CN102879064B - 基于浮力称重传感原理的可变速给料的定量称量系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于在线定量称量及其自控系统技术领域，特别涉及一种基于浮力称重传感原理的可变速给料的定量称量系统。其机械系统，由：送料机构，给料机，称量筒机构，传递称重时的定量称量力值的杠杆机构，卸料机构，卸料筒，传力杆，浮力称重传感器和可调整定量称量值的砝码组成；其PLC测控系统，由：L/V变化及电压放大模块、滤波器模块、A/D转换模块、PLC中央处理模块、显示模块、继电器部分及给料机、电磁铁控制装置组成。其基本原理是，当浮力称重传感器将所测得的重量值与预设的重量值范围进行比较后，其输出的电信号值达到预先设定的信号值时，即通过PLC测控系统对给料机进行快、慢控制，从而达到提高生产效率、提高计量准确度的双重目的。

Description

基于浮力称重传感原理的可变速给料的定量称量系统

技术领域

本发明属于在线定量称量及其自控系统技术领域，特别涉及一种基于浮力称重传感原理的可变速给料的定量称量系统。

背景技术

在现代工业生产中，为控制物料的瞬时称量值所进行的在线实时计量，和对物料进行的在线定量称量，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。

目前的物料在线定量称量技术，常用的方法有：冲量法、体积法、辐射吸收法、质量法、重力法等，其中普遍应用的是重力法。上述在线称重技术除重力法外，其余的计量方法其计量精度均不高，很难满足现代工业生产的需求。

重力法目前所普遍应用的是电阻应变式称重传感技术。它的基本原理是：重力作用在传感器的应变片上，应变片产生的形变引起其电阻的改变，再将该电阻的变化转换成电压信号，从而实现称量的目的。该项技术易于用计算机控制以进行称重计量，所以多数定量称量系统均使用此原理，应用广泛。但电阻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，其计量准确度在目前的技术水平上已难以再提高。

为了满足现代工业生产对在线定量称量高准确度计量技术的需求，本发明人发明了“基于浮力称重传感原理的定量称量系统”(专利号：ZL200910013819.0)，本发明就是在上述发明的基础上所做的进一步发明。

本发明通过快速给料功能可达到提高生产效率的目的；通过慢速给料功能可达到精准给料，以实现提高计量准确度的目的。

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：ZL200910013819.0；发明名称：基于浮力称重传感原理的定量称量系统。专利权人：孔令宇；发明人：孔令宇，孔祥鼒；授权公告日：2010年10月27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：其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，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。

3.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上述两项发明专利的发明人之一。

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，以探测液位。

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在提高计量准确度的基础上提高生产效率这一技术问题，从而提供一种基于浮力称重传感原理的可变速给料的定量称量系统。它是一种无蠕变及零点漂移等技术缺陷的、呈线性函数关系的、分级输出强弱电信号的浮力称重传感新技术。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于浮力称重传感原理的可变速给料的定量称量系统，由以下机构组成：(一)、由电机(1)、减速机(2)、螺旋绞叶(3)、送料箱(4)与处于送料箱的下料口位置的用于调节下料流量的可调仓门(5)组成的送料机构；(二)、位于送料箱的下料口下方的给料机(6)；(三)、处于给料机的泄料口下方的用于承接物料以进行称量的称量筒(7)，与装在称量筒的卸料口位置的卸料活门(10)组成的称量筒机构；(四)、其力臂比值为定值的杠杆(18)，固定在力臂比值为定值的杠杆外端的可自由活动的端点活节(16)，与吊接在端点活节上的砝码筒(15)，固定在独立支座上的中间支点(17)，固定在称量筒外壁上的力点(19)组成的传递称重时的力值的杠杆机构，该杠杆机构中的力臂比值为定值的杠杆的另一端与称量筒上的力点挂接。；(五)、固定在称量筒上的电磁铁(8)，与电磁铁的活动铁芯及称量筒机构的卸料活门分别连接的卸料活门杠杆系统(9)组成的卸料机构；(六)、装在卸料活门下方的导出称量后的物料的卸料筒(11)；(七)、装在砝码筒内的可更换不同质量值的用于调整定量称量值的砝码(14)；(八)、固定在称量筒外壁上的传递被称量的力值至浮力称重传感器的传力杆(13)；(九)、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电信号的浮力称重传感器(12)；(十)、PLC控制系统；共十部分组成。

本发明的特征在于，该基于浮力称重传感原理的可变速给料的定量称量系统，由其PLC控制系统接收浮力称重传感器根据不同量值实时输出的相应的电信号，并与设定值进行比较后，从而改变给料机的给料速度，以达到可实现快慢速不同给料量的目的。

本发明由机械系统和PLC测控系统两部分组成。

机械系统由：

送料机构，给料机，称量筒机构，传递称重时的定量称量力值的杠杆机构，卸料机构，卸料筒，传力杆，浮力称重传感器和可调整定量称量值的砝码组成。装在送料机构的送料箱内的物料由螺旋绞叶推进下泄至给料机中，送料机构送料量的多少通过可调仓门调节。给料机开始接收的是强信号，物料经给料机不断的快速、均匀地流向称量筒中。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在不断的快速加大。由于力臂比值为定值的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。当不断加大的料重力矩减掉浮力的反作用力矩后的力矩差值大于砝码的力矩定值时，力臂比值为定值的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先设定的弱信号值时，即通过PLC测控系统控制给料机由快速转换为慢速工作。当浮力称重传感器输出的电信号值继续变化，达到设定的完成称量工作的定量值的电信号值时，即通过PLC测控系统控制送料机构和给料机停止工作、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筒导入工作位置。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。

