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高精度電子皮帶秤貿易計量及校驗集成系統
    作者:銅陵三愛思     來源:本站     添加時間:2009/3/16     瀏覽次數:3104    
高精度電子皮帶秤貿易計量及校驗集成系統
方原柏
昆明有色冶金設計研究院)
 
摘  要:本文先以國外應用實例說明了電子皮帶秤可以做到高精度,然后介紹了銅陵市三愛思電子有限公司研制的高精度電子皮帶秤貿易計量及校驗集成系統的工作原理及系統集成的主要技術,最后以鑒定時的現場測試數據為例說明系統調試的具體步驟和方法,現場測試數據還初步驗證了物料棒碼疊加法試驗可以在生產現場取代物料試驗。
 
關鍵詞:電子皮帶秤   貿易計量   物料棒碼疊加法    集成系統
 
1 概述
在工礦企業、港口碼頭這樣的場合,常常要求計量精度優于0.5%,例如要求計量精度達到0.25%,甚至達到0.1%。可能很多人懷疑電子皮帶秤能否達到這樣的高精度,但事實上已經有一些電子皮帶秤做到了這一步。
作者在資料[1]中曾以一章的篇幅介紹了國外5個應用在工礦企業、港口碼頭的應用實例,其計量精度均達到了0.25%,甚至達到0.1%。
如美國北卡羅來納州的杜克電廠在15°傾角、1828mm帶寬、3.56m/s帶速、托輥槽形角35°、最大輸送量4354 t/h的輸煤皮帶機上安裝了美國薩爾(Thayer)公司有6組稱量托輥的雙桿桿式秤架,2004年11月按美國國家標準局的44#手冊的有關規定,通過了美國NTEP(國家型式試驗評價程序)現場試驗和檢定。在2005年5月該秤運行6個月后,再次按美國國家標準局的44#手冊規定的性能和允差以及NTEP規定的對秤不作任何調整的限制,完成了第二次物料試驗,在2005年11月該秤運行12個月后,第3次按美國國家標準局的44#手冊規定的性能和允差以及NTEP規定,在對秤不作任何調整的情況下,完成了程序再檢定。
再如1997年,Thermo Fisher Scientific(賽默飛世爾科技集團)加拿大公司為魁北克鐵鈦(QIT)公司位于索瑞爾(Sorel)的輪船卸貨碼頭提供了大流量高精度皮帶秤稱量系統。輸送物料為:二氧化鈦,設計最大流量:2000  t / h,輸送機長度:45.72 m,輸送機傾角:0 °,皮帶寬度:1372 mm,皮帶速度:2.09 m/s ,稱重托輥:6組,托輥間距為1.219 m。用戶希望能這臺秤能滿足“法定貿易”計量的要求。賽默飛世爾科技集團提供安裝電子皮帶秤的皮帶輸送機是嚴格按照高精確度皮帶秤所有測量要求制造的,所以對安裝皮帶秤來說是非常理想的。賽默飛世爾科技集團加拿大公司花費了很多時間及精力做好安裝及調整工作,如進行托輥的準直性校準等等,系統總投資接近50萬美元。檢定和試驗方式有滾鏈試驗和物料試驗,物料試驗共進行3次,每次150 t 物料,由軌道衡進行稱量,物料試驗開始前,軌道衡經過檢定,軌道衡精確度為0.05%。3次物料試驗的誤差分別為0.05%、0.07%、0.04%。物料試驗結果達到加拿大工業稱重和測量局的要求:首次檢定誤差0.075%,后續檢定誤差0.1%,所以加拿大工業稱重和測量局批準其作為0.1%精確度的稱量裝置使用。
 
