（机械工程专业论文）ics型电子皮带秤在烟草制丝线中的应用技术研究.pdf

i c s 型电子皮带秤在烟草制丝线中的应用技术研究 摘要 随着人们生活水平的提高，对卷烟产品的质量提出了更高的要求。对 卷烟企业来说，就需要加强生产过程中的质量控制和配方控制。因此保证 皮带秤的高精度和高稳定性具有重要的意义。本文研究了i c s 型双杠杆双 托辊电子皮带秤在烟草制丝线中的应用技术。论文主要包括以下内容： ( 1 ) 分析了电子皮带秤的称重原理，对皮带秤的主要检测元件及各 类秤架进行了较详细的分析。 ( 2 ) 分析了电子皮带秤误差产生的原因，并就如何减少误差进行了 研究。 ( 3 ) 通过i c s 型双托辊双杠杆皮带秤的应用研究，提出了在生产过 程中保证皮带秤高稳定性及高计量精度的方案，设计了用于实物标定皮带 秤的计量器具。 关键词：称重原理，误差分析，实物标定 t h e a p p l i c a t i o nr e s e a r c ho fi c sw e i g h i n gb e l to n t o b a c o o p r o d u c tl i n e a b s t r a c t w i t ht h es t a n d a r do fl i v i n g r a i s e d ，p e o p l ed e m a n df o rh i g hq u a l i t yo f c i g a r e t t e a st ot o b a c o of a c t o r i e s ，t h e ym u s ti m p r o v eq u a l i t y c o n t r o la n d r e c e i p tc o n t r o li nt h ep r o g r e s so fp r o d u c t s oi ti sv e r yi m p o r t a n tt ok e e ph i g h p r e c i s i o na n dh i g hs t a b i l i t y o fw e i g h i n gb e l t t h i s p a p e rr e s e a r c h e s t h e a p p l i c a t i o nt e c h n i q u e o fi c sd o u b l el e v e la n dd o u b l es u p p o r tr o l l e r s w e i g h i n gb e l to nt o b a c o op r o d u c tl i n e t h ef o l l o w i n gi st h em a i nc o n t e n to f t h i sp a p e r ： ( 1 ) a n a l y z e st h ew e i g h i n gp r i n c i p l eo fw e i g h i n gb e l t a n a l y z e s t h e m a i nd e t e c t o r sa n db r a c k e t si nd e t a i l ( 2 ) a n a l y z e st h er e a s o no fe r r o ra n dr e s e a c h e sh o wt od e c r e a s ee r r o r ( 3 ) b ya p p l i c a t i o nr e s e a r c ho fi c sd o u b l el e v e la n dd o u b l es u p p o r tr o l l e r w e i g h i n gb e l t p r e s e n t sh o wt ok e e ph i g hp r e c i s i o na n dh i g hs t a b i l i t y o f w e i g h i n gb e l t ，a n dd e s i g n s am e a s u r i n gi n s t r u m e n tt od e m a r c a t ew e i g h i n g b e 】t k e y w o r d ：m e t a g et h e o r y ，e r r o ra n a l y z e ，p r a c t i c a l i t yd e m a r c a t e 插图清单 图2 1皮带秤结构示意图6 图2 2 单杠杆式秤架1 2 图2 3 双杠杆式秤架1 3 图3 一l 单托辊秤架称重原理图1 8 图3 2 多托辊单秤架称重原理图1 9 图3 3 多托辊双杠杆秤架的称重原理图1 9 图3 4 单托辊秤架的受力图2 0 图3 5 双杠杆多托辊秤架的受力图2 0 图3 6 称重力测量模型图2 2 图4 1 凌久i c s 型皮带秤电控柜内部布局图2 8 图4 2 凌久i c s 型皮带秤电控原理框图2 8 图4 3 步进电机控制电路框图2 