专利名称：料仓料位智能检测仪的制作方法
技术领域：
本发明属于自动检测领域，特别涉及一种料仓料位智能检测仪。
背景技术：
料仓是化工、冶金、配料等土业生产过程必备的储料装置。然而，料仓料位检测一直是无法解决的一项技术难题。如混凝土搅拌行业水泥仓料位的检测至今没有得到很好的解决，致使生产现场无法知道料内料位情况，而在材料控制方面极为困难。目前国内外市场料位检测仪表很多，如电容式料位计、重锤式料位料测仪、红外线料位检测仪、超声波料位检测仪等。但这些类型的料仓料位检测装置对仓内条件及物料特性的均匀性要求较苛刻，如电容式料位计要求物料的介电常数和材料的密实度均匀；垂锤式料位计要求物料绝对静止，而物料运动过程中容易埋锤，破坏检测装置；红外线和超声波检测仪要求仓内无粉尘，粉尘对检测精度影响严重，且价格昂贵。因此，现有料位检测仪表应用面极为受限，且检测精度不高。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种料仓料位智能检测仪。
本发明包括比例取力器和数字式智能显示仪表两部分。
比例取力器按比例采集作用在支撑腿上的力，它由上、下支撑梁、称重传感器、锁紧装置和取力杆组成，料仓支撑腿上安装有上、下支撑梁，一支撑梁通过锁紧装置与称重传感器相连，称重传感器与取力杆一端相连，取力杆另一端与另一支撑梁相连，上、下支撑梁可取相同的结构，下支撑梁也可直接支撑在水泥地面上。料仓安装比例取力器的个数由用户根据检测精度要求进行选择，对于检测精度要求不高的料仓，可使用一套取力器；对于检测精度要求较高的料仓，可使用四套取力器；对于介于上述两种精度要求之间的料仓，可使用两套对角安装的取力器。
设比例取力器上、下支撑在支撑腿上的安装距离为l0，罐重为W0，最大装料重量为W，4个支撑均为钢管，钢管外径为D，壁厚为δ，则支撑腿取力部分的刚度k0依下式计算k0=Eπ(2Dδ-δ2)l0---(1)]]>式中E—金属的弹性模量。
由弹性性力学可知，支撑腿装料前取力器上下支撑间的变形量Δl01依下式计算Δl01=W0l0Eπ(2Dδ-δ2)---(2)]]>装満料后支撑腿取力器上下支撑间的变形量Δl01依下式计算Δl01=(W0-W)l0Eπ(2Dδ-δ2)---(3)]]>
则因装料引起的支撑腿变形量Δl0依下式计算Δl0=Δl02-Δl01=Wl0Eπ(2Dδ-δ2)---(4)]]>由于取力器上支撑和下支撑为不规则形状，且是直接安装在料仓支撑腿上的。很难直接计算出上下支撑的刚度，可用ANASYS有限元分析确定其刚度。计算时可将取力器上支撑与锁紧装置架建统一模型通过加力计算出总刚度。下支撑与称重传感器安装底座一起建模求出总刚度。若现计算得上支撑与取力器锁紧装置的总刚度为k1，下支撑与传感器安装底座的总刚度为k2，设取力杆刚度力k3，则取力器的总刚度依下式计算k=k1k2k3k1k2+k2k3+k3k1---(5)]]>若支撑腿刚度为k0，作用在单支撑腿上的力为F，而取力杆称重传感器取得的力为F1，则由图1可得下式k[Fk0-F1(1k1+1k2+1k0)]=F1---(6)]]>若选取称重传感器的最大量程为We(通常有20％的过载能力)，仓装料的最大容量为W，使用时要求最大达到90％，则可令式(6)中F1＝0.9We，F＝W，再将式(5)代入式(6)个整理后可求得取力杆的刚度计算如下k3=0.9Wek1k2k1k2[Wk0-0.9We(1k1+1k2+1k0)]-0.9We(k1+k2)---(7)]]>为了增加取力杆稳定性，采用空心杆或槽钢。
数字式智能显示仪表实现检测、滤波及系统标定功能，它包括单片机、存储器、信号放大电路、电源、A/D转换器、通信接口、显示器、键盘和多路转换器。电源分别与键盘、多路转换器相连，单片机分别与显示器、存储器、通信接口、A/D转换器、键盘相连，多路转换器分别与A/D转换器、信号放大电路相连，如图2所示。为实现数字式智能显示仪表功能，嵌入了八个功能模块，系统管理模块、参数选择模块、仓参数设定模块、传感器标定模块、采样参数设定模块、料位检测模块、串行通信模块、串行通信设定模块，系统管理模块管理其它的功能模块。
