CN1015932B - 扭转链式料位变送器 - Google Patents

Abstract

扭转链式料位变送器是一种对粉末或颗粒状物料进行自动检测的设备。可广泛应用于粮食、饲料、化肥、农药、建材、冶金、化工等行业。

该设备的检测装置由可正反转动的电动机作为动力，经过摩擦离合器及传动装置带动竖轴，竖轴下端伸入料仓，并旋挂带有桨叶的链条，链条逐个相套，其间靠轴间支撑以便使相邻的两链环能相对扭转某一固定角度，根据链条总空程角度的大小，通过检测装置计算出料位高低。

本设备对工作环境条件要求不高，料仓内无带电体，可广泛用于危险场所，装置结构简单，适合各类仪器设备厂生产。

Description

扭转链式料位变送器属于一种对粉末或颗粒状物料的料位进行自动检测的设备。

工业生产过程里常遇到粉末或颗粒状原料、半成品或产品，特别是在粮食、饲料、化肥、农药、建材、冶金等工业中尤为常见。密闭料仓或设备内部这类物料的料位高低，对于安全连续地自动化生产至关重要，必须有料位自动检测手段。

目前通用的料位检测设备，通常分为越限报警式和连续检测式两大类。其中越限报警式的原理有超声、激光、压力开关、应变片、音叉、旋桨等，只提供越限报警信号，不能对料位变化进行连续检测;而连续检测式料位计目前也还很不完善，例如电容式料位变送器要利用高频电路，不易调整与维护，且当物料中含有水分时对检测结果有明显的影响;重锤式料位探测器利用绳索悬挂重锤，可靠性欠佳;称重式料位计精度不高，安装又十分不便;电阻式料位计易受温度和湿度的影响;放射式料位计有辐射污染。

仅以现有的回转轮式料位讯号器为例（见秦永烈编《物料测量仪表》，机械工业出版社，1978年）。它由同步电机、齿轮、蜗轮-蜗杆、微动开关、旋转翼轮等组成。同步电机通过齿轮对、蜗轮-蜗杆带动回转翼轮旋转。当翼轮触及物料时，受到阻力停止转动，但在电动机作用下，蜗杆轴继续转动，并沿蜗轮切向向前移动。压缩弹簧推动微动开关切断电机电源，同时闭合报警触点，发出信号;当料位低于回转翼轮时，阻力消除，弹簧力推动蜗杆退到原来位置，微动开关复原，电机重新正常运行。回转翼轮式料位讯号器由于回转翼轮处在固定位置，因此不能对物料的变化进行连续检测。

为了能够迅速、安全、方便又可靠地连续检测料位，特发明了扭转链式料位变送器。

扭转链式料位变送器主要原理如下：

本发明由料位检测装置和驱动电路组成。

在料仓的顶部安有一可以正反向转动的电动机，电动机经过摩擦离合器及传动装置带动竖轴，竖轴下端伸入料仓内，并悬挂带有桨叶的链条。链环逐个相套，其间靠轴尖支撑，使相邻两链环能相对扭转某一固定角度θ，此角度即相邻的两链环对于扭转运动的空程，θ的大小与链环的几何尺寸有关。

设整个链条由n节链环相串而成，链条下端最末一节链环也用轴尖支撑方式与料仓底部连接， 则竖轴的总空程角度便是φn，此处

φn＝nθ    （1）

当料仓内的料位升高之后，必然有一段链环被物料所掩埋，其桨叶受物料所阻不能自由扭转，而料位以上的各节链环仍可正向或反向转动，这时竖轴的扭转空程角度φ比空仓状态下的nθ要小。料位越高，φ就越小。如果物料充满料仓，使与竖轴直接相连的第一节链环也被物料所埋没，则空程角度φ＝0。所以空程角度φ与料位高度成反比。

由于空仓状态下的最大空程nφ是一常数，只要把有物料时的空程角度φ测出，用下列关系可以求出料位高度H：

H＝k（nθ-φ）    （2）

式中K为料位高度与空程角度间的换算系数，在料仓高度和链条结构不变的情况下K为常数。

为了测出空程角度φ，只需使电动机定期正向、反向转动，每当暴露在料位以上的各节链环都朝同一个方向扭转到相互挤紧时，竖轴便不能再按原方向继续转动，这时离合器开始打滑，即使电动机仍在转动也不致因负载达大而发热，同时也保证了被物料掩埋的链环不会因转矩过大而转动。其实，电路设计已能在离合器打滑后很短时间内就自动切断电源，链条就会维持在这一状态下不再转动。