9 图4 4 变频调速控制框图3 0 图4 5 标定装置结构图3 5 图4 6 标定装置电路结构图3 5 表4 - 1 表4 2 表4 - 3 表4 4 表4 5 表格清单 利用烟叶测试计量精度3 6 利用砝码测试计量精度3 7 动态重复性测试数据表3 8 控制精度测试数据表表3 9 掺配精度测试数据表4 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 盒蟹王些盔堂 或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名 方末 签字e t 期： 口占年q 月胡日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒胆王些厶堂有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权盒蟹王些盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：帝袭 签字日期： 。f 年 月明日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名 磷沁 签字日期e 年7 月吵日 电话 邮编 致谢 值此论文完成之际，首先向我的导师韩江教授致以最崇高的敬意和最 衷心的感谢! 本论文从选题、资料收集、试验方案设计等方面白始至终得 到，韩老师的精心指导。 回顾几年来的学习历程，韩老师从生活和学习上给予了我无微不至的 关怀和指导，特别是在我进修学习过程中给予，大力的帮助和支持。 韩老师渊博的学识、严谨求实的治学态度、勤奋敬业的科研热情以及 充分发扬民主的学术作风给我留下1 r 深刻的印象，对我来说是非常宝贵的 财富，不仅对我的研究生阶段学习工作产生了深刻影响，电必将在我今后 的工作、学习和生活中发挥重要作用! 感谢芜湖卷烟厂的胡立新高工在我的课题研究过程中对我的指导和 帮助! 同时，要感谢机械学院的各位老师在我的课题研究过程中对我的指导 和帮助! 感谢芜湖市计量测试研究所的江华高工在我的课题研究过程中对我 的帮助! 感谢工程硕士班全体同学在我的论文撰写过程中给予的无私帮助! 感谢我的家人在我研究生学习期间给予我的关怀、支持，特别要感谢 我的爱人张洁女士对我的鼓励和支持，以及对家庭所做出的奉献! 作者：方东 2 0 0 6 年9 月 1 1 称重技术的发展 1 1 1 称重技术的发展 第一章绪论 生产、建设、运输、贸易、科技和日常生活都离不开称量。长期以来， 人们一直采用机械杠杆秤进行称量。如台秤、自动字盘秤、地中衡、轨道衡等。 这些高精密的机械秤和大型机械衡器的机械结构复杂，支承部件( 刀口和刀垫) 娇弱且易磨损和腐蚀，因而维修工作量大；更主要的缺点是称重速度慢，效率 低，不能适应现代工业自动化生产、交通运输和贸易的要求。 为了克服上述缺点，几十年来人们研究了一种机电结合的自动秤。它由杠 杆系统、光栅装置和电子线路三部分组成。杠杆系统在载荷作用下产生位移， 光栅装置将这一位移转换成为电信号送入电子线路，最后用数字仪表显示重量 值。这种自动秤比机械杠杆秤前进了一步。它的精度高、称量方便，重量值可 以用数字直观地显示，也便于实现重量信息的远距离传输。 近年来，由于非电量电测技术的发展和高精度称重传感器的研制成功，为 用电子技术进行快速、自动称重提供了新的手段和方法【l j 1 2 j 。 1 1 2 皮带秤称重技术的发展 随着称重技术的发展，皮带秤作为散料动态称重的计量器具，其技术发展 较快。皮带秤起源于1 9 世纪末、西方工业发展时期。它的称重原理最早来源于 斗式输送机对散料连续自动称重的装置。这种装置于1 8 8 0 年获得了计量许可。 1 9 0 8 年英国公布了第一个皮带秤的专利。1 9 7 0 年由英国制订了一个自动秤的检 定规程。 二次大战后，尤其是近三十年来，传感器制造工艺和电子技术飞速发展， 给整个称重技术带来了大的变革，这为提高皮带秤的计量性能创造了有利条件。 皮带秤的发展大致经过了以下四个阶段： 1 第一代的产品是纯机械式皮带秤，一般采用增量式编码器，机械式或光 电式扫描码盘等，使皮带秤的机械杠杆具有平衡条件，识别记数和启动功能。 2 第二代是传感器电子仪表皮带秤，检测部分一般采用光电脉冲或磁脉冲 变送器测速，二次仪表用模拟积分放大电路或数字系统积分电路来实现动态称 重过程的平衡、识别和累积计算功能。 这两代皮带秤只能测量和进行累积计算，不能控制运行中计量性能的变化， 因此动态计量准确度较低，稳定性差，在用户中信誉不佳，逐渐被第三代、第 四代皮带秤取代。 3 第三代、第四代是传感器微机式皮带秤和微机智能化的皮带秤。微处理 机的应用引入皮带秤使电子元器件结构、内容和集成化程度大大提高。生产厂 家可以根据现场使用条件去满足用户的需求1 3 1 。 1 1 3 皮带秤的现有分类方法 皮带秤的结构形式、种类较多，分类的方法多种多样，至今仍不统一。 以称重传感器的工作原理进行分类的有：电阻应变式皮带秤；差动变压器 式皮带秤：压磁式皮带秤；核子式皮带秤等。