CN101464181B - 基于浮力称重传感原理的定量称量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于检测及自动控制领域。基于浮力称重传感原理的定量称量系统，由：杠杆机构，卸料机构，浮力传感器及CPLD控制系统组成。浮力称重传感器是利用液体的浮力原理将所测重力值呈线性关系转换成位移量明显的位移值，并以电信号输出。它不存在蠕变及零点、灵敏度飘移等技术缺陷。CPLD控制系统则由R/V变化及电压放大模块、A/D转换模块、CPLD数据处理模块、显示模块、继电器部分及电机，电振机控制装置组成，其控制基本原理是运用VHDL语言采用自上至下的设计方法，把复杂的数字控制逻辑系统转化为片上系统设计，减少系统的体积，增加系统的可靠性，而且缩短开发周期，降低研制成本，并且极大地提高了其动态称量的准确度。
Description
技术领域
本发明属于称重计量及自动测控系统技术领域，特别涉及一种基于浮力称重传感原理的定量称量系统。
背景技术
称重计量是与人类的生活和生产活动息息相关的一项技术，称量技术目前普遍应用的是杠杆原理、胡克定律和应变式传感器。
在工业生产自动化中，物料在传输过程中的总重量的计量，对在线原材料进行单位时间称量值控制的实时计量，对在线原材料的定量称量及产品定量包装，都是高效生产、质量控制、降低成本和确保消费者利益的关键技术。
目前物料在动态状态下的定量称量技术，常用的方法有：
(a)冲量法：用冲量流量计测得冲量来求得物料的质量，计量精度不高，一般原料的输送计量采用此方法。
(b)体积法：已知物料的容重，测量出其体积，以求物料的质量。由于物料的容重易发生变化，体积测量精度有限，所以计量精度也不高。
(c)辐射吸收法：利用物料可对辐射线吸收的原理进行测量。由于物料中所含水分是不易控制的值，水分能够大量吸收射线；又由于物料对射线的吸收值与不易控制的动态的物料和射线源之间的距离平方成正比，所以计量精度难以提高。尤其在被称重的物料少时，精度很低。
(d)质量法：通过测量力F和加速度a来求得质量m。
(e)重力法：主要是使用电阻应变式传感器，重力作用在传感器的应变片上，应变片产生的形变转换成电压信号，以实现称量。它易于用计算机控制以进行称量计量，所以多数定量称量系统均使用此原理，应用广泛。而应变片式传感器的输入-输出函数关系是非线性的，且使用胶粘剂粘贴应变片，存在着由胶粘剂引起的蠕变、滞后以及零点漂移等技术缺陷。
本发明的特征是，应用浮力称重传感器和CPLD测控系统技术对物料进行定量称量。经检索：
密切相关技术有：
1.专利号：ZL200410024519.X；发明名称：浮力称重传感器及用于动态称重时的PID偏差控制方法。专利权人：孔令宇；发明人：孔令宇，孔祥鼒；授权公告日：2007年1月31日。该发明专利的所有权人即本发明专利申请的发明人之一。
该发明的特征在于：利用液体的浮力原理将所测重力值呈线性关系转换成位移量明显的位移值，并以电信号输出；其PID偏差控制方法所检测、控制的是，动态称量过程中被实时称量的物料重量值偏离其设定值的偏差值。该发明的浮力称重传感器所输出的随着受力值的变化而变化的电信号测控原点值，是用于改变给料机的给料量和改变输送机的线速度的闭环控制值，而不是完成一个工作循环所要达到的设定的定量称量值的终点控制值。
2.专利号：ZL95110344.X；发明名称：手提式表针型民用浮力秤。专利权人(即发明人)：孔祥鼒；授权公告日：1998年8月8日。该发明专利的所有权人即本发明专利申请的发明人之一。
该发明的特征在于：以液体的浮力作为重量是变值的秤砣，传递重力的重力臂是定值的杠杆机构，从而进行称量工作。
相关技术有：
