно — выбором величины резистора нагрузки, Устанавливая быстродействие фоторезистора таким образом, чтобы срез его переходной характеристики соответствовал частоте, равной удвоенной частоте модуляции отраженного от зерна светового потока, последний преобразуют в электрический сигнал с одновременным выделением его низкочастотной составляющей., после чего производят измерение соответствующего ей временного интервала, по величине кото рого судят об уровне заполнения бункера сыпучим материалом.

Предложенный способ реализован в оп. тоэлектронном устройстве для измерения уровня сыпучих материалов, которое выполнено в следующем виде.

В бункере 1, содержащем сыпучий материал, например зернопродукт, имеется вертикальное окно 2, в верхней части которого 3 на внутренней поверхности находится осевшая пыль с характерными размерами частицы I>. В нижней части 4 прозрачного окна 2 к внутренней поверхности прижаты зерна с характерными размерами 4>4. Вдоль оси окна 2 размещена подвижная каретка 5 на направляющих 6, ориентирующих перемещения каретки 5 в вертикальном направлении. Каретка 5 механически связана с реверсивным двигателем

7, к которому подключен управляемый источник питания 8. К управляющему входу источника питания 8 подключены тактильные сенсоры 9, которые размещены на уровне верхней и нижней границ прозрагна"o окна, На каретке 5 размещена оптопара отражательного типа с открытым оптическим кэ".àëoM, состоящая из узконаправленного источника света 10 и фотоприемника i1.

Электрический выход фотоприемника 11 подключен на вход формирователя прямоугольных импульсов 12, выход которого подключенн на вход "Сброс" дискриминатора 13.

На счетный вход дискриминатора 13 подключен управляемый генератор так "авых импульсов 14. Выход дискриминатаоа 13

50 связан с входом счетчика 15. нэ выход кото рого подключен индикатор 16.

Устройство работает следующим образом, Пуск каретки 5 осуществляется из одного из крайних положений срабатыванием соответствующего тактильного сенсора 9, который задает через управляемый источник питания 8 направление вращения реверсивного двигателя 7. Каретка 5 движется снизу вверх со скоростью С=10 мм/с. Частицы зернопродукта под действием силы тяжести прижимаются к внутренней поверхности прозрачного окна 2, создавая столбик 4 квазипериодически расположенных зерен, При попадании на столбик зерна

4 узконаправленного светового потока арсенид — галлиевого светодиода 10 оптопары, частично отраженный от поверхности зерна световой сигнал поступает на фотоприемник 11 оптопэры (CdSe — фаторезистор), последовательно которому подключен резистор нагрузки величиной 10 кОм, что при существенном уровне освещенности определяет частоту среза переходной характеристики 40 Гц). При движении каретки 5 в направлениях. указанных на чертеже стрелками, отраженный ат поверхности зерна 4 световой поток подвергается пространственной модуляции с частотой 1=С/4, (С вЂ” скорость движения), которая ниже частоты среза фотарез ",стара

11. Выделенная на электрическом выходе фаторезистора последовательность квазизксп ненциальных релаксэционных и,.1 пульсов падается на вход формирователя

12, с выхода которога паследавательнocYh квазипериадических прямоугольных импульсов поступает на вход "Сброс" дискри-. минатора 13, На счетнь и вход дискриминатора 13 оТ высакастэбильнога генера-арэ тактовых импульсов 14 поступают строго периодически тактовые импульсы, При одновременном воздействи отраженных и тактовых импульсов на дискриминатор 13 на выходе последнега импульсаэ отсутствуют.

При зыходе каретки 5 за область существования столба зерен 4 отражение световога патока источника света 10 происходит от пыли, осевшей на внутренню а поверхность прозрачного окна 2 в бункере 1. Чэстата модуляции отраженного сигнала

fz=C/1„при условии соответствующей фокусйравки светового потока вследствие малости геометрических размеров частиц пыли составляет величину порядка 100 Гц и лежит за частотой среза переходной хэрактеристики фотарезистарэ 10. Таким образом последний играет роль низкочастотного

17 17925 фильтра. В этом случае на выходе формирователя 1.2 импульсы отсутствуют. что создает условия для появленйя нэ выходе дискриминатора 13 тактовых импульсов генератора 14. Эти импульсы подсчитываются счетчиком 15, результат счета отображается на индикаторе 16. При условии постоянной скорости движения каретки 5 количество прошедших через дискриминатор 13 тактовых импульсов пропорционально длине свободного от зерна участка 3 прозрачного окна 2, т.е, соответствует уровню зернопродукта в бункере 1.

Движение каретки 5 продолжается до момента срабатывания верхнего тактильного сенсора 9, срабатывание которого приводит к изменению направления вращения реверсивного двигателя 7. При этом цикл измерений повторяется, Способ измерения уровня сыпучих материалов и устройство для его реализации позволяет обеспечить непрерывность и помехозащищенность измерений (дискретность измерений определяется размерами частиц сыйучего материала) при произвольном характере загрузки материала и при произвольном уровне запыленности. Это приводит к повышению надежности процесса измерений при минимальных аппарэ : турных затратах.

Формула изобретения

1. Способ измерения уровня сыпучих материалов, заключающийся в сканировании сыпучего материала световым лучом и измерении характеристик отраженного светового потока, по которым судят об уровне материала,отл ича ющийся тем,что, с, целью повышения надежности и помехоза5 щищенности в условиях сильной запыленности и произвольного характера загрузки бункера сыпучим материалом, выделяют . низкочастотную составляющую отраженного оптического сигнала, затем измеряют ее

10 длительность, по величине которой судят об уровне сыпучего материала, .

2, Устройство для измерения уровня сыпучего материала, содержащее оптопару отражательного типа с открытым оптическим

15 каналом, закрепленную с возможностью вертикального перемещения, и индикатор, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения надежности и помехозащищенности в условиях сильной запыленности и

20 произвольного характера загрузки бункера сыпучим материалом, оно дополнительно содержит формирователь прямоугольных импульсов, дискриминатор, управляемый генератор тактовых импульсов и счетчик, 25 причем в оптопару включен фоторезистор с управляемым быстродействием, электрический выход которого подключен на вход формирователя прямоугольных импульсов, выход которого подключен на вход "Сброс"

30 дискриминатора, на счетный вход которого подключен управляемый генератор тактовых импульсов, а выход дискриминатора подключен на вход счетчика, к выходу которого подключен индикатор,