其中以电阻应变式的产品最多。 以秤架结构形式进行分类的有：单托辊式皮带秤；多托辊式皮带秤；平行 板簧式皮带秤和悬臂式皮带秤等。 在烟草行业中，皮带秤主要作为制丝线的单机计量设备，因此主要以在制 丝工艺中的用途进行分类，常规分类为： 1 计量型电子皮带秤： 主要用于计量通过皮带秤的物料总量： 2 控制型电子皮带秤： 主要用于控制通过皮带秤的物料流量，也可计量物料总量； 3 配比型电子皮带秤： 主要用于控制主皮带秤和从皮带秤掺兑物料的配比比例； 4 定量型电子皮带秤： 主要用于计量达到给定物料量后，产生控制信号。 1 2 国内外电子皮带秤状况 1 2 1 国外电子皮带秤的状况 随着工农业技术的发展，电子皮带秤作为散料动态称重的计量器具的研究 受到技术先进国家的有关机构和技术工作者的重视。这些国家建立了电子皮带 秤的研究基地，专门从事电子皮带秤的相关研究和测试，并逐步转化为工业产 品。针对提高皮带秤的称量准确度和稳定性以及改善检测技术方面的专利在生 产实践中不断得到运用。正是由于广大科技工作者的努力，现在使用的电子皮 带秤的称量精度及稳定性得到了极大的改善。 6 0 年代初美国t h a g e r 衡器公司的f h y e r 博士利用应变能法建立了皮带秤的 称重力测量的数学模型，该模型可对皮带秤的动态误差进行分析，为皮带秤的 动态误差分析提供了一种有效的方法。 p h i l i p s 公司从1 9 6 6 年开始研究比较双托辊皮带秤与单托辊皮带秤的计量 性能，通过在公司的实验装置上大量的测试，得出了双托辊皮带秤的计量性能 优于单托辊皮带秤，该项成果标志着高精度皮带秤在机械秤架设计方面的新起 m 0 美国设置有专门从事散料称重和控制的技术服务公司，有偿地为工矿企业 中使用的皮带秤进行各种咨询和技术服务，确保了这种秤在现场使用中的计量 性能。 北欧的瑞典、挪威在皮带秤的现场维护技术上有出色的成就，这些国家把 皮带秤做为散料进出口贸易结算的计量器具，使用中的计量准确度为0 2 t 4 】 【5 1 。 1 2 2 国内电子皮带秤的进展状况 国内从5 0 年代开始设计、制造了滚轮式机械皮带秤。到6 0 年代后期开始 使用传感器电子仪表式皮带秤。当时国内传感器制造工艺和电子技术水平不高， 该类电子仪表式皮带秤同机械皮带秤一样，在使用中的准确度和稳定性较差。 1 9 7 9 年在湖南湘潭钢铁厂投入使用了国内第一台多托辊皮带秤。8 0 年代又 从美国、日本、德国等国家引入了皮带秤的设计制造和计量检测技术，使我国 皮带秤技术有了较大的发展。其主要标志如下： 1 十年中国产皮带秤的技术指标提高了一个数量级，有几个厂家的产品其 检定精度达到了o 2 ，获得了用户的信任，进入了国外同类产品的先进行列。 2 皮带的速度检测和动态参数跟踪自校，这两项应用技术有了突破性创造， 获得了国家技术专利。 3 建立了多套皮带秤试验装置，为新产品开发和计量性能的检测提供了试 验研究条件。 4 开发出一批性能良好的皮带秤专用二次仪表，尤其是微机智能化仪表 己投入现场使用。 5 一种单弹性无杠杆的平行簧板式散料称重装置的研制成功，为工艺秤 的更新换代开创了一种新途径。 6 皮带秤国家标准和检定规程的发布，使皮带秤产品规范化有了依据。皮 带秤的检测技术受到广泛的重视”6 j 。 1 2 3 国内烟草行业应用电子皮带秤状况 8 0 年代，电子皮带秤随着烟草制丝线的引进，开始有规模的在国内使用， 在随后的技术水平的发展过程中，主要是国外推出的新产品，国内进行测绘、 仿制，到了9 0 年代，国内的新产品开始不断的推出，在机械输送机部分和电控 部分都有创新，但真正具有国内自主产权的烟草行业的电子皮带秤直n 9 0 年代 末才出现。如：现在，在烟厂使用的进口的电子皮带秤，有h a u n i 公司的刀口刀 承式皮带秤，有c o m a s 公司的十字簧片式电子秤，有g a r b u i 公司的平行簧板式 皮带秤，l e e g 公司的内十字簧片式皮带秤，这些皮带秤，代表了国外电子秤的 最新技术水平，其中，h a u n i 公司的秤和c o m a s 公司的秤在国内用量较大，最近， 这两种秤都有了许多改进，但大的结构未改，计量精度仍是0 5 。烟厂使用的 国内的，体现技术水平的，主要是云南昆船公司的双杠杆双托辊电子皮带秤。 1 3 卷烟工艺简介 卷烟工艺是指导卷烟企业制造稳定的、符合设计要求的卷烟产品，满足消 费者需求的规范。卷烟原材料经过一系列温度、压力、水分、形状的变化，最 后形成符合工艺要求的卷烟制品。其流程一般为烟片处理、白肋烟处理、制梗 丝、制叶丝、掺配加香、膨胀叶丝、烟支卷接包装等。 在制丝工艺过程中，重要的参数是烟丝水分和烟丝流量，对烟丝水分和 流量的控制精度优劣在很大程度上是由电子皮带秤的精度决定的。以润叶 工序的水分控制为例，润叶筒前后的水分仪检测润叶前后叶丝的水分，润叶筒 入口处利用电子皮带秤检测叶丝的流量，叶丝流量的变化直接控制润叶筒加水 量，以满足润叶工艺的要求，可以说，电子皮带秤控制精度直接关系到润叶的 效果。在加料加香、烘丝等工序，皮带秤更是重要的关键设备，直接影响加料 加香精度和成品烟丝的水分。 