1.中国专利，申请号：200620069312.9；名称：开关信号的浮力或液位控制触点传感器。其特征在于：在一个密闭容器内设有电极组、设有水银，密闭容器外设有外罩壳，外罩壳是密封空腔体，且在空腔体一端设有与空腔本体密封的转轴，电极组由绝缘导线从密闭容器内导至密封空腔体的外部。密闭容器外罩壳是由耐腐蚀材料制成的胶囊体、葫芦体、瓶体、或各种球体的密封空腔体，在空腔体一端设有与空腔本体密封的转轴，转轴连接安装支架。
2.中国专利，申请号：96210224.5；名称：液位传感器装置。其特征在于：该装置由非导磁不锈钢做导管，外套感应线圈，导管内装有称重弹簧，且连接导磁媒体和水位探测体，该装置能把浸在液位中不同深度的探测体所受浮力大小的改变，转换为不同电感量或电压值的电信号输出。
3.中国专利，申请号：200820076307.X；名称：浮力秤。其特征在于：秤托盘通过秤杆连接浮桶，浮桶设置于盛有液体的外桶中，外桶壁上设有体积刻度以及与体积刻度对应的质量刻度，外桶上部安装进液管，进液管端设置活塞，进液管上设置单向阀，外桶下部安装排液管，排液管上设置排液阀。
4.中国专利，申请号：200320115722.9；名称：浮力秤。其特征在于：盛水的瓶体内有一个浮体，浮体上设有称量用的托盘，在瓶体上设置刻度。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种基于浮力称重传感原理的定量称量系统。它是一种无蠕变及零点、灵敏度漂移等技术缺陷的呈线性函数关系输出电信号的浮力称重传感新技术，它还是利用VHDL语言设计的CPLD测控系统进行定量称量的一种新的自动称重计量系统。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于浮力称重传感原理的定量称量系统，由：带有可调仓门的下料筒，给料机，称量筒，支点、端点活节、固定在称量筒上的力点和力臂比值为定值的杠杆组成的杠杆机构，电磁铁、卸料活门、卸料活门杠杆系统组成的卸料机构，卸料槽，砝码筒，可更换不同质量值的砝码，固定在称量筒上的传力杆和承受并传递力值的传感器组成，该称量系统所使用的承受力值并传递力值信号的传感器为浮力称重传感器，而浮力称重传感器产生的电信号，则有CPLD控制系统接收并进行处理。
其电信号随着力值的变化而变化，但控制原点的信号值是一个固定的量值。
以VHDL硬件描述语言进行设计，将浮力称重传感器的控制器的核心部分集成在可编程逻辑器件CPLD芯片上。
本发明由机械系统和CPLD测控系统两部分组成。
机械系统：
机械系统由：下料筒和可调仓门组成的下料机构；给料机；称量筒和固定在称量筒上的电磁铁、卸料活门、卸料活门杠杆系统组成的称量筒机构；固定在称量筒上的力点、中间支点、端点活节、力臂比值为定值的杠杆和吊接在端点活节上的砝码筒组成的杠杆机构；固定在称量筒上的传力杆；承受力值并产生和输出力值电信号的浮力称重传感器；卸料槽；和可更换不同质量值的砝码组成。
装在下料筒内的物料下泄至给料机的料槽中，下料量的多少通过可调仓门调节。物料经给料机的料槽不断的均匀流向称量筒中，称量筒中的物料重量不断的加大，称量筒上的力点至力臂比值为定值的杠杆机构的中间支点的力矩同时也不断的加大。由于杠杆机构端点活节所吊接的砝码筒内的砝码质量是根据称量要求预先设定的定值，因此，其至中间支点的力矩是定值。称量筒中的物料重量不断加大的过程，其重力值通过称量筒上的传力杆不断加压在浮力称重传感器上，至使浮力称重传感器的浮力(反作用力)也在不断的加大，因此，浮力至称量筒上的力点的反作用力矩同时也在不断的加大。当不断加大的料重力矩减掉浮力反力矩后的力矩差值大于砝码的力矩定值时，杠杆机构失去原有设定的平衡，称量筒下移，通过称量筒上的传力杆至使浮力称重传感器的称重浮子连同其磁芯一起产生向下的位移，并输出自信号原点不断加大(或不断减小)的电信号。当浮力称重传感器输出的电信号值达到预设的定值时，即通过CPLD测控系统控制给料机停止工作、停止下料；并控制固定在称量筒上的电磁铁拉动卸料活门杠杆系统将卸料活门打开，卸出称量完毕的物料。卸出的物料通过卸料槽导入工作位置。在预设所需称量物料的定量值时，可通过调整砝码筒内的砝码的不同质量来实现。
