Устройство для учета движущихся объектов Советский патент 1983 года по МПК G06M11/02 

11 Изобретение относится к средствам неразрушающего контроля, основанных на использовании свойств физических полей, в частности к электрическим счетно-регистрирующим устройствам, устройствам отбраковки по физическим признакам и направлению движения, и может быть использовано с преимуществом в водных и полупроводящих средах для контроля движущихся объек тов живой и неживой природы. Известно устройство для количественноро учета движущихся объектов в потоке воды, содержащее генератор, потенциометры, рабочие и контрольные электроды, об|эазующие соответствующи ячейки, причем каждая из ячеек имеет пары параллельных электродов с межэлектродным расстоянием в парах, соизмеримым с линейным поперечным размером объекта, измеренном относительно направления его движения, сме щенных между собой вдоль и на длину объекта, определяемую по направлению его движения, и образующих противопо лажные стенки ячеек с расстоянием между ними, соизмеримым с попереч-. ным размером объекта по отношению к его длине, коммутатор, фазовый детектор, регистрирующее устройство, при чем выход генератора подключен к первым и вторым (рабочим) электродам через соответствующие первые и вторые потенциометры так, что образу ется мостовая схема, в измерительную диагональ которой к потенциометрам через коммутатор включен фазовый детектор, выход которого соединен с ре гистрирующим устройством, причем объекты проходят только между первыми парами электродов t . Недостаткои известного устройства является низкая точность. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для учета движущихся объектов, содержащее генератор напряжения выход которого подключен ко входу делителя частоты первого измерительного канала, ко входу Первого датчика и к первому входу фазового детектора второго измерительного канала, второй вход которого соединен с выходом полосового фильтра, выходы делителя частоты первого измерительного канала подключены ко входу датчика сопротивления своего канала и к первому входу фазового детектора, второй вход 2 которого соединен с выходом полосового фильтра, выходы датчиков подключены ко входам соответствующих полосовых фильтров, выходы фазовых детекторов соединены со входами сумматора, выход которого через последовательно соединенные пороговый элемент и дифференцирующий элемент подключен к регистратору Недостатком данного устройства является также низкая точность. Цель изобретения - повышение точности устройства. Цель достигается тем, что в устройство, содержащее генератор напряжения, датчики, сумматор, дифференцирующий элемент, выход которого соединен с регистратором, введены регистр сдвига, преобразователи напряжения в ток, усилители, блоки умножения, фильтры нижних частот, делители напряжения и компаратор, генератор напряжения подключен ко входу регистра сдвига, выходы которого соединены со входами соответствующих , преобразователей напряжения в ток и с первыми входами блоков умножения, выходы которых через соответствующие последовательно соединенные фильтры нижних частот и делители напряжения подключены ко входам сумматора, выход которого соединен со входом компаратора, выход которого подключен к дифференцирующему элементу, выходы преобразователей напряжения э ток подключены ко входам соответствующих датчиков, выходы которых через усилители подключены ко вторым входам блоков умножения. На фиг. 1 представлены блок-схема стройства для количественного учета вижущихся объектов; на фиг. 2-5 пюры напряжения указанного устройста. Схема включает генератор 1 напряения, регистр 2 сдвига, первый и втоой преобразователи 3 и напряк ения ток, первый и второй датчики 5 и 6, одержащие электроды с межэлектродым расстоянием в парах, соизмеримым линейным поперечным размером объека, измеренном относительно направения его движения, первый и второй силители 7 и 8, первый и второй блои 9 и 1 О умножения, первый и второй ильтры 11 и 12 нижних частот, перый и второй делители 13 и Т напряения, сумматор 15, компаратор 16,

