料倉料位智能檢測儀的製作方法
2023-10-24 22:45:12
專利名稱：料倉料位智能檢測儀的製作方法
技術領域：
本發明屬於自動檢測領域，特別涉及一種料倉料位智能檢測儀。
背景技術：
料倉是化工、冶金、配料等土業生產過程必備的儲料裝置。然而，料倉料位檢測一直是無法解決的一項技術難題。如混凝土攪拌行業水泥倉料位的檢測至今沒有得到很好的解決，致使生產現場無法知道料內料位情況，而在材料控制方面極為困難。目前國內外市場料位檢測儀表很多，如電容式料位計、重錘式料位料測儀、紅外線料位檢測儀、超聲波料位檢測儀等。但這些類型的料倉料位檢測裝置對倉內條件及物料特性的均勻性要求較苛刻，如電容式料位計要求物料的介電常數和材料的密實度均勻；垂錘式料位計要求物料絕對靜止，而物料運動過程中容易埋錘，破壞檢測裝置；紅外線和超聲波檢測儀要求倉內無粉塵，粉塵對檢測精度影響嚴重，且價格昂貴。因此，現有料位檢測儀表應用面極為受限，且檢測精度不高。
發明內容
針對現有技術中存在的問題，本發明提供一種料倉料位智能檢測儀。
本發明包括比例取力器和數字式智能顯示儀表兩部分。
比例取力器按比例採集作用在支撐腿上的力，它由上、下支撐梁、稱重傳感器、鎖緊裝置和取力杆組成，料倉支撐腿上安裝有上、下支撐梁，一支撐梁通過鎖緊裝置與稱重傳感器相連，稱重傳感器與取力杆一端相連，取力杆另一端與另一支撐梁相連，上、下支撐梁可取相同的結構，下支撐梁也可直接支撐在水泥地面上。料倉安裝比例取力器的個數由用戶根據檢測精度要求進行選擇，對於檢測精度要求不高的料倉，可使用一套取力器；對於檢測精度要求較高的料倉，可使用四套取力器；對於介於上述兩種精度要求之間的料倉，可使用兩套對角安裝的取力器。
設比例取力器上、下支撐在支撐腿上的安裝距離為l0，罐重為W0，最大裝料重量為W，4個支撐均為鋼管，鋼管外徑為D，壁厚為δ，則支撐腿取力部分的剛度k0依下式計算k0=E(2D-2)l0---(1)]]>式中E—金屬的彈性模量。
由彈性性力學可知，支撐腿裝料前取力器上下支撐間的變形量Δl01依下式計算l01=W0l0E(2D-2)---(2)]]>裝満料後支撐腿取力器上下支撐間的變形量Δl01依下式計算l01=(W0-W)l0E(2D-2)---(3)]]>
則因裝料引起的支撐腿變形量Δl0依下式計算l0=l02-l01=Wl0E(2D-2)---(4)]]>由於取力器上支撐和下支撐為不規則形狀，且是直接安裝在料倉支撐腿上的。很難直接計算出上下支撐的剛度，可用ANASYS有限元分析確定其剛度。計算時可將取力器上支撐與鎖緊裝置架建統一模型通過加力計算出總剛度。下支撐與稱重傳感器安裝底座一起建模求出總剛度。若現計算得上支撐與取力器鎖緊裝置的總剛度為k1，下支撐與傳感器安裝底座的總剛度為k2，設取力杆剛度力k3，則取力器的總剛度依下式計算k=k1k2k3k1k2+k2k3+k3k1---(5)]]>若支撐腿剛度為k0，作用在單支撐腿上的力為F，而取力杆稱重傳感器取得的力為F1，則由圖1可得下式k[Fk0-F1(1k1+1k2+1k0)]=F1---(6)]]>若選取稱重傳感器的最大量程為We(通常有20％的過載能力)，倉裝料的最大容量為W，使用時要求最大達到90％，則可令式(6)中F1＝0.9We，F＝W，再將式(5)代入式(6)個整理後可求得取力杆的剛度計算如下k3=0.9Wek1k2k1k2[Wk0-0.9We(1k1+1k2+1k0)]-0.9We(k1+k2)---(7)]]>為了增加取力杆穩定性，採用空心杆或槽鋼。