2 實現高精度貿易計量的關鍵問題
要實現高精度貿易計量要解決兩個大問題:一是要有高精度、高穩定性稱量系統,二是要解決高精度檢定方法的問題。
高精度、高穩定性稱量系統的重點是秤架系統和安裝秤架的皮帶輸送機,秤架精度不夠,安裝秤架的皮帶輸送機條件不滿足要求,電子皮帶秤的高精度、高穩定性都談不上。
高精度檢定方法人們摸索了很久,實物試驗雖說是最權威的方法,但絕大多數生產現場不具備條件;模擬試驗方法很多,但可信度不夠,試驗結果很難令人信服。
國內目前有一些生產廠家、用戶也在努力探索,企圖找出解決辦法,以實現高精度貿易計量問題。作者于2008年11月15日參加了由安徽省科技廳組織的“大宗連續散料貿易計量及校驗集成系統”鑒定會,參加鑒定會的由來自中國計量科學研究院、青島衡器測試中心、西安熱工研究院有限公司、安徽省軟件行業協會、安徽省計量科學研究院、安徽藍盾光電子股份有限公司、昆明有色冶金設計研究院的專家組成。由于作者從這一系統提出時就非常關注試驗工作的進展,所以當這一系統取得階段成果時非常興奮,也很愿意將這一成果介紹給在生產一線辛勤工作的計量工作者。
 
