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    定量皮帶秤解析

    2020-09-09 00:00:00

    定量皮帶秤解析

    中國計量科學研究院 周祖濂

    [ 摘要 ] 由動態稱重原理簡單分析配料皮帶秤的工作特性,給出允許承載器的響應曲線和拉普拉 斯變換的表示式,并給出了配料皮帶秤的控制簡圖和系統方程。 關鍵字 配料皮帶秤 瞬態特性 承載器響應曲線 前言 定量皮帶秤是一種工業配料過程中經常使用的衡器,主要用于水泥配料;中國從上世紀七十年代 初就開始研制和生產,在 2016 年針對配料用的定量皮帶秤制定了國家標準。對一種產品制定標準, 是對該產品深化認識的過程,對產品的發展和質量的提高有極大的好處。本文我想談談對定量皮帶 秤的認知。

    正文 自動定量皮帶秤能夠控制通過皮帶輸運物料在預定單位時間內輸送的重量,屬于自動稱量的動態 秤。然而很多介紹自動定量皮帶秤的文章,沒能講述其動態稱重的特點,大多介紹各廠家定量皮帶 秤的機械結構,使用材料和制造的特點。很少從動態稱重的要求來介紹定量皮帶秤。

    我們熟知的重袋式定量包裝秤,控制預定重量是通過細投料的多少使物料的重量達到預定的 重量值。定量皮帶秤是運用過程控制方法在整個稱重過程中調節進量的多少,皮帶的速度,即調節 物料的流量的多少使其的累積重量達到預定重量。

    首先,我們分析定量皮帶秤的輸運物料的物理過程。定量皮帶秤物料的受力問題屬于變質量力學 范疇。在整個稱重過程中被稱物料不斷由進料口流入,通過皮帶運送又不斷的由皮帶的出口流出。 根據變質量力學的動量定理,可寫出皮帶上運輸物料的表示式:

    (1)其中 m1 是流入皮帶的質量,u1 是流入質量相對皮帶的速度,m2 是流出皮帶的質量,u2 是 流出質量相對于皮帶的速度,此時等于皮帶的傳輸速度為 v,q = mv 是皮帶上被輸送物料的動量。

    在時間 T 內經皮帶遠送的物料的累積量為: 1 2 1 2 d m( ) dm dm Fu u dt dt dt υ =+ + (1) (2) 0 1 1 2 2 0 00 T TT T d m( ) dm u dm u dt Fdt dt dt dt dt dt υ =+ + ∫ ∫∫ ∫ 2 注意式中 F 是作用在物料上的外力,例如皮帶的張力,剪切閘門的剪切力等,不是稱重傳感器的 稱重力。(1)式是輸運物料的動量微分表示式,(2)式是它的積分表示式。通常拋出物料的速度 u2 也就是皮帶的傳輸速度、即 u2 = v。對定量皮帶秤的調控,通常是通過調節輸入皮帶的質量,或 者調節皮帶的傳輸速度使的累積的總量等于預設量。也有既調節輸入質量,同時還調節皮帶傳 輸速度的皮帶秤。但這種定量皮帶秤,需有預給料機,系統的結構也比較復雜。

    下面舉一簡單的示例說明反饋系統的控制過程和響應表達式。調節部件一般可采用閘門或采用電 機。為簡單起見用閘門調節例示說明。

    1 反饋控制系統簡圖 圖 2 是反饋控制系統的方框圖。x(P)和 y(P)分表示輸入和輸出變量 x(t)和 y(t)的拉普 拉斯變換。G(P)為系統的傳遞函數,H(P)為調節系統的傳遞函數(反饋函數)。反饋控制過程 將輸入量 x(P)與經過反饋系統的輸出量 y(P)比較,將二者的偏差值經由系統 G(P)調節部分, 使的輸出等于預設值。 圖 2 反饋控制系統框圖 對反饋控制響應的基本要求,首先是響應式必須是收斂的,并且收斂于預設值。第二要求收斂的 速度要在預定時間內達到預設值,至少是在能控制誤差的范圍內達到預設值。 本文不對反饋控制的響應式的穩定性、誤差等的具體參數做進一步的分析。只對其中一些部件在 動態狀態下的特點做一些分析。 在動態系統中對承載器的要求不能只看它稱重的準確性、穩定性等。還要看它的響應函數。因為 在反饋控制系統中,它將影響系統的穩定性、收斂速度、誤差等重要技術指標。

    定量皮帶秤的承載器通常有三種形式,即單托輥式、雙托輥式和直接承重式。對于比重較輕的物 料的中小量程的定量皮帶秤,近年多采用直接承載式。物料通過承載器,更確切說通過稱量段所采 集到的數值,將其處理就可以得到此時被稱物料的瞬時流量,經累加積分就可得到被稱物料的總重 ( ) ( ) ( ) 1 ()() G P y P X P H PGP = ? + 由圖 2,很容易求得下式。