CPLD测控系统：
CPLD控制系统则由L/V变化及电压放大模块、A/D转换模块、CPLD数据处理模块、显示模块、继电器部分及给料机、电磁铁控制装置组成。其控制基本原理是运用VHDL语言采用自上至下的设计方法，把复杂的数字控制逻辑系统转化为片上系统设计：
首先浮力称重传感器采集位移信号，将其转化为电压量，由A/D转换器转变为数字量，然后输入到复杂可编程逻辑器件进行处理。处理过程包括：①将输入的数字量转化量值输出；②将所测得的重量值与预设的重量值范围进行比较，输出比较所得的重量调整值。用比较后得到的值对继电器进行选通控制，然后对给料机、电磁铁装置进行控制。
本发明对照现有技术具有以下有益效果：1.力值与其对应的电信号值之间是线性函数关系；2.无蠕变、零飘、滞后等技术缺陷、3.(CPLD)与只能实现固定功能的大规模专用集成电路相比较，PLD可以反复修改，并且在满足专用的、抗干扰设计需求方面具有更大的灵活性和竞争力，从而使系统可靠性大大提高。
因此本发明具有称量准确度高、可靠性强、稳定性好、灵活性大、抗干扰能力强等技术优势。
附图说明
图1、机械系统结构图；
图2、CPLD控制系统框图；
图3、CPLD测控系统软件设计方案框图。
其中：1-下料筒，2-可调仓门，3-给料机，4-称量筒，5-电磁铁，6-卸料活门杠杆系统，7-卸料活门，8-卸料槽，9-浮力称重传感器，10-传力杆，11-砝码，12-砝码筒，13-端点活节，14-中间支点，15-力臂比值为定值的杠杆，16-力点。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
图1中：
下料筒1的结构，对于流动性好的物料可以是空筒，对于流动性差的物料应在筒内设置机动的螺旋叶片机构，以利于下料。可调仓门2用于调节下料流量的大小。给料机3的最优方案是选用电振给料机。用于打开卸料活门7的电磁铁5固定在称量筒4上，电磁铁5的活动铁芯通过卸料活门的杠杆系统6与卸料活门7联接。浮力称重传感器9的位置是固定的，其轴线是铅垂方向且与称量筒的轴线平行，其平行距是设定的定值；传力杆10固定在称量筒4上，其轴线与浮力称重传感器9的轴线完全重合，当称量筒4因物料重量变化而产生位移时，通过传力杆10使浮力称重传感器9的位移件与之同步位移。称重杠杆机构的杠杆15，其中间支点14至力点16和端点活节13的力臂比值，最优方案是选用1∶1，中间支点14的位置固定在独立的支座上，力点16固定在称量筒4上，杠杆系统另一端的端点活节13与砝码筒12是活动吊接。砝码11选用标准砝码，根据不同的定量称量值的工艺要求，配置相应质量的砝码11。称量完毕的物料卸出后，通过卸料槽8导入工作位置。
本测控系统由硬件和软件两部分构成：
其硬件系统框图如图2所示，由L/V变化及电压放大模块、A/D转换模块、CPLD数据处理模块、显示模块、继电器部分、给料机及电磁铁控制装置组成。首先，浮力称重传感器采集位移信号，将其转化为电压量，由A/D转换器转变为数字量，然后输入到复杂可编程逻辑器件进行处理。处理过程包括：①将输入的数字量转化量值输出；②将所测得的重量值与预设的重量值进行比较，输出比较所得的重量调整值。用比较后得到的值对继电器进行选通控制，然后对给料机、电磁铁装置进行控制。
