单传感器液体添加系统设计与误差分析

　　引言

　　液体计量是饲料、化工、食品等行业的重要工序之一[1],包括容积式和重量式两种计量方式。其中重量式计量采用秤斗计量,不受液体密度、温度、粘度等因素的影响,具有较高的精度。作者拟研制单传感器液体秤,并对其计量原理及计量误差进行研究。

　　1　单传感器液体秤设计

　　1.1　液体秤组成

　　单传感器液体秤主要由秤斗、进液机构、喷液机构和电控部分组成(图1)。

　　秤斗由一只拉式传感器和两只球形铰链支撑,底部设有排杂口。球形铰链是杠杆系统的支点,秤斗可在竖直平面内绕支点小范围摆动。

　　1.2　称量原理

　　秤斗的受力分析如图2所示。图中圆柱面以及圆锥面为秤斗内壁,O′O″为秤斗轴线。B、C点分别为1、2两球形铰链的中心点。A点为传感器拉力F的作用点,B、C关于OA线对称。A、B、C三点构成秤斗支撑面,而圆柱上底面在秤斗支撑面内,其圆心O′位于OA线上。

　　秤斗所受的力包括:①秤斗自身重力G0。由于受秤斗附件(吊耳等)等因素的影响,其重心D偏离轴线。D点在秤斗支撑面上的投影为D″点,D″点在 OA线上的投影为D′点。②液体对秤斗的压力,作用于O′O″上的某点。③传感器的拉力F,方向竖直向上。④两球形铰链1、2的支反力RB、RC,分别作用于 B、C点。

　　当秤斗支撑面水平且秤斗内液体保持静止时, 上述各力构成平衡力系。整个秤斗是一个杠杆结构: BC线相当于杠杆的支点;OA、OD′与OO′分别是 F、G0和G的力臂。将G0沿y轴平移至xOz平面内,这将产生附加力矩。该力矩只会改变RB、RC的大小,而对F的大小无影响。秤斗处于平衡状态时, 在xOz平面内,各力对于O点的力矩为零,即

　　式中　F0——空秤时传感器的拉力

　　K——秤斗杠杆结构的传力比

　　在秤斗安装完毕之后,′以及G0的大小均为定值。因此F0与K也为定值,故F是液体重量G的线性函数。所以,可通过F反映液体重量的大小,这是单传感器液体秤称重的理论依据。

　　2　电控部分设计

　　2.1　控制原理

　　使用前秤斗3中装满液体(图1)。工作时,启动泵6,并开启电磁阀7,进行液体添加。达到添加量后,计算机关闭喷液泵6和电磁阀7,完成添加。泵1的作用是分批补充液体。这种重量式计量方式称之为减重式计量。

　　2.2　硬件组成

　　电控系统由工控机、模数转换板(A/D板)、开关量输入输出板(I/O板)和执行机构等部分组成,如图3所示。与粉体配料系统共用工控机。I/O板、A/D板均为ISA总线结构。UPS(不间断电源)的作用是停电时向工控机供电。