专利名称：恒张力伺服式浮子液位计的制作方法
技术领域：
本实用新型属于一种液位测量装置，适用于船闸、库区等的集水井水位测量，也可用于贮罐、贮液池等的液位测量。
水电站、船闸、航道等需大量使用到各种水位测量装置，目前使用的主要有微波式、投入式、吹气式及浮子式等，其中应用比较多的是浮子码盘式液位计。这种液位测量仪主要包括一个可浮在液面上的浮子、一根提升钢丝绳、行程转换机构、收绳机构和光电码盘(光电编码器)等。在工作中，浮子随液位变化而相应升降，与之相连的钢丝绳也同步上升或下降，行程转换机构钢丝绳的直线运动转换成旋转运动，光电码盘通过检测旋转的角度变化量来解算出液位变化值。按照收绳机构的不同，浮子码盘式液位计又可分为平衡重锤式和恒力盘簧式。在实际应用过程中，平衡重锤式液位计存在钢丝绳易与滑轮打滑造成测量误差，以及因钢丝绳收放长度变化而使附加重力产生变化，使提升钢丝绳无法完全保持恒力而影响测量精度的情况。另外还存在平衡重锤易与浮子提升钢丝绳相互干涉的问题，而恒力盘簧式则存在量程受卷簧长度限制，无法做到大量程测量，卷簧在工作行程中无法达到完全恒力而影响测量精度的问题。传统的浮子码盘式液位计都存在当液位变化迅速时无法做到准确的跟踪测量的缺点。
本实用新型的目的就是改进上述传统的浮子码盘液位计的不足之处，设计一种具有大的量程范围，高精度和较好的动态响应特性，可实现液位的快速跟踪测量的恒张力伺服式浮子液位计。
本实用新型的目的由以下的技术方案来实现包括浮子1、提升绳索2、测量定滑轮7和过线轮，提升绳索的另一端经测量定滑轮与卷筒10相联，其不同之处在于在提升绳索的提升驱动传动链中设置有测力元件3，卷筒通过伺服电机11来驱动，伺服电机由调节控制器控制，调节控制器与测力元件的信号输出口相接。
本实用新型工作时，浮子一部分淹没于液体中，另一部分露出在液面之上，呈漂浮状态。此时浮子受三个力的影响，即向上的提升绳索的提升力(绳索张力)F1，液体对浮子的浮力F2及向下的浮子的重力W，三力的合力为零，即∑F=F1+F2-W=0，因此浮子处于力平衡状态。浮子的重力保持不变，当浮子的淹没深度不变时，浮子受到的浮力也不变，绳索对浮子的提升力是由伺服电机转动卷筒张紧绳索而产生的。系统可以将其设定为一个定值。当液位保持不变时，三个力也保持恒定，绳索不产生运动，测量定滑轮不旋转，液位计测量的液位值也保持一定值。当被测液位发生改变如上升时浮子的淹没深度将会增加，浮子的浮力将增大从而破坏原力平衡状态，使浮子上升，浮子上升将使绳索的提升力下降。此时，绳索提升力的变化会传递给测力元件，测力元件将提升力信号反馈给调节控制器，通过对设定提升力F1与测量提升力F1＇的比较，产生一误差控制信号，通过调节控制器中的PID调节器和驱动控制调节驱动伺服电机，电机正转使卷筒收紧绳索，使绳索的提升力重新回到设定值F1，如果水位停止变化，电机将停止转动处于堵转状态，浮子受力重新回到平衡状态，浮子的淹没深度重新趋于原值。当液位下降时浮子的淹没深度将会减小，浮力也将会减小，从而使浮子下降，浮子的下降会使绳索的受力增大为F1″，同样，绳索的提升力变化会传递给测力元件，测力元件将提升力信号反馈给调节控制器，通过对设定提升力F1与测量提升力F1″的比较，产生一误差控制信号，调节驱动伺服电机，电机反转使卷筒放松绳索，绳索的提升力重新回到设定值F1，如果水位停止变化，电机将停止转动处于堵转状态，浮子受力重新回到平衡状态，浮子的淹没深度重新趋于原值。浮子的这种平衡是一种动态平衡过程，是在伺服系统作用下的一种有源和自主式的平衡。随着水位的上升和下降，伴随动态平衡过程中的绳索的张紧和放松，测量定滑轮将同步旋转，测角元件通过检测测量定滑轮的旋转角度，即可解算出绳索的收放长度，从而测得浮子上升或下降的行程，亦即液位值的大小。