數字式智能顯示儀表實現檢測、濾波及系統標定功能，它包括單片機、存儲器、信號放大電路、電源、A/D轉換器、通信接口、顯示器、鍵盤和多路轉換器。電源分別與鍵盤、多路轉換器相連，單片機分別與顯示器、存儲器、通信接口、A/D轉換器、鍵盤相連，多路轉換器分別與A/D轉換器、信號放大電路相連，如圖2所示。為實現數字式智能顯示儀表功能，嵌入了八個功能模塊，系統管理模塊、參數選擇模塊、倉參數設定模塊、傳感器標定模塊、採樣參數設定模塊、料位檢測模塊、串行通信模塊、串行通信設定模塊，系統管理模塊管理其它的功能模塊。
系統管理模塊實現控制檢測儀鍵盤切換碼掃描和顯示功能界面切換。
參數選擇模塊通過顯示系統設定參數組和鍵盤切換碼掃描，實現參數設定界面切換。
倉參數設定模塊實現倉參數顯示和掃描鍵盤，確定各參數的人工設定值，倉參數設定包括倉總數、倉號和各倉的最大容量。
傳感器標定模塊實現傳感標定參數顯示、採樣傳感器輸入值、掃描鍵盤，確定傳感器標定數據，傳感器標定包括各倉的低碼值、低料重、高碼值和高料重。
採樣參數設定模塊，採樣參數設定包括採樣頻率、濾波和顯示周期。
料位檢測模塊實現按系統設定參數對系統各料倉的料位檢測，並採用智能濾波實現按系統設定參數對檢測數據進行處理，去掉檢測數據中的幹擾，穩定檢測結果。
串行通信參數設置模塊實現檢測儀表與控制或監測系統主機的通信，可實現檢測數據的遠程顯示與存儲，串行通信設定包括機號、波特率和數據位。
串行通信模塊實現接收上位機命令和檢測數據的遠傳。
本發明的工作原理如下當倉內裝載物料時物料重量加載到四個支撐腿上(有的料倉有六個支撐腿)，根據彈性力學原理，四個支撐按倉內重量分布情況會產生相應的壓縮變形，比例取力器中取力杆按照等變形原理將支撐腿受力的一部分取出後加載在壓力稱重傳感器上，即四支傳感器檢測重量的和與料倉內物料的重量成比例。信號放大電路將壓力式稱重傳感器檢測電阻應變信號轉換成電壓信號，經A/D轉換器轉換成數字量，再通過系統設定參數計算，轉換成料位高度的百分比，以圖形和數據兩種方式顯示在點陣顯示器上。
本發明可在線實時檢測料位高度並顯示在儀表上，同時也可輸出RS485數位訊號。本發明將料位檢測通過比例取力器轉換成稱重信號，有圖形和數字兩種顯示料位的功能，且在風擺情況下，利用智能濾波軟體保證了檢測料位高度的有效性，誤差低於1％。
圖1為本發明比例取力器結構示意圖，(a)為比例取力器第一種結構示意圖，(b)為比例取力器第二種結構示意圖，(c)為比例取力器第三種結構示意圖；圖2為本發明數字式智能顯示儀表電路原理框圖；圖3為本發明數字式智能顯示儀表功能模塊關係示意圖；圖4為本實例鍵盤電路原理圖；圖5為本實例信號放大電路原理圖；圖6為本實例單片機及其外圍電路原理圖，(a)為RS485串行通信電路原理圖，(b)為單片機、存儲器、A/D轉換器、顯示器接口和多路轉換器電路原理圖；圖7為本實例電源電路原理圖；
