CN109459115B - 物位计浮子掉落保护装置和方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种物位计浮子掉落保护装置和方法，所述装置包括轮盘(2)、牵引线(7)、受力轮(4)、定向轮(5)、力传感器(3)，其中，所述轮盘(2)、所述受力轮(4)和所述定向轮(5)固定在所述物位计浮子掉落保护装置的安装面(1)上，所述受力轮(4)和所述定向轮(5)为定滑轮结构，其中，所述牵引线(7)的一端从所述轮盘(2)引出，依次绕经所述定向轮(5)的外侧、所述受力轮(4)的内侧，最后与浮子(6)相连，其中，所述力传感器(3)被安装在所述受力轮(4)上，用于检测所述受力轮(4)的受力大小，其中，在所述牵引线(7)的收放过程中，所述牵引线(7)与所述受力轮(4)的相切点和相切角度保持不变。

Description

物位计浮子掉落保护装置和方法

技术领域

本公开涉及物理量检测领域，用于计量仪器仪表行业，尤其涉及一种防止伺服物位计浮子掉落的保护装置及方法。

背景技术

在仓储计量中，经常使用伺服物位计、重锤物位计、伺服密度计等物位、物性感知设备，这些设备通常具有浮子传感器，悬挂于牵引下方，浮子牵引线缠绕在轮盘上，通过步进电机、伺服电机等动力转动输出装置带动轮盘正、反转动，浮子悬挂于牵引线的下方，轮盘正反转改变牵引线在轮盘上的缠绕圈数，从而带动浮子上升下降运动，再通过记录步进电机脉冲数等方式准确知道浮子位置，或使浮子到达指定目标高度测量。

在实际应用中，异常情况时有发生，如浮子被物料深埋无法提升、浮子上升过程被导向管或其他异物卡住无法提升、或浮子下放过程中由于晃动脱离原设计下行轨迹被异物托住无法下行等。伺服机构往往不能及时检测到这些情况，导致牵引线被过度拉伸或拉断，最终导致浮子掉落，或被拉伸变形失去测量精度，或牵引线丧失下垂力从牵引线轮盘迸开等故障的发生。浮子一旦掉落，牵引线一旦被拉断，打捞浮子，重新连接牵引线或只能换牵引线，重新标定精度等等是非常繁琐、费时的工作，维修周期的延长，给企业生产带来巨大损失，也大大增加维修成本。

因此，存在开发新型的物位计浮子掉落保护装置和方法的需求，其能够检测到浮子牵引线上受力的异常情况，从而后续可以通过人工或仪器进一步检查来排除外力故障点。

发明内容

考虑到现有技术的上述问题，发明人提出了本发明，其涉及物位计浮子掉落保护装置和方法，所述装置通过力传感器、AD数字化模块和一组滑轮力传递机构测量浮子牵引线上的受力变化，并将此力的变化转变成数字信号，通过数字接口发送给仪表主控系统，进而使仪表主控系统感知浮子是否上行被异物卡住或下行被异物托住，为主控系统是否需要迅速停车伺服机构给出参考，达到防止浮子上行被异物卡住后电机仍大力上提浮子导致牵引线被过度拉伸丧失计量精度，甚至浮子牵引线被拉断导致浮子掉落、或防止浮子下行被异物托住后电机仍然放线，导致牵引线丧失下垂力进而牵引线松散从牵引线轮盘迸开散乱的目的。本发明还给出了力的具体计算方法和计算公式。

所述装置和方法能够检测到浮子牵引线上受力的异常情况，如浮子牵引线上受力突然增大、突然减小方可立即停车动力输出，能有效避免浮子掉落，避免牵引线拉断等严重情况的发生。发生异常情况后，由于计量设备本身未受到机械性损坏，只需人为排除外力故障点就又可以正常工作了。所述装置整体采用本安型防爆设计，可用于爆炸性气体环境。

