Датчик расхода
Владельцы патента RU 2262080:
Тамбовский государственный технический университет (ТГТУ) (RU)
Першин Владимир Федорович (RU)
Однолько Валерий Григорьевич (RU)
Подольский Владимир Ефимович (RU)
Егоров Сергей Александрович (RU)
Изобретение может быть использовано для измерения расхода сыпучих материалов. Датчик расхода содержит элемент в форме закрепленной одним краем пластины, расположенной под углом к вертикали, и первичный измерительный преобразователь (ПИЛ) в виде оптрона с воздушным каналом связи, в котором находится шторка. Один край шторки соединен с пластиной с возможностью фиксированного перемещения вдоль оси пластины. В конструкцию оптрона интегрирован температурный сенсор. ПИЛ через устройство сопряжения подключен к вычислительному модулю (ПЭВМ). В частном случае выполнения на свободном краю пластины, расположенной под углом 20-60 градусов, размещен направляющий желоб. Изобретение позволяет повысить точность измерения при малых производительностях, имеет простую конструкцию. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к измерению расхода сыпучих материалов и может быть использовано в химической, микробиологической, фармацевтической промышленности, а также в сфере малого бизнеса.
Аналогом данного изобретения является свободностоящий датчик веса и весы с такими встроенными датчиками (патент RU № 2126531, БИ N5 от 20.02.99). Датчик веса, используемый в весах и выполненный в форме плоской плитки, содержащий изгибающийся под действием измеряемого веса элемент в форме стержня с установленным на нем тензометрами, противоположные концы которого соединены каждый с соответствующей опорной поверхностью, одна из которых выполнена с возможностью воздействия на нее силы, направленной противоположно действию силы реакции, приложенной к другой опорной поверхности. Недостатком данной конструкции является невозможность измерения расхода материала.
Прототипом данного изобретения является устройство для измерения расхода сыпучих материалов (SU № 1569553, БИ № 21 от 07.06.1990), содержащее транспортерный питатель, наклонный измерительный лоток, механически связанный с силоизмерительным преобразователем, отличающийся тем, что с целью повышения точности измерения в него введены датчик высоты слоя материала на транспортерном питателе, первый и второй масштабные преобразователи, фильтры высокой частоты и элементы сравнения, причем датчик высоты слоя выполнен в виде копирующего валика, второе плечо которого соединено с подвижным контактом реохорда, подключенного к выходному преобразователю напряжения. Недостатком данной конструкции является то, что не учитывается температурная погрешность измерения, а также погрешность измерения, вызванная усилием сдвига подвижного контакта реохорда вследствие его механической конструкции.
Технической задачей изобретения является упрощение конструкции и повышение точности измерения при малых производительностях.
На фиг.1 показана схема датчика расхода, у которого один край жестко закреплен, а грузоприемная пластина 1 расположена под углом α к вертикали; расстояние L от закрепленного края пластины 1 до шторки 2 выбирается в зависимости от диапазона измерения, материала пластины, ее сечения, высоты падения измеряемого материала таким образом, чтобы длина дуги l, описываемая свободным краем пластины находилась в пределах 300 мкм, т.к. в этом случае перемещение шторки 2 можно считать линейным; излучатель 3, фотоприемник 4 и температурный сенсор 5 расположены под защитным корпусом 6; поток материала 7 падает на пластину 1. На фиг.2 показана схема датчика расхода, у которого на свободном краю расположен направляющий желоб 8, на сечении (фиг.3) показан его возможный профиль. На фиг.3 показан один из вариантов электронной схемы сопряжения датчика и вычислительного модуля. Изменение диапазона измерения производится изменением геометрических размеров пластины 1 и (или) материала, из которого она изготовлена, а также перемещением шторки 2 по устройству перемещения 9 вдоль оси пластины 1.
Устройство на фиг.1 представляет собой датчик расхода материалов, которое работает следующим образом. Поток материала 7 попадает на грузоприемную пластину 1, один край которой жестко закреплен под углом а к вертикали, а второй свободен. Значение α (20°-60°) выбирается в зависимости от предлагаемого диапазона измерений и измеряемого материала. Поток материала вызывает перемещение свободного края грузоприемной пластины по дуге на величину l. При величине L не менее 40 мм l должно быть не более 300 мкм, так как в этом случае перемещение шторки 2, жестко связанной с грузоприемной пластиной на расстоянии L от закрепленного края, можно считать линейным. Перемещение шторки 2 приводит к изменению освещенности фотоприемника 4 облучаемого инфракрасным излучателем 3, что вызывает изменение фототока в фотоприемнике. Так как в качестве фотоприемника выбран фотоприбор с линейной зависимостью фототока от освещенности, то изменение фототока будет прямо пропорционально измеряемому расходу. С целью учета температурной зависимости данной конструкции в нее интегрирован температурный сенсор 5, а зависимость фототока от температуры в выбранном фотоприборе является линейной. С целью уменьшения влияния флуктуационных токов фотоприемника на точность измерения, его освещение излучателем 3 производится только в момент измерения напряжения на выходе нормирующего усилителя (вывод 7 микросхемы DA3 фиг.3). Уравнением связи параметров данного устройства является линейное уравнение
где
U - напряжение на выходе нормирующего усилителя фотоприемника;
Т - температура оптрона;
Р - расход материала;
A, B, C, D - постоянные коэффициенты.
