ДАТЧИК РАСХОДА СЫПУЧЕГО МАТЕРИАЛА
SENSOR OF LOOSE MATERIAL FLOW RATE

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в химической, микробиологической, фармацевтической промышленности, а также в нанотехнологиях.
Известен лотковый универсальный расходомер (патент РФ на изобретение №2029914 от 27.02.1995 г.), содержащий лоток, два упругих элемента, силоизмерительный датчик, консольный элемент, датчик изгибающих моментов, устройства для вычисления скорости, расхода, массы, а также вторичный прибор и счетчик.
Недостатком данного устройства является значительная погрешность при пульсирующем характере потока измеряемого материала ввиду использования нескольких преобразователей, датчиков и вычислительных устройств.
Известен также датчик расхода (патент РФ на изобретение №2262080 от 10.10.2005 г.), содержащий закрепленную одним краем пластинку под углом α к вертикали и первичный измерительный преобразователь в виде оптрона с открытым каналом связи, в котором находится шторка, соединенная с пластиной. В конструкцию оптрона интегрирован температурный сенсор. Первичный измерительный преобразователь через устройство сопряжения подключен к вычислительному модулю.
Недостатком данного устройства является конструктивная сложность регулирования чувствительности ввиду необходимости уменьшения сечения пластины либо увеличения ее длины, что приводит к увеличению погрешности измерений и, в частности, к увеличению периода собственных колебаний пластины.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является датчик расхода сыпучего материала (полезная модель к патенту датчика расхода сыпучего материала RU 87011 U1, МПК G01F 1/100 (2006.01), опубл. 20.09.2009, Бюл. №26), заключающаяся в том, что датчик содержит изгибающийся под действием потока материала упругий элемент в форме пластины, при этом один край пластины жестко закреплен под прямым углом к вертикали, а на противоположном краю пластины закреплен плоский отражатель под углом к вертикали, равным углу естественного откоса сыпучего материала, первичным измерительным преобразователем является оптрон в аналоговом режиме с воздушным каналом связи, содержащим шторку, один край которой соединен с пластиной и интегрированным в конструкцию оптрона температурным сенсором.
Недостатком данного датчика расхода сыпучего материала является значительная погрешность измерения, обусловленная отсутствием отрицательной обратной связи.
Технической задачей заявляемого датчика является повышение точности его работы.
Технический результат достигается тем, что в датчик расхода сыпучего материала, содержащий упругий элемент в форме пластины, один край которой жестко закреплен под прямым углом к вертикали, а противоположный край жестко связан с плоским отражателем под углом к вертикали, равным углу естественного откоса сыпучего материала, при этом первичным измерительным преобразователем является оптрон в аналоговом режиме с воздушным каналом связи, в котором находится шторка, один край которой соединен с пластиной и интегрированным в конструкцию оптрона температурным сенсором, дополнительно введены пластины конденсатора и усилитель постоянного тока, вход которого соединен с выходом оптрона, а выход связан с пластинами плоского конденсатора, которые через диэлектрические материалы (изоляторы) соответственно жестко закреплены на неподвижной опоре под прямым углом к вертикали и на упругом элементе в форме пластины, и выходом датчика.
На чертеже представлена схема датчика расхода сыпучего материала.
Один край пластины 1 жестко закреплен под прямым углом к вертикали, а на противоположном ее краю закреплен плоский отражатель 2, расположенный под углом α к вертикали, который равен углу естественного откоса сыпучего материала. В месте соединения пластины и отражателя (под рабочей поверхностью) располагается шторка 3, свободный край которой находится в щели оптрона с открытым каналом связи, состоящего из излучателя 4, фотоприемника 5, температурного сенсора 6, защитного корпуса 7, при этом выход оптрона соединен с входом усилителя 8, подключенного своим выходом к пластинам 9 и 10 конденсатора, которые через диэлектрические материалы 11 и 12 жестко связаны соответственно с пластиной 1 и неподвижной опорой под прямым углом к вертикали, а сыпучий материал находится в бункере 13.
Датчик расхода сыпучего материала работает следующим образом.
Поток сыпучего материала весом Р падает из бункера 13 на рабочую поверхность отражателя 2 в месте соединения его с пластиной 1, создавая упругую силу N, равную
N=-Psin90°=-P
изг
и изгибающий момент М, равный
изг
М=-N·L=Р·L,
где L - длина пластины от закрепленного края до точки падения материала.
изг
вых
вых
Под действием изгибающего момента М шторка 3 оптрона перемещается, что приводит к изменению напряжения на выходе оптрона. Это напряжение усиливается усилителем постоянного тока 8 и подается на пластины 9 и 10 конденсатора, одна из которых жестко закреплена на горизонтальной поверхности, а вторая жестко связана с пластиной 1. К плоскому электрическому конденсатору, состоящему из пластин 9 и 10, подается напряжение U. Напряжение U компенсирует прогиб пластины 1, возвращая ее в исходное состояние (с погрешностью, определяемой статической ошибкой следящей системы).
изг
вых
Связь между изгибающим моментом М и разностью потенциалов U можно определить в результате приравнивания сил, создающих изгибающие моменты
изг
изг
1
1
М=Р·L, M'=F·L,
1
где L - длина пластины 1 от закрепленного края до середины пластин конденсатора;  - сила притяжения между пластинами конденсатора, С - емкость конденсатора, образованного пластинами 9 и 10; h - расстояние между пластинами (подвижным 10 и неподвижным 9 электродами), следовательно
или
,
Таким образом, поток сыпучего материала весом Р, падающий из бункера 13 на рабочую поверхность отражателя 2, прямо пропорционален квадрату напряжения на выходе усилителя постоянного тока 8.
Предлагаемое техническое решение позволяет повысить точность измерения расхода сыпучего материала за счет введения отрицательной обратной связи, охватывающей датчик. Погрешность работы предлагаемого датчика оценивается статической ошибкой следящей системы автоматического управления, которая обратно пропорциональна коэффициенту усиления следящей системы.