Способ определения размера и/или формы свободнопадающего объекта и устройство для его осуществления

Классификация по МПК: G01B

Патентная информация
Патент на изобретение №: 
2070314
Дата публикации: 
Вторник, Декабрь 10, 1996


Использование: изобретение относится к контрольно-измерительной технике. Сущность изобретения: способ и устройство для определения формы и/или размера свободно падающей капли 1 расплавленного стекла. Один конец капли детектируется посредством двух фотодиодов 7, 8, отстоящих друг от друга по траектории падения, для определения скорости падения капли. Изображение этой части капли, помещенное моментально между двумя фотодиодами 7, 8, проецируется на удлиненную фотодиодную матрицу 9, расположенную перпендикулярно к направлению падения. Фотодиодная матрица 9 сканируется периодически в заданный интервал времени большое число раз во время движения капли за матрицу. Это обеспечивает информацию в отношении ширины капли в большом числе местоположений вдоль длины капли. Взаимное расстояние между этими определениями ширины вычисляется на основании скорости падения капли и интервала времени между разными сканированиями. Форма и размер капли вычисляются исходя из этих данных. 2 с. и 5 з. п. ф-лы, 3 ил.

, ,


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ

Изобретение касается способа и соответствующего устройства для определения размеров и/или формы свободно падающего объекта, в частности капли жидкости или полужидкого материала, такого, в частности, как расплавленное стекло.

Изобретение разработано, главным образом, для определения размера и формы свободно падающих капель расплавленного стекла, но может также применяться для определения размера и формы других объектов.

В автоматизированном производстве стекла для тары и подобных изделий изделие образуется из так называемого шара, который подается в форму по желобу. Стеклянный шар имеет температуру порядка 1000 1100oС и эжектируется через сопло в нижней части канала питателя расплавленного стекла или резервуара и отрезается или отрывается соответствующей длины, связанной с производимым изделием, например длиной 75 150 мм. Один и тот же желоб может питать несколько разных форм стеклянными каплями и шарами в порядке последовательности так, что стеклянная капля подается в пустую форму, в то время, как более ранние заполненные формы обрабатываются. Таким образом, нормально из сопла выталкивается 2 3 стеклянных капли в секунду и откусываются рядом с ним. При таком типе производства стеклянных изделий форма, объем и температура стеклянных капель имеет большое значение на качество конечного изделия. Хотя на параметры можно влиять рядом способов, в настоящее время нет устройства или аппарата, с помощью которого эти параметры можно измерить, в частности форму и объем стеклянных капель. Как следствие, этот тип автоматизированного производства стеклянных изделий управляется в большой степени "инстинктом", что затрудняет поддерживать однородное качество производимых изделий и воспроизводить продукцию, которая показала бы хорошие результаты.

Известно техническое решение, в котором описаны способ и устройство определения размера падающего объекта. Способ заключается в том, что проецируют во время падения объекта его изображения на (удлиненную) линейную матрицу, расположенную поперек направления падения, сканируют матрицу периодически во время падения большое число раз, сохраняют информацию от детекторов матрицы от каждого сканирования и тем самым определяют ширину объекта.

Известное устройство включает в себя линейную матрицу, установленную поперек направления падения объекта, устройство оптического проецирования, оптически связанное с линейной матрицей, и управляющий и арифметический блок, соединенный с матрицей.

Цель изобретения состоит в создании способа и соответствующего устройства, посредством которого форма и/или размер свободно падающего объекта могут быть определены, в частности, но не исключительно, объем и форма свободно падающей капли расплавленного стекла.

На фиг. 1 дана схематическая иллюстрация устройства согласно изобретению; на фиг. 2 схематичная иллюстрация устройства на фиг. 1 при виде перпендикулярно к изображению на фиг. 1; на фиг. 3 схематичная иллюстрация способа согласно изобретению для определения объема и формы падающего объекта.

На фиг. 1 3 показано применение изобретения для определения формы и объема свободно падающей капли расплавленного стекла.