3高精度電子皮帶秤貿易計量及校驗集成系統
高精度電子皮帶秤貿易計量及校驗集成系統是由銅陵市三愛思電子有限公司、中國科技大學共同研究開發的,該系統采用了“雙秤架”、“成組專用托輥”的設計方案及形成了“對皮帶輸送機的最低設計要求”、“系統安裝的技術規范”等技術文件,此外在該系統中采用了“物料棒碼疊加法”,提供了可以達到0.25%校準精度的在線校準方法。
以下具體介紹該系統的幾個主要特點。
3.1雙秤架
銅陵市三愛思電子有限公司在一套稱量系統中選用了兩臺三托輥秤架(見圖1),選用兩臺秤架是出于以下考慮:
電子皮帶秤的秤架出故障(例如秤架上放有外加重物或被石塊卡住)一般不容易發現,一旦發現,可能電子皮帶秤已經在故障情況下工作了很長一段時間,有了兩臺秤架就可以隨時比對兩臺秤架之間的計量數據差值,一旦計量數據差值超過預先規定的值,就需要馬上停止計量并對秤架系統進行檢查;
本系統提供的校驗方法是物料棒碼疊加法,校驗時需要在其中一臺秤架上加掛砝碼,而另一臺正常工作以提供物料量的計量數據,在校驗過程中作為一個參照物。
圖1所示為一條專為精確計量所提供的皮帶輸送機示意圖,皮帶輸送機頭尾輪中心距為25.8m,物料從料倉卸出后,先經過3節過渡托輥到秤架1,再經過5組托輥到秤架2,然后又經過3組過渡托輥進入距頭部滾筒約3m處。
圖1  雙秤架系統示意圖
兩臺三托輥秤架均采用全懸浮式秤架,秤架為平臺式結構,4個稱重傳感器支承,安裝方式采用獨特的“抵消輸送方向水平分力影響”方式,秤體無限位裝置。由于整體結構無杠桿、無支點、無平衡重、無限位,秤體結構簡單、自重輕,性能穩定。
3.2成組專用托輥
目前工業生產中使用的皮帶輸送機上托輥架和托輥都是由皮帶輸送機生產廠商按輸送物料要求設計與制造的,在制作過程中托輥所用原材料焊接鋼管本身的圓度不夠,制作也較為粗糙,軸承密封的防塵性能稍差,轉動的靈活性不夠,而在組裝成托輥組時,成型誤差往往較大。作為傳力環節之一的稱量托輥組及與之相鄰的稱量影響區域托輥組,存在以上問題對傳力過程和稱重結果影響很大。由于大多數皮帶輸送機上安裝的是普通托輥,其尺寸偏差大、加工粗放,所以托輥的軸向竄動和徑向跳動大,槽形誤差大,在皮帶輸送機運行中是不能滿足稱量要求。
銅陵市三愛思電子有限公司在一套稱量系統中除了為兩臺三托輥懸浮式秤架提供6組由該廠為稱量專門定制的托輥組外,還將圖1中前后各3節過渡托輥組、中間的5節過渡托輥組全部更換為該廠專門定制的稱量用托輥組,使為稱量專門定制的托輥組總數達到17組。這些托輥組要求軸向竄動和徑向跳動分別不超過0.5mm、0.2mm,托輥組的槽形誤差則用托輥組的特殊結構——槽形支座活動連接來保證。
17組為稱量專門定制的托輥組可以為秤架準直性校準創造基礎條件,更重要的是可以保證在皮帶輸送機運行中達到相關托輥的準直性要求。
3.3對皮帶輸送機的最低設計要求
高精度電子皮帶秤貿易計量及校驗集成系統不可能在任意一條皮帶輸送機上安裝都能達到高精度,銅陵市三愛思電子有限公司對安裝電子皮帶秤的皮帶輸送機提出了一系列完整的最低設計要求,這其中包括:輸送距離在30~90m范圍內;輸送面應平直(不得有凹凸);應帶皮帶自動張緊裝置;皮帶不允許有破損且接頭應采用45 °膠結;前級給料設備應有“穩流”措施;在計量區域應有不少于30m的防風設施;在計量區域需盡量排除、避開秤架結構會發生共振的幾個關鍵頻率。
按照對皮帶輸送機的最低設計要求,安裝高精度電子皮帶秤貿易計量及校驗集成系統的皮帶輸送機要進行改造。這里很重要的一條是不能遷就,決不能因為改造工作很麻煩就將就一下,將就的結果是以犧牲精度為代價的。如果有可能的話,按此要求新增一條皮帶輸送機是最理想的,銅陵市三愛思電子有限公司已經為一部分用戶提供了達到上述要求的稱量專用皮帶輸送機,圖1所示的皮帶輸送機是為安裝高精度電子皮帶秤貿易計量及校驗集成系統所新增加的,原有皮帶輸送機有幾百米長,從工廠廠房一直延伸到港口,現在將其截短,在截去的部分新增了這條皮帶輸送機。
3.4系統安裝的技術規范
安裝皮帶秤秤架是有嚴格要求的,現場安裝人員各人按各人的想法去安裝肯定是不行的,因此銅陵市三愛思電子有限公司制定了“系統安裝的技術規范”,統一了安裝技術要求和具體做法。比如:按要求在皮帶輸送機上設置17組專門定制的托輥組,具體要求見圖1;17組專門定制的托輥組要嚴格進行準直性校準,誤差應小于1mm,具體校準方法是采用激光準直儀校準;17組專門定制的托輥組的托輥間距應按1000 mm進行間距尺寸校準,誤差應小于1mm。
為了實現高標準的安裝要求,銅陵市三愛思電子有限公司在硬件上作了很多工作,比如專門定制的托輥組、激光準直儀校準及專用安裝墊片。專門定制的托輥組前面已經介紹;采用激光準直儀校準可以克服拉線法的松緊程度不一等造成的誤差,校準精度可以提高到0.3~0.5mm;專用安裝墊片是用來調整托輥高度的,厚度不等,最厚的約5mm,最薄的約0.3mm,是采用沖床成批加工的,實物見圖2。專用安裝墊片的優點是制作規范,且配器各種厚度,現場進行準直儀校準調整方便。如果沒有事先準備好的墊片,現場臨時尋找材料制作,不僅薄的金屬片難以找到,而且墊片制作常常采用氧氣吹割,外形不美觀,準直性校準通常也是湊合了事,做不到高標準。
圖2  專用安裝墊片
為了保證準直性校準的效果長期不變,銅陵市三愛思電子有限公司還要求調試結束后,要用電焊將托輥座、墊片與支座等點焊一下,保證其定位尺寸及高度不變。
3.5 物料棒碼疊加法
物料試驗是采用皮帶秤預期稱量的物料,在皮帶秤使用現場或典型的試驗場所對完整的皮帶秤進行的一種試驗,是評價皮帶秤計量性能最主要的試驗,他是使用經過靜態衡器(控制衡器)測定準確的物料來間接地檢定皮帶秤的準確度,這種方法是檢定皮帶秤最可靠的方法。在生產現場,控制衡器可以是電子料斗秤、電子汽車衡、軌道衡或其他衡器。但是在大多數生產現場沒有可利用的控制衡器,因而不具備進行實物校驗的前提條件。即使像國內一些電廠已經安裝了包括一臺高精確度電子料斗秤在內的物料試驗裝置(由于其容量要達到數十噸至數百噸,其綜合投資達到數十萬元到一百多萬元),但由于存在轉運物料漏損、本身檢定困難等問題,其使用效果并不十分理想。
在國家計量檢定規程JJG195-2002“連續累計自動衡器(皮帶秤)”中,規定了模擬試驗和模擬載荷試驗的幾種方法:電信號試驗、掛碼試驗、小車碼試驗、鏈碼試驗、循環鏈碼試驗。這些方法中有的模擬程度不高,如電信號試驗、掛碼試驗、小車碼試驗、鏈碼試驗等,不能用于高精度貿易計量的檢定,而重復性達到0.1%的循環鏈碼試驗可以對對0.5級皮帶秤、1級皮帶秤和2級皮帶秤進行使用中檢驗,但是這種模擬載荷試驗方式用于首次檢定和后續檢定時,仍然需要用實物試驗來驗證,而且本身的投資不菲(如一套循環鏈碼裝置就需投資數十萬元),試驗時也比較麻煩。
銅陵市三愛思電子有限公司經過多年試驗推出的“物料棒碼疊加法”的校驗方法的工作原理(見圖3)是這樣的:在一臺皮帶機上安裝2臺性能相同的皮帶秤(被檢皮帶秤A和檢定皮帶秤B),兩臺皮帶秤相距幾組托輥的間距,并事先將兩臺秤的誤差值和誤差方向調整在基本相同的范圍內,試驗時正常輸送物料3,并在檢定皮帶秤B的承載器上加標準載荷(棒狀砝碼)6,此時被檢累計器和檢定累計器同步累計并獲得皮帶運行整數圈時累計量的差值ΔP;按有關公式計算出調整系數K,該系數為檢定皮帶秤的調整系數,由于2臺皮帶秤此時的誤差相同,因此該系數也等于被檢皮帶秤的調整系數。
圖 3  物料棒碼疊加法示意圖
1-皮帶輸送機;2-被檢皮帶秤A;3-物料;4-檢定皮帶秤B;5-被檢累計器;
6-棒狀砝碼;7-檢定累計器
試驗數據表明,以該調整系數為依據,可以在現場隨后進行的物料試驗中使皮帶秤達到0.25%的精度,從而初步證實物料棒碼疊加法可以在生產現場取代物料試驗。當然,取得這種效果的前提是本文第3部分提到的前4點要求:雙秤架、成組專用托輥、對皮帶輸送機的最低設計要求、系統安裝的技術規范。
 