根据本发明的实施例，提供了一种物位计浮子掉落保护装置，其特征在于包括轮盘(2)、牵引线(7)、受力轮(4)、定向轮(5)、力传感器(3)，

其中，所述轮盘(2)、所述受力轮(4)和所述定向轮(5)固定在所述物位计浮子掉落保护装置的安装面(1)上，所述受力轮(4)和所述定向轮(5)为定滑轮结构，

其中，所述牵引线(7)的一端从所述轮盘(2)引出，依次绕经所述定向轮(5)的外侧、所述受力轮(4)的内侧，最后与浮子(6)相连，

其中，所述力传感器(3)被安装在所述受力轮(4)上，用于检测所述受力轮(4)的受力大小，

其中，在所述牵引线(7)的收放过程中，所述牵引线(7)与所述受力轮(4)的相切点和相切角度保持不变。

根据本发明的实施例，所述物位计浮子掉落保护装置还包括中央控制部件、通信接口和电源接口，

其中，所述中央控制部件分别与所述力传感器(3)、通信接口和电源接口连接，用于读取所述力传感器(3)的检测值，并通过所述通信接口发送到外部系统。

根据本发明的实施例，所述通信接口经由安全栅连接到所述外部系统。

根据本发明的实施例，所述电源接口经由安全栅连接到所述外部系统。

根据本发明的实施例，所述力传感器(3)的受力方向与定向轮(5)及所述受力轮(4)所受合力方向一致。

根据本发明的实施例，所述牵引线(7)与所述受力轮(4)具有相隔圆周角度为90度的两个相切点。

根据本发明的实施例，所述牵引线(7)与所述受力轮(4)具有相隔圆周角度为180度的两个相切点。

根据本发明的实施例，还提供了一种基于所述物位计浮子掉落保护装置的物位计浮子掉落保护方法，包括以下步骤：

步骤1、使所述轮盘(2)沿不同方向转动，从而收放所述牵引线(7)，进一步使所述浮子(6)做上升、下降运动；

步骤2、所述力传感器(3)连续检测受力数值；

步骤3、将所述受力数值与预定的正常数值相比较，如偏离则向外部系统发送报警信息。

根据本发明的实施例，当所述牵引线(7)与所述受力轮(4)具有相隔圆周角度为180度的两个相切点时，所述正常数值为2*m*g。

根据本发明的实施例，当所述牵引线(7)与所述受力轮(4)具有相隔圆周角度为90度的两个相切点时，所述正常数值为

本发明的有益效果如下：通过检测浮子牵引线上的受力变化来判断是否出现异常情况，从而能够保护计量设备本身不被损坏，将维修时间、维修成本降到最低。本发明适用于物位测量环境，如可燃粉尘或可燃气体等爆炸性环境，属于整体本安型设计。

附图说明

图1为根据本发明的实施例的物位计浮子掉落保护装置的原理示意图；

图2为说明根据本发明的位计浮子掉落保护装置的原理示意图；

图3为说明根据本发明的一个实施例的物位计浮子掉落保护装置的原理示意图；

图4为说明根据本发明的另一个实施例的物位计浮子掉落保护装置的原理示意图；

图5为说明根据本发明的实施例的物位计浮子掉落保护方法的流程示意图。

具体实施方式

下面，结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述。

本领域的技术人员能够理解，尽管以下的说明涉及到有关本发明的实施例的很多技术细节，但这仅为用来说明本发明的原理的示例、而不意味着任何限制。本发明能够适用于不同于以下例举的技术细节之外的场合，只要它们不背离本发明的原理和精神即可。

另外，为了避免使本说明书的描述限于冗繁，在本说明书中的描述中，可能对可在现有技术资料中获得的部分技术细节进行了省略、简化、变通等处理，这对于本领域的技术人员来说是可以理解的，并且这不会影响本说明书的公开充分性。

图1为根据本发明的实施例的物位计浮子掉落保护装置的电气结构的功能模块示意图。

如图1所示，本装置主体包含电气结构和力传递机构，其中电气结构(参见图1)主要包括：AD数字化模块、力传感器、通信接口和电源接口。其中，AD数字化模块分别与力传感器、通信接口和电源接口连接。通信接口和电源接口经由安全栅连接到外部其它设备(未示出)。