На фиг. 1 схематично показана капля стекла 1, которая падает в направлении, показанном стрелкой 2, причем капля стекла или соответствующая масса стекла показана сплошными линиями, а пунктирные линии соответствуют двум разным положениям капли 1 во время падения. Устройство согласно изобретению включает в себя соответствующее оптическое устройство или систему 3, которая показана схематично и которая показывает на плоскости изображения 4 ту часть стеклянной капли 1, которая располагается мгновенно напротив оптического прибора 3. Оптическое устройство в этом отношении предназначено давать изображение в плоскости 4 немного большее, чем часть стеклянной капли 1, которая оказывается на мгновение расположенной между двумя уровнями 5 и 6, которые отстоят друг от друга на заданное расстояние S в направлении падения 2 стеклянной капли 1. Показанное устройство также содержит два фотодиода 7 и 8, которые расположены позади соответствующих удлиненных узких измерительных щелей 7а и 8а (см. фиг. 2), расположенных в плоскости изображения 4 на взаимном расстоянии, соответствующем расстоянию S между двумя уровнями 5 и 6. Между двумя фотодиодами 7 и 8 расположена по центру удлиненная матрица 9, которая содержит большое число взаимно смежных фотодиодов, расположенных позади взаимодействующей удлиненной узкой измерительной щели 9а, расположенной в плоскости изображения 4 (см. фиг. 2). Аналогично диодной матрице 9 эта измерительная щель 9а имеет протяженность длины, которая будет положительно обеспечивать, чтобы вся ширина изображения стеклянной капли 1, проецируемой в плоскости изображения 4, попадала в измерительную щель 9а и диодную матрицу 9. Два фотодиода 7 и 8 и диодная матрица 9 соединены с управляюще-арифметическим блоком 10, структура и способ работы которого будут описаны далее.

Когда нижний конец падающей капли стекла 1 достигает уровня 5, знак выходного сигнала фотодиода 7 изменяется, в то время, как таким же образом знак выходного сигнала на фотодиоде 8 изменяется, когда нижний конец стеклянной капли 1 достигает уровня 6 немного позже. Выходные сигналы фотодиодов 7 и 8 подаются на управляюще-арифметический блок 10, который выполнен для вычисления разности времени между названными изменениями в выходных сигналах фотодиодов 7 и 8 и для вычисления на основе этой разности времен и известного расстояния, между уровнями 5 и 6 средней скорости капли стекла 1 в течение времени, затраченного нижним концом стеклянной капли 1 для перемещения с уровня 5 до уровня 6, в соответствии с формулой:
VI S/tI,
где tI время прохождения нижним концом стеклянной капли I от уровня 5 до уровня 6, определяемое посредством диодов;
VI вышеназванная средняя скорость, здесь и далее именуемая, как входная скорость капли. Эта скорость отличается, чем можно пренебречь, от скорости капли 1 в момент, когда нижний конец капли проходит уровень между уровнями 5 и 6, т. е. уровень, на котором расположена диодная матрица 9.

Управляюще-арифметический блок 10 выполнен с возможностью сканирования диодной матрицы 9 периодически в заданный интервал времени, в течение всего времени, затрачиваемого падающей стеклянной каплей 1 для прохождения уровня диодной матрицы 9. Этот процесс сканирования может быть инициирован автоматически, например, когда нижний конец стеклянной капли 1 достигает уровня 5 и знак выходного сигнала фотодиода 7 изменяется в связи с этим, и может прерываться автоматически, когда верхний конец стеклянной капли 1 достигает уровня 6 и знак выходного сигнала фотодиода 8 снова изменяется. Каждое сканирование диодной матрицы 9 должно происходить так быстро, чтобы расстояние падения капли 1 было не больше 0,3 мм во время процесса сканирования. Сканирование диодной матрицы 9 может производиться быстро, даже когда матрица содержит большое число диодов, например деля матрицу на множество секций, которые сканируются параллельно. Интервалы времени между взаимно последовательными сканированиями должны быть такими короткими, чтобы расстояние, через которое падает стеклянная капля между двумя взаимно последовательными сканированиями матрицы 9, не превышало 1 2 мм. Разрешающая способность и точность измерения системы становится больше с большим количеством диодов в матрице, с более быстрым сканированием диодной матрицы и с более короткими временными интервалами между взаимно смежными сканированиями.

Во время сканирования диодной матрицы 9 знак, т. е. уровень сигнала, выходных сигналов диодов, расположенных в пределах изображения 4, отличается от знака выходных сигналов, поступающих от тех диодов, которые расположены снаружи изображения.

Управляюще-арифметический блок 10 выгодно может быть выполнен, чтобы принимать только выходные сигналы тех диодов в матрице 9, которые находятся в пределах изображения капли 1. Должно быть понятие, что число таких диодов будет составлять прямое измерение ширины капли 1 при проецировании в плоскости изображения 4. Если предполагается, что капля имеет круглое поперечное сечение, это изменение ширины также будет диаметром капли. Выходные сигналы, принятые от фотодиодов матрицы 9 и вместе с ними информация о ширине или диаметре капли в местоположении сканирования, выгодно загружаются в память, предпочтительно память с произвольной выборкой (РАМ) в управляюще-арифметическом блоке 10.