4 高精度電子皮帶秤貿易計量及校驗集成系統的現場應用及試驗驗證
銅陵市三愛思電子有限公司研制的高精度電子皮帶秤貿易計量及校驗集成系統自2006年1月起先后在山東棗莊礦業集團港務管理部、鞍本鋼鐵集團本鋼焦化廠、淮南礦業集團張北礦選煤廠、銅陵市華興化工公司港口、九江鋼鐵公司港口等用戶使用,用戶普遍認為:“該系統操作簡單、投資少,可以在不影響生產的情況下隨時進行在線試驗,解決了高精度計量及校驗困難等問題”。在銅陵市華興化工公司港口現場應用的照片見圖4。
圖4  銅陵市華興化工公司港口的應用現場
在這次鑒定會之前,該產品已通過安徽省計量測試研究院型式試驗(0.5級)并獲得計量器具制造許可證。在這次鑒定會上,由國內皮帶秤7位資深專家組成的鑒定委員會通過了“大宗連續散料貿易計量及校驗集成系統”的鑒定。以下列舉在銅陵市華興化工公司港口進行的現場測試部分數據,以具體事例說明系統的調試過程和測試結果。
1)  基本數據:
設計最大流量:270 t / h,輸送機皮帶長度:53.44 m,輸送機傾角:2.3 °,皮帶寬度:800 mm,皮帶速度:1.137 m/s,托輥間距為1.000 m。
2)  系統零點穩定性試驗
試驗目的:檢驗調零狀態下的皮帶輸送機運行狀況及秤體的安裝狀況。
試驗方法:在皮帶秤安裝及調整工作結束后,啟動皮帶輸送機運行30分鐘后,進行5次皮帶整數圈(每次不少于3分鐘)調零及1次零點累計鑒別力試驗。
表1  系統零點穩定性及零點累計鑒別力試驗             單位:mV


