Цифровой оптический измеритель уровня Советский патент 1991 года по МПК G01F23/22 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при создании средств и систем автоматики и контроля для оперативного и коммерческого учета нефтепродуктов, а также ц химической, металлургической и других отраслях промышленности.

Целью изобретения является упрощение конструкции и повышение быстродействия .

На чертеже приведена схема цифрового оптического измерителя уровня.

Цифровой оптический измеритель уровня включает генератор 1 прямоугольных импульсов, первый 2 и второй 3 демультигшексоры, второй 4, третий 5 и первый 6 счетчики импульсов, регистр 7 памяти, мультиплексор 8, третий 9 и четвертый 10 демультиплексоры, триггер 11 с установочными входами, первый 12 и второй 13 элементы И, первый 14 и второй 15 элементы временной задержки, четвертый счетчик 16, логический элемент ЗАПРЕТ 17 и элемент ИЛИ 18, ждущие мультивибраторы 19 и 20, источники света первой ступени 21 и второй ступени 22, оптические смесители 23, датчики 24- уровня, приемники 25 света и пороговые устройства 26.

Первый выход генератора 1 импульсов подключен к объединенным между собой установочному входу триггера 11, информационным входам первого 2 и второго 3 демультиплек- соров и через последовательно соеоел

ГС

оо to

СП

диненные первый элемент 14 временной задержки, логический элемент ЗАПРЕТ 17 и логический элемент ИЛИ 18 со счетным входом четвертого счетчика 16. При этом инверсный вход логического элемента ЗАПРЕТ 17 подключен к выходу мультиплексора 8, а два входа элемента ИЛИ 18 подключены через ждутвие мультивибраторы 19 и 20 к выходам эаема второго 4 и третьего 5 счетчиков импульсов .

Второй выход генератора 1 импульсов соединен через логический элемент И 12, один из входов которого подключен к выходу триггера 11, с информационным входом третьего де- мультиплексора 9, выходы которого подключены к входам вычитания второго 4, третьего 5 и первого 6 счетчиков импульсов, входы сложения которых соединены с соответствующими выходами черветого демультиштек- сора, а установочные входы счетчиков 4-6 объединены между собой и через второй элемент 15 временной задержки подключены к объединенным вместе выходу второго логического элемента И 13, входу разрешения параллельной записи регистра 7 памяти, входу сброса четвертого счетчика 16 и входу сбр га триггера 11. Информационный вход четвертого демуль- типлексора непосредственно подключен к входу логического элемента ЗАПРЕТ 17.

Адресные входы третьего демуль- тнплексора 9 объединены поразрядно с адресными входами четвертого де- мультиплексора 10, с входами второго логического элемента И 13 и подключены к соответствуюп{им выходам четвертого счетчика 16 импульсов.

Адресные входы первого демульти- плексора 2 объединены поразрядно с соответствующими информационными входами регистра 7 памяти и подключены к выходам второго счетчика 4 импульсов. Адресные входы второго демульти плексора 3 объединены также поразрядно с соответствующими информационными входами регистра 7 памяти и подключены поразрядно к соответствующим выходам третьего счетчика 6 импульсов. Адресные входы мультиплексора 8 объединены поразрядно с соответствующими информационными входами регистра 7 памяти и подключены ксоот

0

5

0

5

0

5

0

5

петствующим выходам первого счетчика 6 импульсов.

Выходы первого 2 и второго 3 де- мультиплексоров подключены к излучателям света первой 21 и второй 22 ступеней соответственно, а информационные входы мультиплексора 8 связаны через пороговые устройства 26 с приемниками 25 света.

Входы оптических смесителей 23 связаны с излучателями света первой 21 и второй 22 ступеней в соответствии

с табл. 1.

Следовательно, к первому источнику

света 21.1 перпой ступени будут подключены первые входы смесителей

23.1.1,23.1.2, 23.1 Л,.. , 3.1„п, к следующему источнику спета 21.2 - первые входы смесителей 23.2.1,

23.2.2,23,2,3,..„,ЛЗ.2.п, к третьему источнику света .1 первые входы смесителей 23.3., 23.3.2, 23.3.3,,-3.3.п. Наконец, к последнему источнику света 1.т - первые входы смесителей 23.п.1, 23.т.2,

23.т.3,...,23.т,п.

К источникам 22 света второй ступени подключены вторые входы оптических смесителей 23, индексы которых находятся в одних столбцах исходной матрицч, т.е. к первому источнику света 22.1 подключены вторые входы смесителей 23.1.1, 23.2.1, 23.3.1,..., 23.т.1, к второму источнику 22.2 света подключены вторые входы смесителей 23.1.2, 23.2.2, 23.3„2,..., 23.п.2, к третьему источнику света 22.3 - входы смесителей 23.1.3,

23.2.3,23.3.3,...,23.п.3 и наконец к последнему источнику 22.п второй ступени подключены вторые входы смесителей 23.1.п, 23.2.п, 23,3.п,...,23.т.п.

