CN1028795C - 一种传感器 - Google Patents

Abstract

主要由支承在壳体上的由物料流量转换为相应轴转转动量的传感转动机构，将转动量转换成电量的转换细分装置，以及使二者相关衔接的连接构件(联轴器)构成。这种灵敏度高、成本低、抗干扰能力强的传感器解决了在工业技术中人们普遍认为难以解决的满管内、低流速、散粒物料流量、特别是瞬时流量的测量问题。

Description

本发明涉及的传感器，是一种用于散粒物料流量测量装置的传感器。本发明中所说的散粒物料是指诸如谷物、粉煤、沙糖、水泥等散粒状物料。本发明人尚未检索到关于适用于散粒物料在满管中流量测量的传感器的相关文献，而生产实践中却需要对散状物料流量进行测量。比如在小麦加工过程中，特别是使用自动化程度较高的成套加工设备时，往往要求对进入磨粉机的小麦流量进行监测控制，因磨粉机的工作技术条件确定后，进给小麦流量直接影响经磨粉机加工后的面粉产出率及质量。而目前国内小麦加工普遍采用肉眼观察和手动控制闸门的方式控制物料进给流量，仅有少数企业引进西蒙和瑞士小麦加工成套设备中带有测量装置，而这些装置测量方式多采用斗式称方式，即在连接磨粉机给料口的给料管路中设置有缓冲仓，斗式称需置放于缓冲仓前，则称得的重量不是进入磨粉机的小麦重量，而是进入缓冲仓的重量，因此只反映一段时间内的平均量，不能测得小麦进给磨粉机的瞬时流量，带来的问题是斗式称本身测量误差较大，另之用平均流量代替实际的瞬时流量再对进给磨粉机物料流量反馈控制显然有原理性误差。

本发明之目的在于提供一种能测得散粒物料瞬时流量的传感器，进一步目的是使这种传感器可直接安装于散粒物料输送管满管中以测得物料流量，再进一步目的是这种传感器能够输出表示物料流量的电量信息以便使其与现代计算技术及装置（如计算机）结合应用组成高自动化、高测量精度的散粒物料满管流量控制计量仪器。

本发明达到上述目的而采用的技术方案为：这种传感器，特别是用于在料管（1）中测量满管中散粒物料流量的传感器，它主要由支承在传感器壳体上的物料流量转换为相应轴转转动量的传感转动机构，将转动量转换成电量的转换细分装置，以及使二者衔接的连接构件（联轴器）构成，其中传感转动机构包括有：动配合支承于传感器壳体（4）（5）内可相对传感器转动的转轴，在转轴探出壳体部分的轴颈上相交固结有交线为螺旋线的螺旋叶片，该叶片为径向平叶片即其展开轮廓呈直线且直线垂直于转轴旋转方向，所说的转换细分装置或由轴角编码器组成，该编码器动轴通过联轴器与转轴相连接，则转轴转动使轴角编码器动作并输出将转轴转数（或轴角位置）转换为相对应的数字代码式电量信息;转换细分装置亦可制成圆光栅式转换细分装置，该装置是由圆光栅、指示光栅、光学照明系统及光电接收元件构成的，其中安装圆光栅的光栅轴通过联轴器与转轴相连接，则转轴转动使圆光栅相对指示光栅转动而产生莫尔条纹，莫尔条纹的明暗变化的光信息照射在光电接收元件上接收转换 并输出反映转轴转动量的电量信号，所说的连接构件的两连接端之间用于传递轴转扭矩的部分可选用挠性钢丝绳索（13）制作。所说的料管（1）的管内径与本传感器壳体（4）（5）外径按比例确定尺寸后，并根据被测散粒物料的不同确定容重后，则本传感器可实现满管内散粒物料流量的测量。

按上述方案制作的用于散粒物料流量测量装置的传感器有如下优点：首先用之能测量物料暖时流量;次之其体积小，能够方便的安装于物料输送管路的管内而实现满管测量;再次由于传感转动机构的螺旋叶片为径向平叶片，以各个垂直于转轴轴线的平面截切叶片时，相应截切处的叶片是垂直于转轴旋转方向的辐射状直线（忽略叶片厚度），这样即不易使转轴丢转（保证传感灵敏度、精度的技术手段之一），当叶片受力时在不同半径上可产生相同的转角，叶片本身亦几乎不占有料管横截面可避免料管出现堵塞现象;再有是转换细分装置或用轴角编码器或用圆光栅元件形式构成（提高灵敏度的主要技术手段），使本传感器可以数字代码形式输出电量信息，便于信号处理、简化处理电路、及便于与计算机结合组成各种用途的流量计量仪器;另外连轴器的传递轴转扭矩部分可用挠性钢丝绳索而使转换细分装置工作平稳、降低了被联接元件的同轴、平行装配条件;总之本发明提供的传感器是一种灵敏度高、精度高、成本低、抗干扰能力强的用于满管中散粒物料流量测量的传感器。本方案解决了在工业技术中人们普遍认为难以解决的满管内、低流速、散粒物料流量、特别是瞬时流量的测量问题。

