連續(xù)式計量技術(shù)的突破--差分減重(失重秤)

本文作者結(jié)合多年工作實踐及對國內(nèi)外動態(tài)稱重計量的廣泛深入研究，就連續(xù)式攪拌設備計量的精度如何提高做出分析，得出方法。
一． 連續(xù)式攪拌設備計量方法的現(xiàn)狀
1．1傳統(tǒng)使用的連續(xù)式計量方法
　　在如建材、糧油、礦山等散狀物料計量或在線控制配料時，有很多種方法。比較典型的有：皮帶秤類、沖板流量計類、核子秤類、圓盤給料秤類。這些計量形式各有特點，但是局限性很大，受設備機械變化影響大，精度不高，安裝調(diào)校煩瑣，維護量大。
　　
皮帶秤工藝介流程紹：
　　皮帶秤將單位面積（稱重段）上受到的負荷信號與變化速度（皮帶轉(zhuǎn)速）信號進行積分運算得出流量值，以此作為可控制的對象。

注： 通過控制拖拉式皮帶轉(zhuǎn)速，改變拖出的物料量，物料經(jīng)給料溜槽的出料口整形后， 其厚度穩(wěn)定均勻，無論皮帶機轉(zhuǎn)速大小，皮帶上的負荷都是恒定的。 與其它給料方式相比， 該方式計量與控制精度效果較好。

注： 給料與稱量功能分別在兩條皮帶上實現(xiàn)
1．2連續(xù)式計量方法在連續(xù)攪拌設備上使用現(xiàn)狀
　　連續(xù)式攪拌設備包括：穩(wěn)定土廠拌設備，水泥連續(xù)式攪拌設備，瀝青連續(xù)式攪拌設備。就計量精度而言，目前，這些設備不能與間歇式相提并論。因此，連續(xù)式攪拌方法受不到廣大用戶的青睞，也是原因之一。科學分析可以說明，這兩種計量方法決定的攪拌工藝都有其適用的場合，不能由于暫時的技術(shù)限制而影響連續(xù)式攪拌的應用。

　　目前，我國連續(xù)式攪拌設備均采用容積法或皮帶秤/螺旋秤兩類來計量，七十年代從歐洲引進開發(fā)連續(xù)攪拌工藝至今，一直如此，始終未有突破。事實上，這兩種計量方法在歐洲使用能夠作到高精度，例如德國申克（Schenck）的皮帶配料秤，動態(tài)配料精度達到2%。而在中國卻不行，原因在于受到我國機械制造及材料等基礎工業(yè)的制約。目前我國用于公路行業(yè)的皮帶秤計量精度一般只能達到5%左右，與容積計量相差無幾，長期穩(wěn)定性較差。

二． 連續(xù)稱重的革命——差分減量（失重）秤
　　失重秤（英文Loss-in-weight）是九十年代開始應用于工業(yè)過程稱重連續(xù)計量的。失重秤逐漸替代皮帶秤、螺旋秤，甚至累加秤，作為一種全新的計量方法，逐漸應用到越來越多物料處理。

2．1基本原理：
　　將秤量斗及給料機構(gòu)作為整個秤體，通過儀表或上位機不停對秤體進行重量信號的采樣，計算出重量在單位時間的變化比率作為瞬時流量，再通過各種軟硬件的濾波技術(shù)處理，得出可以作為控制對象的“實際流量”。
　　這個流量的獲取非常重要，是失重秤能否準確計量的基礎。圖中介紹的是一種經(jīng)典的方法：

　　然后FC通過PID反饋算法，進行逼近目標流量的控制運算，輸出調(diào)節(jié)信號去控制變頻器等給料機控制器。

2.2差分減量秤（失重秤）在實際中的應用：
　　從原理上可以看出它不受秤體與給料機構(gòu)的機械變化影響，它只是計算重量差值（差重），與傳統(tǒng)動態(tài)計量手段相比，其優(yōu)點是不言而喻的。
　　對于控制對象為流量（t/h ,kg/min ），而且物料可輸送性好，計量精度要求高時，采用失重法計量可以作為一種最佳方案。

2．2．2失重秤工藝流程：

2．2．3失重秤設計必須注意的事項，影響精度的因素：
　　失重秤兼有靜態(tài)秤、動態(tài)秤特點，因此，在設計系統(tǒng)時，要求：
1． 正確的輸送率范圍，一般實際工作范圍為額定輸送量的60%~70%最佳。若采用交流調(diào)速，對應變頻率為35-40Hz最佳。這樣保證調(diào)節(jié)范圍寬。還由于在輸送率過低時，系統(tǒng)穩(wěn)定性差。
2． 傳感器量程選用適當，按公式

　　也就是說，傳感器也用到其量程的60%~70%，信號變化范圍寬，對提高精度極為有利。
3． 機械結(jié)構(gòu)設計要確保物料流動性好，同時保證補料時間短，補料不應過于頻繁，一般要求5-10分鐘補一次料。
　　配套傳動系統(tǒng)要保證運行平穩(wěn)，線性好。

