Способ измерения уровня сыпучих материалов и устройство для его реализации Советский патент 1992 года по МПК G01F23/22 

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 и спользован при верхней и боковой подаче материала во время измерения ввиду заклинивания щупа частицами материала и пылью.

Известен способ и устройство для измерения уровня сыпучего материала, основан- ный на перекрытии под действием материала потока света э гибкое элементе, концы которого охватывают соответстзенно источник света и фотоприемники

Недостаток известных способа и устройства состоит в том, что они позволяют индицировать только граничное значение уровня, т.е. в ограничении области применения. Кроме того, способ не пригоден при верхней загрузке бункера.

Известен способ измерения уровня сыпучих материалов, основанный на пересечении светового потока матрицы источников свега, ориентированного на матрицу фотоприемников

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

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ из мерения уровня сыпучих материалов, основанный, на изменении интегральной отражательной способности на границе

X} jSk

VI

м

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 отражения 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 анализа отраженного сигнала не обеспечивается однозначность измерений, т е имеет место недостаточная помехозащищенность и надежность

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

Поставленная цель достигается тем что измеряют характеристики отраженного сканирующего светового потока, выделяют низкочастотную составляющую отраженного 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 которого 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 верхней части - от пыли, осевшей на внутреннюю 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 ввй0 ду меньших размеров частиц пыли по сравнению с размерами частиц сыпучего материала. Отраженный световой поток попадает на фотоприемник оптопары, в качестве которого используют фоторезистор с

5 управляемым быстродействием Быстродействие фоторезистора подбором величины резистора нагрузки устанавливают таким образом что он реагирует только на низкочастотные сигналы. Выделяя таким

0 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.

5 На чертеже схематически представлено оптоэлектронное устройство для измерения уровня сыпучего материала.

На чертеже приняты следующие обозначения1 1 - бункер, 2 - вертикальное про0 зрачное окно, 3 - верхняя часть окна с осевшей на его внутренней поверхности пылью, 4 - столб чатиц сыпучего материала в нижней части окна, 5 - подвижная каретка, 6 - направляющие, 7 - реверсивный двига5 тель, 8 - управляемый источник питания, 9 - тактильные сенсоры, 10 - узконаправленный источник света, 11 - фоторезистор с управляемым быстродействием, 12 - формирователь, 13 - дискриминатор, 14 - уп0 равляемый генератор тактовых импульсов, 15 - счетчик импульсов, 16 - индикатор.

В бункере, содержащем сыпучий материал, например зернопродукт, выполняют прямоугольное вертикальное окно, про5 зрачное для излучения узконаправленного источника. В нижней части прозрачного окна расположены.прижатые к его внутренней поверхности зерна, от которых отражается - часть светового потока узконаправленного

0 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. стол5 бик периодически расположенных у прозрачного окна зерен играет роль пространственного модулятора отраженного светового потока. При этом модуляция с частотой, определяемой размерами зерна и лежащей в пределах 1,5-20 Гц имеет место

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 оптопары 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 которого судят об уровне заполнения буккера 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 п В нижней частч 4 прозрачного окна 2 к внутренней поверхности прижаты зерна с характерными размерами Вдоль оси окна 2 размещена подвижная каретка 5 на направляющих 6, ориентирующих перемещения каретки 5 в вертикальном направлении Каретка 5 механически связана с реверсивным двигателрм 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 прозрачного окна

На каретке 5 размещена оптопара отражательного типа с открытым оптическим каналом, состоящая из уз онаправленного источника света 10 и фотоприемника 11. Электрический выход фотоприемника 11 подключен на вход формирователя прямоугольных импульсов 12, выход которого подключен на вход Сброс дискриминатора 13 На счетный вход дискриминатора 13 подключен управляемый генератор тактовых импульсов 14 Выход дискриминатора 13

связан с входом счетчика 15 на выход кото рого подключен индикатор 16

Устройство работает следующим обрз зом

5Пуск каретки 5 осуществляется из одного из крайних положений срабатыванием соответствующего тактильного сенсора 9 который задает через упоавляемый источник питания 8 направление вращения ре0 версивного двигателя 7 Каретка 5 движется снизу вверх со скоростью О10мм/с Частицы зернопродукта под действием силы тяжести прижимаются к внутренней поверхности прозрачного окна 2 создавая

5 столбик 4 квазипериодически расположенных зерен При попадании на столбик зерна А узконаправленного светового потока эр- сенид - галлиевого светодиода 10 оптопары, частично отраженный от поверхности

0 зерна световой сигнал поступает на фого- приемник 11 оптопары (CdSe - фоторезистор), последовательно которому подключен резистор нагрузки величиной 10 кОм, что при существенном уровне осве5 щенности определяет частоту среза переходной характеристики 40 Гц). При движении каретки 5 в направлениях, указанных на чертеже стрелками, отраженный от поверхности зерна й световой поток под0 вер ается пространственном модуляции с частотой (С - скорость движения) которая ниже частот. среза фоторе лорч 1Т Выделенная на электрическом выходе фотопезистора последовательность квазн

5 экспгиенциальных релаксационных им пульсов подается на вход формирователя 12 с выход которого последовательность квгзмпериодических прямоугольных им- путьсов поступает на вход Сброс минатора 13, На счетной вход дискриминатора 13 от высокостабипь юго грнерз ора тактовь х импульсов 14 поступа- Ю строго периодически тактовые импупь- сы При одновременном воздействии

5 отраженных и тактовых импульсов на дискриминатор 13 на выходе последнего импульса отсутствуюПри зуходе каретки 5 за область существования столба зерен 4 отрэженио свьто

0 еого потока источника света 10 происходит от пили, осевшей на внутреннюю поверхность прозрачного окна 2 в бункере 1 Частота модуляции отраженного сигнала при условии соответствующей фоку5 сйровки светового потока вследствие малости геометрических размеров частиц пыли составляет величину порядка 100 Гц и пежит за частотой среза переходной характеристики фоторезистора 10 Таким образом последний роль низкочастотного

фильтра. В этом случае на выходе формирователя 12 импульсы отсутствуют что создает условия для появления на 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 сво- бодного от зерна участка 3 прозрачного окна 2, т.е. соответствует уровню эернопро- дукта в бункере 1.

Движение каретки 5 продолжается до момента срабатывания верхнего тактильно- го сенсора 9,срабатывание которого приводит к изменению направления вращения реверсивного двигателя 7. При этом цикл измерений повторяется.

Способ измерения уровня сыпучих ма- териалов и устройство для его реализации позволяет обеспечить непрерывность и помехозащищенность измерений (дискретность измерений определяется размерами частиц сыпучего материала) при произволь- ном характере загрузки материала и при произвольном уровне запыленности. Это приводит к повышению надежности процесса измерений при минимальных аппаратурных затратах.

Формула изобретения

1. Способ измерения уровня сыпучих материалов, заключающийся в сканировании сыпучего материала световым лучом и

/ 2

измерении характеристик отраженного светового потока, по которым судят об уровне материала, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности и помехозащищенности в условиях сильной запыленности и произвольного характера загрузки бункера сыпучим материалом, выделяют низкочастотную составляющую отраженного оптического сигнала, затем измеряют её длительность, по величине которой судят об уровне сыпучего материала. 2. Устройство для измерения уровня сыпучего материала, содержащее оптопару отражательного типа с открытым оптическим каналом, закрепленную с возможностью вертикального перемещения, и индикатор, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности и помехозащищенности в условиях сильной запыленности и произвольного характера загрузки бункера сыпучим материалом, оно дополнительно содержит 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 которого 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.

9

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.