Цифровой оптический измеритель уровня

 

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/)

А1

ССНОЗ СОБЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК ((9) (ill 1 (5,)5 С; 01 Р 23/22

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А BTGPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

Г1РИ ГКНТ СССР (21) 4626677/10 (22) 27. 12. 88 (46) 30,05.91. Бюл. Р 20 (71) Казахский политехнический институт им. В.И.Ленина (72) А.Д.Джангоэин, С.Д.Джайгозин, С.Б.Ермагамбетов, И.Т.Нурумов и А.А.Фогель (53) 681.128.65(088 ° 8) (56) Авторское свидетельство СССР

Ф 1372189, кл. G 01 Р 23/23, 1986. (54) ЦИФРОВОЙ ОПТИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ

УРОВНЯ (57) Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам определения уровня жидких сред. Цель изобретения - упрощение конструкции устройства и повышение быстродействия измерителя уровня.

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 в 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 демультиплексоры, второй 4, третий 5 и первый 6 счетчики импульсов, регистр 7 памяти, мульти2

1 фровой оптический измеритель уровня содержит генератор, два счетчика, демультиплексор, мультиплексор, два элемента задержки, дискретные датчики уровня, выполненные в виде пере" дающего световода, чувствительного элемента и приемного световода, а также дополнительно введенные два счетчика, два демультиплексора, триггер, логические элементы И, ИПИ, ЗАПРЕТ, оптические смесит ли, 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. плексор 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 ЗАНРЕТ 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 демультиплексоров и через последовательно соединенные первый элемент 14 временной задержки, логический элемент

ЗАПРЕТ 17 и логический элемент ИЛИ

i8 со счетным входом четвертого

5 счетчика 16. При этом инверсный вХод логического элемента ЗАПРЕТ

17 подключен к выходу мультиплексора 8, а два входа элемента ИЛИ-18 подключены через ждущие мультивиб- 10 риторы 19 и 20 к выходам эаема вroрого 4 и третьего 5 счетчиков импульсов.

Второй выход генератора 1 импульсов соединен через логический 15 элемент И 12, один из входов которого подкл1очен к выходу триггера 11, с информационным входом третьего демульт1лплексора 9, выходы которого подключечы к входам вычитания вто- 20 рого 4, третьего 5 и первого 6 счетчпков импульсов, входы сложения которых соединены с соответствующим л выходами черветого демультиплек( сора, а установочные входы счетчи- 25 кЬв 4 — 6 объединены между собой и через второй элемент 15 времен11ой задержки подключены к объединенным вМесте выходу второго логического элемента И 13, входу разрешения па- 30 раллельной записи регИстра 7 памяти, входу сброса четвертого счетчика 16 и входу сбр. са триггера 11. Информационный вход четвертого демультнплексора непосредственно подклю35 чен к входу логического элемента

ЗАПРЕТ 17.

Адресные входы третьего демульт нтдексоре 9 объединены пореерпдно с адресными входами четвертого де1 м льтиплексора 10, с входами второго лЬгического элемента И 13 и подключе1 нй к соответствующим выходам четвертого счетчика 16 импульсов, Адресные входы первого демульти- 45 ппексора 2 объединены поразрядно с соответствующими информащлонньжи входами регистра 7 памяти и подключены к выходам,второго счетчика 4 импульсов. Адресные входы второго демульти- 50 плексора 3 объединены также поразрядно с соответствующими информационнымн входами регистра 7 памяти и подключены поразрядно к соответствующим выходам третьего счетчика б импульсов. Адресные входы мультиплексор@ 8 объединены поразрядно с соответствующими информационными входами регистра 7 памяти и подключены к соответству10!ч<лм выходам первого счет 1ика

6 импульсов.

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

Входы оптических смесителей 23 связаны с излучателями светя первой 21 и второй 22 ступеней в соответствии с табло 1е

Следовательно, к первому источнику света 21.1 первой ступени будут подключены первые входы смесителей

23.1,1, 23.1.2, 23.1,3,, 23,1.п, к следующему источнику света 21,2— первые входы смесителей 23,2.1, 23,2.2, 23.2.3...,,23.2,п, к третьему источнику света 23,3.1 первые входы смесителей 23.3,1, 23.3.2, 23,3,3,...,23.3,п. Наконец, к последнему источнику света 21.m — первые входы смесителей 23,m.1, 23.тп.2, 23.m.3,...,23.men.