图2为根据本发明的实施例的物位计浮子掉落保护装置的力传递结构的示意图。

参见图2，力传递机构包括：安装面1、牵引线轮盘2、受力轮4、定向轮5(其中的符号“A”、“B”、“C”表示定向轮5可以被安装在不同位置)、浮子6、牵引线7。其中，牵引线7的走向是依次经过牵引线轮盘2、定向轮5、受力轮4、最后到达浮子6，即，牵引线7的一端固定在牵引线轮盘2上、缠绕并引出，牵引线7的另一端固定于浮子6。

具体地，作为示例，牵引线轮盘2位于安装面1的上部中央，受力轮4位于安装面1的下部偏右，且左沿与安装面1的纵向对称线相切，定向轮5能够位于围绕受力轮4在安装面1形成的圆周上(参见图2中由“A”、“B”、“C”连接的虚线)。受力轮4安装在所述电气结构的力传感器3上。

具体地，牵引线7缠绕在牵引线轮盘2上，牵引线7的一端从牵引线轮盘2引出与定向轮5的外沿相切，并在定向轮5上形成向内的压迫力，后再与受力轮4的内沿相切，并在受力轮4上形成向外的压迫力，牵引线7绕过受力轮4与浮子6相连，对浮子6形成牵引。这样，受力轮4将承受两个力，一个力是浮子6的重力F1，另一个力是朝向定向轮的拉力F2，因定向轮5和受力轮4位置一旦固定，则这两个力F1和F2的角度被固定下来保持不变，所以受力轮4承受的合力F3的大小与这两个力F1和F2的大小成固定比例关系，又由于定受力轮4是定滑轮，根据定滑轮特性可知：力F1与力F2相等。

由此可见，设置所述定向轮，随着所述牵引线的收放使所述牵引线轮盘直径不断变化，所述定向轮使所述牵引线与所述受力轮的相切点和相切角度保持不变，避免因所述牵引线与所述受力轮的相切点和相切角度的不断变化而导致的力的计算的不确定性。

此外，可选地，所述受力轮和所述定向轮上装有轴承或其他将滑动摩擦力转变为滚动摩擦力或其他有效降低滑动摩擦力的装置。

此外，可选地，所述受力轮、所述定向轮上设有凹槽、凸点、凹坑、齿纹、胶皮等防止所述牵引线从所述受力轮、定向轮滑落、打滑的装置。

此外，由于所述力传递机构的独立性，此力传递机构不改变仪表主控系统的测量原理和浮子运行方向，不破坏主控系统的电气结构，对浮子牵引线材质、型式无要求，所以所述牵引线可以是绳类、钢丝、钢带、电缆等其他可以达到牵引效果的任何装置。所述受力轮与所述定向轮的相互位置不局限于某一个固定位置，而是可以让所述牵引线在所述受力轮上产生固定角度合力的任意固定位置。

其中，所述力传感器的安装方向应使力传感器的受力方向与所述受力轮所受合力方向一致。所述力传感器的受力计算方法采用的是“力的平行四边形法则”和三角函数余弦公式。

由上可见，所述防止物位计浮子掉落的保护装置适应性广泛，所述浮子可以是重锤、传感器等任何有质量的物体。

下面描述此保护装置的工作方式。

牵引线7缠绕在牵引线轮盘2上，步进电机等伺服机构(未示出)带动牵引线轮盘2的正转、反转，实现牵引线7在牵引线轮盘2上的缠绕圈数变化，进而改变牵引线的7的收放长度。其中，因步进电机等伺服机构属仪表主控系统，与本发明的关系不大，此处提及是为方便说明本发明的工作原理。

随后，牵引线7穿过由受力轮4和定向轮5构成的滑轮结构，最终带动牵引线7另一端悬挂的浮子6做上升、下降运动。正常运行时，受力轮4只受浮子6的重力F1和牵引线7的拉力F2(其他摩擦力可忽略)，且F1等于F2。当发生浮子6上升被卡时F1增大，当发生浮子6下行被卡或没入液体产生浮力时F1变小，此力的变化被力传感器3检测，经AD变送模块转变成数字信号，通过数字接口发送给主控系统，使得主控系统感知浮子被卡状态。