дифференцирующий элемент 17 и регистратор 18. При этом выход генератора 1 напряжения соединен со входом регистра 2 сдвига, первый выход которого последоватепьно соединен через первый преобразователь 3 напряжения в ток, первый датчик 5, первый усилитель 7, первый вход первого блока 9 умножения, первый фильтр 11 нижних частот, первый вход сумматоpa 15, компаратор 16, дифференцирующий элемент 17 с регистратором 18, второй выход регистра 2 сдвига последовательно соединен через второй преобразователь.Ц напряжения в ток,, второй датчик 6, второй усилитель 8, первый вход второго блока 10 умножения, второй фильтр 12 нижних частот, второй делитель Т напряжения ,со вторым входом сумматора 15 трети выход регистра 2 сдвига соединен со вторым входом первого блока 9 умножения, четвертый выход регистра 2 сдвига соединен со вторым входом второго блока 10 умножения, причем пары элек родов первого и второго датчиков 5 и 6,установлены параллельно и соосно так, что образуют два параллельных плоских поля, пересекающих траектори движения объекта, а расстояние между парами э-лектродов coctaвляeт менее двадцатой части линейного размера объекта, измеренного в направлении его движения. На фиг. 1 пунктиром выделены I и II измерительные каналы.

Электроды первого и второго датчиков 5 и 6, выполненные в виде проводящих стержней, могут быть одинаковой длины и сгруппированы по парам. В каждой паре электроды параллельны между собой так, что при подключении к ним напряжения между ними образуется плоскопараллельное поле. Взаимное пространственное положение электродо можно представить следующим образом,

Если в вершинах плоского прямоугольного четырехугольника восстановить перпендикуляры к плоскости, то перпендикулярам соответствует расположение двух пар протяженных электродов в пространстве. Причем .меньшей стороне прямоугольника соответствует расстояние между парами электродов, которое выбирается из условия менее двадцатой части длины объекта. Большея сторона прямоугольника определяет расстояние между электродами в каждой из пар. Это расстояние выбирается с одной стороны, чтобы между электродами в каждой паре прошел объект, с другой стороны, чтобы выполнялось условие образования квазистатического плоскопараллельного поля.между электродами в каждой паре при подаче на них переменного напряжения, например при импульсном сигнале генератора, расстояние между электродами в каждой паре должно быть значительно меньше длины волны сигнала, имеющего наибольшую из частот.

Генератор 1 служит для создания импульсного напряжения прямоугольной формы. Может быть.использован стандартный генератор, например, для счета объектов в воде-.1:1изкочастотный генератор типа Г5-5+| либо мультивибратор, выполненный на микросхемах типа К 155 ЛАЗ. Нижняя частота импульсного сигнала генератора должна быть в 2-3 раза выше максимально возможной радиальной скорости прохождения объектом промежутка между электродами, а верхняя частота определяется условиями затухания сигнала (или его распространения) в донной среде. Например, для соленой воды рекомендуются частоты следования импульсов 5-10 кГц при использовании системы для контроля движущихся рыб.

Регистр 2 сдвига предназначен для обеспечения поочередной выдачи прямоугольных импульсов в измерительный канал с первого выхода регистра и во II измерительный канал со второго выхода регистра так, чтобы эти импульсы не перекрывались во времени. Это обеспечивает развязку по времени процесса измерения на электродах датчиков 5 и 6 .