下一个检测周期开始时，由于驱动系统的作用，控制电动机按相反的方向转动，于是竖轴就会使链条上端朝另一方向扭转，直到暴露在料位以上的各个链环朝另一方向扭转到相互挤紧时为止，这时离合器又开始打滑，随后电机停止，等待下一个检测周期。

如此周而复始，链条上端总是一正一反地扭转，在相邻的两次动作之间的角度差就是空程角度φ。按照本申请案后部所述的实施例，很容易把空程角度φ变为串行电脉冲数，通过计数、运算、显示出料位高低。

尽管链条由一节节链环所组成，物料对桨叶的接触也是逐节掩埋或逐节暴露的，但是空程角度φ的变化并不是阶梯状突变，而有较好的连续性。这是因为物料对桨叶的运动阻力与接触面积有关，当料位稍高于桨叶下边沿时，桨叶转动会推动物料在桨叶前形成堆积，扭转角度越大堆积越高，对桨叶运动的阻力也就越大。即其扭转角度可以在0-θ之间变化。况且相邻链环互相套接，其桨叶交错，在约占链环一半的范围里上下两节链环同时对物料起作用，这种重叠性保证了检测结果的可靠和连续。

扭转链式料位变送器的特点是：

1.除物料对桨叶的运动阻力以外，不受其它物性的影响，因此适用于绝大多数粉末或颗粒状物料;

2.对工作环境条件要求不高，料仓内即使有粉尘、气流、高温、高湿、电磁场干扰，也不会直接妨碍正常工作，如果链条由防腐材料制成，也能用于腐蚀性物料;

3.料仓内无带电体，如果外电路有安全火花防爆措施，将电动机改为气动装置，亦可用于危险场所;

4.结构简单易于制造，平时无需特殊维护技术，既使链条折断，因上下都固定在其它装置上，不会随物料排出引起事故，而且一但链条折断空程角度就会变为无限大，很容易由电路判断，自动发出故障信号;

下面结合附图，具体描述扭转链式料位变送器的构造：

图1为扭转链式变送器的总原理图。图中（1）为料仓，（2）为可以正反向转动的电动机，（3）和（6）为传动齿轮，（4）为摩擦离合器，（5）为电动机轴，（7）为竖轴，（8）为链条，（9）为链条上的翼状桨叶。

图2给出了链环的具体结构。每个链环都由上横梁（10）、下横梁（11）与左右桨叶共同组成。在下横梁（11）中央有尖端朝上的轴尖（12），它和下一节链环的上横梁中央的凹坑（13）配合，形成可以灵活旋转的支撑。由于凹坑朝下，物料中的粉尘不致积存。

上下横梁与左右桨叶最好用螺钉连接，既便于装配成链条，也利于根据料仓高度增减链环数目。

链条的材质只需具备一定的强度和耐磨损性能，别无特殊要求。如果物料有腐蚀性，可考虑用不锈钢、工程塑料或其它材质。

为使垂直悬挂的链条灵活扭转，应避免受物料的横向力而倾斜。又因链条和仓壁可能由不同的材质制成，热膨胀系数不完全相等，在温度变化时会引起链条张力过紧或过松。所以在竖轴与链条连接 处宜有弹性元件，使链条处于合适的张力之下。

下面介绍一下检测竖轴空程角度φ并将其转变为串行脉冲数的装置。我们设计了两种装置：磁头法和光电法。

先介绍磁头法，请参考附图3。图中（3）至（6）与图1中的零件代号相对应。在竖轴（7）的齿轮（6）旁安装有磁头（14），由于齿轮（6）为铁质，其齿在磁头前经过时将使得磁头线圈的电感量增大。

图4是磁头法检测转角的电路图，在电源E₁的作用下，经电阻R₁使磁头线圈L被直流偏置而磁化，只要电阻R₁足够大，磁头就不致饱和。在齿轮转动时，齿和槽交替扫过磁头的前方，线圈L的电感急剧变化，从而产生交变电势，经电容C₁隔直流之后送入放大器K₁，被放大后的波形近似方波，其脉冲数即磁头前扫过的齿数，正比于竖轴的转角。对于某一个检测周期而言，此转角即各自由链环沿某一方向扭转所经历的空程角度φ。

上述将转角变为串行脉冲数的方法也可以由光电装置来完成。该装置的原理图见图5。图中从光源（15）射出的光线，通过遮光板（17）射到光敏元件（18）上，当竖轴（7）转动时带动遮光板（17），使光敏元件（18）受脉冲光照射而产生电流脉冲，在电阻R₂上形成电压脉冲，然后经隔直流电容C₂送往放大器K₂，放大之后也能得到近似方波，其脉冲数与竖轴（7）的转角成正比。如果在光源前部安装一透镜（16），光线经透镜聚焦后效果更好。

