Устройство для измерения уровня сыпучих материалов Советский патент 1979 года по МПК G01F23/22 

1

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

Известны фотоэлектрические уровнемеры, содержаЕЦие оптическое устройство, расположенное над урсжнем контролируемого материала, при этом оптическое устройство выполнено в виде камеры-обскуры с экраном, на котором в ряд закреплены светочувствительные элементы 1.

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

близким по технической сущности к изобретению является устройство для электрооптического нзм€ре19 я расстояний, которое содержит передатчик, излучающий пучок модулированного света, оптическую систему и фотоп{жемтк; в котором свет, отраженный от контролируемой поверхности, сравнивается по фазе с иэпучеийьт {2}. Это устройство имеет высокую точность измерения, однако, оно может быть использовано для локацин контролируемой поверхности с дистанцией не ближе 20 м, что обусловлено малым временем прохождения световыми

2

лучами указанных расстояний и сложностью аппературной реализации,подобней устройств, предназначенных для локации на более коротких дистанциях. Кроме того, известное устройство не позволяет измерять углы наклона контролируемой поверхности.

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

Достигается это тем, что устройство снабжено дополнительной оптической системой, которая вместе с первой формирует на своем выходе три плоских веерообразных световых луча, образующих между собой известные углы, двумя ска5нисторами, установленными в фокальной плоскости объектива фотоприемника параллельно друг другу и симиктрнчно относительно плоскости,проходящей через оптическую ось и перпендикулярной к световым лучам, двумя блоками выделв0мия видеосигналов, блоком измерения временньк интервалов, кодирующим устройством, вьь числительным устройством и регистрирующим устройством, при зтом каждый из сканисторов

через блок выделения видеосигнана подсоединен к соответствующим входам блока измерения временных интервалов, выход которого подключен к последовательно соединенным кодирующему, вычислительному и регистрирующему устройствам.

На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого фотоэлектрического устройства для одновременного измерения уровня и углов накло на поверхности сыпучих материалов; на фиг,2 - схема фотоприемника; на фиг.З - схема опта,ческой системы; фиг. 4, 5. 6, 7 - иллюстрирую : работу фотоэлектрического устройства.

Устройство содержит источник света I, оптическую систему 2, которая формирует три плеских веерообразных световых пуча 3, образуюац между собой известные углы а, фотоприемник 4, а также блоки 5 и 6 вь делеш1я видеосигналов, блок 7 измерения временных интервалов, кодирующее устройство 8, вычислительное устройство 9 и регистрирующее устройство 10,

Система 2 и фотоприемник 4 расположены таким образом, что их оптические оси лежат в плокости, перпендикулярной плоскости горизонта и световым лучам 3,

Фотоприемник 4 (см. фи, 2) образован двумя позиционно-чувствительными фотоприборами II и П , например сканисторами, которые размещены в фокальной гшоскости обьектнвгг; фотоприемника 4 параллельно друг другу и симметрично относительно плоскости, проходящей через оптическую ось и перпендикулярной к веерообразным световым 3.

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

Поверх сканисторов п и И установл:ень5 оптические ппаншалбы 12и 12, которые выполнены из тонких стеклянных волокон, расположенных перпендикулярно к их поверхностяМо Вследствие того, что свет в планшайбе распространяется вдоль отдельных волокон, она обладает свойством однозначно передавать изображение с одной своей поверхности на другую. Планихайбы 12 и 12 уменьшают фоновую засветку сканисторов 11и повышают контраст изображения световых следов.

Оптическая система 2 содержит последовательно расположенные конденсор 13, два оптических клина 14, три цилинтфические линзы 15- 17 с апертурными диафрагмами 18. Клинья 1.4 расположены в плоскости перпендикулярной к оптической оси конденсора 13, симметрично относительной этой оси таким образом, что расстояние между их вершинами, которые обращены друг к другу, составляет 0,2-0,3 дааметра конденсора 13. Оптические оси цилиндрических

линз 15 и 16 расгюложены в одной плоскости с оптаческой осью цилиндрвдеской линзы 17, совпадающей с осьш конденсора 13, и образуют с ней равные )тльг о.

Фотоэлектрическое устройство для измереims уровня сыпучих материалов работает следующим образом.

Световые лучи 3 попадают на поверхность материала 19, уровень которого измеряют, образуя -фи узкие световьге полосы - следы 20 (см, фиг. 4). При углах наклона поверхности материала равных нулю, световые следы 20 представляют собой равноотстоящие прямые, лежаоще в плоскости XOZ. При наличии углов а п j наjcfiOKa поверхности материала относительно осей ОХ и OZ, соответственно, параллельность следов 20, а также их изображений 20 нарушается, измеряются также и расстояшм С,к (2,(см.фиг. 5). йзменег-ше уровня Н контролируемого материала ведет к йзмеиеш ю положения изображения следов на сканисторах 11 и п. Фиг, 6 иллюстрирует изменение положения Зк следа среднего л}Ча ш сканисторах 11 , 11 в зависимоети от уровня Н материала 19 (точки rj, Г2, г )

Под действием света ка сканисторах 11 и И создается рельеф возбуждения светом и разделенных р-п переходами неосновных носителей зарйда. При сканировании, которое происходит путем изменения пилообразного напрях ения, приложенного к сканистору от О до Е (схема питаш{я на чертеже не показана), скашгрующая благодаря нелинейным свойствам переходов {гмеет Н-апертуру. Видеосигнал, стражающш распределегие освещенносп на сканисторах П и il снимается с соответствующих блоков выделения видеосигнала 5 и 6 и подается в блок 7 измереш1я временных интервалов.