1 4 课题的来源及意义 1 4 1 课题的来源及意义 随着人民生活水平的提高，对卷烟质量和吸味的要求也越来越高，这对卷 烟企业来说，就要求提高卷烟生产过程的质量控制、配方控制，以满足消费者 的要求，因而提出了电子皮带秤的高稳定性和高计量精度的要求。电子皮带秤 是烟草制丝生产线上重要的单机计量设备，对生产线上的各个环节分别起着流 量控制、定量控制、精确掺兑配比，投入产出统计等重要作用，为整个烟厂的 信息化管理提供正确的原始数据。在使用中我们发现，由于在卷烟企业中使用 的电子皮带秤大多属于托辊式电子皮带秤，所以无法避免“皮带效应”对称重 产生的不良影响，从而使得皮带秤在使用过程中暴露出稳定性和可靠性不是很 好，并且校秤调试及修理维护较复杂等问题。如何正确使用电子皮带秤，保证 在生产过程中应有的高稳定性、高计量性能，是摆在我们面前的课题。 1 4 2 本文主要研究内容 1 了解国内外电子皮带秤的进展状况，以及国内烟草行业状况； 2 分析了电子皮带秤的称重原理，以及现有电子皮带秤结构；掌握了各种 电子皮带秤的优点和不足： 3 以电子皮带秤的误差展开分析，了解各种误差产生原因，以及如何克服 和减小误差的方法： 4 通过对卷烟企业使用的凌久i c s 型双托辊电子皮带秤的应用研究，提 出保证电子皮带秤的高稳定性、高计量精度的方案，并且验证所研究的结果。 第二章电子皮带秤的工作原理分析 电子皮带秤主要由积算器、称重桥架、称重传感器、测速传感器、传输线 路等组成。装有称重传感器的称重桥架安装在输送皮带的纵梁上，由称重桥架 支承的称重托辊检测皮带上的物料重量，产生一个正比于皮带载荷的电气输出 信号。速度传感器直接地连在从动滚筒上或大直径的托辊上，提供一系列脉冲， 每个脉冲表示一个皮带运动单元，脉冲的频率正比于皮带速度。称重传感器和 速度传感器通过线路将输出信号送至积算器，积算器再用电子方法把皮带运动 和皮带载荷相乘，并进一步处理通过输送机的物料总重量，将其转换成选定的 工程单位，通过对时间的计算，同时产生一个瞬间流量值，积算器通过内部程 序运算得出一段时间内的累计量，最终将瞬时流量和累计量在显示器上显示出 来，并且已实现了与计算机、打印机进行远程通讯，实施数据自动采集和操作。 这是皮带秤自动、连续累计称重的过程。皮带秤结构示意见图2 1 【7 1 。 三牛器二 ) 迂 黼个称群勰感器 l 信鲁由h 和案1 图2 - 1皮带秤结构示意图 2 1 电子皮带秤称重的数学模型 电子皮带秤是对散状物料自动地连续、累计称量的计量器具。连续、自动 称重是皮带秤的主要特点。为了测量运动皮带上单位长度的瞬时流量，某一段 距离的物料重量或一段时间和一段距离的累积重量，这些量在理论上的计算， 应当用合适的数学模型加以演算，本节以积分法进行描述。 我们知道，皮带运输机在匀速传送物料的情况下，在时间t 内总输送量为： w = q v t ，q 一单位长度皮带上的物料重量，公斤米：v 一皮带传送速度， 米秒；t 一传送时间，秒：因此在匀速传送物料的情况下，皮带运输机传送的 物料重量很容易求出。但在大多数情况下，皮带上的物料一般是不均匀的，皮 带机的速度也是波动的，因此t 时间内的总输送量应是瞬间输送量对时间的积 分值： d ，、 w = ，1 。w ( t ) d t = ，t oq ( n v ( t ) d t = ，o ! 半v ( t ) d t( 2 1 ) 式( 2 1 ) 中，w ( t ) 一瞬间输送量( 公斤) ；q ( t ) 一瞬间单位长度上物料重量 6 ( 公斤米) ；v n ) 一瞬间皮带传送速度( 米秒) ；p ( t ) 一作用于称重框架l ：的瞬 时载荷量( 公斤) ；l 一称量框架上的皮带长度( 米) 。式( 2 一1 ) 较清楚地描 述了皮带运输机的称重原理，现在只要利用传感元件测出速度信号与载荷量信 号，即可实现皮带秤的称重过程。1 设作用于称重传感器的瞬时载荷量和皮带传送瞬时速度分别为p ( t ) 和 v “) ，则可得：称重传感器瞬时输出电压u 。( t ) = c p ( t ) u ( 2 2 ) 速度传感器输出的瞬时电压u v ( t ) = k v ( t ) ( 2 3 ) c 、k 为常数；u 为称重传感器供桥电压值，取u 。( t ) 与u v ( t ) 乘积对时间的秘分可 得： 糟t ol i p ( t ) uv ( t ) d t = ，1 。c 1 1 p ( t ) k v ( t ) d t= c k u l ，1 ；p ( t ) v ( t ) ( 1 l ) d t = c k u l w ( 2 4 ) 由式( 2 4 ) 可知，取u 。( t ) 与u ，( t ) 积分后司得到一个正比于总输送量w 的值a ， 其系数为常数c k u ，因此可使用a 的大小表示总输送量w 。因此u ，( t ) 与u v ( t ) 的 乘积与w ( t ) 成正比，所以该乘积可表示瞬时输送量” 8 1 。 2 2 称重传感器的分析 称重传感器是皮带秤力与电转换的核心部件，称重传感器按变换原理分类， 主要有：电阻应变片式、差动变压器式、电容式、压磁式、压电式等。 