Вычисление расхода материала производят по формуле:
Числовые значения постоянных коэффициентов находят при обработке экспериментальных данных.
С целью повышения удобства, оперативности и повышения точности измерения, а также использования данного датчика в цифровых автоматизированных системах и приборах, вычисление результатов измерения производится вычислительным модулем, соединенным с датчиком в единую электронную схему устройством сопряжения. Один из вариантов схемы устройства сопряжения показан на фиг.3. В этом случае в качестве вычислительного модуля используется ПЭВМ типа IBM PC, подключаемая к устройству через последовательный порт RS232. Устройство работает следующим образом. При включении питания программным способом задается прогрев и тестирование устройства в течение 30-и секунд. Затем проверяется состояние триггера DD 1.1 (микросхема К561ТМ2) и при необходимости его установка в состояние логической "1" на выводе 1, что соответствует режиму измерения температуры температурным сенсором DA4 (микросхема LM135 фирмы National Semiconductor) под защитным корпусом 6. В этом случае нормированное напряжение с выхода температурного сенсора DA4 через соответствующий канал аналогового коммутатора DD2 (микросхема К561КТЗ вход - вывод 3 DD2, выход - выводы 9,10 DD2) и делитель напряжения на резисторах R8,R9 поступает на вход аналого-цифрового преобразователя DD3 (в данном случае используется 12- разрядный АЦП с последовательным интерфейсом ADS1286 фирмы Burr-Brown). Микросхема DA5 (LM136-2.5V фирмы National Semiconductor) является источником опорного напряжения АЦП. Затем, в соответствии с протоколом связи АЦП, производится измерение, преобразование и передача данных в ПЭВМ. Для преобразования значений напряжения стандарта TTL, в котором работает АЦП, к значениям протокола RS232 (и, наоборот) в данной схеме используются ИМС DD4 и DD5. DD4 (микросхема КР1561ТЛ1) представляет собой набор триггеров Шмитта с инверсией, а DD5 является универсальным асинхронным приемопередатчиком для сопряжения с асинхронными каналами последовательных данных с встроенным удвоителем и инвертором напряжения (микросхема ST232 фирмы STMicroelectronics). По полученным данным производится вычисление значения температуры оптрона под защитным корпусом. Затем, по спаду положительного импульса на выводе 3 DD1.1 на выводе 1 DD1.1 устанавливается значение логического "0", а на выводе 2 DD1.1 - логической "1", что соответствует режиму измерения напряжения на выходе нормирующего усилителя (вывод 7 DA3), к входу которого (вывод 2 DA3) подключен фотоприемник VD2 (PIN-фотодиод из монокристаллического кремния BPW34 фирмы Vishay Telefunken), при этом открывается транзистор VT1 и излучатель VD1 (инфракрасный светодиод TSAL 6200 фирмы Vishay Telefunken) облучает фотоприемник VD2. Выход нормирующего усилителя подключен к соответствующему входу аналогового коммутатора (вывод 2 DD2). В дальнейшем процесс измерения напряжения на выходе нормирующего усилителя аналогичен измерению напряжения по температурному каналу. Затем в вычислительном модуле производится вычисление значений веса с подстановкой соответствующих значений в формулу (2). Частотные характеристики излучателя VD1, фотоприемника VD2, транзистора VT1 и усилителя DA3 позволяют включать излучатель VD1 только в момент измерения напряжения на выходе DA3, что позволяет увеличить точность измерения. Стабилизация напряжений питания 5 вольт и +9 вольт осуществляется в устройстве сопряжения соответственно микросхемами DA1(микросхема LM78L05 фирмы National Semiconductor) и DA2 (микросхема LM78L09 фирмы National Semiconductor). Питание устройства осуществляется от источника постоянного напряжения 11,2-30 вольт и током нагрузки не менее 25 мА.
Для измерения расхода некоторых материалов необходимо использовать пластину 1 с направляющим желобом 8 фиг.2.
1. Датчик расхода сыпучего материала, содержащий элемент в форме закрепленной одним краем пластины, расположенной под углом к вертикали, и первичный измерительный преобразователь, отличающийся тем, что край пластины закреплен жестко с возможностью изгибания пластины под действием потока материала, при этом первичным измерительным преобразователем является оптрон в аналоговом режиме с воздушным каналом связи, в котором находится шторка, один край которой соединен с пластиной с возможностью фиксированного перемещения вдоль оси этой пластины, и интегрированным в конструкцию оптрона температурным сенсором.
2. Датчик расхода по п.1, отличающийся тем, что оптрон и температурный сенсор соединены в единую электронную схему с вычислительным модулем.
3. Датчик расхода по п.2, отличающийся тем, что на свободном краю пластины расположен направляющий желоб, причем пластина наклонена на 20-60° по отношению к вертикали.