На третьем выходе регистра сдвига формируется импульс, ортогональный к импульсу первого () выхода, а на четвертом выходе регистра сдвига формируется импульс, ортогональный к импульсу второго выхода регистра сдвига, т.е. регистр 2 сдвига обеспечивает формирование четырех ортогональных между собой импульсных сигналов, что позволяет развязать по электрическому полю токов измерительные каналы на парах электродов датчиков 5 и 6 обеспечить нормальную работу аналоговых перемно : ителёй 9 и 1G. Регистр 2 сдвига может быть полность| реализован на микросхемах К 155 ИР1. Ортогональность сигнала на третьем выходе по отношению к сигналу на пер вом выходе и сигнала на четвертом вы ходе по отношению к сигналу на,втором выходе может быть получена, например, путем смещения соответствующих импульсов на 1/2 такта. Преобразователи 3 и Ц напряжения в ток предназначены для обеспечения большого выходного сопротивления, чт обеспечивает повышенную чувствительность системы по напряжению к колебаниям нагрузки на электродах датчиков 5 и 6 в соответствую1цих каналах I и Г|. Преобразователи 3 и напряжения в ток могут быть выполнены на операционных усилителях типа К НО УД8. Пары электродов датчиков 5 и 6 сл жат для создания в Зоне контроля двух квазистатических плоскопараллеьных полей на пути прохождения объектов. Выбор расстояния между параллельными полями намного меньше, чем длина объекта по направлению его движения, позволяет обеспечить возможность получения дифференциальной функции на выходе дифференциального усилителя сумматора 15 от функции проводимости объекта по его длине. Это обстоятельство , например, приводит к обязательному получению изменения знака- сигнала на выходе сумматора 15 при прохождении объекта так как любой объект всегда имеет ХОТЯ бы один максимум по проводимоети, например для рыбы максимальная проводимость в центре ее максимально го утолщения (фиг. 3, эпюра ct - 1, 2). Поэтому подсчет нулевых переходов позволяет более точно оценивать количество прошедших объектов при условии знания признаков (числа) нулевых переходов для каждого типа объекта. К каждой паре электродов, лежащих в одной плоскости, можно условно вос становить к плоскости ось симметрии. Оптимальную пространственную ориентацию и расположение электродов, как показало моделирование, можно представить следующим образом. К каждой паре параллельных электродов, ле кащих в одной плоскости, можно восстановить перпендикулярно к плоскости ось симметрии (ось симметрии пронизывает плоскость в точке пересечения диагональных прямых, соединяющих вершины электродов, также принадлежащих плоскости). В пространстве оси симметрии обоих пар электродов совпадают и ориентирова1 ы по направлению движения объектов, -а сами электроды должны быть строго параллельны друг другу также между парами. Такое расположение электродных пар можно определить как установление пар электродов в пространстве параллельно и соосно. В качестве электроу дов могут быть использованы провода, трубы, протяженные пластины с произвoльным изгибом по своей длине. Усилители 7 и 8 предназначены для усиления сигналов по напряжению, возникающих на электродах датчиков 5 и 6, например, при прохождении между электродами каждой пары объекта. В качестве усилителей 7 и 8 могут быть использованы микросхемы типа К kQ УД8. Блоки 9 и 10 умножения используются для выделения информационного сигнала, возникающего в случае изменения импеданса между электродами за счет проходящего объекта. В качестве аналогового перемножителя может быть использована микросхема типа К МА1. Фильтры 11 и 12 нижних частот служат для выделения и формирования низкочастотных информационных сигналов. Постоянная времени фильтров выбирается, например, такой, чтобы усред-, нить величины импульсных напряжений, поступающих с соответствующих выходов перемножителей, т.е. чтобы преобразовать импульсные информационные сигналы в непрерывный токовый сигнал. Фильтры 11 и 12 нижних частот могут быть, например, фильтрами Чебышева 6-го порядка с неравномерностью в полосе пропускания 3 дБ и выполненные, например, на микросхеме К УД8. Делители 13 и И напряжения предназначены для регулировки амплитуд сигналов в измерительных каналах I и II так, например, чтобы в отсутствие каких-либо возмущений в контрольной зоне, где расположены электроды, на выходе сумматора 15 было нулевое напряжение. В качестве делителей 13 и могут быть использованы неинвертирующий усилитель с регулируемым коэффициентом усиления 2-20 на микросхеме К lAO УД8, либо стандартные резисторные потенциометры. Сумматор 15, выполненный на дифференциальном усилителе, выполняет функ7 1 цию схемы сравнения сигналов так, что лоступающие с I и II измерительных каналов сигналы взаимовычитания сравниваются. В качестве сумматора 15 может быть использована, например микросхема К НО УД8 по схеме с коэффициентом k 1-100,0. Компаратор 16 формирует сигнал постоянной амплитуды, знак которого определяется знаком фазы разностного сигнала на выходе сумматора 15. В качестве компаратора может быть использован .усилитель-ограничитель, триггеры, например, триггер Шмидта типа К155ТЛ1 (А, Б, В), либо компаратор-типа К 521 САЗ. Дифференцирующее устройство 17 формирует импульсы, полярность которых определяется знаком наклона (перепада) по напряжению сигнала, поступающего с выхода компаратора в моменты его изменения по фазе. Дифференцирующее устройство 7 может быть выполнено, например, в виде цепочки С по общеизвестной схеме. Регистрирующее устройство 18 пред назначено для индикации результата счета импульсов, поступающих с дифференцирующего устройства 17f В качестве регистрирующего устройства мо жет быть использован стандартный прибор типа , позволяющий осуществлять счет импульсов положительной и отрицательной полярностей, Устройство работает следующим образом. Генератор 1 вырабатывает, наприме прямоугольные, разнополярные, симмет ричные импульсные сигналы с частотой f, которые поступают на регистр 2 сдвига. Регистр 2 сдвига формирует на четырех выходах (1), (2), (З) и (k}, ортогональные между собой соот .ветствующие импульсные напряжения и, а, и и и, представленные на эпюрах О, б, , t на фиг. 2. Причем импульсы и., поступающие в I измерительный канал, и импульсы U, поступающие во II измерительный канал, разнесены во времени относительно друг друга на половину периода (фиг. 2, эпюры а,б ), а импульсные напряжения на выходах (3) и () (фиг. 2, эпюры , 1 ) сдвинуты, например, nq, времени на половину такта относительно соответствующих импульсов, поступающих с выходов (1) и (2) Напряжение Ui преобразуется в импульсы тока преобразователем 3 на28пряжения в ток, а напряжение U преобразуется в импульсы тока соответствующим преобразователем . С выхода преобразователей 3 и k напряжения поступают на соответствующие пары, электродов датчиков S, 6 и на входы усилителей 7 и 8 (фиг. 1). 8 силу относительно малого сопротивления между электродами, например в воде 100-10000 Ом; по отношению к очень большому выходному сопротивлению генератора тока (5) - Ю 10 Ом (влиянием входного сопротивления усилителей 7 и 8 прене.брегаем), при прохождении объекта между электродами изменяются межэлектродные проводимости, что приводит к модуляции импульсов тока по амплитуде напряжения и фазе в измерительных каналах I и I I . При этом между электродами в каждом датчике 5 и 6 попеременно во времени образуются параллельные поля шторы, которые (в силу параллельности и протяженности электродных пар) близко расположены друг к другу. в силу близости источников (электроднь|х пар) оба электрических поля практически перекрывают одну и ту же контролируемую область. В результате токи, протекающие в каждой электродной паре, практически равны друг другу (при отсутствии объектов), аналогично равны их фазы. Разность потенциалов, образующаяся на электродных парах датчиков 5 и 6, усиливается соответственно на усилителях 7 и 8 и преобразуется по спектру в блоках 9 и 10, которые работают в режиме смесителя так, что, например, при условии невлияния межэлектродной проводимости электродных пар датчиков 5 и 6 импульсы напряжений U и U, приходящие нд входы и блока 9, будут одинаковы по форме и ортогональны между собой (фиг. 2. эпюры а,-5). При этом на выходе блока 9 формируются разнополярные осесимметричные импульсы (фиг. 2, ;эпюраЭ) . В случае влияния межэлектроднои прюводимости осевая симметрия по форме и фазовому сдвигу на выходе -блока 9, например, может принимать вид, показанный на фиг. 2 (эпюра б). Аналогичный принцип работы у блока 10. Импульсные напряжения с выходов блоков 9 и 10 поступают на входы соответствующих фильтров 11 и 12 нижних частот, которые усредняют по амплитуде импульсные сиг11ллы. На-. 9101229210