经由上述滑轮机构而向力传感器3传递拉力(而不是将牵引线直接搭接或固定在力传感器3上)的作用在于，减小牵引线7在力传感器3上滑过时产生的摩擦力干扰力传感器3对目标力的测量。

由于在受力轮4旁边装有定向轮5，定向轮5能够使牵引线7以任意的固定角度∠A1与受力轮4相切，角度∠A1决定了各个分力F1、F2与合力F3的比例关系，牵引线7在牵引线轮盘2上的缠绕圈数变化会导致牵引线轮盘2的直径变化，定向轮5的出现避免因牵引线轮盘2的直径变化而导致∠A1的角度跟着变化影响力的测量。

定向轮5与受力轮4的角度∠A1一旦确定，浮子6所受重力F1和牵引线7上的拉力F2所形成的合力F3将通过受力轮4加载到力传感器3上，且此合力的方向和作用点都固定不变，因此合力F3与牵引线上的受力F1形成不变的几何比例关系，通过测量此合力F3的变化便间接得到牵引线的受力F1的变化。

在浮子6未受到除重力以外的其他力的前提下F1等于浮子6所受重力，如果浮子6受到额外的托举力或上升被卡阻力，则F1发生变化，进而导致F3的变化，F3的变化将通过力传感器3经由AD数字化模块和通讯接口传递到主控系统，主控系统接收到此异常受力值后迅速做出停车响应，从而保护牵引线7不被拉断、或过度下放浮子6导致的牵引线7从牵引线轮盘2上迸开。

下面，通过具体实施例1和2来阐述具体计算过程。

实施例1：拉力F2与重力F1成90度角的情况(如图3所示)

据定滑轮的特性得知，滑轮两侧的力相等，即F2＝F1，

已知∠A1＝90°假设浮子6质量为m，重力加速度为g，

则F1＝m*g (式1)

所以F1是个已知量，根据力的平行四边形算法得知

F31＝F2*COS(∠A2) (式2)

F32＝F1*COS(∠A3) (式3)

其中F1＝F2 (式4)

合力F3＝F31+F32 (式5)

将式1、式2、式3、式4带入式5，可得合力

F3＝m*g*(COS(∠A2)+COS(∠A3))；(式6)

由此可见力传感器3所受合力与浮子6的质量成固定比例关系

又∠A2＝45°

所以

又∠A3＝45°

所以

将式7、式8带入式6可得合力F3的值为

说明正常情况下F3只受浮子6重力影响，如果发生异常，比如浮子6被卡，相当于浮子6失重、超重，则F3将发生变化。

实施例2拉力F2与重力F1成0度角情况(如图4所示)

根据定滑轮的特性得知滑轮两侧的力相等，即F2＝F1，假设浮子质量为m，重力加速度为g，

则F1＝m*g； (式1)

所以F1是个已知量，根据合力平行四边形算法得知

F31＝F2*COS(∠A2)； (式2)

F32＝F1*COS(∠A3)； (式3)

其中F1＝F2； (式4)

合力F3＝F31+F32； (式5)

将式1、式2、式3、式4带入式5可得合力

F3＝m*g*(COS(∠A2)+COS(∠A3))； (式6)

由此可见力传感器3所受合力与浮子6所受重力成固定比例关系

又∠A2＝0°所以得

COS(∠A2)＝1 (式7)

又∠A3＝0°所以得

COS(∠A3)＝1 (式8)

将式7、式8带入式6可得合力F3的值为

F3＝2*m*g；

实施例总结

以上实施例只是所有实施例中的两个，根据受力轮4和定向轮5的位置不同，∠A1可以出现任意小于180°角度，此处只选取两个角度做计算说明，其他角度也适用于本计算方法。

由以上实施例可以得出结论：本发明装置通过测量合力F3完全能线性反应浮子牵引线上的受力变化，进而反应浮子是否受到除去重力以外的其他力的干扰，从而感知浮子状态，进而保护牵引线不被拉伸过度或被拉断，防止浮子掉落，本发明完全实现设计初衷。