К источникам 22 света второй ступени подключе1ьы вторые входы оптических смесителей 23„ индексы которых находятся в одних столбцах исходной матрицы, т.е. к первому источнику света 22.1 подключены вторые входы смесителей ?3.1.1, 23.2.1, 23.3.1,..., 23.п.1, к второму источнику 22.2 света подключены вторые входы смесителей 23.1 ° 2, 23.2.2, 23.3.2,..., 23.m.2, к третьему источнику света

22.3 — входы смесителей 23.1.3, 23.2. 3., 23.3,3...,, 23.m.. 3 и наконец к последнему источнику 22.п второй ступени подключены вторые входы смесителей 23, 1.п, 23.2.п, 23еЗеПрееер23е<Р1еПе

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 1лндекс, соответствующие первой строке, затем второй и т.д., вплоть до последней шхп строки.

Уровень срабатывания пороговых устройств 26 выбирается равным суммарному сигналу на выходе соответ1652825 ствующега приемника ?5, поступающему от двух источников света.

1 иАровой оптический измеритель уровня работает следующим образом.

В исходном сос-.оянии на выходе триггера 11 имеется низкий потенциал и поэтому логический элемент И 12 закрыт, а в счетчиках 4 — 6 записано чила, соответствующее максимально возможному уровню жидкости в контролируемом резервуаре, счетчик

16 находится и нулевом состоянии.

Нулевая комбинация с выхода счетчика 16 поступает ня адресные входы третьего 9 и четвертого 10 демультиплексоров, подключая к их ин<Ъормяционным входам счетчик 4 импульсов.

Выходные комбинации, соответствующие числам, записанным н счетчики 4 — 6 импульсов, поступают на адресные входы демультиплексорон 2 и 3, мультиплексора 8. При этом создается канал передачи импульсов от генератора 1 импульсов через параллельна 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 соответствующий информационный вход мультиплексора 8 который управляет работой элемента ЗАПРЕТ 17.

Первый импульс с первого ныхода генератора 1 импульсов поступает на установочный (в единичное состояние) вход триггера 11, переводит его в еди" ничное состояние, открывая этим логический элемент И 12. Одновременно этот импульс проходит по рассмотрен- gp ному выше каналу передачи ня инверсный вход элемента ЗЛЛРЕТ 17 и на прямой его вход через первый элемент 14 задержки, который осуществляет компенсацию задержки, вносимой оптической 45 частью устройства и элементами электронного блока.

Если соответствующий датчик уровня находится над ::.едкостью, уровень . которой контролируется, то потенциал на выходе элемента ЗЛЛРЕТ 17 не изменится, тяк KRK он будет закрыт импульсом с выхода мультиплексоров S.

Поэтому импульс от генератора 1 на четвертый счетчик 16 импульсов не

55 пройдет, потенциалы на его выходах останутся прежними °

Первый импульс с второго выхода генератора 1 через открытый элемент

И 12 и третий демультиплексор 9 по-. ступает на вход вычитания второго счетчика 4, уменьшая его содержимое ня единицу. При этом происходит подключение следующего излучателя 2 1 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.

Следовательно, в следующем такте бу; дет осуществлен опрос датчика 24, имеющего индекс (m-1)n,q.

Далее процесс уменьшения содержи мого счетчика 6 продолжается до тех пор, пока не будет опрошен датчик 24 урания с индексом (щ-1) ° 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 1?, элемент ИЛИ l8 проходит на информационный вход четвер,того демультиплексоря 10 и далее на вход суммирования второго счетчика 4, увеличивая его содержимое ня единицу.

Отрицательным Аронтом этого же импульса увеличивается содержимое счетчика 16. При этом на адресные входы третьего 9 и четвертого 10 демультиплексаров поступает следующая комбинапия 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: (m-i+1) ° п и (m-i+1) (n-1) ° q; (m-i+1)(n-7.)q.

Процесс счета в третьем счетчике 5 продолжается также до тех пор, пака не будет опрошен соответствующий датчик 24 с индексом (н-i+1) (и-1) q, нахсдящийся ниже уровня жидкости. При этом содержимое счетчика 5 увеличивается ня единицу, также увеличивается на единицу содержимое четвертого счетчика 16, что приводит к переходу первого счетчика 6 в активное

1652825 соСтояние. С помощью счетчика 6 начинается опрос датчиков 24, в которых изменяется младшая индексная часть.

При этом управление опросом датчиков осуществляется с помощью мультнплексо!sa 8. При этом опрос датчиков осущеетвляется уже в таком порядке: (m- i+1) (n- j+1) ° q; (m- i+ 1) (и- j+1 ) ° (q-1 ); (m-9.+1) (и- j+1) (q-2);

° ° ° ° 4 ° ° ° ° ° ° ° ° O ° 4 ° ° ° 1 °

10 (m-i+1) (n-j+1) (q-1c)

Гсли датчик 24 с индексом (m i+1)(и-j+1)(q-k) находится ниже уровня жидкости, то счетчик 16 Аикси1!ует еще один импульс, после которого импульсом с выхода второго элеме 1та И 13 осуществляется запись информации из счетчиков 4-6 в регистр 7 20 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- 25 чиков 4 — 6.

