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一、前言

中國從上世紀(jì)七十年代初就開始研制和生產(chǎn)定量皮帶秤。是一種工業(yè)配料過程中經(jīng)常使用的衡器，主要用于水泥配料。在2016年針對(duì)配料用的定量皮帶秤，制定了國家標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)一種產(chǎn)品制定標(biāo)準(zhǔn)，是對(duì)該產(chǎn)品深化認(rèn)識(shí)的過程，對(duì)產(chǎn)品的發(fā)展和質(zhì)量的提高有極大的好處。本人想談?wù)剬?duì)定量皮帶秤的認(rèn)知。

二、正文

自動(dòng)定量皮帶秤是能夠控制通過皮帶輸運(yùn)物料在預(yù)定單位時(shí)間內(nèi)輸送的重量，屬于自動(dòng)稱量的動(dòng)態(tài)秤。然而在很多介紹自動(dòng)定量皮帶秤的文章，沒能講述其動(dòng)態(tài)稱重的特點(diǎn)，大多介紹各廠家定量皮帶秤的機(jī)械結(jié)構(gòu)，使用材料和制造的特點(diǎn)。很少從動(dòng)態(tài)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(yù)定重量是通過細(xì)投料的多少使最終物料的重量達(dá)到預(yù)定的重量值。定量皮帶秤是運(yùn)用過程檢制方法在整個(gè)稱重過程中調(diào)節(jié)進(jìn)量的多少，皮帶的速度，即調(diào)節(jié)物料的流量的多少使其最終的累積重量達(dá)到預(yù)定重量。

首先，我們分析定量皮帶秤的輸運(yùn)物料的物理過程。定量皮帶秤物料的受力問題是變質(zhì)量力學(xué)范疇。在整個(gè)稱重過程中被稱物料不斷由進(jìn)料口流入通過皮帶運(yùn)送，又不斷的由皮帶的出口流出。根據(jù)變質(zhì)量力學(xué)的動(dòng)量定理，可寫出皮帶上運(yùn)輸物料的表示式：

式中：m1———流入皮帶的質(zhì)量；

u1———流入質(zhì)量相對(duì)皮帶的速度；

m2———流出皮帶的質(zhì)量；

u2———流出質(zhì)量相對(duì)于皮帶的速度，此

時(shí)等于皮帶的傳輸速度為I，q＝mI是皮帶上被輸送物料的動(dòng)量。在時(shí)間T內(nèi)經(jīng)皮帶運(yùn)送的物料的累積量為：

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(yùn)物料的動(dòng)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＝I。對(duì)定量皮帶秤的調(diào)控，通常是通過調(diào)節(jié)輸入皮帶的質(zhì)量，或者調(diào)節(jié)皮帶的傳輸速度使最終的累積的總量等于預(yù)設(shè)量。也有既調(diào)節(jié)輸入質(zhì)量，同時(shí)還調(diào)節(jié)皮帶傳輸速度的皮帶秤。但這種定量皮帶秤，需有預(yù)給料機(jī)，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜。

下面舉一簡單的例示說明反饋系統(tǒng)的控制過程和響應(yīng)表達(dá)式。調(diào)節(jié)部件一般可采用閘門或采用電機(jī)。為簡單起見用閘門調(diào)節(jié)例示說明。如圖1所示。

反饋控制系統(tǒng)的方框圖如圖2所示。x（P）和y（P）分別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(tǒng)的傳遞函數(shù)，H（P）為調(diào)節(jié)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)（反饋函數(shù)）。反饋控制過程、將輸入量x（P）與經(jīng)過反饋系統(tǒng)的輸出量y（P）比較，將二者的偏差值經(jīng)由系統(tǒng)G（P）調(diào)節(jié)部分，使最終的輸出等于預(yù)設(shè)值。由圖2，很容易求得下式。

對(duì)反饋控制響應(yīng)的基本要求，首先是響應(yīng)式必須是收斂的，并且收斂于預(yù)設(shè)值。第二要求收斂的速度要在預(yù)定時(shí)間內(nèi)達(dá)到預(yù)設(shè)值，至少是在能控制誤差的范圍內(nèi)達(dá)到預(yù)設(shè)值。

本文不對(duì)反饋控制的響應(yīng)式的穩(wěn)定性、誤差等的具體參數(shù)做進(jìn)一步的分析。只對(duì)其中一些部件在動(dòng)態(tài)狀態(tài)下的特點(diǎn)做一些分析。

在動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中對(duì)承載器的要求不能只看它稱重的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性等。還要看它的響應(yīng)函數(shù)。因?yàn)樵诜答伩刂葡到y(tǒng)中，它將影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性、收斂速度、誤差等重要技術(shù)指標(biāo)。