пример, напряжение осесимметричных импульс счета. Этому процессу соотимпyл.coв на выходе блоков 9 и 10 ветствуют эпюры а, d , 5, -Z на фиг., (фиг, 2, эпюра(3 ), после фильтра ниж- Если направление движения объекта них частот принимает нулевое значение. Л напря ; ение несимметричных импульсов преобразуется в соответствую щий уровень постоянного напряжения (фиг. 2, эпюра Ж.) . С выходов фильтро 11 и 12 напряжения через делители 13 и 1 подаются на входы сумматора 15 При отсутствии в межзлектродной зоне объекта в силу одинаковых коэффициен тов усиления на выходах обоих измерительных каналов 1 и ) будут одни и те же величины напря ; ений, которые складь1ваются в протизрфаза в суммато ре .9 так, что на его выходе отсутствует напряжение (в противном случае регулировкой коэффициентов усиления делителей 13 и I добиваются полного баланса напряжений на выходе обоих каналов). При последовательном прохождении, например, электропроводящим объектом плоскопараллельных полей между электродами в каждом датчике (напря ; ение движения объекта показано стре кой на фиг. 1) амплитуды и фазы напр жений соответствующих электродных пар будут изменяться. В соответствии с изменением сигналов на электродах на выходах соответствующих измерительных каналов формируются сигналы об объектах. На эпюре d фиг. 3 показаны сигналы, пропорциональные изменению напрях ений сперва на паре электродов второго датчика 6 (кривая 2) и Затем на паре электродов первого датчика 5 (кривая 1). Оба сигнала после суммирования в сумматоре 15 образуют разностный сигнал, показанный на эпюре (У фиг. 3. Разностный сигнал послекомпаратора 16 принимает вид, показанный на эпюреZ фиг. 3. Импульс счета формируется дифференцирующим элементом А из сигнала, поступающего с компаратора 15. Полярность импульса счета согласована с порядком прохождения,объектом пар электродов, например, в соответ ствии с напряжением движения объекта показанном на фиг. 1 стрелкой, на вы ходе дифференцирующего элемента 17 вырабатывается отрицательный импульс счета. Аналогично при прохождении объекта в обратном направлении по отношению к рассматриваемому случаю сфоомирустся положительный по Знаку зафиксировано, например, по направлению стрелки, показанной на фиг. 1, а объект принимает другую природу по электропроводности, например объект - диэлектрик, то на выходе сформируется положительный импульс счета. Этому процессу формирования импульсов счета соответствуют эпюры а б9-в,Ъ на фиг. 5, полученные по аналогии приведенному анализу. Понятие проводящих и диэлектрических объектов формируется относительно среды, в которой осуществляется чис-ленный контроль. Таким образом, полагая, что объект металлический и движется по заданному направлению, а регистриру ющий прибор работает по счету, например, отрицательных импульсов (эпюра -2. , фиг. 3), он не будет считать инородные объекты (например диэлектрические), движущиеся вместе с объектами счета, а также не учитывает металлические объекты, проходящие в обратном направлении, так как этим слу- чаям будут соответствовать положительные импульсы счета (эпюра - на фиг. Ц и эпюра 2- на фиг. 5) Кроме того, при удалении объекта от пар электродов происходит очень быстрое уменьшение сигнала об объекте, т.е. зона контроля практически ограничивается объектом между четырьмя электродами, что делает систему нечувствительной к внешним окружающим движущимся объектам. Преимущество заявляемого устройства по сравнению с известным заключается в следующем: повышается точность счета объектов за счет учета электропроводности объектов и инородных тел, направления движения объектов, использования практически полностью . взаимопересекающихся контрольных зон, образуемых первой и второй парами электродов, что приводит к построению системы, нечувствительной к колебаниям электропроводности среды; уменьшается зона контроля по ходу движения объектов, что практически , исключает влияние окружающих систему счета движущихся объектов, а также уменьшает, либо исключает фактор отпугивания живых организмов (например рыб, птиц, животных), так как

