專利名稱：扭轉鏈式料位變送器的制作方法
扭轉鏈式料位變送器屬于一種對粉末或顆粒狀物料的料位進行自動檢測的設備。
工業生產過程里常遇到粉末或顆粒狀原料、半成品或產品，特別是在糧食、飼料、化肥、農藥、建材、冶金等工業中尤為常見。密閉料倉或設備內部這類物料的料位高低，對于安全連續地自動化生產至關重要，必須有料位自動檢測手段。
目前通用的料位檢測設備，通常分為越限報警式和連續檢測式兩大類。其中越限報警式的原理有超聲、激光、壓力開關、應變片、音叉、旋槳等，只提供越限報警信號，不能對料位變化進行連續檢測;而連續檢測式料位計目前也還很不完善，例如電容式料位變送器要利用高頻電路，不易調整與維護，且當物料中含有水分時對檢測結果有明顯的影響;重錘式料位探測器利用繩索懸掛重錘，可靠性欠佳;稱重式料位計精度不高，安裝又十分不便;電阻式料位計易受溫度和濕度的影響;放射式料位計有輻射污染。
僅以現有的回轉輪式料位訊號器為例(見秦永烈編《物料測量儀表》，機械工業出版社，1978年)。它由同步電機、齒輪、蝸輪-蝸桿、微動開關、旋轉翼輪等組成。同步電機通過齒輪對、蝸輪-蝸桿帶動回轉翼輪旋轉。當翼輪觸及物料時，受到阻力停止轉動，但在電動機作用下，蝸桿軸繼續轉動，并沿蝸輪切向向前移動。壓縮彈簧推動微動開關切斷電機電源，同時閉合報警觸點，發出信號;當料位低于回轉翼輪時，阻力消除，彈簧力推動蝸桿退到原來位置，微動開關復原，電機重新正常運行。回轉翼輪式料位訊號器由于回轉翼輪處在固定位置，因此不能對物料的變化進行連續檢測。
為了能夠迅速、安全、方便又可靠地連續檢測料位，特發明了扭轉鏈式料位變送器。
扭轉鏈式料位變送器主要原理如下
本發明由料位檢測裝置和驅動電路組成。
在料倉的頂部安有一可以正反向轉動的電動機，電動機經過摩擦離合器及傳動裝置帶動豎軸，豎軸下端伸入料倉內，并懸掛帶有槳葉的鏈條。鏈環逐個相套，其間靠軸尖支撐，使相鄰兩鏈環能相對扭轉某一固定角度θ，此角度即相鄰的兩鏈環對于扭轉運動的空程，θ的大小與鏈環的幾何尺寸有關。
設整個鏈條由n節鏈環相串而成，鏈條下端最末一節鏈環也用軸尖支撐方式與料倉底部連接，則豎軸的總空程角度便是φn，此處φn＝nθ (1)當料倉內的料位升高之后，必然有一段鏈環被物料所掩埋，其槳葉受物料所阻不能自由扭轉，而料位以上的各節鏈環仍可正向或反向轉動，這時豎軸的扭轉空程角度φ比空倉狀態下的nθ要小。料位越高，φ就越小。如果物料充滿料倉，使與豎軸直接相連的第一節鏈環也被物料所埋沒，則空程角度φ＝0。所以空程角度φ與料位高度成反比。
由于空倉狀態下的最大空程nθ是一常數，只要把有物料時的空程角度φ測出，用下列關系可以求出料位高度HH＝k(nθ-φ)(2)式中k為料位高度與空程角度間的換算系數，在料倉高度和鏈條結構不變的情況下k為常數。
為了測出空程角度φ，只需使電動機定期正向、反向轉動，每當暴露在料位以上的各節鏈環都朝同一個方向扭轉到相互擠緊時，豎軸便不能再按原方向繼續轉動，這時離合器開始打滑，既使電動機仍在轉動也不致因負載過大而發熱，同時也保證了被物料掩埋的鏈環不會因轉矩過大而轉動。其實，電路設計已能在離合器打滑后很短時間內就自動切斷電源，鏈條就會維持在這一狀態下不再轉動。
下一個檢測周期開始時，由于驅動系統的作用，控制電動機按相反的方向轉動，于是峋突崾沽刺跎隙順硪環較蚺ぷ鋇獎┞對諏銜灰隕系母鞲雋椿煩硪環較蚺ぷ較嗷ゼ方羰蔽梗饈崩牒掀饔摯即蚧婧蟮緇Ｖ梗卻亂桓黽觳庵芷凇 如此周而復始，鏈條上端總是一正一反地扭轉，在相鄰的兩次動作之間的角度差就是空程角度φ。按照本申請案后部所述的實施例，很容易把空程角度φ變為串行電脈沖數，通過計數、運算，顯示出料位高低。
盡管鏈條由一節節鏈環所組成，物料對槳葉的接觸也是逐節掩埋或逐節暴露的，但是空程角度φ的變化并不是階梯狀突變，而有較好的連續性。這是因為物料對槳葉的運動阻力與接觸面積有關，當料位稍高于槳葉下邊沿時，槳葉轉動會推動物料在槳葉前形成堆積，扭轉角度越大堆積越高，對槳葉運動的阻力也就越大。即其扭轉角度可以在0-θ之間變化。況且相鄰鏈環互相套接，其槳葉交錯，在約占鏈環一半的范圍里上下兩節鏈環同時對物料起作用，這種重疊性保證了檢測結果的可靠和連續。