PLC测控系统：

PLC控制系统则由L/V变化及电压放大模块、滤波器模块、A/D转换模块、PLC中央处理模块、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：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PLC中央处理模块进行处理。处理过程包括：①将输入的数字量转化量值显示输出；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、电磁铁装置进行选通控制，然后对给料机进行快、慢控制，以达到提高生产效率、提高计量准确度的双重目的。

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，计量准确度高、稳定性强；3.实现了快、慢给料的功能后，可达到提高生产效率、提高计量准确度的双重目的；4.PLC编程方便快捷，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、生产效率高、可靠性强、稳定性好等技术优势。

附图说明

图1、机械系统结构图；

图2、PLC控制系统框图；

图3、PLC测控系统软件设计方案框图。

图1中：1-电机，2-减速机，3-螺旋绞叶，4-送料箱，5-可调仓门，6-给料机，7-称量筒，8-电磁铁，9卸料活门杠杆系统，10-卸料活门，11-卸料筒，12-浮力称重传感器，13-传力杆，14-砝码，15-砝码筒，16-端点活节，17-中间支点，18-力臂比值为定值的杠杆，19-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：

送料机构的可调仓门5用于调节下料流量的大小，其螺旋绞叶3的最佳方案是若干单片绞叶的组合，以便于拆卸。给料机6的最优方案是选用座式电振给料机。用于打开卸料活门10的电磁铁8固定在称量筒7上，电磁铁8的活动铁芯通过卸料活门杠杆系统9与卸料活门10联接。浮力称重传感器12的位置是固定的，其轴线最佳位置是铅垂方向的，且与称量筒7的轴线平行，其平行距是设定的定值。传力杆13固定在称量筒7上，其轴线与浮力称重传感器12的轴线完全重合，当称量筒7因不断加大的物料重量的变化而产生位移时，通过传力杆13可使浮力称重传感器12的位移件与之同步位移，从而产生不断变化着量值的电信号。称重杠杆机构的力臂比值为定值的杠杆18，其中间支点17至力点19和端点活节16的力臂比值，最优方案是选用1∶1。中间支点17固定在位置固定的独立的支座上，力点19固定在称量筒7上，杠杆系统另一端的端点活节16与砝码筒15是活动吊接。砝码14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14。称量完毕的物料卸出后，通过卸料筒11导入接纳物料的工作位置。

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、滤波器模块、A/D转换模块、PLC中央处理模块、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：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PLC中央处理模块进行处理。处理过程包括：①将输入的数字量转化量值显示输出；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、电磁铁装置进行选通控制，然后对给料机进行快、慢控制。

其软件设计方案框图如图3所示，其控制基本原理是运用梯形图语言采用自上至下的设计方法，系统初始化主要完成PLC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PLC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，关闭电机及给料机；当实际测量值小于设定值时，启动电机及给料机的工作。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，PLC数据采集器的高速特性保证了PLC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PLC很容易实现与单片机的接口及实现各种各样的规约。PLC测控系统的软件设计采用自顶向下的设计方法，首先把软件设计划分为不同的模块，规定模块的功能，然后再具体实现。根据软件实现功能的不同，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PLC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PLC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。

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，经滤波器滤波后送入A/D转换器；A/D转换模块完成模拟信号到数字信号的转换，PLC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，用比较后得到的值对继电器、电磁铁装置进行选通控制，然后对给料机进行快、慢控制。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PLC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PLC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，关闭电机及给料机，当实际测量值小于设定值时，启动电机及给料机的快、慢速工作。

Claims (1)

1.一种基于浮力称重传感原理的可变速给料的定量称量系统，由：电机(1)、减速机(2)、螺旋绞叶(3)、送料箱(4)与处于送料箱下料口位置的调节下料流量的可调仓门(5)组成的送料机构；和位于送料箱的下料口下方的给料机(6)；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(7)、与装在称量筒的卸料口位置的卸料活门(10)组成的称量筒机构；和力臂比值为定值的杠杆(18)、固定在力臂比值为定值的杠杆外端的可自由活动的端点活节(16)、与端点活节吊接的砝码筒(15)、固定在独立支座上的中间支点(17)、固定在称量筒外壁上的力点(19)组成的传递称重时的力值的杠杆机构，该机构中的力臂比值为定值的杠杆的另一端与称量筒上的力点挂接；和固定在称量筒上的电磁铁(8)、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(9)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筒(11)；和装在砝码筒内的可更换不同质量值的用于调整定量称量值的砝码(14)；和固定在称量筒外壁上的传递被称量的力值至浮力称重传感器的传力杆(13)；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电信号的浮力称重传感器(12)；和PLC控制系统组成，其特征在于：该基于浮力称重传感原理的可变速给料的定量称量系统，由其PLC控制系统接收浮力称重传感器根据不同量值实时输出的相应的电信号，并与设定值进行比较后，从而改变给料机的给料速度，以达到可实现快慢速不同给料量的目的。