目前国内己能生产00 2 一00 5 f s 的电阻应变式传感器， 国外技术水平在 o0 1 00 2 f s 之间。因此，目前在使用的皮带秤中，绝大多数采用了电阻应 变片式称重传感器。本节以电阻应变片式传感器为代表来论述其特性参数、结 构特点及与秤架的联接方式。 电阻应变计是称重传感器的核心器件，其敏感栅结构、基底材料、灵敏系 数稳定性、机械滞后、蠕变和热输出等技术性能直接影响称重传感器的准确度 和稳定性。许多企业都把应变计的生产列入称重传感器的基础工艺。国内外著 名称重传感器企业稳定批量生产质量都是从电阻应变计这一源头抓起，或建立 与白己产品配套的电阻应变计生产部门。或经过考察确立长期供货的电阻应变 计生产企业。9 0 年代以来，以美国h p m 公司、v m m 公司为代表的应变计敏感 栅箔材轧制企业和以美国v m m 公司、德国h b m 公司为代表的电阻应变计生产 企业，在箔材轧制、热处理和电阻应变计设计技术与制造工艺研究上都取得了 突破性进展1 9 1 j 【”j 。 2 2 1 称重传感器的特性参数 称重传感器是电子皮带秤的关键部件，它的性能指标在很大程度h 决定了 电子皮带秤的精度和稳定性。因此，当我们使用电子皮带秤时，应对称重传感 器的基本特性有充分的认识。 1 额定载荷( 容量) ：是称重传感器称量范围的上限值，单位为公斤力或 吨力。 2 输出灵敏度( 或称传感器系数) ：指传感器在额定载荷作用下，供桥电 压为1 伏时的输出电压，单位为毫伏秒。 3 非线性：指传感器承受载荷与相应输出电压之间并非成直线关系，由此 而造成的误差称为传感器的非线性误差。 4 滞后：在相同的工作条件下，传感器由零负荷逐级加载到额定载荷，然 后由额定载荷逐级卸载到零，分别测得的输出电压特性曲线，两者并不重合， 这种现象称为传感器的滞后。 5 不重复性：在同一环境下，对传感器反复施加某载荷时，其每次输出的 电压值不尽相同，这种现象称为传感器的不重复性。 6 蠕变：传感器在恒定的温度环境中，加以某一恒定载荷时，一般为额定 载荷，其输出电压随时间而变化的特性称为传感器的蠕变。 7 传感器系数的温度影响：传感器系数值随温度而变化，用温度每变化 1 0 。c 而引起的传感器系数的相对变化来表示，它反应温度变化对传感器输出电 压影响的值。 8 零点不平衡输出：在传感器不受任何载荷条件下，传感器输入端接以额 定的供桥电压时的输出电压，称零点不平衡输出。 9 零点时间漂移：传感器在恒定的温度环境中，零点不平衡输出电压随时 间而变化的特性，称为传感器零点时间漂移。 1 0 零点温度漂移：传感器的零点不平衡输出电压随温度而变化的特性， 称为传感器的零点温度漂移，用环境温度变化1 0 所引起的输出变化相对于额 定输出的百分比来表示。 1 1 最大过载能力：当载荷超过额定载荷到某值时，传感器已不能按规定 的性能指标工作，但去载后传感器仍能在额定载荷范围内恢复工作，该超载值 与额定载荷之比表示传感器的最大过载能力。 1 2 工作温度范围：在此温度范围内传感器能保证各项性能指标在规定的 误差范围之内而正常地工作。 13 绝缘电阻：指传感器电气回路与传感器外壳之间在5 0 一1 0 0 伏电压下 测得的直流电阻值。 1 4 输入电阻：传感器在空载条件下，其输出端处于开路状态，测得桥路 输入端之间的电阻值，称为传感器的输入电阻。 l5 输出电阻：传感器在空载条件下，其输入端处于开路状态，测得桥路 输出端之间的电阻值。 称重传感器性能参数，除零点不平衡输出外，对皮带秤的计量性能都有程 度不同的影响1 0 11 1 1 。 2 2 2 电阻应变式传感器工作原理 电阻应变式传感器之所以能作为重量一电量的转换元件，是基于金属丝在 受拉或受压发生弹性变形时，其电阻值也产生相应变化这一物理性能。当电阻 应变片的金属丝承受外力作用发生弹性变形时，它的长度、截面积以及电阻率 p 会发生相应变化，此时其电阻相对变化为： ar r = ( 1 + 2 肛) al l + ap p ( 2 - 5 ) 应变片的应变灵敏系数为： k o = ( r r ) ( al l ) = ( 1 + 2 p ) + ( ap p ) ( al l )( 2 - 6 ) 式( 2 - 6 ) 中： u 一泊桑系数，一般金属的g = 0 2 0 一o 4 0 ( 1 + 2 p ) 这一部分是金属丝受力后由于材料的几何形状发生变化而引起 的，上式第二部分为金属丝单位长度的变量a l l 引起的电阻率p 的相对变化。 把电阻应变片用粘合剂粘贴在金属弹性元件表面，并让电阻丝方向与受力方向 一致时，就构成了一个最简单的电阻应变片式传感器。这时如果在弹性元件上 加上重量w ( 或力) ，电阻应变片将同弹性元件一起产生弹性变形，应变片的阻 值将发生变化，通过测量电阻应变片阻值的变化，就可以间接测得外加重量w 。 这就是电阻应变式称重传感器的工作原理。 皮带秤是一动态计量器具，在运行中受皮带运输系统中多种因素的影响， 所以在选用称重传感器时比其它种类的电子秤对称重传感器要予以更多的考虑 2 1 1 2 1 。 