Датчики 24 уровня, выполненные, например, в виде крутого изгиба световода, подключены к выходам оптических смесителей 23 и к приемникам 25 света в соответствии с табл. 2.

Датчики размещаются вертикально с шагом, равным шагу дискретности, причем в начале размещаются датчики, имеющие индекс, соотгетстпую- щие первой строке, затем второй и т.д., вплоть до последней mx-i строки.

Уровень срабатывания юроговых устройств 26 выбирается равным суммарному сигналу на выходе соответстнукнчего приемника .S, nocTvn.miue- му от двух источников света.

Цифровой оптически.) измеритель уровня работает следующим образом,

В исходном гос оЯ| ш1 на ВЫУ.ОДО триггерл 1 1 имеется ниткий потенци- ал и поэтому логическим зчемснт И 12 зпкрыт, а в счетчиках 4 -- 6 записано чило, соответствующее млкгн- мально возможному уровшо чидкгсти в контропируемом резервуаре, счетчик 16 находится н нулеяом состоянии. Нулевая комбинация с выхода счетчика 16 поступает на адресные входы третьего 9 и четвертого 10 демультп- плексоров, подключая к их информационным входам счетчик 4 импульсов. Выходные комбинации, соответствующие числам, записанным в счетчики 4 - 6 импульсов, поступают на адресные входы демультнгшексорон 2 и 3, мультиплексора 8. При этом создается канал передачи импульсов от генератора 1 ипульсов через параллельно включенные демультиплексоры 2 и 3, излучатели света 21 первой ступени и излучатели света 22 второй ступени, соответствующие смеситель 23, датчик 25 уровня, пороговое устройство 26 и подключенный соответствующей информационный вход мультиплексора 3, который управляет работой элемечта ЗАПРЕТ 17

Первый импульс с первого выхода генепатора 1 импульсов поступает на устльовочный (в единичное состояние) вход триггерл 11, переводит его в едничное состояние, открывая этим логический элемент II 12. Одновременно этот ИМПУЛЬС проходит по рассмотренному выше каналу передачи на инверсный вход элемента ЗАПРЕТ 17 и па прямой его вход через первым элемент 14 задержки, которнй осуществляет компесацию задержки, вносимой оптической частью устройства и элементами электронного блока.

Если cooi ветгтгукнщ й датчик уров- ня находтся над /ндгостью, уровень которой кон ропнруетсч , то потенциал на выходе элемента ЗАПРЕТ 17 не изменится, та;с как он закрыт импульсом с выхода мультиплексоров 8. Поэтог-fv нмпуньс от генератора 1 на четверты счетчик 16 импульсов не пройдет, потенциалы на его выходах останутся прежними.

Первый импульс с второго выхода генератора 1 через открпт тн элемент

5

0

5

0

5

0

5

0

5

Н 12 н третий демультиплексор 9 поступает на вход вычитания второго счетчика 4, уменьшая его содержимое на единицу. При этом происходит подключение следующего излучателя 21 первой ступени. Так как состояние счетчиков 5 и 6 не изменяется, то к выходам демультиплексора 3 и мультиплексора 8 останутся подключенными тот же источник 22 света второй ступени и тот же приемник 25 света. Следоватепьно, в следующем такте бу,- дет осуществлен опрос датчика 24, имеющего индекс (m-1)n,q.

Далее процесс уменьшения содержимого счетчика 6 продолжается до тех пор, пока не будет опрошен датчик 24 уровня с индексом (m-i).n.q, который находится ниже уровня жидкости. Тогда импульс от датчика 24 на инверсный вход элемента ЗАПРЕТ 17 не поступит и он будет находиться в открытом состоянии. Поэтому импульс с первого выхода генератора 1 импульсов через первый элемент 14 задержки, открытый элемент ЗАПРЕТ 17, элемент ИЛИ 18 проходит на информационный вход четвер- того демультиплексора 10 и далее на вход суммирования второго счетчика 4, увеличивая его содержимое на единицу. Отрицательным фронтом этого же импульса увеличивается содержимое счетчика 16. При этом на адресные входы третьего 9 и четвертого 10 демульти- плексоров поступает следующая комбинат- я и к информационным входам подключается третий счетчик 5 импульсов (его входы вычитания и суммирования соответственно).

В дальнейшем происходит процесс уменьшения содержимого третьего счетчика 5, т.е. в мультиплексору поочередно подключаются датчики 24, в которых изменяется уже средняя индексная часть:

(n-i + 1). П -q

(m-i+1)(n-1). q;

(n-i+1) (n-.)q.

