CC BY
16
Serebrennikov Anatoly Aleksandrovich, doctor of technical sciences, professor, sereb_a_a@mail. ru, Russia, Tyumen, Tyumen Industrial University,
Plokhov Andrey Alexandrovich, postgraduate, plokhov a aamail.ru, Russia, Tyumen, Tyumen Industrial University
УДК 621.86.067
РАСХОДОМЕРЫ ДЛЯ АВТОМАТИЗАЦИИ ВИБРАЦИОННЫХ БУНКЕРНЫХ ЗАГРУЗОЧНЫХ УСТРОЙСТВ
А.М. Сасов
Рассмотрены достоинства, разработанных автором оригинальных расходомеров сыпучих материалов, работающих в составе автоматических вибрационных бункерных загрузочных устройствах. В конструкции расходомеров используются преобразователи амплитуды колебаний бункера в электрический сигнал на основе магнитоэлектрических датчиков, фотоприемников, датчиков амплитудной и, частотной модуляции. Расходомеры обеспечивает высокую точность измерения скорости выдачи сыпучих материалов.
Ключевые слова: вибрация, бункер, загрузочное устройство, модуляция, ВЧ трансформатор, фоторезистор, источник света, автоматизация.
В связи с широким диапазоном областей применения вибрации разработано множество вариантов конструкций генераторов вибрации и исполнительных машин на их основе. Среди них большую группу представляют конструкции вибрационных загрузочных устройств (ВБЗУ), осуществляющих подачу сыпучих материалов и заготовок в зону их обработки на технологическом оборудовании или на сборочные операции.
Теоретические принципы транспортирования объектов перемещения в ВБЗУ, достаточно полно описаны в работе «Автоматическая загрузка технологических машин» [1]. Там же приведены методики расчетов всех узлов и основных конструкционных элементов всей обширной гаммы вибрационных транспортных устройств, используемых для перемещения и ориентации в пространстве различных заготовок и деталей.
К некоторым разновидностям ВБЗУ, работающих с сыпучими материалами, предъявляются повышенные требования к точности измерения скорости выдачи материала. Одна из проблем обусловлена малой скоростью расхода порошка. В зависимости от марки материала, она выбирается в диапазоне, от 5,8*10"3 г/сек, до 27*10"3 г/сек. Такие ВБЗУ применяют в вакуумных технологических процессах изготовления датчиков физических величин, используемых в экспериментальной физике, тонкопленочных элементов радиотехнических, электронных устройств и других прецизионных технологиях.
Расходомер сыпучих материалов является ключевым элементом системы автоматического управления вибрационным бункерным загрузочным устройством. В работе [2] описан расходомер с магнитоэлектрическим преобразователем амплитуды колебаний бункера в электрический сигнал. На его основе разработана система автоматического управления ВБЗУ, которая с успехом может использоваться с рассматриваемыми ниже конструкциями расходомеров.
483
Расходомер сыпучих материалов с амплитудной модуляцией. В состав типового ВБЗУ (рис. 1, а), входят: цилиндрический бункер 5 с однозаходным спиральным лотком и расходным патрубком 1. Бункер установлен на якоре 2, удерживаемом над электромагнитом 7 тремя смещенными относительно друг друга на 120° плоскими пружинами 3, закрепленными на основании 4, наклонно относительно вертикальной оси якоря.
Рис. 1. Расходомер с амплитудной модуляцией
Схема расходомера (рис. 1, б), содержит высокочастотный генератор 1, С-образный разомкнутый магнитопровод 3, на котором размещены две обмотки: первичная 2 и вторичная 6, отрезок магнитопровода 4, амплитудный детектор 5, измеритель напряжения 7. Отрезок магнитопровода 7, на кронштейне 4 (рис. 1, в), установлен на бункере. С-образный магнитопровод 3 установлен на диэлектрической плате 5, которая посредством скобы 2 закреплена на основании ВБЗУ [3].
Расходомер работает следующим образом. Первичная и вторичная обмотки индуктивно связаны между собой и размещены на С-образном разомкнутом магнито-проводе, который изготавливается из ферромагнетика. Высокочастотные колебания с выхода генератора поступают на первичную обмотку. Во вторичной обмотке индуцируется переменное напряжение, частота которого соответствует частоте генератора, а амплитуда определяется соотношением количества витков в каждой из обмоток.
Вследствие того, что С-образный магнитопровод имеет разрыв, а магнитная проницаемость воздуха во много раз меньше, чем у ферромагнетиков, то в разрыве между полюсами магнитопровода имеет место значительное ослабление магнитного потока, которое, в свою очередь, обуславливает небольшую величину амплитуды индуцированного напряжения. Если концы С-образного магнитопровода замкнуть отрезком магнитопровода (рис. 1, в), изготовленного из такого же материала, то ослабление магнитного потока резко уменьшится, а амплитуда индуцированного во вторичной обмотке напряжения увеличится.