參數
第1次試驗
第2次試驗
第3次試驗
第4次試驗
第5次試驗
加載0.05%Max
A
B
A
B
A
B
A
B
A
B
A
B
最大值
3.65
3.89
3.65
3.91
3.66
3.91
3.65
3.91
3.65
3.91
/
/
最小值
3.52
3.77
3.51
3.78
3.51
3.77
3.50
3.77
3.51
3.77
/
/
舊零點
3.56
3.82
3.56
3.82
3.56
3.82
3.56
3.82
3.56
3.82
/
/
新零點
3.56
3.82
3.56
3.82
3.56
3.82
3.56
3.82
 3.56
3.82
/
/


 
表2  系統零點穩定性試驗結論


序號
試驗項目
要        求
實測值
結  論
1
皮帶機運行情況
最大值與最小值之差應不超過傳感器最大輸出的1.0% (或0.20mV)
A:0.15
B:0.14
A:合格
B:合格
2
系統零點穩定性
在新舊零點中任意兩個示值之差應不超過0.01mV
A:0.00
B:0.00
A:合格
B:合格
3
零點累計鑒別力
加載0.05%Max后的零點值與空秤的零點值應有明顯增長
A:是
B:是
A:合格
B:合格


 
3)  物料運行條件下A、B兩秤相對誤差調整試驗
試驗目的:在輸送實際物料的條件下校準兩臺秤的相對誤差。
試驗方法:在輸送實際物料的條件下,A秤開始按整數圈(每次不少于3分鐘)計量,B秤則延遲一段間隔長度后也按相同整數圈計量,根據第1次的A秤數據來校準B秤,第2、3次數據則用來觀察是否需要進一步校準B秤,而后3次數據則用來考核兩秤的相對誤差。
表3  物料運行條件下A、B兩秤相對誤差調整試驗         單位:kg


參數
第1次試驗
第2次試驗
第3次試驗
第4次試驗
第5次試驗
第6次試驗
A
B
A
B
A
B
A
B
A
B
A
B
顯示重量
2034.3
2037.1
2137.5
2136.7
1923.7
1924.7
1593.3
1592.7
1677.1
1666.7
2053.7
2053.8
誤差值
-2.8
0.8
-1.0
0.6
0.4
-0.1
誤差%
-0.13
0.03
-0.05
0.03
0.03
0.00


 
物料運行條件下A、B兩秤相對誤差調整試驗要求A、B兩秤相對誤差應不大于0.1%,實測數據為0.03%。
由于測試對象這臺秤原來已經調整過A、B兩秤相對誤差,所以第1次試驗的相對誤差較小。通常情況下新裝秤在進行本項調整時,第1次試驗的相對誤差較大,然后通過第2、3次試驗調整,其相對誤差才能達到不大于0.1%的指標。
4)  物料棒碼疊加法試驗
試驗目的:在輸送實際物料的條件下進行物料棒碼疊加法試驗以求得校驗系數,達到在線校驗的目的。
試驗方法:在輸送實際物料的條件下,A秤上加棒碼,一次加20kg,一次加40kg,A秤開始按整數圈(每次不少于3分鐘)計量,B秤則延遲一段間隔長度后也按相同整數圈計量。加20kg棒碼的理論累計值為1425.067kg,加40kg棒碼的理論累計值為2850.133kg。然后將A、B兩秤累計值的差值與上述理論累計值進行比較以求得校驗系數K。
 