Процесс счета в третьем счетчике 5 продолжается также до тех пор, пока не будет опрошен соответствующей датчик 24 с индексом (n-i+1)(n-j)q, находящийся ниже уровня жидкости. При этом содержимое счетчика 5 увеличивается на единицу, также увеличивается на единицу содержимое четвертого счетчика 16, что приводит к переходу первого СЧРТЧИКЯ 6 в активное

состояние. С помощью счетчика 6 начинается опрос датчиков 24, в которых изменяется младшая индексная часть. При этом управление опросом датчиков осуществляется с помощью мультиплексора 8. При этом опрос датчиков осуществляется уже в таком порядке:

(n-i+1)(n-j+1)-q;

(m-i.+ 1)(n-j-H) -(q-1);

(m-i+1)(n-.i + 1)(q-2);

(n-i+1)(n-j+1)(q-k)

Если датчик 24 с индексом (m-i+1) (n-j + 1 )-(q-k) находится ниже уровня жидкости, то счетчик 16 фиксирует еще один импульс, после которого импульсом с выхода второго элемента И 13 осуществляется запись информации из счетчиков 4-6 в регистр 7 памяти, сброс в исходное состояние триггера 11 и счетчика 16, а также через промежуток времени, определяемый вторым элементом 15 задержки, - установка в исходное состояние счет- чиков 4 - 6.

Принудительное изменение состояния счетчика 16 импульсами с выходов заема второго 4 и третьего 5 счетчиков через соответствующие ждущие муль тивибраторы 19 и 20 осуществляется, если уровень жидкости ниже уровня, на котором установлены датчики 24 с индексами 0«n -q или 00q (см.табл.2).

Введение дополнительных элементов и связей, в частности оптических смесителей, и объединение их входов в . группы в соответствии со стрелками и столбцами исходной матрицы, а также . объединение в группы передающих и при емных световодов датчиков в соответствии со строками и столбцами второй образующей матрицы позволяет значительно упростить устройство и повысить быстродействие предлагаемого цифрового оптического измерителя уровня. Так при измерении уровня нефтепродуктов необходимо определение уровня с погрешностью не более 0,03%. Для этого необходимо иметь около 4096 уровнен дискретности ( ).

R устройстве необходимо иметь Fixnxq 4096 уровнен дискретности, где q - число излучателей света первой ступени, п - число излучателей света второй ступени, q - число приемников Так как минимальное значение га,п и q обеспечивается в случае их равенства, то можно получить, что

.

Следовательно, для устройства понадобится 32 излучателя и 16 приемников, когда для прототипа необходимо 64 излучателя и 64 приемника света. Устройство обеспечивает трехкратное уменьшение необходимого числа излучателей и приемников света: 64-64 / 32-1б 3.

В устройстве полное время опроса датчиков всех трех ступеней составит 43 тактов, когда при последовательном опросе датчиков необходимо затратить 4096 тактов. Следовательно, в этом случае выигрыш составит примерно 80 раз.

Формула изобретения

Цифровой оптический измеритель уровня, содержащий генератор импульсов, первый выход которого подключен к информационному входу первого де- мультиплексора, выходами соединенного с излучателями света, датчики уровня, выполненные в виде последовательно соединенных падающего световода, чувствительного элемента и приемного световода, причем приемные световоды объединены в группы и подключены к приемникам света в соответствии с номерами групп, мультиплексор, информационные входы которого подключены к выходам приемников света через пороговые устройства, адресные входы мультиплексора объединены поразрядно с соответствующими информационными входами регистра памяти и подключены к соответствующим выходам первого счетчика импульсов, а адресные входы первого демультиплексора объединены по- : разрядно с соответствующими информационными входами регистра памяти и подключены к соответствующим выходам второго счетчика импульсов, первый и второй элементы задержки, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции и повышения быстродействия, дополнительно введены второй демультиилексор, информационный вход которого объединен с установочным входом триггера и подключен к первому выходу генератора импульсов и через первый элемент задержки - с прямым входом элемента ИЛПГР.Г, адресные входы второго демультигошксорл объединены поразрядно с соответствующими

Номера излучателей

ступ.

1

|2 ГГОп

«L.i- - -I--

Индексы оптических смесителей

Изобретете относится к измерительной технике, в частности к устройствам определения уровня жидких сред. Цель изобретения - упрощение конструкции устройства и повышение быстр., действия измерителя уровня. Иифровой оптический измеритель уровня содержит генератор, два счетчика, демультиплексор, мультиплексор, два элемента задержки, дискретные датчики уровня, выполненные в виде передающего световода, чувствительного элемента и приемного световода, а также дополнительно введенные два счетчика, два демультиплексора, триггер, логические элементы И, ИЛИ, ЗАПРЕТ, оптические смесители, одни входы которых объединены в группы в соответствии со строками, а другие в соответствии со столбцами исходной матрицы, передающие и приемные световоды датчиков объединены в группы в соответствии со столбцами второй образующей матрицы. 2 табл., 1 ил. S С/)

га

.i.z 2.i.3 г.г.2 2.2.3

i.n.q Z.l.q J.2.q

га. I .1 п. 1 .7. я.1 .1 a.i. m.1.1 я..3

.t.q

.2.q

tt.n.t т.п. я.п.З