Эти закономерности использованы при реализации конструкции расходомера. В момент протекания импульса тока через обмотку электромагнита бункер поворачивается на угол а и отрезок магнитопровода, приблизившись к полюсам С-образного магнитопровода, замыкает магнитный поток (рис. 1, в). В этом случае напряжение во вторичной обмотке достигает максимальной величины. В момент отсутствия тока, протекающего через электромагнит, бункер находится в состоянии покоя и отрезок магни-топровода максимально удален от полюсов магнитопровода. В этом случае напряжение во вторичной обмотке будет иметь минимальную величину.
Изменения амплитуды колебаний чашки будут вызывать соответствующие изменения амплитуды напряжения, индуцированного во вторичной обмотке. Таким образом происходит амплитудная модуляция высокочастотного сигнала, поступающего от генератора. Напряжение со вторичной обмотки подается на амплитудный детектор, в котором происходит выделение низкочастотной составляющей. Ее величина пропорциональна величине механических колебаний бункера.
Генератор собран на микросхеме К155ЛАЗ с использованием кварцевого резонатора марки РК206-Ы (рис. 2). Магнитопровод изготовлен из кольцевого сердечника марки М20ВЧ-7-К20х10х5. Амплитудный детектор собран из четырех диодов Д9В, соединенных в виде моста, одна диагональ которого подключена к выводам вторичной обмотки, а ко второй диагонали подключены конденсатор и измерительный прибор, шкала которого проградуирована в единицах скорости расхода сыпучего материала. Таким образом, предлагаемый расходомер позволяет производить точные измерения амплитуды колебаний бункера и, следовательно, измерять скорость выдачи сыпучего материала.
Расходомер с оптическим преобразованием механических колебаний. Его
конструкция адаптирована к типовому ВБЗУ который показан на рис. 1, а. Схема расходомера приведены на рис. 3. Достоинством этой конструкции является то, что все ее компоненты можно располагать за пределами рабочей зоны технологического оборудования [4]. Принцип действия расходомера следующий.
На диаметрально противоположной стороне от расходного патрубка (рис. 3, а), на бункере, закреплено зеркало 2. На него падает луч лазера 1. Отраженный от зеркала он засвечивает матрицу, скомпонованную из фоторезисторов 3. В процессе работы ВБЗУ бункер совершает колебательные движения поворачиваясь на угол а (рис. 3, б). При этом отраженный луч лазера сканирует фотоприемники матрицы 6. Это вызывает поочередное срабатывание согласующих устройств 3, сигналы с которых поступают на вход коммутатора 4.
На его выходе появляется сигнал, запускающий формирователь импульсов 2. Импульсы с его выхода заряжают конденсатор С, который разряжается через резистор Я и соединенный последовательно с ним измерительный прибор 1. Число импульсов, поступающих на ЯС-цепочку, зависит от амплитуды колебаний чашки. Чем больше амплитуда, тем больше число фотоприемников подвергается засветке, тем больше показания прибора и наоборот. Таким образом, описанный расходомер обеспечивает измерение скорости подачи порошка из бункера.
В расходомере с оптической системой, в качестве источника света (рис. 3, б), используется лазерная указка с лучом зеленого света мощностью 5 - 10 mw. В качестве фотоприемников 6 используются фоторезисторы марки СФ2-1А, согласующее устройства 3 представляет собой набор триггеров Шмитта — микросхемы К155Т11, коммутатор сигналов 4 — микросхема K155EHL, формирователь импульсов 2 — одновибратор К155АГ, измерительный прибор 1 — M42005.
Расходомер сыпучих материалов с частотной модуляцией. Рассмотрены два варианта конструкции (рис. 4). Оба адаптированы к типовому ВБЗУ который показан на рис. 1, а. Электрическая схема расходомера (рис. 4, а), содержит генератор высокой частоты I, частотный модулятор II, он же преобразователь механических колебаний бункера в модулированный сигнал, частотный детектор III, и усилитель тока с системой управления электромагнитом ВБЗУ (ЭМ ВБЗУ) IV, включающую АЦП, интерфейс и ЭВМ [5].
Расходомер работает следующим образом. В момент отсутствия тока, протекающего через электромагнит ВБЗУ, сердечник максимально удален от катушек индуктивности 2 и 3 (рис. 4, б). Колебательный контур генератора вырабатывает колебания, частота которых стабильна. При поступлении импульса напряжения на электромагнит бункер 1 поворачивается на угол а, при этом сердечник 4 вводится в катушку 3, вследствие чего изменяется ее индуктивность, а это, в свою очередь, приводит к изменению частоты колебаний, вырабатываемых генератором высокой частоты.