其软件设计方案框图如说明书附图3所示，其控制基本原理是运用VHDL语言采用自上至下的设计方法，系统初始化主要完成CPLD中各寄存器初始状态的设置及A/D转换模块的初始化工作。A/D转换控制包括A/D的启动，查询，转换结束后的数据输出控制等功能。数据处理主要由CPLD来完成设定值与测量值的比较并输出控制信号，即当实际测量值大于设定值时，关闭电机及电振机；当实际测量值小于设定值时，启动电机及电振机的工作。其中，数据处理器的控制是实现采集数据过程的核心控制器件，也是整个系统高速部分和低速部分之间的桥梁，由CPLD完成。CPLD数据采集器的高速特性保证了CPLD在很高的工作频率下对系统各个状态的变化也能做出快速准确的反应，可编程特性使得CPLD很容易实现和单片机的接口及各种各样的规约。CPLD数据采集器的设计采用自顶向下的设计方法，首先把设计划分为不同的模块，规定模块的功能，然后再具体实现。在CPLD内部根据实现功能的不同，划分为五个模块：命令模块、控制模块、状态控制模块、条件判断模块和执行模块。
命令模块是把数据，翻译成CPLD可以理解的命令，并把命令送到应该传达的地址。通过命令模块，可以设置数据采集器的工作频率，设置触发条件的模式，复位CPLD各个状态，从而间接地完成对A/D转换器的初始化。
控制模块在工作开始时，由复位电路产生复位信号，控制模块就可以根据外界条件的变化，自动控制数据采集的工作过程。
状态控制模块可以通过向外界报告当前数据采集器的工作状态。用CPLD实现采集数据过程的控制，其最高采集频率可达到50MHz(在这样高的工作频率下，单片机根本满足不了要求)。
条件判断模块收集外界的各个信息条件(包括计算机设置的各种限定条件、外围硬件电路的状态等)传输给控制模块，控制模块根据自身当前的状态和外界条件的变化做出相应的判断。计算机设置的条件有人工触发电平、触发限定条件和观察窗限定等。
执行模块根据控制模块的输出，产生控制继电器的工作信号和控制给料机、电磁铁的工作信号。
图2中：L/V变化及电压放大模块完成浮力称重传感器信号的采集及信号放大作用，A/D转换模块完成模拟信号到数字信号的转换，CPLD数据处理模块将所测得的重量值与预设的重量值范围进行比较，输出比较所得的重量调整值，继电器部分及给料机、电磁铁控制装置用于各路的选通控制及各种称量动作的最终完成，显示模块主要完成设备运行状态及设定参数的功能显示。
图3中：系统初始化主要完成CPLD中各寄存器初始状态的设置及A/D转换模块的初始化工作，A/D转换控制包括A/D的启动，查询，转换结束后的数据输出控制等功能，数据处理主要由CPLD来完成设定值与测量值的比较并输出控制信号，即当实际测量值大于设定值时，关闭电机及电振机，当实际测量值小于设定值时，启动电机及电振机的工作。
Claims (1)
1.一种基于浮力称重传感原理的定量称量系统，由：下料筒(1)与处于其下料口位置的调节下料流量的可调仓门(2)组成的下料机构，和位于下料筒的下料口下方的给料机(3)，和处于给料机的泄料口下方的承接物料以进行称量的称量筒(4)与装在称量筒的卸料口位置的卸料活门(7)组成的称量筒机构，和力臂比值为定值的杠杆(15)、固定在杠杆外端的端点活节(13)、与端点活节吊接的砝码筒(12)、固定在独立支座上的中间支点(14)、固定在称量筒外壁上的力点(16)组成的传递称重力值的杠杆机构，和固定在称量筒上的电磁铁(5)、分别与电磁铁的活动铁芯及称量筒机构的卸料活门连接的卸料活门杠杆系统(6)组成的卸料机构，和装在卸料活门下方的导出称量后物料的卸料槽(8)，和装在砝码筒内的可更换不同质量值的调整定量称量值的砝码(11)，和固定在称量筒外壁上的传递被称量的力值至传感器的传力杆(10)，和其轴线与传力杆的轴线重合、与称量筒的轴线平行、与传力杆同步位移且承受力值并传递力值信号的传感器(9)，和CPLD控制系统组成，组成上述定量称量系统的杠杆机构中的力臂比值为定值的杠杆的另一端，处于称量筒上的力点的下方，其特征在于：该定量称量系统所使用的承受力值并传递力值信号的传感器为浮力称重传感器，浮力称重传感器所产生的电信号由CPLD控制系统接收并进行处理。
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