Устройство для измерения уровня сыпучих материалов

 

Союз Советсиив

Соцналмстимасиия

Республик

О П Ы С А Н Ы Е (669202

ЫЗОВ ЕтЕНЫа и АВТОРСКОМУ СВИДВТВЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свиа-ву(22) Заявлено 10. 11. 76 (21) 2419259/18--10

2 (51) М. Кл.

G 0l F 23/22 с нрисоедииением заявки № (23) Приоритет—

Гщяафетееещй ааапет

СССР ее яеаеи еаебрвтеяеа в еткеитай

Опубликовано 25. 06. 79.Бюллетень № 23 (53) УДК 681. 128. . 82 (088.8) Бата опубликования описания 25. 06. 79 (72) Авторы изобретения

К. Jl. Куликовский, В. Я. Купер и A. И. Шимаров (71) Заявитель

Куйбышевский политехнический институт им. В. В. Куйбышева (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ

СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ

Изобретение относится к фотоэлектрический уровнемерам и может найти применение для измерения уровня сыпучих материалов.

Известны фотоэлектрические уровнемеры, содержащие оптическое устройство, расположенное над уровнем контролируемого материала, при этом оптическое устройство выполнено в виде камеры-обскуры с экраном, на котором в ряд закреплены светочувствительные элементы 111.

Этим уровнемерам свойственны низкая точность, узкий дианаэон измерения и ограниченная область применения.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для электрооптического измерения расстояний, которое содержит передатчик, излучающий пучок модулированного света, оптическую систему и фотоприемиик; в котором свет, отраженный от контролируемой поверхности, сравнивается по фазе с иэлучеийым (2). Это устройство имеет высокую точиост» измерения, однако, оно может быть использовано для локации контролируемой поверхности с дистанцией не ближе 20 м, что обусловлено малым временем прохождения световыми лучами указанных расстояний и сложностью аппературной реализации подобных устройств, предназначенных для локации на более коротких дистанциях. Кроме того, известное устройство не позволяет измерять углы наклона контролируемой поверхности.

Целью изобретения является расширение диапазона измерения, повышение точности и одновременное измерение углов наклона контролируемой поверхности.

Достигается это тем, что устройство снабже. но дополнительной оптической системой, которая вместе с первой формирует на своем выходе три плоских веерообразных световых луча, образующих между собой известные углы, двумя cKQнисторами, установленными в фокальной плоскости объектива фотоприемника параллельно друг другу и симметрично относительно плоскости,проходящей через оптическую ось и перпендикулярной к световым лучам, двумя блоками выделе.

36 . ния видеосигналов, блоком измерения временных интервалов, кодирующим устройством, вычислительным устройством и регистрирующим устройством, при этом каждый из сканисторов

669202

3 через блок выделения видеосигнала подсоединен к соответствующим входам блока измерения нре. менных интервалов, выход которого подключен к последовательно соединенным кодирующему, вычислительному и регистрирующему устройст5 в ам.

На фиг. l представлена блок — схема предлагаемого фотоэлектрического устройства для одновременного измерения уровня и углов наклона поверхности сыпучих материалов; на фиг.2— схема фотоприемника; на фиг.3 — схема опти,ческой системы; фиг. 4, 5, 6, 7 — иллюстрируют работу фотоэлектрического устройства.

Устройство содержит источник света 1, опти: ческую систему 2, которая формирует три плоских веерообразных световых луча 3, образуюпг х между собой известные углы а, фотоприемпик 4, а также блоки 5 и 6 вьщеления видеосигналов, блок 7 измерения временных иктерналов, кодирующее устройство 8, вычислительное устройство ро

9 и регистрирующее устройство 10.

Система 2 и фотоприемник 4 расположены та: ким образом, что их оптические оси лежат н ллоскости, перпендикулярной плоскости горизонта и световым лучам 3. 5

Фотоприемник 4 (см. фиг, ?) образован двумя позиционно — чувствительными фотоприбораI 11 ми 11 и 11, например сканисторами, которые размещены н фокалькой йлоскости объектива: фотоприемника 4 караллелько друг другу и сим- м метрично относительно плоскости, проходящей через оптическую ось и перпендикулярной к но. ерообразным световым лучам 3.

tt

Сканисторы 11 и 11 через блоки выделения видеосигналов 5 и 6 соединены с последовательно включекными блоком 7 измерения временных интервалов, кодирующим 8, вычислительным 9 и регистрирующим 10 устройствами.