Таким образом, во время периодического сканирования диодной матрицы 9, когда стеклянная капля 1 движется за матрицу, образуется серия величин ширины или диаметра в отношении взаимно расположенных разных мест вдоль протяженности стеклянной капли, как показано схематично на фиг. 3, где нумерованный порядок последовательности обозначен, как n 1, 2, 3 и т. д. и соответствующие величины ширины или диаметра обозначены, как d1, d2, d3 и т. д.

Также достигается преимущество, когда при каждом сканировании диодной матрицы 9 устанавливается, какой диод в матрице является первым диодом, если смотреть с одного конца матрицы, который находится в рамках проецируемого изображения стеклянной капли 1. Это дает информацию о положении изображения и вместе с этим капли 1 в боковом (поперечном) направлении и эта информация обозначается, как r1, r2, r3 и т. д. на фиг. 3 и также загружается в памяти RAM в управляюще-арифметическом блоке 10.

Так как все вышеупомянутые величины измерения стеклянной капли 1 загружаются временно непосредственно в память RAM в управляюще-арифметическом блоке 10, очень высокая скорость сканирования и скорость передачи данных в память RAM в блоке 10 могут достигаться без ограничений, связанных со средствами аппаратного и/или программного обеспечения в блоке 10. Когда все измерения стеклянной капли 1 произведены, информация, загруженная в память RAM, может обрабатываться блоком 10.

Как сказано выше, эта информация состоит из:
времени t1, затрачиваемым нижним концом стеклянной капли 1 на прохождение расстояния S между уровнями 5 и 6;
числа n сканирований диодной матрицы, которая обеспечила информацию;
ширины для диаметра dn капли при каждом сканировании, произведенном в матрице 9;
бокового (поперечного) положения rn капли 1 при каждом сканировании матрицы 9.

Блок 10 выполнен для возможности вычисления расстояния, видимого в направлении падения или направления длины капли 1 между разными измерениями ширины или диаметра, на основании вышеназванной информации. Это расстояние обозначено как h1, h2, h3 и т. д. на фиг. 3. Должно быть понятно, что эти расстояния соответствуют расстоянию, через которое падает стеклянная капля 1 между разными сканированиями диодной матрицы. Блок 10 вычисляет эти расстояния падения с помощью уравнения
hn V1t + (n-1)at2 + at2/2,
где n числовой номер соответствующего фактического сканирования матрицы;
t интервал времени между взаимно последовательными сканированиями;
а гравитационное ускорение 9,81 м/c2;
V1 входная скорость стеклянной капли 1, вычисленной вышеназванным способом посредством формулы:
VI S/tI.

Арифметический блок 10 может вычислять общий объем стеклянной капли 1 с помощью этих данных путем вычисления для каждой величины диаметра объема цилиндра, который имеет конкретный диаметр dn и высоту hn до следующей величины диаметра, т. е. по
voln= π dn2hn/4
после чего общий объем стеклянной капли 1 может быть получен путем сложения всех частичных объемов Voln, т. е.



Далее, общая длина или высота htot может быть получена путем сложения всех частичных высот hn, т. е.



С управляюще-арифметическим блоком 10 соединен блок дисплея 11, который может быть вариантом дисплейного экрана и/или печатающего устройства, посредством которого требуемая информация о стеклянной капле выводится визуально и/или на печать. В этом отношении также можно показать или изобразить графически форму стеклянной капли, т. е. в том виде, как показано на фиг. 3.

В вышеприведенном изложении предполагается, что стеклянная капля имеет, по существу, круглую форму поперечного сечения. Если это предположение не применяется со степенью достоверности, дополнительная диодная матрица с соответствующим оптическим устройством может быть установлена для сканирования стеклянной капли или шара в направлении, перпендикулярном направлению сканирования первой диодной матрицы. В этом случае можно получить две величины взаимно перпендикулярной ширины стеклянной капли при каждом сканировании, произведенном одновременно с помощью диодных матриц, тем самым давая возможность вычислить объем капли с допустимой степенью точности вопреки факту, что капля не имеет совершенно круглую форму поперечного сечения.

При измерении падающей капли или шара расплавленного стекла, имеющего температуру 1000 1100oС, оба фотодиода 7, 8 и фотодиодная матрица 9 могут работать при излучении, испускаемом фактической самой стеклянной каплей, и поэтому дополнительного освещения не требуется.