本实用新型引入了由伺服电机和调节控制器所组成的伺服系统，驱动卷筒的伺服电机在PID调节器的作用下，可以根据测力元件的反馈信号实时地调节驱动力，使提升绳索的张力保持恒定。进行恒张力控制还可以消除传动机构如电机轴及卷筒轴等摩擦力变化造成的影响，从而提高液位测量的精度。由于采用伺服电机做为收绳机构，也大大提高了量程范围和收放绳速度。本实用新型可以对电机进行正转、反转、制动等参数的控制，从而进行力、速度、高度极限等的参数控制，较好地满足各种特殊的测量要求。本实用新型结构紧凑，功能完善，使用安装方便。
图1为本实用新型一个实施例的结构图。
图2为本实用新型一个实施例的控制、测量系统框图。
图3为本实用新型另一个实施例的控制、测量系统框图。
图4为本实用新型一个实施例中测力元件和力变送器的电路原理图。
图5为本实用新型一个实施例中PID调节器和驱动控制器的电路原理图。
本实用新型的第一个实施例如图1、2、4、5所示，包括有浮子1，吊挂牵拉浮子的提升绳索2，提升绳索通常为钢丝绳，在浮子的上方安设有测量定滑轮7，测量定滑轮上配置测角元件6，提升绳索缠绕测量定滑轮7并经过线轮4、12张紧后与卷筒10相联接，在测量定滑轮的上下侧还安装有压线轮8、5，起压紧提升绳索防止其从测量定滑轮上滑脱的作用，压线轮由压轮和弹簧构成，卷筒10设置在测量定滑轮的一侧，并与伺服电机相联，伺服电机可通过联轴器与卷筒相联，在测量定滑轮下方引入提升绳索的过线轮4的支架上安设有测力元件3，测力元件通过力变送器将信号传输给调节控制器，测力元件和力变送器的电路如图4所示，测力元件为应变式压力传感器，由RY1、RY2、RY3和PY应变片组成，P1为放大电路的调零电位器，P2为灵敏度调节电位器，力变送器包括高精度运算放大器U1和二次稳压器件U9、U10,R1、R2为输入电阻，R5为反馈电阻，J2为其信号输入输出口；调节控制器由PID调节器和驱动控制器组成，用来控制和驱动伺服电机11，驱动控制器包括差分放大器，电压跟随器、移相触发器和可控硅驱动电路，其电路如图5所示，P20为PID的给定电位器，也即张力值的给定电位器，R40为输入电阻，R41为反馈信号的输入电阻。R44、R43、C21、R40、R41与U8一起组成一个近似的PI调节器，因此该系统的PID调节器实际上是一个近似的PI调节器，C21是积分电容，R43是确定PI调节器静态放大倍数的反馈电阻，R44和C21确定近似的积分时间常数，差分放大器由U3A、R20-R24和R45组成，其作用是进行电平转换，它实质上是一个双端输入的减法放大器，通过放大后把PI调节器的电压上升量转化成电压下降量。该控制信号通过电压跟随器输出到移相触发器，作为移相触发器的输入信号。电压跟随器起隔离驱动的作用。移相触发器由TCA785及周边元件组成。TCA785是一个线性上升锯齿波的移相触发器，当移相电压为最小时，可控硅的导通角最大，当移相电压最大时，导通角最小。