уровнемер для сыпучих материалов

Формула изобретения

Уровнемер для сыпучих материалов, включающий лот на тросе, намотанном на барабан, связанный с электродвигателем постоянного тока, и блок управления уровнемером, содержащий управляющий элемент, связанный с электродвигателем, нагрузочный элемент в цепи обмотки якоря двигателя и указатель уровня сыпучего материала, отличающийся тем, что в блок управления уровнемером введены датчик тока, интегратор тока и пороговое устройство, при этом датчик тока установлен последовательно с обмоткой якоря электродвигателя и соединен одним из выходов со входом порогового устройства, а другим - с сигнальным входом интегратора тока, пороговое устройство установлено последовательно с управляющим элементом и выходом связано с управляющим входом интегратора тока, выход которого подсоединен ко входу указателя уровня.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам для измерения уровня сыпучих материалов.

Известен электромеханический уровнемер для определения уровня сыпучих материалов (А.С. №609058, МПК G01F 23/00, опубл. 30.05.78), который содержит электродвигатель, барабан, на который намотан трос с лотом, путевой переключатель, указатель положения в виде потенциометра с гайкой вращения и электрическую схему уровнемера. Недостатком устройства является наличие многочисленных механических частей, что снижает точность измерений и надежность устройства в целом.

Известно устройство для измерения уровня сыпучих материалов (Патент РФ №2105269, МПК G01F 23/00, опубл. 20.02.98), содержащее двигатель с барабаном, на который намотан трос с лотом, и указатель перемещения, установленный в контакте с зубьями зубчатого колеса. Недостатком устройства является дискретность сигнала при измерении уровня.

Известен способ измерения уровня сыпучих материалов (Патент РФ №2175115, МПК G01F 23/00, опубл. 20.10.2001), заключающийся в том, что лот на тросе, намотанном на барабан, связанный с электродвигателем через редуктор, перемещают вниз под действием собственного веса, а поднимают вверх - с помощью электродвигателя; момент касания лотом поверхности материала регистрируют по падению тока, генерируемого в обмотке якоря электродвигателя, а искомое значение уровня определяют по числу импульсов, генерируемых в обмотке якоря до момента касания.

Уровень измеряют с помощью устройства, которое включает лот на тросе, намотанном на барабан, связанный с электродвигателем постоянного тока, и блок управления уровнемером. Блок управления уровнемером состоит из блока управления двигателем, блока регистрации момента касания лотом поверхности сыпучего материала и блока измерения уровня и включает следующие элементы: управляющий элемент в виде контактов реле К1 обмотки возбуждения и контактов реле К2 обмотки якоря электродвигателя, нагрузочный элемент в цепи обмотки якоря электродвигателя в виде реле К3 и указатель уровня в виде счетчика импульсов. В исходном состоянии (крайнем верхнем положении) уровнемер удерживается электромагнитным тормозом, при этом напряжение на обмотку якоря двигателя не подается. При опускании лота вниз подается напряжение на обмотку возбуждения двигателя с помощью реле К1 и замыкания цепи "обмотка якоря - реле К3" с помощью контактов реле К2. Подъем лота с помощью двигателя осуществляется отпусканием реле К3 при падении тока, генерируемого в обмотке якоря электродвигателя, до нуля (прототип).

Измеряемый уровнемером сигнал (число импульсов, генерируемых в обмотке якоря электродвигателя) является дискретной величиной, и результат измерения имеет за счет этого систематическую погрешность. Надежность уровнемера снижена за счет большого числа механических деталей (тормоз, конечные выключатели, электромеханические контакты реле и т.п.).

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в повышении точности измерений за счет исключения дискретности используемого сигнала, повышении надежности прибора за счет уменьшения количества механических деталей (упрощение механической конструкции прибора) и расширении арсенала средств измерения уровня.

Поставленная задача решается тем, что в уровнемер для сыпучих материалов, включающий лот на тросе, намотанном на барабан, связанный с электродвигателем постоянного тока, и блок управления уровнемером, содержащий управляющий элемент, связанный с электродвигателем, нагрузочный элемент в цепи обмотки якоря двигателя и указатель уровня сыпучего материала, в блок управления уровнемером введены датчик тока, интегратор тока и пороговое устройство, при этом датчик тока установлен последовательно с обмоткой якоря электродвигателя и соединен одним из выходов со входом порогового устройства, а другим - с сигнальным входом интегратора тока, пороговое устройство установлено последовательно с управляющим элементом и выходом связано с управляющим входом интегратора тока, выход которого подсоединен ко входу указателя уровня.

Особенность данного уровнемера состоит в том, что все управление уровнемером, в том числе работой двигателя, осуществляется по сигналу с датчика тока (ДТ), подключенного последовательно к обмотке якоря двигателя (Д).

На фиг.1 изображена функциональная схема уровнемера: +U - напряжение питания, ПУ - пороговое устройство, УЭ - управляющий элемент, Д - электродвигатель, ДТ - датчик тока, R - нагрузочный элемент в цепи обмотки якоря электродвигателя, например резистор, ИТ - интегратор тока, У - указатель уровня, 1 - лот, 2 - трос, 3 - барабан, 4 - блок управления уровнемером.