2 2 3 传感器与秤架的联接 传感器与秤架的联接装置，在皮带秤整个称重系统中占有相当重要的地位。 在皮带秤动态计量时，如何克服振动，偏载等多种因素的影响，将重力准确地 传递到传感器是一个不可忽视的环节。 如果没有合理地安装称重传感器以及没有性能良好的联接装置，即使皮带 秤秤架设计得最好，传感器准确度再高，也不能得到很高的系统准确度及其长 期稳定性。 对于同一个称重传感器，由于采用不同的联接器，其效果是大不一致的。 甚至于采用同一种类型传感器而仅仅是联接器的加工和安装的准确度不一致 时，可使准确度从0 0 l 一0 0 2 降为o 0 5 一o 1 。 理论和实验表明，联接装置必须能将重力准确地传递到称重传感器上，其 作用力必须通过传感器的轴心，若联结装置不能准确地将重力传递到传感器轴 心上，就必将产生横向分力，造成系统的准确度降低。 对于皮带秤的传感器联接装置不仅在理论上需要有消除侧向力的结构设 计，而且在传感器联接器的加工和安装方面也要保证一定的精度。这是因为皮 带秤是动态计量器具。在计量时，重力的作用点在传感器轴线的四周一定的范 围内游移，其分布规律呈正态分布特性。 正常工作时，如果重力的作用点能在传感器轴线周围和某点周围自如地游 移，并不影响皮带秤的准确度。但假若重力作用点产生了偏移，从某一点偏移 到另一点而不能自如地游移，即正态分布的均值发生了变化，那么就造成了系 统的误差。 所以，如何保证联接装置的加工和安装精度也是一个关键点，特别对于小 量程的皮带秤来说，皮带秤的振动常使作用点产生偏移，在皮带秤动态计量过 程中，从某点偏移到另一点，造成了系统误差。通常要求传感器的连接有如下 要求： 1 能有效地消除侧向力的影响； 2 在动态过程中，重力作用点不允许产生偏移只允许围绕某点产生呈正态 分布规律的游移； 3 便于安装、维修； 4 标准化、系列化和整体性好； 5 成本低、加工简单 8 】u 2 。 2 3 测速传感器的分析 测速传感器也是皮带秤称重系统中的一个重要环节。皮带秤称重系统，主 要是检测两个物理量，一个由称重传感器测得的重力信号，另一个是检测皮带 的线速度，然后将这两个量进行积算。速度检测的准确程度，直接影响到皮带 秤的准确度。 测速传感器主要分数字式和模拟式两种。当前国内外普遍使用数字式测速 传感器。过去使用的模拟式测速传感器来检测发电机输出电压的方式不再使用。 数字式测速传感器以拾取速度信号的方式来讲，分接触式和非接触式。从 测量原理上来讲又分：测脉冲频率式( 测频式) 和测脉冲周期式( 测宽式) 。从信号 转换方式上可分为：磁一电式和光一电式。接触式测速传感器的摩擦轮又分窄 式和宽式，从测量摩擦轮的宽、窄的种种组合，形成了各式各样的测速传感器。 2 3 1 几种常见皮带秤测速传感器 1 接触式测速传感器 接触式测速传感器是目前最为流行的测速方式。基本方法是由一摩擦轮接 触运输带，当运输带运动时，测速传感器的转轮依靠和运输带之间的摩擦力转 动，带动测速发电机或光一电转换装置或磁一电转换装置，进行测速。 这种测速方法的优点是结构简单易行，缺点是摩擦轮不能准确地反映皮带 0 的线速度，造成测速误差大。 2 非接触式测速传感器 非接触式测速传感器，指测速传感器无机械装置和运输带接触。分为光一 电式和磁一电式两种。 ( 1 ) 光一电式测速传感器 光一电式的基本方法是在运输带表面嵌入许多光亮的金属薄片，当该金属 薄片通过光源时，产生一个光的反射信号给光敏管，通过检测单位时间内反射 信号的个数，或者测量两个信号之间的时间间隔，便求得运输带的实际线速度。 实际应用问题表明，非接触光一电式测速方法，只能应用在特定的环境条件下， 使用的局限性小，所以在普通的皮带秤上很少采用。 ( 2 ) 磁一电式测速传感器 非接触传感器中的磁一电式测速原理和光一电式测速传感器的测量原理相 同，在理论上可以直接测出皮带的线速度，且相对光一电式非接触测速传感器 具有一定的实用性。这种方法的缺点是：运输带在行进中不是平衡行进，一旦 运输带发生跳动，磁接收器便不能正常工作，易遗失信号。 通过对光一电式和磁一电式非接触式传感器的分析，可以认为，非接触式 测速传感器在理论上是正确可行的，可以消除“打滑”等接触式测速传感器无 法克服的问题，能达到直接检测运输带线速度的目的。但在实际使用时仍存在 许多实际问题，有待于进一步解决研究开发更具有实用性的非接触式测速传感 器。所以到目前为止，在国内外非接触式测速传感器尚未广泛应用。 2 3 2 测速信号的处理方法 测速传感器对检测到的信号处理方法有两种：测频式和测宽式。现以接触 式测速传感器为例说明测频和测宽方式的基本原理。 1 测频法 运行中的输送带通过和测速传感器的摩擦转轮之间的摩擦作用，使其摩擦 旋转，摩擦轮的旋转又拖动一个带有小孔的圆盘同步转动。光在圆盘转动时， 间断地阻挡光敏元件接收光线，光敏元件的输出端输出脉冲信号。当运输带线 速度越高，圆盘旋转也越快，光敏元件输出端的脉冲宽度变的越窄，即单位时 间内脉冲个数也越多，反之就越少。采用测频法，可以直接计取单位时间内的 脉冲数来表示速度值。 2 测宽法 在采用电脑来处理测速信号后，出现了一种新的测速方法，即测宽法。