圖8為本實例系統管理模塊流程圖，(a)系統管理模塊初始化流程圖，(b)系統管理模塊鍵盤掃描流程圖；圖9為本實例參數選擇模塊顯示流程圖；圖10為本實例料倉參數設定模塊流程圖，(a)料倉參數設定模塊顯示流程圖，(b)料倉參數設定模塊鍵盤掃描流程圖；圖11為本實例傳感器標定模塊流程圖，(a)傳感器標定模塊顯示流程圖，(b)傳感器標定模塊鍵盤掃描流程圖；圖12為本實例採樣參數設定模塊流程圖，(a)採樣參數設定模塊顯示流程圖，(b)採樣參數設定模塊鍵盤掃描流程圖；圖13為本實例串行通信設定模塊流程圖，(a)串行通信設定模塊顯示流程圖，(b)串行通信設定模塊鍵盤掃描流程圖；圖14為本實例料位檢測模塊流程圖；圖15為本實例串行通信模塊中斷流程圖；圖16為本實例單片機定時器T0中斷流程圖；圖17為本實例界面輸入移動程序流程圖；圖18為本實例測試界面顯示流程圖；圖19為本實例智能濾波流程圖；圖20為本實例各界面圖，(a)為參數選擇界面，(b)為料倉參數設定界面，(c)為傳感器標定界面，(d)為採樣參數設定界面，(e)為串行通信設定界面，(f)為料位檢測系統界面。
圖中1為上支撐梁，2為鎖緊裝置，3為取力杆，4為稱重傳感器，5為下支撐梁，6為料罐支撐腿，7為稱重傳感器底座。
具體實施方案下面結合附圖對本發明做進一步說明。
圖1所示為本發明中比例取力器結構示意圖。
圖1(a)為第一種比例取力器的結構示意圖，料罐支撐腿6上有上、下支撐梁，上支撐梁1通過鎖緊裝置2與取力杆3的上端相連，取力杆3的下端與固定安裝在稱重傳感器底座7上的稱重傳感器4相連，稱重傳感器底座直接安裝在下支撐梁5上。
圖1(b)為第二種比例取力器的結構示意圖，料罐支撐腿6上有上、下支撐梁，上支撐梁1通過鎖緊裝置2與稱重傳感器4相連，稱重傳感器4與取力杆3的上端相連，取力杆3的下端固定安裝在下支撐梁5上。
圖1(c)為第三種比例取力器的結構示意圖，料罐支撐腿6上有上、下支撐梁，上支撐梁1通過一套鎖緊裝置2與稱重傳感器4相連，稱重傳感器4通過另一套鎖緊裝置2與取力杆3的上端相連，兩套鎖緊裝置對稱作用在稱重傳感器上，取力杆3的下端固定安裝在下支撐梁5上。
實例中比例取力器的設計如下(1)給定取力器安裝的支撐腿上的距離l0，根據支撐腿管的內外徑由式(1)計算取力部分剛度k0。
①l0＝300mm，最大裝料重量W＝100噸，支撐鋼管外徑D＝219mm，鋼管壁厚δ＝6mm，鋼的彈性模量E＝206 GPa，則取力部分剛度計算如下k0=2061093.14[221910-3610-3-(610-3)2]30010-3=5.589109(N/m)]]>②l0＝300mm，最大裝料重量W＝200噸，支撐鋼管外徑D＝273mm，鋼管壁厚δ＝7.5mm，鋼的彈性模量E＝206 GPa，則取力部分剛度計算如下k0=2061093.14[227310-37.510-3-(7.510-3)2]30010-3=8.708109(N/m)]]>(2)確定因裝料引起的支撐腿變形量Δl0。
①最大裝料重量W＝100噸，支腿數n＝4，則因裝料引起的支撐腿變形量計算如下l0=1001039.845.589109=4.38410-5(m)]]>②最大裝料重量W＝200噸，支腿數n＝4，則因裝料引起的支撐腿變形量計算如下l0=2001039.848.708109=5.62710-5(m)]]>(3)選定稱重傳感器，確定稱重傳感器的最大量程We。