此外，本发明还提供了基于所述物位计浮子掉落保护装置的物位计浮子掉落保护方法，包括以下步骤：

步骤S100、使所述轮盘2沿不同方向转动，从而收放所述牵引线7，进一步使所述浮子6做上升、下降运动；优选地，转动速度为匀速，从而所述上升、下降运动也为匀速，以使受力数值更为精确、稳定。

步骤S200、所述力传感器3连续检测受力数值；

步骤S300、将所述受力数值与预定的正常范围相比较，如偏离则向外部系统发送报警信息；

例如，可以理解，在上述实施例1和2的情况下，所述正常范围分别为以

和2*m*g为中心的一定区间。

由上，将理解，为了说明的目的，这里已描述了本发明的具体实施例，但是，可作出各个修改，而不会背离本发明的范围。本领域的技术人员将理解，流程图步骤中所绘出或这里描述的操作和例程可以多种方式变化。更具体地，可重新安排步骤的次序，可并行执行步骤，可省略步骤，可包括其它步骤，可作出例程的各种组合或省略。因而，本发明仅由所附权利要求限制。

Claims (10)

1.一种物位计浮子掉落保护装置，其特征在于包括轮盘(2)、牵引线(7)、受力轮(4)、定向轮(5)、力传感器(3)，

其中，所述轮盘(2)、所述受力轮(4)和所述定向轮(5)固定在所述物位计浮子掉落保护装置的安装面(1)上，所述受力轮(4)和所述定向轮(5)为定滑轮结构，

其中，所述定向轮(5)位于围绕所述受力轮(4)在所述安装面(1)形成的圆周上，

其中，所述牵引线(7)的一端从所述轮盘(2)引出，依次绕经所述定向轮(5)的外侧、所述受力轮(4)的内侧，最后与浮子(6)相连，

其中，所述力传感器(3)被安装在所述受力轮(4)上，用于检测所述受力轮(4)的受力大小，

其中，在所述牵引线(7)的收放过程中，所述牵引线(7)与所述受力轮(4)的相切点和相切角度保持不变，所述牵引线(7)与所述受力轮(4)保持滚动摩擦状态。

2.根据权利要求1所述的物位计浮子掉落保护装置，其特征在于还包括中央控制部件、通信接口和电源接口，

其中，所述中央控制部件分别与所述力传感器(3)、通信接口和电源接口连接，用于读取所述力传感器(3)的检测值，并通过所述通信接口发送到外部系统。

3.根据权利要求2所述的物位计浮子掉落保护装置，其特征在于，所述通信接口经由安全栅连接到所述外部系统。

4.根据权利要求3所述的物位计浮子掉落保护装置，其特征在于，所述电源接口经由安全栅连接到所述外部系统。

5.根据权利要求1所述的物位计浮子掉落保护装置，其特征在于，所述力传感器(3)的受力方向与定向轮(5)及所述受力轮(4)所受合力方向一致。

6.根据权利要求1所述的物位计浮子掉落保护装置，其特征在于，所述牵引线(7)与所述受力轮(4)具有相隔圆周角度为90度的两个相切点。

7.根据权利要求1所述的物位计浮子掉落保护装置，其特征在于，所述牵引线(7)与所述受力轮(4)具有相隔圆周角度为180度的两个相切点。

8.一种基于权利要求1至7中的一个所述的物位计浮子掉落保护装置的物位计浮子掉落保护方法，包括以下步骤：

步骤1、使所述轮盘(2)沿不同方向转动，从而收放所述牵引线(7)，进一步使所述浮子(6)做上升、下降运动；

步骤2、所述力传感器(3)连续检测受力数值；

步骤3、将所述受力数值与预定的正常数值相比较，如偏离则向外部系统发送报警信息。

9.根据权利要求8所述的物位计浮子掉落保护方法，其特征在于，当所述牵引线(7)与所述受力轮(4)具有相隔圆周角度为180度的两个相切点时，所述正常数值为2*m*g。

10.根据权利要求8所述的物位计浮子掉落保护方法，其特征在于，当所述牵引线(7)与所述受力轮(4)具有相隔圆周角度为90度的两个相切点时，所述正常数值为

Images