在 使用同样的测速装置，加上适当的硬件和软件便可大幅度提高测速的分辩率。 这种测宽法的测速传感器，分辨率可达0 0 0 5 一o 0 1 1 13 1 【l 引。 2 4 几种常见的称重装置( 秤架) 分析 皮带秤的称重装置是指皮带秤的负荷承受部分，简称为秤架。秤架是将皮 带上物料的重量传递给称重传感器的荷重承受和传递装置，也是物料称量过程 中第一个转换环节，所以它是电子皮带秤最重要的组成部分。这个环节的精确 度和稳定性对电子皮带秤的性能优劣起着决定性的作用。秤架装在皮带输送机 上，对皮带上通过的物料重量由称重传感器和测速传感器进行信号转换，在转 换过程中，由于皮带效应对称重结果的影响甚大，为了减轻这种影响，人们研 制、设计了各种各样的秤架。几种典型秤架的结构形式介绍如下：为了能称量 皮带上物料的重量，需用称量框架把物料重量传递给称重传感器，并且要求它 仅传递物料对皮带的垂直力，而不使任何水平力传给传感器。称量框架可分为 单组托辊式和多组托辊式。 2 4 1 单托辊秤架 单托辊秤架是指皮带输送机上只有一组托辊对物料重量进行力一电转换， 我们称这组托辊为称重托辊。与它相邻的前后一组固定的托辊称为过渡托辊。 其具体结构有直接支承式和杠杆式两种类型。在杠杆式中又分带配制平衡重物 和不配平衡重物两种。以往市场上常见的带平衡重物的单杠杆式秤架已经很少 了，代替它们的是如图2 2 所示的不带平衡重物的单杠杆式秤架，秤架只有一 组称量托辊，中部为称量托辊，称量托辊支承在扁钢组成的框架上，框架一端 与支点相连，另一端吊挂在称重传感器的下方。图2 2 中左斜下方有一个外罩， 罩下即为秤的耳轴型( t r u n i n g ) 无摩擦密封支点，右斜上方外罩内为称重传感 器，秤架部分有一个相当于三点式悬挂系统支撑。耳轴型无摩擦密封支点采用 橡胶材料，它可吸收震动，又不受灰尘、湿气的影响，因而其传力特性明显优 于其它类轴承支承、刀口支承或簧片支承。由图2 2 还可以看到，组成杠杆式 框架的材料外形为扁钢，因而可减少秤架的积灰面积，相应减少维护量和秤架 零点的漂移量。这种秤架最大的特点是无平衡重物，也就是说，称重传感器测 量到的力既包括物料重，也包括称量托辊框架及杠杆重量所带来的皮重，其优 点是大大减轻了秤架的重量，也使秤架动作更灵敏了【1 4 【”】。 图2 2单杠杆式秤架 2 4 2 多托辊秤架 由两组或两组以上称重托辊组成的秤架叫多托辊秤架，具体结构又分为双 杠杆式和悬浮式两种类型。与单托辊秤架一样，这两种类型的多托辊秤架，每 一类型都有配置平衡重物和不配置平衡重物的两种型式。 1 双杠杆式秤架 这种秤架的两组对称杠杆一般装在输送机纵粱的内侧。两杠杆的终端用簧 片支点支承在输送机纵梁上，起始端通过吊挂系统与称重传感器一端连在一起。 秤架中间，有一个和机架连在一起的龙门框架，框架上配置有平衡机构，与传 感器另一端连接。或者有一根横向装在输送机纵梁上的支撑梁和传感器另一端 连接，使对称杠杆机构( 通过称重托辊) 把承受物料的重力传递给称重传感器。 图2 3 所示为双杠杆式秤架，照片中左下方和右上方有四个耳轴型无摩擦 密封支点，支点座固定在皮带机纵梁上，上部的支点轴则以吊挂方式分别与上 下两组杠杆相连，在秤架的中部有一个支撑梁，两个称重传感器上端固定在支 撑梁上，下部与两根杠杆相连。 图2 3双杠杆式秤架 2 悬浮式秤架 悬浮式秤架与非自动平台秤相类似，称重平台由称重传感器支承，称重托 辊装在平台上。悬浮式秤架也有配置平衡重物和不配置平衡重物两种结构。 2 4 3 平行板簧式秤架 平行板簧式秤架的基本结构是把两块平行簧板一端固定在底座上，另一端 连接在一起悬浮，并在悬浮端安装称重托辊。在两平行板之间安装称重传感器。 称重传感器的受力方式，拉或压均可。但做成压工时，传感器的传力部分下方 要安装减振装置，以防皮带运行时上、下摆动，影响重力值的传递。装成拉工 时，称重传感器要采用软联接。 这种秤架的结构精巧，一无现有秤架的簧片支承，二无传力杠杆，两者均 由平行板代替。既可做成单托辊秤架，又可组成多托辊秤架，是一种新型结构， 适应范围很广。 2 4 4 悬臂式秤架 国内现有设计结构大多数采用环形短皮带输送机组成称重系统。其结构原 理与配置平衡重物的单托辊秤架较近似。这个封闭的称重系统，可以把它看成 一根杠杆。称重传感器直接装在输送机的尾部，成为力点。支点设置在输送机 的前部。卸料的料斗装在支点上，使物料下落到皮带上时，正好落在支点前后。 平衡重物设置在前端。 2 4 5 整机式秤架 整机式秤架是皮带输送机只考虑计量意识的一种特殊皮带秤。皮带输送机 一般由皮带秤生产厂家配套供应，长度比一般输送机短，在2 6 m 之间。输送 机没有倾角和槽角，水平而且低速运转。皮带没有接头，厚薄较均匀，比较柔 软。输送机的下料端有几组间距很近的固定托辊( 亦称缓冲托辊) ，用来承受料 仓下料的压力。这些特殊设计使“皮带效应”对计量性能的影响明显改善。 悬臂式秤架，实质上就是整机式秤架的一个特例。因此，整机式秤架的特 点是把输送机和计量秤架设计成一个整体，有恒速和调速两种类型。秤架一般 采用单托辊式，平行板簧式或双托辊双杠杆式等。 