系统管理模块实现控制检测仪键盘切换码扫描和显示功能界面切换。
参数选择模块通过显示系统设定参数组和键盘切换码扫描，实现参数设定界面切换。
仓参数设定模块实现仓参数显示和扫描键盘，确定各参数的人工设定值，仓参数设定包括仓总数、仓号和各仓的最大容量。
传感器标定模块实现传感标定参数显示、采样传感器输入值、扫描键盘，确定传感器标定数据，传感器标定包括各仓的低码值、低料重、高码值和高料重。
采样参数设定模块，采样参数设定包括采样频率、滤波和显示周期。
料位检测模块实现按系统设定参数对系统各料仓的料位检测，并采用智能滤波实现按系统设定参数对检测数据进行处理，去掉检测数据中的干扰，稳定检测结果。
串行通信参数设置模块实现检测仪表与控制或监测系统主机的通信，可实现检测数据的远程显示与存储，串行通信设定包括机号、波特率和数据位。
串行通信模块实现接收上位机命令和检测数据的远传。
本发明的工作原理如下当仓内装载物料时物料重量加载到四个支撑腿上(有的料仓有六个支撑腿)，根据弹性力学原理，四个支撑按仓内重量分布情况会产生相应的压缩变形，比例取力器中取力杆按照等变形原理将支撑腿受力的一部分取出后加载在压力称重传感器上，即四支传感器检测重量的和与料仓内物料的重量成比例。信号放大电路将压力式称重传感器检测电阻应变信号转换成电压信号，经A/D转换器转换成数字量，再通过系统设定参数计算，转换成料位高度的百分比，以图形和数据两种方式显示在点阵显示器上。
本发明可在线实时检测料位高度并显示在仪表上，同时也可输出RS485数字信号。本发明将料位检测通过比例取力器转换成称重信号，有图形和数字两种显示料位的功能，且在风摆情况下，利用智能滤波软件保证了检测料位高度的有效性，误差低于1％。
图1为本发明比例取力器结构示意图，(a)为比例取力器第一种结构示意图，(b)为比例取力器第二种结构示意图，(c)为比例取力器第三种结构示意图；图2为本发明数字式智能显示仪表电路原理框图；图3为本发明数字式智能显示仪表功能模块关系示意图；图4为本实例键盘电路原理图；图5为本实例信号放大电路原理图；图6为本实例单片机及其外围电路原理图，(a)为RS485串行通信电路原理图，(b)为单片机、存储器、A/D转换器、显示器接口和多路转换器电路原理图；图7为本实例电源电路原理图；
图8为本实例系统管理模块流程图，(a)系统管理模块初始化流程图，(b)系统管理模块键盘扫描流程图；图9为本实例参数选择模块显示流程图；图10为本实例料仓参数设定模块流程图，(a)料仓参数设定模块显示流程图，(b)料仓参数设定模块键盘扫描流程图；图11为本实例传感器标定模块流程图，(a)传感器标定模块显示流程图，(b)传感器标定模块键盘扫描流程图；图12为本实例采样参数设定模块流程图，(a)采样参数设定模块显示流程图，(b)采样参数设定模块键盘扫描流程图；图13为本实例串行通信设定模块流程图，(a)串行通信设定模块显示流程图，(b)串行通信设定模块键盘扫描流程图；图14为本实例料位检测模块流程图；图15为本实例串行通信模块中断流程图；图16为本实例单片机定时器T0中断流程图；图17为本实例界面输入移动程序流程图；图18为本实例测试界面显示流程图；图19为本实例智能滤波流程图；图20为本实例各界面图，(a)为参数选择界面，(b)为料仓参数设定界面，(c)为传感器标定界面，(d)为采样参数设定界面，(e)为串行通信设定界面，(f)为料位检测系统界面。
图中1为上支撑梁，2为锁紧装置，3为取力杆，4为称重传感器，5为下支撑梁，6为料罐支撑腿，7为称重传感器底座。
具体实施方案下面结合附图对本发明做进一步说明。
图1所示为本发明中比例取力器结构示意图。
图1(a)为第一种比例取力器的结构示意图，料罐支撑腿6上有上、下支撑梁，上支撑梁1通过锁紧装置2与取力杆3的上端相连，取力杆3的下端与固定安装在称重传感器底座7上的称重传感器4相连，称重传感器底座直接安装在下支撑梁5上。
图1(b)为第二种比例取力器的结构示意图，料罐支撑腿6上有上、下支撑梁，上支撑梁1通过锁紧装置2与称重传感器4相连，称重传感器4与取力杆3的上端相连，取力杆3的下端固定安装在下支撑梁5上。