TCA785输出两路，一路为A2，正半周触发，一路为A1，负半周触发，本图中的A2输出，在交流电压的正半周触发。驱动电路由可控硅，续流二极管和阻容吸收电路组成。图中S1是单向可控硅，D7为与电机线包并联的续流二极管。R32、C9为阻容吸收电路。L1是伺服电机的线包，通过J3向伺服电机提供动力电源，J4向移相触发器提供同步信号。伺服电机可为永磁式直流力矩电机。与测量定滑轮相联的测角元件通过解算单元将信号传输给液位显示器，通过液位显示器的处理和解算，直接显示出所测液位的高度，液位显示器上可设远传输出接口，以便于信号的远距离传输，上述各组件除浮子和部分提升绳索外，其它均可安设在一个箱壳9内。
本实用新型第二个实施例如图3所示，它与上一个实施例的主要不同之处在于在伺服电机和卷筒间的转动轴上安设一扭矩传感器作为测力元件，其它部分与上一实施例相同。当提升绳索上的提升力发生变化时，转动轴上的扭矩也将发生成比例的变化，将实测扭矩值与设定的扭矩值进行比较，通过PID调节控制伺服电机的转向和输出电流，使绳索张紧或放松，力矩保持一个恒定值，从而使浮子处于一种动平衡状态，浮子的行程与液位变化保持同步。这种方式同样能够实现本实用新型欲达到的目的。
权利要求1.一种恒张力伺服式浮子液位计，包括浮子(1)、提升绳索(2)、测量定滑轮(7)和过线轮，提升绳索的另一端经测量定滑轮与卷筒(10)相联，其特征在于在提升绳索的提升驱动传动链中设置有测力元件(3)，卷筒通过伺服电机(11)来驱动，伺服电机由调节控制器控制，调节控制器与测力元件的信号输出口相接。
2.按权利要求1所述的恒张力伺服式浮子液位计，其特征在于测量定滑轮上配置测角元件(6)，提升绳索缠绕测量定滑轮(7)并经过线轮(4)、(12)张紧后与卷筒相联接。
3.按权利要求1或2所述的恒张力伺服式浮子液位计，其特征在于在测量定滑轮的上下侧安装有压线轮(8)、(15)。
4.按权利要求1或2所述的恒张力伺服式浮子液位计，其特征在于在测量定滑轮的下方引入提升绳索的过线轮(4)的支架上安设有测力元件(3)。
5.按权利要求1或2所述的恒张力伺服式浮子液位计，其特征在于在伺服电机和卷筒间的转轴上安设一扭矩传感器作为测力元件。
6.按权利要求1或2所述的恒张力伺服式浮子液位计，其特征在于测力元件(3)通过力变送器将信号传输给调节控制器，调节控制器由PID调节器和驱动控制器组成。
7.按权利要求1或2所述的恒张力伺服式浮子液位计，其特征在于与测量定滑轮相联的测角元件通过解算单元将信号传输给液位显示器。
专利摘要本实用新型涉及一种恒张力伺服式浮子液位计。它包括浮子、提升绳索、测量定滑轮和过线轮,提升绳索的另一端经测量定滑轮与卷筒相联,在提升绳索的提升驱动传动链中设置有测力元件,卷筒通过伺服电机来驱动,伺服电机由调节控制器控制,调节控制器与测力元件的信号输出口相接。本实用新型量程范围大,精度高,可实现液位的快速跟踪测量并具较好的动态响应特性,且结构紧凑,功能完善,使用安装方便。
文档编号G01F23/66GK2460976SQ0023070
公开日2001年11月21日 申请日期2000年8月24日 优先权日1999年6月16日
发明者陈宏利, 汪柏年, 佘江元, 李宗安, 朱国璋, 晏明全, 张萌, 林金华 申请人:华中光电技术研究所