扭轉鏈式料位變送器的特點是1.除物料對槳葉的運動阻力以外，不受其它物性的影響，因此適用于絕大多數粉末或顆粒狀物料;
2.對工作環境條件要求不高，料倉內即使有粉塵、氣流、高溫、高濕、電磁場干擾，也不會直接妨礙正常工作，如果鏈條由防腐材料制成，也能用于腐蝕性物料;
3.料倉內無帶電體，如果外電路有安全火花防爆措施，將電動機改變氣動裝置，亦可用于危險場所;
4.結構簡單易于制造，平時無需特殊維護技術，既使鏈條折斷，因上下都固定在其它裝置上，不會隨物料排出引起事故，而且一但鏈條折斷空程角度就會變為無限大，很容易由電路判斷，自動發出故障信號;
下面結合附圖，具體描述扭轉鏈式料位變送器的構造

圖1為扭轉鏈式變送器的總原理圖。圖中[1]為料倉，[2]為可以正反向轉動的電動機，[3]和[6]為傳動齒輪，[4]為摩擦離合器，[5]為電動機軸，[7]為豎軸，[8]為鏈條，[9]為鏈條上的翼狀槳葉。
圖2給出了鏈環的具體結構。每個鏈環都由上橫梁[10]、下橫梁[11]與左右槳葉共同組成。在下橫梁[11]中央有尖端朝上的軸尖[12]，它和下一節鏈環的上橫梁中央的凹坑[13]配合，形成可以靈活旋轉的支撐。由于凹坑朝下，物料中的粉塵不致積存。
上下橫梁與左右槳葉最好用螺釘連接，既便于裝配成鏈條，也利于根據料倉高度增減鏈環數目。
鏈條的材質只需具備一定的強度和耐磨損性能，別無特殊要求。如果物料有腐蝕性，可考慮用不銹鋼、工程塑料或其它材質。
為使垂直懸掛的鏈條靈活扭轉，應避免受物料的橫向力而傾斜。又因鏈條和倉壁可能由不同的材質制成，熱膨脹系數不完全相等，在溫度變化時會引起鏈條張力過緊或過松。所以在豎軸與鏈條連接處宜有彈性元件，使鏈條處于合適的張力之下。
下面介紹一下檢測豎軸空程角度φ并將其轉變為串行脈沖數的裝置。我們設計了兩種裝置磁頭法和光電法。
先介紹磁頭法，請參考附圖3。圖中[3]至[6]與圖1中的零件代號相對應。在豎軸[7]的齒輪[6]旁安裝有磁頭[14]，由于齒輪[6]為鐵質，其齒在磁頭前經過時將使得磁頭線圈的電感量增大。
圖4是磁頭法檢測轉角的電路圖，在電源E1的作用下，經電阻R1使磁頭線圈L被直流偏置而磁化，只要電阻R1足夠大，磁頭就不致飽和。在齒輪轉動時，齒和槽交替掃過磁頭的前方，線圈L的電感急劇變化，從而產生交變電勢，經電容C1隔直流之后送入放大器K1，被放大后的波形近似方波，其脈沖數即磁頭前掃過的齒數，正比于豎軸的轉角。對于某一個檢測周期而言，此轉角即各自由鏈環沿某一方向扭轉所經歷的空程角度φ。
上述將轉角變為串行脈沖數的方法也可以由光電裝置來完成。該裝置的原理圖見圖5。圖中從光源[15]射出的光線，通過遮光板[17]射到光敏元件[18]上，當豎軸[7]轉動時帶動遮光板[17]，使光敏元件[18]受脈沖光照射而產生電流脈沖，在電阻R2上形成電壓脈沖，然后經隔直流電容C2送往放大器K2，放大之后也能得到近似方波，其脈沖數與豎軸[7]的轉角成正比。如果在光源前部安裝一透鏡[16]，光線經透鏡聚焦后效果更好。
上述兩種辦法都能將轉角變為串行脈沖數，但二者中用磁頭的方法更簡單、可靠，而且成本低廉。
扭轉鏈式料位變送器的驅動和檢測電路可參看圖6。單相交流電源通過開關S1、S2可使電動機正轉，經過開關S1、S3則使電動機反轉，圖中C0為分相電容，a、b和c、d為定子繞組。此電動機經齒輪、豎軸，帶動鏈條的上端扭轉。
時鐘脈沖源CP產生的時鐘脈沖經過分頻器F之后，定期提供起動脈沖，它供給RS觸發器的S端，使之置“1”，因而RS觸發器將電源開關S1閉合;同時起動脈沖還供給D觸發器，使它翻轉。假定翻轉后的狀態是Q端為“0”，Q端為“1”，則開關S2閉合而S3斷開，電動機開始正轉;在電動機轉動之前，由于起動脈沖還供給計數器CN使之清零，所以齒輪轉動之后磁頭[14]所產生的脈沖被放大之后進入計數器，使之從零開始計數。