图1(c)为第三种比例取力器的结构示意图，料罐支撑腿6上有上、下支撑梁，上支撑梁1通过一套锁紧装置2与称重传感器4相连，称重传感器4通过另一套锁紧装置2与取力杆3的上端相连，两套锁紧装置对称作用在称重传感器上，取力杆3的下端固定安装在下支撑梁5上。
实例中比例取力器的设计如下(1)给定取力器安装的支撑腿上的距离l0，根据支撑腿管的内外径由式(1)计算取力部分刚度k0。
①l0＝300mm，最大装料重量W＝100吨，支撑钢管外径D＝219mm，钢管壁厚δ＝6mm，钢的弹性模量E＝206 GPa，则取力部分刚度计算如下k0=206×109×3.14×[2×219×10-3×6×10-3-(6×10-3)2]300×10-3=5.589×109(N/m)]]>②l0＝300mm，最大装料重量W＝200吨，支撑钢管外径D＝273mm，钢管壁厚δ＝7.5mm，钢的弹性模量E＝206 GPa，则取力部分刚度计算如下k0=206×109×3.14×[2×273×10-3×7.5×10-3-(7.5×10-3)2]300×10-3=8.708×109(N/m)]]>(2)确定因装料引起的支撑腿变形量Δl0。
①最大装料重量W＝100吨，支腿数n＝4，则因装料引起的支撑腿变形量计算如下Δl0=100×103×9.84×5.589×109=4.384×10-5(m)]]>②最大装料重量W＝200吨，支腿数n＝4，则因装料引起的支撑腿变形量计算如下Δl0=200×103×9.84×8.708×109=5.627×10-5(m)]]>(3)选定称重传感器，确定称重传感器的最大量程We。
对于压力传感器，可选择100kg、200kg或500kg三种类型。
(4)设计上下支撑结构，并用有限元法计算出上下支撑腿刚度k1和k2。
上支撑取20mm钢板焊接成如图1所示的槽形结构，由ANSYS软件分析，求得k1＝2.532×109(N/m)
下支撑可取与上支撑相同的结构，则k2＝k1＝2.532×109(N.m)也可将钢板直接支撑在水泥地面上，则k2≈+∞(5)验算上下支撑变形量，使Wek1<120Δl0]]>和Wek2<120Δl0.]]>Wek1=500×9.82.532×109=1.935×10-6<120×4.384×10-5=2.019×10-5m]]>即上下支撑刚度对于最大传感器满足要求，则对于较小的传感器即可满足要求。
(6)由式(7)确定取力器杆的刚度。
取力器杆刚度如表1和表2所示。
表1对于最大装料重量W＝100吨的取力器杆刚度计算表
表2对于最大装料重量W＝200吨的取力器杆刚度计算表
(7)根据图1中l1和k3，确定取力杆的截面积。
l0＝300mm，图1(a)、图1(c)中传感器安装与锁紧装置均设计为100mm，则l1＝200mm。
计算得取力杆截面积如表3和表4所示。
表3对于最大装料重量W＝100吨取力杆截面积计算表
表4对于最大装料重量W＝200吨取力杆截面积计算表
当取力杆选为图1(b)结构，则面积放大3倍，3杆平均面积为表中值的3倍。
(8)验证取力杆稳定性，如不满足要求，则重新设计，直到满足要求为止。
图4所示为本实例数字式智能显示仪表键盘电路原理图，图中共有16个键，包括0-9数字键10个，上、下、左和右4个游标键，1个确认键和1个复位键，每个键分别与扩展口Z2的16个管脚相连。
图5所示为本实例数字式智能显示仪表信号放大电路原理图，信号放大电路共4路，可接4组传感器，OP07的信号放大器，与扩展口Z1相连。
图6(a)所示为本实例数字式智能显示仪表中串行通信电路原理图，MAX485的1、4管脚分别与图6(b)中单片机W58E516的10、11管脚相连，MAX485的2、3管脚同时与单片机W58E516的8管脚相连；图6(b)所示为本实例数字式智能显示仪表中单片机、存储器、A/D转换器、显示器接口和多路转换器电路原理图，单片机W58E516、12位AD转换器AD574、多路转换器AD508、RS485、两块8K带电保存RAM0064、键盘显示器接口8279组成和显示接口U2。