На фиг.2 изображен график зависимости тока i, протекающего через датчик тока ДТ, от времени t, за один цикл измерений, где i - значения тока: ii - ток, протекающий через ДТ во время удержания лота в верхнем положении, i ₂ - ток, протекающий через ДТ при подъеме лота вверх с помощью электродвигателя, i₃ - ток, протекающий через ДТ в момент остановки двигателя при достижении лотом крайнего верхнего положения, - i₀ - ток, протекающий через ДТ при опускании лота вниз под действием собственного веса (генерируемый ток).

Предлагаемый уровнемер содержит лот 1 на тросе 2, закрепленном на барабане 3, связанном с электродвигателем Д, и блок управления уровнемером 4, который включает управляющий элемент УЭ, датчик тока ДТ, интегратор тока ИТ, пороговое устройство ПУ, нагрузочный элемент R в цепи обмотки якоря двигателя и указатель уровня сыпучего материала У, при этом датчик тока ДТ установлен последовательно с обмоткой якоря двигателя Д и соединен одним из выходов со входом порогового устройства ПУ, а другим - с сигнальным входом интегратора тока ИТ, пороговое устройство ПУ установлено последовательно с управляющим элементом УЭ и выходом связано с управляющим входом интегратора тока ИТ, выход которого подсоединен ко входу указателя уровня У.

В качестве УЭ может быть использован мощный силовой биполярный или полевой транзистор, тиристор, в качестве ПУ - электронные компараторы с триггерами, в качестве R - активное сопротивление (резистор) или цепь, состоящая из последовательно соединенных резистора и диода, который анодом подключен к датчику тока, а катодом - к резистору.

Лот удерживают не с помощью механического тормоза, а подавая на УЭ через ПУ небольшое удерживающее напряжение U_уд , которое не дает двигателю раскручиваться под собственным весом лота. При этом через ДТ протекает небольшой положительный ток i₁.

Лот опускают путем кратковременного (на 1-2 секунды) обесточивания УЭ. При этом на входе УЭ исчезает удерживающее напряжение, и под действием собственного веса лот начинает опускаться, раскручивая двигатель. Сигнал с датчика тока является управляющим для ПУ, которое через УЭ управляет работой двигателя. Во время опускания лота через ДТ протекает отрицательный ток, при этом напряжение с ПУ, подающееся на УЭ, равно нулю (U=0). При касании лота поверхности сыпучего материала двигатель останавливается, прекращает генерацию тока (отрицательный ток, протекающий через ДТ, становится равным нулю) и с ПУ на УЭ подается напряжение подъема (U=U_п), двигатель, вращаясь, поднимает лот. При этом через ДТ протекает положительный ток i₂. Как только лот доходит до крайнего верхнего положения, он упирается в приемное гнездо, и вращение вала двигателя прекращается. Это приводит к резкому возрастанию тока через ДТ. Резкое увеличение тока до значения is является сигналом для ПУ, которое уменьшает управляющее напряжение УЭ от напряжения подъема до напряжения удержания (U=U _уд), и уровнемер переходит в режим удержания лота в верхнем положении.

Во время опускания лота под действием собственного веса двигатель работает в режиме генератора тока. При этом по цепи: ДТ-Д-R протекает отрицательный ток - i₀ . Величина этого тока зависит от скорости вращения вала двигателя. Расстояние от верхней точки положения лота до уровня материала пропорционально интегралу отрицательного тока, протекающего по цепи: ДТ-Д-R за полное время опускания лота. Интегрирование этого отрицательного тока осуществляют с помощью ИТ по разрешающему сигналу с ПУ. Интегратор тока также осуществляет функцию записи и хранения, а также обнуления значения интеграла тока в момент начала измерения уровня. Разрешающий сигнал с ПУ формируется во время протекания отрицательного тока через ДТ. Запись полученного значения интеграла тока осуществляется при касании лотом поверхности материала. Выходной сигнал ИТ - это напряжение (или ток), значение которого прямо пропорционально интегралу генерируемого при опускании лота тока. Выходной сигнал ИТ отображается на указателе уровня У в любой удобной для оператора форме.

Алгоритм работы порогового устройства приведен в таблице.

Таблица
Ток i через ДТ	Режим работы уровнемера	Напряжение U на УЭ	Режим работы ИТ
i=i1	Удержание лота в верхнем положении	U=Uуд	Хранение предыдущего измеренного значения
i 0	Пуск	U=о	Обнуление предыдущего измеренного значения
i -i0	Опускание лота	U=0	Интегрирование тока i0, протекающего через ДТ
i 0	Касание лотом поверхности	U Uп	Запоминание значения интеграла тока.
i=i 2	Подъем лота	U=Uп	Хранение значения интеграла тока
i *i3 i3>i 2	Остановка лота	U=Uуд	Хранение значения интеграла тока

Таким образом, заявляемый уровнемер имеет повышенную точность измерений по сравнению с прототипом за счет непрерывного интегрирования используемого сигнала и повышенную по сравнению с прототипом надежность прибора за счет упрощения механической части конструкции. Заявляемый уровнемер расширяет арсенал средств измерения уровня.