图1为本发明所说的传感器结构示意图。图2为本传感器传感转动机构的转轴及相交固结螺旋叶片构造的结构示意图（仅画出了一个叶片）。图3为图2的俯视图（三个叶片）。图4为物料作用在螺旋叶片上作用力（矢量）沿叶片半径分布的示意图。图5为物料作用在螺旋叶片上而产生的转轴轴转速度沿半径分布的示意图，图6为连接构件（亦可称为联轴器）的结构示意图。图7为图6的A-A向剖面图，图8为光电轴角编码器式转换细分装置的结构示意图，图9为圆光栅式转换细分装置的原理及构造示意图，图10为图9的左视图（仅给出部分视图）。下面将结合附图给出的实施例对本发明详细描述。

参见图1，它给出了本传感器安装在输送物料管路中的使用状态总体结构示意图。由图1可见，使用时将本传感器置于料管（1）中，分别将支杆（2）、支管（3）一端固结于传感器壳体上，另一端固结在料管（1）内壁上而使传感器置中支承固定于料管（1）之中。本实施例传感器的壳体分别由可相对拆装且又固定连体的壳体（4）、壳体（5）构成，支承在壳体上（或内）的有传感转动机构、转换细分装置以及使二者相关衔接的连接构件（亦可称联轴器），其中传感转动机构包括转轴（6）、将转轴（6）滚动支承在壳体（4）上的上、下二个轴承（7）、上轴承（7）上端设置的密封盖（8）、探出壳体部分的转轴（6）的轴颈上固结的螺旋叶片（9）、以及转轴（6）顶端固结的流线体导引头（10）等零部件。其中转换细分装置为图1给出的光学轴角编码器（11）并将其固定于壳体（5）上，以底封（12）封闭于壳体内，该编码器的供电电源线及光电转换元件的输出信号导线均在支管（3）内走线。其中连接构件具有挠性钢丝绳索（13），其一端固结有用于与转轴（6）连接的联接柱（14），其另一端固结有与编码器动轴相连接的联接套（15），通过该联轴器将转轴（6）与编码器的动轴钢性连接。其工作过程为：散粒物料沿转轴（6）轴向方向顺料管（1）流动，冲击螺旋叶片（9）使其转动，并带动转轴（6）转动，再通过联轴器传递使光学轴角编码器（11）动轴转动工作，经编码器转换细分由其光电转换元件输出数字代码式电量信号，对这些电量信号进行处理、计算便可得到所测物料流量。

由上述零部件构成及工作过程来看，本发明所述传感器作用原理大体可分为二步传感，首先是将物料流量转换为转轴（6）转动量;接着是将转轴转动量转换为可进行数字化处理的电量。下面结合附图进一步描述。参见图2、图3。由转轴（6）及固结其上的螺旋叶片（9）构成第一步传感元件，亦是本传感器关键元件，其从敏感元件角度来看它是实现物料流量转换为转轴转量的元件;从运动学角度来看它亦是实现将物料的直线运动转换为转轴（6）的旋转运动，亦可以说是将物料流速转换为转轴（6）相应的转速;从力学角度来看则是其使流动的物料作用于叶片的冲力产生转轴（6）相对应的扭矩。

本发明所述传感器解决上述物理意义的问题采用的技术手段是螺旋叶片（9）选为径向平叶片，其展开轮廓呈直线且直线垂直于转轴（6）旋转方向，换句话说，当交线为螺旋线的螺旋叶片（9）相交固结（可焊接、铆接等）在转轴（6）轴颈上后，用垂直于转轴（6）轴线的平面截切叶片时，相应截切处的叶片是垂直于转轴旋转方向的辐射状态直线，而物料作用在螺旋叶片（9）上其作用力在螺旋曲面法向上的分力沿叶片半径方向是相等的（如图4所示），所产生的沿螺旋叶片半径方向分布的使转轴（6）转动的线速度方向亦是一致的（如图5所示）。

图6是图1中连接构件的放大图，公知公用的联轴器各类形式、种类很多，当然亦可用于本传感器上，本发明首推图6给出联轴器形式，其特点是用于传递扭矩的零件为挠性钢丝绳壳（13）（俗称多股钢绳，例如自行车闸线），它可用焊接、铆接等联接方式与联接柱（14）、联接套（15）固结。