Чем больше угол а, тем больше глубина погружения сердечника в ка-тушку и тем больше девиация частоты; Если сердечник изготовлен из ферро-магнетика, то индуктивность катушки при введении в нее сердечника увеличится, если из диамагнетика - уменьшится. В обоих случаях имеет место девиация частоты. Ее закономерности воспроизводят закономерности изменения величины угла а. Таким образом осуществляется частотная модуляция колебаний генератора высокой частоты. Общеизвестно, что частотная модуляция обеспечивает наибольшую помехозащищенность радиоприемных устройств, поэтому и расходомер обладает высокой помехоустойчивостью.
Диапазон частот, в котором работает генератор (рис. 4, а), устанавливают изменением емкости конденсатора С4. С катушки связи Ь2, сигнал подается на вход частотного детектора ЭЛ1, который осуществляет детектирование сигнала, т.е. выделение низкочастотной составляющей. Изменения амплитуды напряжения на выходе частотного детектора будут пропорциональны изменениям величины угла а, т.е. амплитуде колебаний чашки. Выделенный сигнал поступает на вход усилителя тока ЭЛ2. К его выходу можно подключить измерительный прибор, шкала которого проградуиро-вана в единицах расхода сыпучих материалов.
Для автоматизации операции выдачи сыпучих материалов, к выходу усилителя тока следует подключить аналого-цифровой преобразователь (АЦП). И тогда через интерфейс, с помощью ЭВМ, можно управлять величиной тока протекающего через обмотку электромагнита ВБЗУ рис. 4, а. Таким образом осуществляя измерение и регулирование амплитуды колебания бункера управляют скоростью расхода сыпучих материалов.
Другой вариант частотной модуляции реализован на использовании в качестве модулирующего элемента конденсатора переменной емкости (рис. 4, в). Его роторную пластину 4 посредством штанги 5 крепят на бункере 1, Статорные пластины 3 устанавливают на плате из диэлектрика 2.
При повороте бункера 3 на угол á роторная пластина 4 вводится между статор-ными пластинами конденсатора 3. В результате, частота колебаний, генерируемых высокочастотным генератором, изменяется, чем большая часть ротора погрузится в статор, тем ниже частота генерируемых импульсов и наоборот. Так осуществляется частотная модуляция.
Электрическая схема расходомера и принцип ее действия не отличается от первого варианта. Только в первом варианте несущая частота генератора задается постоянным конденсатором С3 (рис. 4, а), а во втором (рис. 4, г) ввинчиванием сердечника внутрь катушки индуктивности L1.
Выбор варианта конструкции датчика расходомера осуществляют в зависимости от конструкции бункера и условий его эксплуатации. Генератор высокой частоты собирают на микросхеме К155ЛА3. Сердечник используют из меди или карбонильного железа класса Р-10, можно применить сердечник МР-СЦГ-1. Частотный детектор реализован на микросхеме К2ДС241. Выбор АЦП, конструкции интерфейса и ЭВМ зависит от назначения и условий работы конкретного расходомера.
Выводы.
Разнообразие конструкций расходомеров сыпучих материалов способствует оптимизации ряда операций технологических процессов связанных с использованием порошков или мелких заготовок и деталей.
Конструкции рассмотренных расходомеров сыпучих материалов обладают повышенной помехоустойчивостью в различных условиях их эксплуатации в составе технологического оборудования.
Рассмотренные расходомеры обладают высокой чувствительность к изменению потока массы выдаваемого бункером материала, что позволяет эффективно использовать из в системах автоматизации технологических процессов.
Список литературы
1. Бляхеров И.С., Варьяш Г.М., Иванов А. А. и др. Автоматическая загрузка технологических машин: справочник; под общ. Ред. И. А. Клусова. М.: Машиностроение, 1990. 400 с.
2. Сасов А.М. Система автоматического управления вибрационным бункерным загрузочным устройством // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2019. Вып. 7. С. 111 - 118.
3. Патент РФ 2100782 Расходомер сыпучих материалов / А.М. Сасов. Опубл. 27.12.97.
4. Заявка на изоб. РФ 93013038 Расходомер сыпучих материалов / А.М. Сасов. Опубл. 20.02.1997.
5. Заявка на изобр. РФ 93030952 Расходомер сыпучих материалов / А.М. Сасов. Опубл. 10.11.95.
Сасов Анатолий Михайлович, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Протвино, Филиал ««Протвино» государственного университета ««Дубна»
FLOWMETERS FOR THE AUTOMATION OF VIBRATION BUNKER LOADING DEVICES
A.M. Sasov 487
Considered are the advantages of the original flow meters of bulk materials developed by the author, working as part of automatic vibrating hopper loading devices. In the design of flow meters, converters of the hopper vibration amplitude into an electrical signal are used based on magnetoelectric sensors, photodetectors, amplitude and frequency modulation sensors. The flow meters provide high accuracy in measuring the speed of dispensing bulk materials.
Key words: vibration, hopper, loading device, modulation, HF transformer, photoresistor, light source, automation.
Sasov Anatoly Mikhailovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Protvino, Protvino Branch of Dubna State University