, .11ini229212

толщина например, рыбопровода, обра- рез оптические, а иногда и рвдионеэрванная двумя параллельными парами электродов по ходу движения рыб, менее одной двадцатой их длины; использование свойства квазистатических (низкочастотных) полей проникать черрозрачные среды позволяет ocyijiecTSлять скрытый контроль объектов; низкие частоты безвредны для биологических организмов при усхговии допустимых амплитудных значений сигнала.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЧЕТА ДВИЖУЩИХСЯ ОБЪЕКТОВ, содержащее генератор напряжения, датчики, сумматор, дифференцирующий элемент, выход которого соединен с регистратором, о т лИЧающееся тем, что, с целью повьпчения точности устройства. в него введены регистр сдвига, преобразователи напряжения в ток, усилители, блоки умножения, фильтры низких частот, делители напряжений и компаратор, генератор напряжения подключен к входу регистра сдвига, выходы которого соединены со входами соответствующих преобразователей напряжения в ток и с первыми входами блоков умножения, выходы которых через соответствующие последовательно соединенные фильтры низких частот и делители напряжения подключены ко входам сумматора, выход которого соединен со входом компаратора, выход которого подключен к дифференцирующе§ му элементу, выходы преобразователей (Л напряжения в ток подключены ко входам соответствующих датчиков, выходы которых через усилители подключены ко вторым входам блоков умножения.

(рыг.

8

ФиеЗ

8

t

i

i

i

дуигЛ

cpus.S