Хотя изобретение разработано, в основном, для определения размера и формы падающей капли расплавленного стекла, как сказано выше, должно быть понятно, что изобретение может использоваться вообще для определения размера, формы или положения любого свободного падающего тела где-либо. В этих последних упомянутых применениях может потребоваться освещение объекта. Это может быть достигнуто путем освещения либо передней стороны, либо задней стороны объекта при виде относительно положения оптической системы.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ определения формы и/или размера свободнопадающего объекта, в частности капли жидкого или полужидкого материала, например, расплавленного стекла, заключающийся в том, что во время падения объекта изображение части объекта, которая располагается в месте определения ширины, проектируют на удлиненную матрицу, содержащую большое число взаимно смежных детекторов излучения и расположенную поперечно направлению падения объекта, сканируют матрицу и периодически получают от матрицы в заданные интервалы времени и сохраняют данные, индицирующие ширину этого объекта, вычисляют размер объекта по указанным сохраняемым данным ширины и данным, указывающим расстояния, последовательно проходимые падающим объектом за указанные заданные интервалы времени, отличающийся тем, что один конец объекта детектируется в каждом из двух положений детектирования до и после момента прохождения места определения ширины, которые удалены друг от друга на заданное расстояние в направлении пути падения этого объекта, при этом определяют разность времени между указанными двумя моментами детектирования, из указанной разности времен и расстояния S между указанными местоположениями детектирования вычисляют скорость падения объекта во время движения указанного обнаруживаемого конца между местоположениями детектирования, вычисляют на основе указанной скорости и указанных заданных интервалов указанные данные, определяющие расстояния, последовательно проходимые падающим объектом в указанные заданные интервалы времени.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что хранят информацию от каждого сканирования матрицы, указывающую, какой детектор излучения в матрице расположен на кромке изображения объекта, проецируемого на матрицу, и собственно информацию, указывающую на положение объекта в поперечном направлении в момент данного сканирования, и образуют контуры объекта в плоскости проекции с помощью информации о ширине объекта и его поперечном положении в момент каждого сканирования с учетом указанного вычисленного расстояния, проходимого падающим объектом между последовательными сканированиями.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что производят проецирование изображения объекта под прямыми углами к направлению проецирования первого указанного изображения на дополнительную удлиненную матрицу взаимно смежных детекторов излучения, причем дополнительная матрица расположена на том же уровне, что и первая указанная матрица, но под прямыми углами к ней, сканирование дополнительной матрицы таким же образом что и первой упомянутой матрицы и обработку полученной таким образом информации осуществляют также, как и обработку информации, полученной при сканировании первой указанной матрицы.

4. Устройство для определения формы и/или размера свободнопадающего объекта, содержащее линейную матрицу, которая включает в себя большое число взаимно смежных детекторов излучения и которая расположена в положении определения ширины вдоль пути падения этого объекта перпендикулярно указанному пути падения, устройство оптического проецирования для проецирования на указанную матрицу изображения той части объекта, которая находится в этом положении определения ширины, и управляющий-и-арифметический блок, который соединен с указанной линейной матрицей детекторов излучения и содержит средство для сканирования указанной матрицы в заданные интервалы времени, когда объект падает мимо этого положения определения ширины, и для получения этих сканирований данных о ширине указанной части объекта, а также содержит средство для вычисления длины объекта из указанных данных ширины, содержащих указания о приращении расстояний, на которые падает объект во время последовательных интервалов из указанных заданных интервалов, отличающееся тем, что он содержит два оптических детектора, расположенных в точках детектирования, удаленных на заданное расстояние S друг от друга вдоль пути падения и установленных до и после линейной матрицы и используемых для создания сигналов в ответ на прохождение одного конца падающего объекта мимо указанных положений детектирования, а управляющий-и-арифметический блок, соединенный с указанными оптическими детекторами, содержит средство для получения из указанных сигналов времени, которое требуется одному концу падающего объекта, чтобы пересечь указанное заданное расстояние S и для вычисления с учетом указанного заданного расстояния S скорости, с какой падающий объект проходит мимо указанного положения детектирования и средство вычисления указанных приращений скоростей и указанных интервалов времени.

5. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что управляющий-и-арифметический блок содержит память с произвольной выборкой в форме временного хранения сигналов сканирования матрицы.

6. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит блок отображения, выполненный в форме экрана дисплея и/или принтера, который соединен с этим управляющим-и-арифметическим блоком.

7. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит вторую линейную матрицу детекторов излучения, которая расположена на том же уровне, что и первая упомянутая линейная матрица, и перпендикулярна к ней с ассоциированным оптическим устройством для проецирования изображения, расположенного между путем падения объекта и второй линейной матрицей, и также как и управляющий-и-арифметический блок имеет дополнительные входы и выходы, соединенные с этой второй упомянутой матрицей.