11ринудительное изменение состояния счетчика 16 импульсами с выходов за ма второго 4 и третьего 5 счетчиков через соответствующие ждущие муль 0 ти ибраторы 19 и ?О осуществляется, ecs1H уровень жидкости ниже уровня, на котором установлены датчики 24 с индексами gin q или ggq (см,табл.2). Введение дополнительных элементов и Связей, в частности оптических смесич"елей, и объединение их входов в гр ппы в соответствии со стрелками и столбцами исходной матрицы, а также .. объединение в группы передающих и при- 0 емЦых световодов датчиков в соответствии со строками и столбцами второй образующей матрицы позволяет значитеЛьна упростить устройство и повысить быстродействие предлагаемого ци< роваго оптического измерителя уровня„ Так при измерении уровня нефтепродуктов необходимо определение уровня с погрешностью не более 0,03%. Для этого необходимо иметь около 4096 уровней дискретности (4096=2 ).

1Я

В устройстве необходимо иметь нхихг1=4096 уровней дискретности, где число излучателей света первой ступени, n — число излучателей света второй ступени, q — число приемников.

Так как минимальное значение m,n

I и q обеспечивается в случае их, равенства, та можно получить, что

m=n=q= g 7 =16

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

В устройстве полное время опроса датчиков всех трех ступеней составит

48 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 демультиплексара, выходами соединенного с излучателями света, датчики уровня, выполненные в виде последовательно соединенных падающего световода, чувст" вительного 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, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью упрощения конструкции и повышения быстродействия, дополнительно введены второй демультиплексор, информационный вход которого объединен с установоч-ным входом триггера и подключен к первому выходу генератора импульсов и через первый элемент задержки — с прямым входам элемента ЗЛПГРТ, адресные входы второго демультиплексора объединены поразрядно с соответствующими

1!3528

1 2 3 ... и излуй

Но из тел

Индексы оптических смесителей

1.1 1.2 1.3 ... 1.п

212223...2п

Зе 1 3е2 Зе3 а я ° 3 ° 13

2

m.1 m.2 m.3 ... m.n!

Теблниа 2

Т Г Т

Т

2 Q

Входы лрненннков света

Выходы снеснт ел е!!!

1ндексн датчнков уровня

1.1.4

1,2.q

1.1.1 1.1.2 1.1.3

1,2.1 1.2.2 1.2.3

1.1

1.2

1.n.q

2.1.q

2 ° 2.Ч

l.n.l !.н.2 l.n° . 3

2.1.1 .!.1.2 2.1.3

2.2 ° 1 ?.2.2 2.2 ° 3

l.н

2.!

2.2

2.н.1 2.п.7. 2.н.3 ... 2.n.q.н В а.l.! а.l 2 н.1.3 ... в.1,q н.2.! н.2.2 н.2.3 . ° . в.2.Q

m.l н.2

3е.н.! Я.п.7. н.п,3 н.п.о

9 информационными входа!ал регистра памяти и подключены к выходам третьего .счетчика импульсов, выходя! второго демультиплексора подключены к излучателям света, третий и четвертый демультиплексоры, выходы которых подключены соответственно к вычитающим и суммирующим входам второго, третьего и первого счетчиков импульсов, 10 информационный вход третьего демультиплексора через первый элемент

И вЂ” к выходу триггера и к второму выходу генератора импульсбв, четвертый счетчик импульсов, выходы кото- 15 рого соединены с соответствующими адресными входами третьего и четвертого демультиплексоров, объединенными с входами второго элемента И, выход которого связан с объединен- 20 ными между собой входом сброса в исходное состояние триггера и входом сброса четвертого счетчика импуль;сов, а также входом разрешения па-! раллельной записи регистра памяти, и через второй элемент задержки— к с объединенными ме31ду собой установочными входами первого, второго

I и третьего счетчиков импульсов, элемент ИЛИ, выход которого подклю- чен к счетному входу четвертого счетчика импульсов, а первые два входа через ждущие мультивибраторыс выходами заема второго и третьего счетчиков, третий вход объединен с ин13ормационным входом четвертого демультиплексора и подключен к выходу элемента ЗАПРЕТ, инверсный вход которого связан с выходом мультиплексора, оптические смесители, оптические входи которых объединены в группы так, что первые входы объединены в соответствии со столбцами исходной матрицы, а вторыев соответствии со строками исходной матрицы и подключены к соответствующим источникам света, а световоды датчиков подключены к выходам оптических смесителей.

I аблица 1

1652825

Составитель А. Удалов

Техред N.Äèäûê Корректор A . Обруч ар

Редактор Т.Лазоренко

Заказ 1766 Тираж 433 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г.Ужгород, ул. Гагарина,101