На фиг„ 7 (а, 6) представлены осщшлограммы видеосигнала со сканисторов 11 и 11 гфи отсзтствии углов наклона (, ) контролируемой поверхности сыпучего материала на фиг, 7 ( в, г) - при наличии углов наклона (. у). Как видно из фиг. 7 информацию об уровне Н материала в бункере и углахУи 7 наклош его поверхности содержат интервалы времеш г.

HanHtfflc угла V наклона гюверхности материала (относительно оси ОХ) приводит к изменению соотношения интервалов времени TI и т| мелсду видеоимпульсами с каждого из скаиисторов 11, а наличие угла j (относительно оси OZ) приводит к неравенству соответствующих временных интервалов между видеоимпульсами со сканисторов 1Г и И, т. е. Г|т т/и Г2 Гг/ из гюдобия треугольников ДГ|О{ О2 и (см, фиг. 6) следует, что расстояние Ьз от центра Oi оптической системы 2 до поврехности контролируемого материала связано с положением Sxi светового следа на сканисторе соотношением, )iV расстояние между оптическими осями системы 2 и фотоприемника 4; f - фокусное расстояние оптической систе мы фотоприемника 4; - временной интервал между началом о счета и вторым видеоимпульсом; скорость сканирования; i 1, 2, 3 ... По Тогда уровень Н контролируемого материала определяется выражением Н hi - k:.,f , (2) где HI - расстояние от центра Oj оптической системы 2 до нижней отметки (точки Г)) уровня. Световой след на плоскости XOZ в систем координат XYZ определяется уравнением Zi iK-sinj)((a)sV- tq :-3inV-cos --y(sinv-t j :-c sv-cob)o (3) Данное уравнение описьтает все три световые плоскости 3, если положить, Е +а, Е 0 и Е -о, соответственно, а , гдёЕ - угол ме ду световой плоскостью и осью OY. Для получения координат х.(, Xj, Xg, х/, Х Хз точек пересечения световых плоскостей 3 с сканисторами 11 и 11 в уравнение (3) необхо димо представить значения z ±d: , А,, (Sin Vi.osV-cos у) - d- ЦХ smjr Г oDS V- sinV-cosr ,4 , dtcjdsiп - fi i5ttiV-tqdi-co5V-co }) COSV-ij7 i-SfnV-C05y ((Q Ji-to -co&-f-, C05 .,-5/пУ№5 xJ V4 11 l),((;SVCosy)-(.. Хз .ccsV- of-smV-ccsj(4 Расстояния Axi, Axj, , Дхз между точ 1г/(. //II ftII ками х и Xj, Х2 и Хз, X, и Х2, Х2 и Хз,соот ветственно, связаны с временными интервалам между видеоимпульсами соотношениями г; дх;/у .х г;.йх;/у/ t2.uX /Vx(5) С учетом выражения (4) выражение (5) имет вид lqJ-(k,.cc5A. dcosV sin I f V -cosV cosV-tgc & nV-toST-) , iq()sy-Ki/-a sv-sr/i) Vx №$ 5 (.со, j s/n V- cos i-) (b CCtSJ -C -COSV- 5/П J ) V.-ro5WcosV-t ot-srnV-c«j -) {((ft cCS -d-cosV-sin) 2 Vx-a)sV(cosV 4S nV-wsi) Решение системы (6) дает следующие форулы для расчета углов наклона v и т поверхости контролируемого материала 1 fii vl / m 2 (f) c(f-A)c)SV Чс1 A t / г г - г | 3 ,(). причем угол V имеет тот же знак, что и величина А, а угол 7 имеет тот же знак, что и величина С. Описываемое устройство позволяет одновременно 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 вьиислнтельное устройство. Кроме того, временные интервалы между импульсами, мало зависят от параметров самих импульсов (амплитуды, длительности и крутизны фронтов), что обеспечивает высокую точность измерений. Формула изобретения Устройство для измерения уровня сыпучих материалов, содержащее источ{тк светового излучения, оптическую систему и фотоприемиик, отличающееся тем, что, с целью расширения диапазона измерения, повышения точности и одновременного измерения углов наклона контролируемой поверхности, оно снабжено дополнительной оптической системой, которая вместе с первой формирует иа своем вьрсоде три плоских веерообразных световых луча, образующих между собой известные углы, двумя сканисторами, установленными в фокальной плоскости объектива фотоприемника параллельно друг дру гу и симметрично относительно плоскости, проходящей через оптическую ось и перпендикулярЛной световым лучам, двумя блоками выделения видеосигналов, блоком измерения временных интервалов, кодирующим устройством, вычислительиым устройством и регистрирующим устройством, при этом каждый из сканисторов через блок вьщелеиия видеосигнала подсоединен к соответствующим входам блока измерения временных интервалов, выход которого подключен к последовательно соединенным кодирующему, вычислительному и регистрирующему устройствам. Источники информации, принятые во внима1ше при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР N 295988, кл. G 01 F 23/22, 1969. 2. Авторское свидетельство СССР N 233227, кл. G 01 С, 1968.

фиг.3

ipue.f

//////////////////7/// фиг.6

J,