對於壓力傳感器，可選擇100kg、200kg或500kg三種類型。
(4)設計上下支撐結構，並用有限元法計算出上下支撐腿剛度k1和k2。
上支撐取20mm鋼板焊接成如圖1所示的槽形結構，由ANSYS軟體分析，求得k1＝2.532×109(N/m)
下支撐可取與上支撐相同的結構，則k2＝k1＝2.532×109(N.m)也可將鋼板直接支撐在水泥地面上，則k2≈+∞(5)驗算上下支撐變形量，使Wek1120l0]]>和Wek2120l0.]]>Wek1=5009.82.532109=1.93510-61204.38410-5=2.01910-5m]]>即上下支撐剛度對於最大傳感器滿足要求，則對於較小的傳感器即可滿足要求。
(6)由式(7)確定取力器杆的剛度。
取力器杆剛度如表1和表2所示。
表1對於最大裝料重量W＝100噸的取力器杆剛度計算表
表2對於最大裝料重量W＝200噸的取力器杆剛度計算表
(7)根據圖1中l1和k3，確定取力杆的截面積。
l0＝300mm，圖1(a)、圖1(c)中傳感器安裝與鎖緊裝置均設計為100mm，則l1＝200mm。
計算得取力杆截面積如表3和表4所示。
表3對於最大裝料重量W＝100噸取力杆截面積計算表
表4對於最大裝料重量W＝200噸取力杆截面積計算表
當取力杆選為圖1(b)結構，則面積放大3倍，3桿平均面積為表中值的3倍。
(8)驗證取力杆穩定性，如不滿足要求，則重新設計，直到滿足要求為止。
圖4所示為本實例數字式智能顯示儀表鍵盤電路原理圖，圖中共有16個鍵，包括0-9數字鍵10個，上、下、左和右4個遊標鍵，1個確認鍵和1個復位鍵，每個鍵分別與擴展口Z2的16個管腳相連。
圖5所示為本實例數字式智能顯示儀表信號放大電路原理圖，信號放大電路共4路，可接4組傳感器，OP07的信號放大器，與擴展口Z1相連。
圖6(a)所示為本實例數字式智能顯示儀表中串行通信電路原理圖，MAX485的1、4管腳分別與圖6(b)中單片機W58E516的10、11管腳相連，MAX485的2、3管腳同時與單片機W58E516的8管腳相連；圖6(b)所示為本實例數字式智能顯示儀表中單片機、存儲器、A/D轉換器、顯示器接口和多路轉換器電路原理圖，單片機W58E516、12位AD轉換器AD574、多路轉換器AD508、RS485、兩塊8K帶電保存RAM0064、鍵盤顯示器接口8279組成和顯示接口U2。
圖7所示為本實例數字式智能顯示儀表電路原理圖，電源包括主機電源，各路傳感器電源，圖中U1、U2、U3、U4為4路傳感器電源，均為12V隔離電源，即與系統電源不共地；U0為+5V，為系統主機電源；U01、U01分別為+12V和-12V，為信號放大器和A/D轉換器電源。
圖4所示為實現數字式智能顯示儀表功能嵌入的八個功能模塊的關係示意圖，系統管理模塊管理其它的功能模塊。
本實例對混凝土攪拌站的粉煤灰料倉(100噸)和水泥料倉(200噸)料位檢測試驗，傳感器均選用500kg，每個料倉安裝4支傳感器，表5和表6分別為粉煤灰料倉和水泥料倉料位兩組檢測結果，表中序號帶「*」的為有風情況下檢測數據。
表5粉煤灰倉上、下料過程的試驗結果
表6水泥倉上、下料過程的試驗結果
由表5和表6中數據可以看出，本發明的儀表精度檢測誤差均小於1％，在混凝土攪拌企業完成能夠滿足生產料位檢測的要求。