Поверх сканисторов 11 и 11 установлены и оптические клакшайбы 12 и 12", которые ны- o полнены из тонких стеклянных волокон, расположенных перпендикулярно к их поверхностям.

Вследствие того, что свет в планшайбе распространяется вдоль отдельных волокон, она обладает свойством однозначно передавать изображение с одной своей поверхности на другую. Плак-! tt шаибы 12 и 12 уменьшают "фоновую засвети 1 tl ку сканисторов 11 и ll и повышают контраст изображения световых следов.

Оптическая система 2 содержит коследовательно расположенные кокденсор 13, два олтических клина 14, три цилиндрические линзы 15— ! 7 с апертурными диафрагмами 18. Клинья 14 расположены в плоскости перпендикулярной к оптической оси кондансора 13, симметрично относительной этой оси таким образом, что расстояние между их вершинами, которые обращены друт к другу, составляет 0,2 — 0,3 диаметра конденсора 13. Оптические оси цилиндрических

4 линз 15 и 16 расположены н одной плоскости с оптической осью цилиндрической линзы 17, совпадающей с осью кокдексора 13, и образуют г кой равные углы (ь

Фотоэлектрическое устройство для измерения уровня сыпучих материалов работает следующим образом.

Световые лучи 3 попадают на поверхность материала 19, уровень которого измеряют, образуя три узкие световые полосы — следы 20 (см., фиг. 4). При углах наклона поверхности материала равных нулю, световые следы 20 представляют собой равноотстоящие прямые, лежащие а плоскости XQZ, При наличии углов а к 7 на. клока поверхности материала относительно осей

QX и QZ, соответственно,. параллельность следов

20, а также их изображений 20 нарушается, измеряются также и расстояния . и 2 (см.фиг. 5).

Нзменение уровня Н контролируемого материала вецет к изменению положения изображения сло.

t tt дон на сканисторах 11 и 11 . Фиг. 6 иллюстрирует изменение положения Sxt следа среднего луча на скакистсрах 11, 11 н занисимоо. ти or уровня И материала 19 (точки rt, г„г! ).

Под действием света ка скакксторах 11 и и

11 создается рельеф возбуждения светом и разделенных р-и переходами неосновных носителей заряда, Bpv. сканировании, которое происходит путем изменения пилообразного напряжения, приложенного к сканистору or 0 до Е (схема пита- ния ка чертеже не показала), сканирующая граию;а благодаря нелинейным свойствам р=и пере. ходов имеет Н вЂ” апертуру. Видеосигнал, отражающий распределение освещенности ка сканисторах 11 к 11 снимается с соответствующих бло/ lt кон выделения видеосигнала 5 и 6 и подается н блок 7 измерения временных интервалов.

На фиг. 7 (а, б) представлены осциллограмMat видеосигнала со сканисторов 11 и 11 при отсутствии углон наклона (Ч=О, 7=0) контролируемой поверхности сыпучего материала на фиг. 7 (н, г) — прн наличии углов наклона (220, .7ФО). Как видно из фиг. 7 информацию об уровне H материала н бункере и углахУ и 7 наклона его поверхности содержа интервалы времени т.

Наличие угла V наклона поверхности материала (относительно оси QX) приводит к изменению соотношения интервалов времени т н т между видеокмпульсами с каждого из сканисторон 11, а наличие угла 7 (относительно оси QZ) приводит к неравенству соответствующих временных интервалов между видеоимпульсами со сканисторон 11 и l l", т. е. т Ф т1 "и т2 Ф т2". подобия треугольников !О3 Q2 и О2 Р1Р2 (см. фиг. 6) следует, что расстояние h2 от цензра О1 оптической системы 2 до поврехности контролируемого материала связано с положением

$х1 светового следа на сканисторе соотношением

669202

C учетом выражения (4) выражение (5) имь ет вид

5 =К Р/p„; - Кр/г Чх (1) где К вЂ” расстояние между оптическими осями системы 2 и фотоприемника 4;

f — фокусное расстояние оптической системы фотоприемника 4; — временной интервал между началом отсчета и вторым видеоимпульсом; /„— скорость сканирования;

i= 1,2,3...п.

Тогда уровень Н контролируемого материала определяется выражением

Н ="> — К т )т-Чс > (2) где Ь, — расстояние от центра О, оптической системы 2 до нижней отметки (точки г1) уровня.