上面所说第二步传感即为本传感器的转换细分装置，本发明提供了轴角编码器和光栅式转换细分装置二种形式，这二种形式在角度计量技术领域均系圆周分度的公知技术，例如光学轴角编码器在国内有市售系列产品，如光栅式分度头，测角仪等计量仪器，本发明任务仅是将其移植应用于散粒物料流量测量领域中，并将之与第一步传感巧妙的结合从而构成高分辩能力的传感器，因该部分系较成熟技术，下面仅参照附图略述，轴角编码器的种类很多，如电刷式、电容式、电感式等，本发明首推光电式轴角编码器。如将图1中的光电轴角编码器（11）剖开，其内部结构如图8所示、其包括由轴承（16）滚动支承的动轴（17）固结在动轴上的码盘（18）、照明元件（19）、光电接收元件（20）及信号处理电路（21），其工作原理为：由照明元件（19）发出光线照射到码盘（18）上，码盘由光学玻璃制成，其上刻有许多同心码道，每位码道上都按一定规律排列着若干透明和不透明的部分即亮区和暗区。通过亮区的光线形成一束很窄的光束照射在光电接收元件（20）上，接收元件通常用硅光二极管等，它们的排列与码道一一对应，光电二极管的各种信号组合反映出按一定规律编码的数字量，即代表动轴（17）的转角。

光栅式转换细分装置如图9、图10所示，它的安装位置、方式与图1中光电转角编码器（11）类同，不再冗述，所不同的仅是以光栅轴（图中未画出）替代动轴（17）与联轴的连接，它包括光栅轴上固结的主圆光栅（22）、与主圆光栅（22）保持一定间隙设置有一固定不动的指示光栅（23），以及含光源（24）、透镜（25）的照明系统，和光电接收元件（26），其工作原理为光源（24）安装在透镜（25）的焦点位置上，光束通过透镜（25）后变成平行光束，再通过光栅（22）（23）照射在光电接收元件（26）上，当主圆光栅（22）随着联轴器相对于指示光栅（23）转动时，产生莫尔条纹-明-暗地照射在光电接收元件（26）上，变成相应的电流变化，常用的光电接收元件有硅光电池、光电二、三级管等。

至于本传感器究竟选用什么形式的转换细分装置则需根据具体应用情况而定，如被测物料的流速不太低时则可选用光学轴角编码器。

下面再举一将本传感器用于小麦流量仪的实例，当条件为如下参数时：小麦磨粉机进给料管（1）直径Φ＝310毫米、小麦流速V＝0.0132米/小时、小麦容重为750克/升，探出壳体部分的转轴（6）的轴颈半径R＝22毫米、螺旋叶片（9）与转轴的夹角（相交固结处的螺旋升角）α＝30度、光学轴角编码器（11）每转输出脉冲数N＝2048、根据本传感器输出脉冲个数n与小麦流速V的关系式：

n＝ (tgα)/(2πR) ·N·V＝ (tg30°)/(2π×22（毫米）) ×2048·V＝8.6·V

此时本传感器可分辨6.6克重的小麦，此分辨率使小麦流量仪可获得小于1%的测量精度。

本发明实现的小麦流量仪经在面粉厂应用表明：该传感器能不失真地将低流速转换成电脉冲信号，解决了散粒物料在满管中的流量测量和控制问题，它不仅能应用在小麦加工、可在热电厂煤粉炉测定给煤量为节能和计算炉的热效率而对炉的技术改造提供依据，还可用于水泥厂原料配比、糖厂等方面。

Claims (3)

1、一种传感器，特别是用于在料管(1)中测量满管散粒物料流量的传感器，其特征在于，它主要由支承在传感器壳体上(或内)的由物料流量转换为相应轴转转动量的传感转动机构，将转动量转换成电量的转换细分装置，以及使二者衔接的连接构件(联轴器)构成，其中传感转动机构包括有动配合支承于传感器壳体(4)(5)内可相对传感器转动的转轴(6)，在转轴(6)探出壳体部分的轴颈上相交固结有交线为螺旋线的螺旋叶片(9)，该叶片为径向平叶片即其展开轮廓呈直线且直线垂直于转轴(6)旋转方向；所说的转换细分装置或由轴角编码器组成，该编码器通过联轴器与转轴(6)相连接，则转轴(6)转动使轴角编码器动作并输出将转轴(6)转数(或轴角位置)转换为相对应的数字代码式电量信息；转换细分装置亦可制成圆光栅式转换细分装置，该装置是由圆光栅、指示光栅、光学照明系统及光电接收元件构成的，其中安装圆光栅的光栅轴通过联轴器与转轴(6)相连接，则转轴(6)转动使圆光栅相对指示光栅转动而产生莫尔条纹，莫尔条纹的明暗变化的光信息照射在光电接收元件上接收转换并输出反映转轴(6)转动量的电量信号，所说的连接构件的两连接端之间用于传递轴转扭矩的部分可选用挠性钢丝绳索(13)制作，所说的料管(1)的管内径与本传感器壳体(4)(5)外径按比例确定尺寸后，并根据被测散粒物料的不同确定容重后，则本传感器可实现满管内散粒物料流量的测量。

2、按权利要求1所述传感器，其特征在于所说的轴角编码器可选用光学轴角编码器（11）。

3、按权利要求1所述的传感器，其特征在于所说的转轴（6）探出壳体部分的轴顶端固结有导引头（10）。

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