    3 量。對數值的累加過程,由頻域的觀點看,時域的累加相當通過一個低通濾波器。然而由于承載器 結構的差異,物料處于稱量段的不同位置,對稱重傳感器作用力量不同。例如對于單托輥式,當物 料剛進入稱量段,即進入輸入方向的托輥時,它施加到稱重托輥的力是很小的,隨著接近稱重輥的 距離越近而逐漸加大。從取樣過程而言,相當于對取樣數值的平均值加了一個“權函數”,對單稱 重托輥此權函數為一等腰三角形,圖三繪出了三種承載器的由單位點載荷得到的力函數 f(t) 和它的拉 普拉斯變換的傳遞函數以及皮帶上均勻載荷通過承載器的稱重平均值。在此采用托普拉斯變換,是 因為它的變換結果比較直觀,在富里哀變換中 e 的指數為虛數,而拉普拉斯變換中 e 的指數為實數, 若變換結果中 e 的指數存在負數,即表示該系統有積分式累加的過程,而且信號通過該系統有一定 的延遲。在實際運用時,由于處理的數據均為離散信號,多使用 Z 變換。

    3 稱量區間的傳遞函數簡圖 由于定量皮帶秤和大多數定量秤不同,它在控制調整量的時間與稱量區間有一段延遲時間,由稱 量區間到投料口又有一段延遲時間。與定量包裝秤相比在控制下料使達到預定量的調節因素更復雜 些。從單稱重托輥的定量皮帶秤,就可看出稱量區的范圍不同,并且影響到采樣數值的平均值。在 圖 3 中,在平均載荷時 M 為稱重區的重量,D 為稱重區的長度,m = M/D 為單位長載荷的重量, L 為托輥間距 ?,F以單稱重輥為例,確定傳感器在均勻載荷下受力,其數值為稱重托輥與兩端托輥 之間的載荷平均值。此時的稱量區 D = 2L,即托輥間距的兩倍。若我們按傳統的定義稱重區,為稱 重托輥分別與兩端托輥中部的距離之和。此時稱量區 D = L,由于單托輥在不同段上的加權不同。

    此時在稱量段取樣的平均值為 3/4mL,不再是 mL。在圖中 m 是稱量段間均勻載荷的單位長度重量。 此時的取樣區也由后來的 D = 2L,變為 D = L。由于現在是動態稱重,當進料端的載荷流量有改變 時,只能通過一組取樣的數值平均,得到數值才有比較的可能。圖 4 給出進入單稱重托輥階躍流量 時的瞬時過程。圖中 Q 為階躍流量通過稱重段的實際值,Q* 為通過傳感器測量得到的流量值。由 圖 4 中可看出只有當階躍流量通過稱量區 D 之后,傳感器才顯示物料變化后的穩定值。為了能準確 控制預定給料,這些有關的因素在編制軟件時應仔細分析。一般情況皮帶出料段的皮帶線載荷與稱 4 重區測量值之間存在延時,兩者之間的線載荷可能不一樣,造成對預設量的偏差。因此,稱量段應 當盡量接近拋料點。 圖 4 單稱重托輥階躍載荷的瞬時圖 與所有自動定量秤一樣,控制流動物料的均勻性是確保預設量準確度的主要問題。特別是現今電 腦的功能,傳感器的精度和穩定度已足夠滿足稱重要求的條件下。對物料的控制的均勻性更顯得突出。 結束語 定量皮帶秤通常在進料段的上方安裝有進料斗,由于物料的物理特性的差異,進料斗結構、尺寸 就是設計定量皮帶秤需要重點考慮的問題。 在定量皮帶秤現場安裝,要注意兩個問題,要盡量降低皮帶輸送支架工作時振動的影響,要有減 振措施。另一方面對稱重承載器(支架)要有隔振措施、減少外界振動干擾。

    定量皮帶秤用于貿易的場所很少,基本用于配料等工藝秤使用,按照法制計量管理的規定,作為 工藝秤是不需要列入強制計量管理的范疇。 要注意和定量包裝秤等其它定量秤一樣,定量皮帶秤的準確性與被稱物料的特性有關。所以不是 可以用一種準確度等級來代表所有被稱物料的稱量準確度等級的,實際上定量秤均屬于“個性”特 點的衡器。稱重結果與物料的特性有關。嚴格講廠家應說明該產品的誤差是針對某類物料的結果, 這與定量包裝秤一樣,需說明所標注的準確度級別是在稱重何種物料的結果。

    文章來源:中國衡器網——作者:周祖濂 發表日期:2018年4月


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