權利要求
1.一種料倉料位智能檢測儀，其特徵在於包括比例取力器和數字式智能顯示儀表兩部分，比例取力器按比例採集作用在支撐腿上的力，它由上、下支撐梁、稱重傳感器、鎖緊裝置和取力杆組成，料倉支撐腿上安裝有上、下支撐梁，一支撐梁通過鎖緊裝置與稱重傳感器相連，稱重傳感器與取力杆一端相連，取力杆另一端與另一支撐梁相連；數字式智能顯示儀表包括單片機、存儲器、信號放大電路、電源、A/D轉換器、通信接口、顯示器、鍵盤和多路轉換器，電源分別與鍵盤、多路轉換器相連，單片機分別與顯示器、存儲器、通信接口、A/D轉換器、鍵盤相連，多路轉換器分別與A/D轉換器、信號放大電路相連。
2.根據權利要求1所述的一種料倉料位智能檢測儀，其特徵在於所述的數字式智能顯示儀表，嵌入了八個功能模塊，即系統管理模塊、參數選擇模塊、倉參數設定模塊、傳感器標定模塊、採樣參數設定模塊、料位檢測模塊、串行通信模塊、串行通信設定模塊，系統管理模塊管理其它的功能模塊。
3.根據權利要求1所述的一種料倉料位智能檢測儀，其特徵在於所述比例取力器杆的剛度依下式計算k3=0.9Wek1k2k1k2[Wk0-0.9We(1k1+1k2+1k0)]-0.9We(k1+k2)]]>式中k1——上支撐與取力器的總剛度；k2——下支撐與傳感器安裝底座的總剛度；W——料倉最大裝料重量；We——稱重傳感器的最大量程；k0——支撐腿取力部分的剛度。
4.根據權利要求1所述的一種料倉料位智能檢測儀，其特徵在於所述比例取力器的第一種結構，其料罐支撐腿上有上、下支撐梁，上支撐梁通過鎖緊裝置與取力杆的上端相連，取力杆的下端與固定安裝在稱重傳感器底座上的稱重傳感器相連，稱重傳感器底座直接安裝在下支撐梁上。
5.根據權利要求1所述的一種料倉料位智能檢測儀，其特徵在於所述比例取力器的第二種結構，其料罐支撐腿上有上、下支撐梁，上支撐梁通過鎖緊裝置與稱重傳感器相連，稱重傳感器與取力杆的上端相連，取力杆的下端固定安裝在下支撐梁上。
6.根據權利要求1所述的一種料倉料位智能檢測儀，其特徵在於所述比例取力器的第三種結構，其料罐支撐腿上有上、下支撐梁，上支撐梁通過一套鎖緊裝置與稱重傳感器相連，稱重傳感器通過另一套鎖緊裝置與取力杆的上端相連，兩套鎖緊裝置對稱作用在稱重傳感器上，取力杆的下端固定安裝在下支撐粱上。
全文摘要
一種料倉料位智能檢測儀，屬於自動檢測領域，它包括比例取力器和數字式智能顯示儀表兩部分，比例取力器由上、下支撐梁、稱重傳感器、鎖緊裝置和取力杆組成，料倉支撐腿上安裝有上、下支撐梁，一支撐梁通過鎖緊裝置與稱重傳感器相連，稱重傳感器與取力杆一端相連，取力杆另一端與另一支撐梁相連；數字式智能顯示儀表包括單片機、存儲器、信號放大電路、電源、A/D轉換器、通信接口、顯示器、鍵盤和多路轉換器，電源分別與鍵盤、多路轉換器相連，單片機分別與顯示器、存儲器、通信接口、A/D轉換器、鍵盤相連，多路轉換器分別與A/D轉換器、信號放大電路相連。本發明有圖形和數字兩種顯示料位的功能，料位檢測誤差低於1％。
文檔編號G08C17/02GK1963415SQ20061013464
公開日2007年5月16日 申請日期2006年12月8日 優先權日2006年12月8日
發明者許世偉, 趙春雨, 孟祥利 申請人:瀋陽天成自動化工程有限公司