图7所示为本实例数字式智能显示仪表电路原理图，电源包括主机电源，各路传感器电源，图中U1、U2、U3、U4为4路传感器电源，均为12V隔离电源，即与系统电源不共地；U0为+5V，为系统主机电源；U01、U01分别为+12V和-12V，为信号放大器和A/D转换器电源。
图4所示为实现数字式智能显示仪表功能嵌入的八个功能模块的关系示意图，系统管理模块管理其它的功能模块。
本实例对混凝土搅拌站的粉煤灰料仓(100吨)和水泥料仓(200吨)料位检测试验，传感器均选用500kg，每个料仓安装4支传感器，表5和表6分别为粉煤灰料仓和水泥料仓料位两组检测结果，表中序号带“*”的为有风情况下检测数据。
表5粉煤灰仓上、下料过程的试验结果
表6水泥仓上、下料过程的试验结果
由表5和表6中数据可以看出，本发明的仪表精度检测误差均小于1％，在混凝土搅拌企业完成能够满足生产料位检测的要求。
权利要求
1.一种料仓料位智能检测仪，其特征在于包括比例取力器和数字式智能显示仪表两部分，比例取力器按比例采集作用在支撑腿上的力，它由上、下支撑梁、称重传感器、锁紧装置和取力杆组成，料仓支撑腿上安装有上、下支撑梁，一支撑梁通过锁紧装置与称重传感器相连，称重传感器与取力杆一端相连，取力杆另一端与另一支撑梁相连；数字式智能显示仪表包括单片机、存储器、信号放大电路、电源、A/D转换器、通信接口、显示器、键盘和多路转换器，电源分别与键盘、多路转换器相连，单片机分别与显示器、存储器、通信接口、A/D转换器、键盘相连，多路转换器分别与A/D转换器、信号放大电路相连。
2.根据权利要求1所述的一种料仓料位智能检测仪，其特征在于所述的数字式智能显示仪表，嵌入了八个功能模块，即系统管理模块、参数选择模块、仓参数设定模块、传感器标定模块、采样参数设定模块、料位检测模块、串行通信模块、串行通信设定模块，系统管理模块管理其它的功能模块。
3.根据权利要求1所述的一种料仓料位智能检测仪，其特征在于所述比例取力器杆的刚度依下式计算k3=0.9Wek1k2k1k2[Wk0-0.9We(1k1+1k2+1k0)]-0.9We(k1+k2)]]>式中k1——上支撑与取力器的总刚度；k2——下支撑与传感器安装底座的总刚度；W——料仓最大装料重量；We——称重传感器的最大量程；k0——支撑腿取力部分的刚度。
4.根据权利要求1所述的一种料仓料位智能检测仪，其特征在于所述比例取力器的第一种结构，其料罐支撑腿上有上、下支撑梁，上支撑梁通过锁紧装置与取力杆的上端相连，取力杆的下端与固定安装在称重传感器底座上的称重传感器相连，称重传感器底座直接安装在下支撑梁上。
5.根据权利要求1所述的一种料仓料位智能检测仪，其特征在于所述比例取力器的第二种结构，其料罐支撑腿上有上、下支撑梁，上支撑梁通过锁紧装置与称重传感器相连，称重传感器与取力杆的上端相连，取力杆的下端固定安装在下支撑梁上。
6.根据权利要求1所述的一种料仓料位智能检测仪，其特征在于所述比例取力器的第三种结构，其料罐支撑腿上有上、下支撑梁，上支撑梁通过一套锁紧装置与称重传感器相连，称重传感器通过另一套锁紧装置与取力杆的上端相连，两套锁紧装置对称作用在称重传感器上，取力杆的下端固定安装在下支撑粱上。
全文摘要
一种料仓料位智能检测仪，属于自动检测领域，它包括比例取力器和数字式智能显示仪表两部分，比例取力器由上、下支撑梁、称重传感器、锁紧装置和取力杆组成，料仓支撑腿上安装有上、下支撑梁，一支撑梁通过锁紧装置与称重传感器相连，称重传感器与取力杆一端相连，取力杆另一端与另一支撑梁相连；数字式智能显示仪表包括单片机、存储器、信号放大电路、电源、A/D转换器、通信接口、显示器、键盘和多路转换器，电源分别与键盘、多路转换器相连，单片机分别与显示器、存储器、通信接口、A/D转换器、键盘相连，多路转换器分别与A/D转换器、信号放大电路相连。本发明有图形和数字两种显示料位的功能，料位检测误差低于1％。
文档编号G08C17/02GK1963415SQ20061013464
公开日2007年5月16日 申请日期2006年12月8日 优先权日2006年12月8日
发明者许世伟, 赵春雨, 孟祥利 申请人:沈阳天成自动化工程有限公司