表4  物料棒碼疊加法試驗(棒碼20kg)         單位:kg


參數
第1次試驗
第2次試驗
第3次試驗
第4次試驗
第5次試驗
第6次試驗
A
B
A
B
A
B
A
B
A
B
A
B
顯示重量
7943.6
9355.6
7303.2
8714.8
6094.8
7501.6
6579.6
7997.2
7672.0
9093.6
4404.0
5817.6
差值,ΔP
 1420.0
1419.6
1414.8
1425.6
1429.6
1421.6


 
計算時取最接近的4個數據進行平均計算得到校驗系數K1,K1=1.00338。
表4  物料棒碼疊加法試驗 (棒碼40kg)        單位:kg


參數
第1次試驗
第2次試驗
第3次試驗
A
B
A
B
A
B
顯示重量
4336.0
7177.2
3082.8
5926.0
1866.0
4724.4
差值,ΔP
2841.2
2843.2
2842.0 *


*:該差值計算有誤,應為2858.4,但對后續試驗帶來的影響不大(如果計算正確,得出的K0值稍小于1.00311,因此在物料試驗時,將使兩秤最大誤差值減小,得到的物料試驗精度更高)。
計算時取這3個數據進行平均計算得到校驗系數K2,K2=1.00283。
用K1、K2的平均值K0=1.00311分別對A、B秤進行滿值修正。
棒碼試驗按20kg、40kg各進行一次,所得系數的誤差很小,進一步證明所得到的棒碼系數校驗系數是可靠的。
5)  物料試驗
試驗目的:進行物料試驗以檢驗物料棒碼疊加法試驗是否能達到0.25%的精度,從而驗證物料棒碼疊加法試驗可以在生產現場取代物料試驗。
試驗方法:將準備好的物料用控制衡器計量(精度優于0.1%)后再用皮帶秤計量。
表5  物料試驗          單位:kg


參數
第1次試驗
第2次試驗
第3次試驗
A
B
A
B
A
B
實物量
21320
18320
16480
顯示值
21356.2
21349.8
18344.5
18339.3
16499.6
16496.3
誤差,%
0.17
0.14
0.13
0.11
0.12
0.10


 
由表5可見:A秤最大誤差0.17%,B秤最大誤差0.14%,故合格。
 
5 結束語
本文介紹了高精度電子皮帶秤貿易計量及校驗集成系統的工作原理及系統集成的主要技術,最后以鑒定時的現場測試數據為例介紹系統調試的具體步驟,現場測試數據還初步驗證了物料棒碼疊加法試驗可以在生產現場取代物料試驗。
作者在一篇文章中提出了對運行檢驗裝置性能進行評價的理論分析法,并運用這一方法評價了現有幾種運行檢驗裝置以及物料棒碼疊加法運行檢驗裝置,得出的結論是物料棒碼疊加法試驗的性能優于包括循環鏈碼在內的現有幾種運行檢驗裝置[2]。因此,作者是看好物料棒碼疊加法的前景,對物料棒碼疊加法寄予很大的希望。
當然,目前高精度電子皮帶秤貿易計量及校驗集成系統剛推出兩年,使用的用戶數量有限,大量的試驗工作還需深入進行,特別是物料棒碼疊加法試驗可否在生產現場取代物料試驗還應該通過國家權威機構的正式認可。
 
 
參考資料:
[1] 方原柏. 電子皮帶秤.北京:冶金工業出版社.,2007年7月。
[2] 方原柏. 電子皮帶秤運行檢驗裝置性能的理論分析法. 衡器,2007年第3期。
 
 
作者簡介:方原柏,1942年生,男,湖北黃岡人,昆明有色冶金設計研究院電氣自動化分院教授級高級工程師,衡器、冶金自動化、世界儀表與自動化等雜志編委,昆明儀器儀表學會副理事長兼秘書長,中國衡器協會技術專家委員會委員,曾出版“電子皮帶秤的原理及應用”(1994年)、“電子皮帶秤”(2007年)兩本專著。
 
電話:0871-3168424(o)  13078787502
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