2．2．4應用前景：
　　隨著電子控制技術(shù)的飛速發(fā)展，失重秤通過采用新的技術(shù)，在計量精度上由0.3%~0.5%。而提高到0.1%~0.2%，甚至到超過靜態(tài)秤，這一新技術(shù)的核心即數(shù)字式稱重傳感器的應用。

2．2．4．1數(shù)字式稱量傳感器的應用：
　　為了適應動態(tài)測量的需要,在稱重系統(tǒng)中作為系統(tǒng)輸入端的傳感器至關重要。特別在需要智能化的場合,傳感器的直接或間接數(shù)安化已必不可少,此時測量不確定度和測量速度往往是一對矛盾,兩者很難兼得,而需根據(jù)實際情況作折衷選擇。在稱重領域,我國目前大量生產(chǎn)和應用的都是傳統(tǒng)的模擬式傳感器,模擬信號的輸出較小。以生產(chǎn)量最大、采用電阻應變原理的稱重傳感器為例，一般最大輸出為30-40mV。故其信號易受射頻干擾，電纜傳輸距離也短，通常在10m以內(nèi)。

　　在使用多個傳感器并聯(lián)的容器稱重系統(tǒng)（料斗秤式配料秤）、平臺稱重系統(tǒng)或秤橋（汽車衡或軌道衡）中，利用數(shù)字系統(tǒng)可實現(xiàn)“自校準”。這是因為多通道的數(shù)字傳感器系統(tǒng)，不存在阻抗匹配問題。用戶輸入各傳感器的地址、秤量和靈敏度，即可自動進行秤的“四角”或“邊角”平衡，不必一次次地反復調(diào)整信。而在模擬系統(tǒng)中多個傳感器關聯(lián)接線后，每個傳感器的特性就不再是可辨別的了，校準時需在每一個傳感器上施加砝碼并利用接線盒中的分壓器進行調(diào)整。由于調(diào)整時存在著交互作用，因而反復多次。在數(shù)字系統(tǒng)中，則允許分別復核作為單體的每一個傳感器。因此，校準裝有數(shù)字傳感器系統(tǒng)的所有花費的時間，僅為模擬系統(tǒng)的1/4。

　　利用數(shù)字系統(tǒng)可以實現(xiàn)“自診斷”，即診斷程序連續(xù)地檢查各傳感器信號是否中斷、輸出是否明顯超出范圍等。若有問題，在儀表或控制器面板上會自動顯示或報警，用戶利用面板上的鍵即可尋找各個傳感器，獨立地確定問題原因并進行故障排除。這種直覺診斷和故障排除能力，對用戶顯然是一種重要優(yōu)點，而在模擬傳感器系統(tǒng)中則是很難忘以低成本實現(xiàn)的。

　　在稱重領域中，典型模擬傳感器系統(tǒng)的模數(shù)變換器的分辨力為16比特，即有50000個可用計數(shù)；而數(shù)字系統(tǒng)中每一個傳感器的分辨率為20比特，即有1000 000個可用計數(shù)。所以，一個裝有4個數(shù)字傳感器的系統(tǒng)即可提供4000 000個計數(shù)的分辨率。這種高分辨率的優(yōu)點，特別適用于秤架自重大而被稱物重量小的場合。例如：在配料稱重系統(tǒng)中，有時配方中某種物料僅占很小比例，但準確度要求卻仍然很高。這在傳統(tǒng)的模擬系統(tǒng)中同樣是很難實現(xiàn)的。

2.3國內(nèi)外應用的現(xiàn)狀（在水泥廠、冶金、塑料、化纖等行業(yè)取得）
　　許多行業(yè)有豐富應用失重秤的經(jīng)驗。如：水泥廠配料。近年來在工程塑料、化纖、光纖等等眾多行業(yè)已廣泛普及。有些行業(yè)由于采用了連續(xù)失重計量，可以保證落料按比例混合，而弱化攪拌需要，簡化了工藝。國外發(fā)達國家這一產(chǎn)品很成熟，如德國申克公司，布達本拉（brabender），瑞士開創(chuàng)（ktron）公司，技術(shù)處于國際最領先地位。其中開創(chuàng)公司由于采取了數(shù)字傳感器技術(shù)動態(tài)精度可達0.25%。以工業(yè)過程稱重而言，已經(jīng)達到靜態(tài)秤精度。

三． 在連續(xù)式攪拌機械上的應用及前景影響
　　由于國內(nèi)連續(xù)式攪拌設備計量停留在傳統(tǒng)的方法上，因此，推廣失重秤應用前景將十分廣闊，對穩(wěn)定土廠拌、水泥連續(xù)攪拌、瀝青連續(xù)攪拌工藝起到革命性的改變，對流量的精準控制將會制造出非常合格理想的混合料。由于連續(xù)式拌和工藝結(jié)構(gòu)簡單，維護費用低，因此一旦在產(chǎn)品級配上把好關，將徹底改變連續(xù)式拌和的市場占有低的現(xiàn)狀。特別是公路、水電行業(yè)所需的高產(chǎn)設備，具有重大意義，而失重秤即是提高計量精度的一種重要突破。