上述两种办法都能将转角变为串行脉冲数，但二者中用磁头的方法更简单、可靠，而且成本低廉。

扭转链式料位变送器的驱动和检测电路可参看图6。单相交流电源通过开关S₁、S₂可使电动机正转，经过开关S₁、S₃则使电动机反转，图中C₀为分相电容，a、b和c、d为定子绕组。此电动机经齿轮、竖轴，带动链条的上端扭转。

时钟脉冲源CP产生的时钟脉冲经过分频器F之后，定期提供起动脉冲，它供给RS触发器的S端，使之置“1”，因而RS触发器将电源开关S₁闭合;同时起动脉冲还供给D触发器，使它翻转。假定翻转后的状态是Q端为“0”， Q端为“1”，则开关S₂闭合而S₃断开，电动机开始正转;在电动机转动之前，由于起动脉冲还供给计数器CN使之清零，所以齿轮转动之后磁头（14）所产生的脉冲被放大之后进入计数器，使之从零开始计数。

放大后的磁头脉冲除送往计数器外，还同时送往单稳延时电路T。该电路的延时大于正常情况下（包括电动机起动初期）输入磁头脉冲的周期，因此，在电动机转动过程中，T总是处于受激励的状态，只有当自由链环都朝某一方向挤紧之后，即摩擦离合器开始打滑之后，由于磁头脉冲不再到来，T才翻转至初始状态。这时T发出脉冲至门电路G，使计数器CN里的数据移往运算寄存器AR，同时T还使RS触发器的R端得到置“0”脉冲，于是其Q端变为“0”，开关S₁断开，电动机停止转动。

图6中的S₁、S₂、S₃最好由无触点开关元件担任，以上为说明原理方便起见，画成开关符号。

在运算寄存器AR中，首先用减法实现公式（2）中的nθ-φ，然后用乘法实现公式（2）中的料位高度H。选择适当的系数K，可直接显示料位的米数或仓内存料的吨数。

当下一个定时起动脉冲到达之后，上述过程重演一遍，但D触发器将使开关S₂断开，S₃闭合，因此电动机反转，计数器GN中的新数据将刷新上次的运算结果，从而显示器的数字也将更新。

起动脉冲的周期也就是料位采样周期，它可根据用户的需要通过分频器F的分频倍数灵活调整。

运算寄存器AR的运算结果除经过译码器DC送显示器DP之外，并经过数模转换D/A及电压电流变换V/I送出直流4～20毫安，供料位远传送之用。

必须指出，图6所示电路框图虽然表示成普通数字电路的形式，但其功能完全可以由微计算机实现，例如单片机系统不仅能使电路简化，而且功能还将进一步丰富，其实施方案不必详述。

Claims (6)

1、扭转链式料位变送器，由料位检测装置和驱动电路两部分构成，其特征为：它的料位检测装置由可正反转动的电动机(2)作为动力，经过摩擦离合器(5)及传动装置(3)、(6)带动竖轴(7)，竖轴下端伸入料仓(1)内，并悬挂带有桨叶并能使相邻链环相对扭转某一固定角度θ的链条，链环逐个相套，其间靠轴尖支撑，整个链条由n节链环串连而成，链条下端末一节链环也用轴尖支撑方式与料仓底部连接，所说的检测装置通过对竖轴空程角度Φ的检测，并计算出料位高度H：

H=k(nθ-Φ)

式中k为料位高度与空程角度之间的换算系数。

2、根据权利要求1所述的对竖轴空程角度φ的检测装置，其特征为它是一个磁头法检测装置：在竖轴（7）的铁质齿轮（6）旁安装有磁头（14），在电源E的作用下，经电阻R使磁头线圈L被直流偏置而磁化，当齿轮转动时，产生交变电势，经电容C隔直流后送入放大器K。

3、根据权利要求1所述的对竖轴空程角度φ的检测装置，其特征为它是一个光电装置：从光源（15）射出的光线通过遮光板（17）射到光敏元件（18）上，当竖轴（7）转动时带动遮光板（17），使光敏元件（18）受脉冲光照射而产生电流脉冲，在电阻R上形成电压脉冲，经直流电容C送往放大器F。

4、根据权利要求1所述的链条（8），其特征为每个链环均由左右两个翼状桨叶（9）、上横梁（10）和下横梁（11）共同组成，在下横梁（11）中央有尖端朝上的轴尖（12），它与下一节链环的上横梁中央的凹坑（13）配合，形成可灵活旋转的支撑。

5、根据权利要求4所述的链环，其特征为其上下横梁（10）、（11）与左右桨叶（9）间由螺钉连接。

6、根据权利要求1、4所述的扭转链式料位变送器，其特征为在竖轴（7）与链条（8）连接处装有弹性元件。

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