2 4 6 支撑簧片 大部分秤架( 包括以上介绍的多托辊、悬臂式秤架等) 都用杠杆系统。杠 杆系统的支点结构，早期采用刀口和一般轴承。这类支点结构因传递力的效果 不佳基本上被淘汰。现在大多数采用弹簧片作弹性支撑。秤架上目前采用的支 撑簧片有x 型、十字型和单吊片型三种。 x 型簧片的结构由几块簧片自倾斜4 5 度角组装，连接成一个x 型体。簧片两 端的支座，一端在秤架上，一端连接基础梁。一般由三块簧片组成一个x 型支 承点，也有两块组成的。此时两块簧片的外形尺寸( 长、宽、厚) 应相同。 由十字簧片组成支承点时，两簧片相互垂直组装，簧片形状尺寸也应相同。 簧片一端通过支座与基础连接，另一端通过另一端支座与秤架相连，两组簧片 的交叉线就是秤架的支承点。 ， 单吊片型簧片支承点只有一块垂直安装的簧片，两头通过夹板分别与支座 和秤架相连，起支承作用。 1 4 2 4 7 秤架结构优越性对比 单托辊秤架有结构简单、造价低的优点，但计量准确度较低，运行稳定性 较差。一般只适于准确度要求不高韵配料控制计量。 多托辊秤架是高准确度皮带秤采用最多的一类结构，目前应用这种秤架， 配合先进的主控机，使皮带秤的计量检定最大允许误差优于0 2 5 。主要优点 有： 计量性能稳定可靠，由于多托辊秤架使称重有效长度增长，称重托辊的组 数增多，秤架的整体性能比单托辊秤架大大改善。皮带在运行过程中零点和示 值的稳定性增强，置信度增高。 抗干扰能力强。通过试验，多托辊秤架物料流量变化的干扰、皮带跑偏干 扰、物料块度大小不均的干扰等能力都比单托辊秤架要好。 这种秤架的缺点是设计结构比较复杂，造价较高。由于准确度高，现场日 常维护检测要求较严。 平行板簧式秤架是一种新型秤架，主要优点是采用单弹性无杠杆的整体设 计结构，克服了一般秤架由于多支点，杠杆在运行中的变差，结构精巧，一台 8 0 0 m m 宽的皮带秤，秤架全长不大于7 0 0 r a m ，秤体总重( 包括称重托辊) 只有 3 5 k g 左右。由于减少了连接部件，计量稳定性好，抗偏载能力强。用于配料时， 保留了单托辊秤架的优点，克服了稳定性差，抗偏载能力差等不足。组成多托 辊秤架时，具有多托辊秤架的优点，克服了结构复杂，造价较高的不足。是一 种很受用户欢迎的设计结构。 整机式秤架，由于皮带输送机的特殊设计，给计量性能创造了有利的条件。 结构紧凑，占用空间小，给用户在生产过程中的维护带来了方便l 1 5 1 【1 8 】。 2 5 电子皮带秤仪表分析 电子皮带秤中的指示仪表一般分为模拟式和数字式两种。它们将称重传感 器在外加重物作用下输出的电信号以重量为单位给出重量示值。一般电阻应变 式称重传感器输出的电信号幅度较小，为此除极个别直接用微安表进行测量外， 大多数情况都要把传感器输出的电信号放大、处理后进行指示或显示。 2 5 1 模拟式仪表 模拟式仪表是用仪表指针的行程大小来显示被称物的重量值。最简单的是 采用磁电式仪表( 微安表) 或附有放大电路的毫伏变送器。较多是采用自动平 衡式指示仪( 指示式或记录式) ，优点是价格便宜、线路简单，缺点是测量精度 及分辨率低。 1 毫伏变送器 在称重传感器桥路输出和指示电表之间加入电子放大电路，构成毫伏变送 器以提高称重装置的抗干扰能力，并可加接控制电路。一般的控制线路为由重 量传感器输出重量信号，经滤波、放大后直接驱动毫安表指示。若加上控制信 号，可通过信号电流与定值器进行比较，达到设定值后予以显示并驱动控制系 统。 2 自动平衡式重量读出装置 自动平衡式重量读出装置实际上是利用电子电位差计的原理制成的。一般 的测量控制原理：传感器输出的直流信号经滤波后与测量电路串接，两者的电 位差值经放大器调制放大后驱动电机转动，电机带动标尺的指针移动，指针的 位置即可表示重量的大小。 2 5 2 数字式仪表 在电子称重系统中使用的数字式读取装置常用直流或交流数字电压表，与 模拟式读出装置比较，具有测量精度高，读数直观，没有读数误差，配以数字 记录装置后就能自动记录测量值，而且还可进行自动测量，远距离测量，实现 自动控制。根据模拟量向数字量转换过程的工作原理不同，数字电压表可分为 以下四类：比较方式、斜波方式、积分方式、复合方式。以下将对使用较多的 比较式数字电压表和积分式数字电压表作一介绍。 1 比较式数字电压表 这种工作方式的数字电压表，是将输入的被测电压与仪器内部由数字编码 控制的可变基准电压不断进行比较，直至两者相等。这时仪器内部的数字编码 即可作为被测电压的数字量。 以比较方式工作的数字电压表，为了能和被测电压比较，内部通过基准电 压解码得到基准“砝码”，再用数码寄存器控制开关的接通和断开来加减基准“砝 码”。在测量时，最后留在数码寄存器中的数码即可作为被测电压值输出并显示。 2 积分式数字电压表 这种方式是通过对被测信号电压和内部基准电压的积分，进行模一数变换， 具体分为电压一频率型和电压一时间型。 采用积分方式是为了消除串模干扰的交流成分叠加在直流被测信号电压上 的影响。电压一频率变换型积分式数字电压表的串模干扰抑制比和共模抑制比 都可以做的很大。 2 5 3 微处理式仪表 在新型的