放大后的磁頭脈沖除送往計數器外，還同時送往單穩延時電路T。該電路的延時大于正常情況下(包括電動機起動初期)輸入磁頭脈沖的周期，因此，在電動機轉動過程中，T總是處于受激勵的狀態，只有當自由鏈環都朝某一方向擠緊之后，即摩擦離合器開始打滑之后，由于磁頭脈沖不再到來，T才翻轉至初始狀態。這時T發出脈沖至門電路G，使計數器CN里的數據移往運算寄存器AR，同時T還使RS觸發器的R端得到置“0”脈沖，于是其Q端變為“0”，開關S1斷開，電動機停止轉動。
圖6中的S1、S2、S3最好由無觸點開關元件擔任，以上為說明原理方便起見，畫成開關符號。
在運算寄存器AR中，首先用減法實現公式(2)中的nθ-φ，然后用乘法實現公式(2)中的料位高度H。選擇適當的系數k，可直接顯示料位的米數或倉內存料的噸數。
當下一個定時起動脈沖到達之后，上述過程重演一遍，但D觸發器將使開關S2斷開，S3閉合，因此電動機反轉，計數器CN中的新數據將刷新上次的運算結果，從而顯示器的數字也將更新。
起動脈沖的周期也就是料位采樣周期，它可根據用戶的需要通過分頻器F的分頻倍數靈活調整。
運算寄存器AR中的運算結果除經過譯碼器DC送顯示器DP之外，并經過數模轉換D/A及電壓電流變換V/I送出直流4～20毫安，供料位遠傳送之用。
必須指出，圖6所示電路框圖雖然表示成普通數字電路的形式，但其功能完全可以由微計算機實現，例如單片機系統不僅能使電路簡化，而且功能還將進一步豐富，其實施方案不必詳述。
權利要求
1.扭轉鏈式料位變送器，由料位檢測裝置和驅動電路兩部分構成，其中料位檢測裝置由電動機、豎軸與傳動裝置以及可旋轉的槳葉(翼輪)等部件組成，其特征為它的料位檢測裝置由可正反向轉動的電動機[2]作為動力，經過摩擦離合器[5]及傳動裝置[3]、[6]帶動豎軸[7]，豎軸下端伸入料倉[1]內，并懸掛帶有槳葉的鏈條[8]，鏈條逐個相套，其間靠軸尖支撐以便相鄰兩鏈環能相對扭轉某一固定角度φ，然后通過對豎軸空程角度φ的檢測裝置將φ轉變為串行脈沖數。
2.根據權利要求1所述的對豎軸空程角度φ的檢測裝置，其特征為它是一個磁頭法檢測裝置當豎軸[7]的鐵質齒輪[6]旁安裝有磁頭[14]，在電源E的作用下，經電阻R使磁頭線圈L被直流偏置而磁化，當齒輪轉動時，產生交變電勢，經電容C隔直流后送入放大器K。
3.根據權利要求1所述的對豎軸空程角度φ的檢測裝置，其特征為它是一光電裝置從光源[15]射出的光線通過遮光板[17]射到光敏元件[18]上，當豎軸[7]轉動時帶動遮光板[17]，使光敏元件[18]受脈沖光照射而產生電流脈沖，在電阻R上形成電壓脈沖，經直流電容C送往放大器K。
4.根據權利要求1所述的鏈條[8]，其特征為每個鏈環均由左右兩個翼狀槳葉[9]、上橫梁[10]和下橫梁[11]共同組成，在下橫梁[11]中央有尖端朝上的軸尖[12]，它與下一節鏈環的上橫梁中央的凹坑[13]配合，形成可靈活旋轉的支撐。
5.根據權利要求4所述的鏈環，其特征為其上下橫梁[10]、[11]與左右槳葉[9]間由螺釘連接。
6.根據權利要求1、4所述的扭轉鏈式料位變送器，其特征為在豎軸[7]與鏈條[8]連接處安裝有彈性元件。
全文摘要
扭轉鏈式料位變送器是一種對粉末或顆粒狀物料進行自動檢測的設備，可廣泛應用于糧食、飼料、化肥、農藥、建材、冶金、化工等行業。該設備的檢測裝置由可正反轉動的電動機作為動力，經過摩擦離合器及傳動裝置帶動豎軸，豎軸下端伸入料倉，并旋掛帶有槳葉的鏈條，鏈條逐個相套，其間靠軸間支撐以便使相鄰的兩鏈環能相對扭轉某一固定角度，根據鏈條總空程角度的大小，通過檢測裝置計算出料位高低。本設備對工作環境條件要求不高，料倉內無帶電體，可廣泛用于危險場所，裝置結構簡單，適合各類儀器設備廠生產。
文檔編號G01F23/22GK1034059SQ8910011
公開日1989年7月19日 申請日期1989年1月12日 優先權日1989年1月12日
發明者王家楨 申請人:清華大學