Световой след на плоскости XOZ a системе . координат XYZ определяется уравнением

2;6 С ящ -x(cosV+tq8 sinVcosp Ч(51, tqE с.5Ч.„5 )=о (3)

Данное уравнение описывает все три световые плоскости 3, если положить,E = +а, E =0 и

Г =-а, соответственно, а y=h,, где — угол между световой плоскостью и осью OY.

I I / IP >Ь

Для получения координат х„х, х,, х,, х,, /( хэ точек пересечения световых плоскостей 3 со

/I сканисторами 11 и 11 в уравнение (3) необходимо представить значения z = +д: (ЯФ ч- QA cosv cps y) - d tg L 3//"Р .

Х—

Р

cog V+ 6 с . sin V cosy х =Ь tqV, d tel Sing+ h2

/(5 =

Р

co5V- 6 o sinV cos g

Д Qg Sing Пг(5/ПМЦ .eosV Cosy)

Х со5Ч Ьр. 5/ПЧ cosy

x,"=6, qvv, л 5 (51ПЧ+ П (Ю5Ч COSp-)-rl Ц«. ainy

Х

СС5 »-hfdf ЯИ7 coS) (4)

/ ° I // //

Расстояния dx>, Ьхг, Ьх,, Ьх, между точ// // // . // ками х, и х, x и х э, х, и х, х и х з, соответственно, связаны с временными интервалами между видеоимпульсами соотношениями

t =АХ /Y

-hx )V (5) tq Z { fi cr/5л + d cos V ° Я Рт Э ) Ч cosV(casV-Ьфб 54пЧ- os ) х

gag(A cOSf+tl.а)5V Stl1, ») V„сс51(cosy "6 Ылч гг5 )

-tnt(4 cos$ — д cosy Sin Э ) . Z

Vz го5%гг/5Ч-Цй.. 5/nЧ cc4j)

kf (A2 С/->5 1- - д- С05 ч ь > П Э ) П

Vx.cosV(co5V Р Q4 5/nV г /52 ) 15

Решение системы (6) дает следующие формулы для расчета углов наклона ч и т поверхности контролируемого материала

20 (7) 25

Sing = где

/гд д ) г

/6И ЦI< /Р, 2 и г

tq .ñ

/Р (Й г

/ Я

+ Г

4О причем угол ч имеет тот же знак, что и величина А, а угол имеет тот же знак, что и величина С.

Описываемое устройство позволяет одновре45 менно измерять уровень и углы наклона поверхности сыпучих материалов во взрывоопасных средах с высокой точностью и большом динамическом диапазоне, не чувствительно к изменению давления, температуры, влажности и газового состава в. зоне измерений; измерительную информацию получают в виде временных интервалов между видеоимпульсами, которые легко преобразуются в цифровой код для ввода в вычислительное устройство.

Кроме того, временные интервалы между им.

55 пульсами, мало зависит от параметров самих импульсов (амплитуды, длительности и крутизны фронтов), что обеспечивает высокую точность измерений.

669202

Формула изобретения

Устройство для измерения уровня сыпучих материалов, содержащее источник светового излучения, оптическую систему и фотоприемник, отличающееся тем, что, с целью расширения диапазона измерения, повышения точности и одновременного измерения углов наклона контролируемой поверхности, оно снабжено дополнительной оптической системои, которая вместе с первой формирует на своем выходе три плоских веерообразных световых луча, образующих между собой известные углы, двумя сканисторамн, установленными в фокальной плоскости обьектнва фотоприемника параллельно друг другу и симметрично относительно плоскости, проходящей через оптическую ocb и перпендикуляр8 ной световым лучам, двумя блоками выдель ния видеосигналов, блоком измерения временнйх интервалов, кодирующим устройством, вычислительным устроиством и регистрирующим устройством, при этом каждый из сканисторов через блок вьщеления видеосигнала подсоединен к со-. ответствующим входам блока измерения временных интервалов, выход которого подключен к последовательно соединенным кодирующему, вы> o числительному и регистрирующему устройствам.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР Р 295988, кл. G 01 F 23/22, 1969.

2. Авторское свидетельство СССР и 233227, кл. G О1 С, 1968.

669202

Составитель A. Афонин

Редактор Е. Гончар Тех Ред О. АндРейко КоРРектоР и, Сининкая

Заказ 36458/32 Тираж 865 Подписное 91ИИПИ Государственного комитета СССР но делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент", г. Ужтород, ул. Проектная, 4