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(duì)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(shù)值，將其處理就可以得到此時(shí)被稱物料的瞬時(shí)流量、經(jīng)累加就可得到被稱物料的總重量。對(duì)數(shù)值的累加過程，由頻域的觀點(diǎn)看，時(shí)域的累加相當(dāng)通過一個(gè)低通濾波器。然而由于承載器結(jié)構(gòu)的差異，物料處于稱量段的不同位置，對(duì)稱重傳感器作用力量不同。例如對(duì)于單托輥式，當(dāng)物料剛進(jìn)入稱量段，即進(jìn)入輸入方向的托輥時(shí)，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(dāng)于對(duì)取樣數(shù)值的平均值加了一個(gè)“權(quán)函數(shù)”，對(duì)單稱重托輥此承載器加載的，由單位點(diǎn)載荷得到的力函數(shù)f（t）、和它的拉普拉斯變換的傳遞函數(shù)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?yàn)樗淖儞Q結(jié)果比較直觀，在富里哀變換中e的指數(shù)為虛數(shù)，而拉普拉斯變換中e的指數(shù)為實(shí)數(shù)，若變換結(jié)果中e的指數(shù)存在負(fù)數(shù)，即表示該系統(tǒng)有積分式累加的過程，而且信號(hào)通過該系統(tǒng)有一定的延遲。在實(shí)際運(yùn)用時(shí)，由于處理的數(shù)據(jù)均為離散信號(hào)，多使用Z變換。稱量區(qū)間的傳遞函數(shù)簡圖如圖3所示。

由于定量皮帶秤和大多數(shù)定量秤不同，它在控制調(diào)整量的時(shí)間與稱量區(qū)間有一段延遲時(shí)間，由稱量區(qū)間到投料口又有一段延遲時(shí)間。與定量包裝秤相比在控制下料使達(dá)到預(yù)定量的調(diào)節(jié)因素更復(fù)雜些。從單稱重托輥的定量皮帶秤，就可看出稱量區(qū)的范圍不同，并且影響到采樣數(shù)值的平均值。在圖3中，在平均載荷時(shí)M為稱重區(qū)的重量，D為稱重區(qū)的長度，m＝M/D為單位長載荷的重量，L為托能間距。現(xiàn)以單稱重輥為例，確定傳感器在均勻載荷下受力，其數(shù)值為稱重托輥與兩端托輥之間的載荷平均值。此時(shí)的稱量區(qū)D＝2L，即托輥間距的兩倍。若我們按傳統(tǒng)的定義稱重區(qū)，為稱重托輥分別與兩端托輥中部的距離之和。此時(shí)稱量區(qū)D＝L，由于單托輥在不同段上的加權(quán)不同。此時(shí)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(shí)的取樣區(qū)也由后來的D＝ZL，變?yōu)镈＝L。由于現(xiàn)在是動(dòng)態(tài)稱重，當(dāng)進(jìn)料端的載荷流量有改變時(shí)，只能通過一組取樣的數(shù)值平均，得到數(shù)值才有比較的可能。圖4給出進(jìn)入單稱重托輥階躍流量時(shí)的瞬時(shí)過程。圖中Q為階躍流量通過稱重段的實(shí)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(dāng)階躍流量通過稱量區(qū)D之后，傳感器才顯示物料變化后的穩(wěn)定值。為了能準(zhǔn)確控制預(yù)定給料，這些有關(guān)的因素在編制軟件時(shí)應(yīng)仔細(xì)分析。一般情況皮帶出料段的皮帶線載荷與稱重區(qū)測量值之間存在延時(shí)，兩者之間的線載荷可能不一樣，造成對(duì)預(yù)設(shè)量的偏差。因此，稱量段應(yīng)當(dāng)盡量接近拋料點(diǎn)。

單稱重托輥階躍載荷的瞬時(shí)圖如圖4所示

與所有自動(dòng)定量秤一樣，控制流動(dòng)物料的均勻性是確保預(yù)設(shè)量準(zhǔn)確度的主要問題。特別是現(xiàn)今電腦的功能，傳感器的精度和穩(wěn)定度已足夠滿足稱重要求的條件下。對(duì)物料的控制的均勻性更顯得突出。

三、結(jié)束語

定量皮帶秤通常在進(jìn)料段的上方安裝有進(jìn)料斗由于物料的物理特性的差異，進(jìn)料斗結(jié)構(gòu)，尺寸就是設(shè)計(jì)定量皮帶秤需要重點(diǎn)考慮的問題。

在定量皮帶秤現(xiàn)場安裝，要注意兩個(gè)問題，要盡量降低皮帶輸送支架工作時(shí)振動(dòng)的影響，要有減振措施。另一方面對(duì)稱重承載器（支架）要有隔振措施、減少外界振動(dòng)干擾。

定量皮帶秤用于貿(mào)易的場所很少，基本用于配料等工藝秤使用，按照法制計(jì)量管理的規(guī)定，作為工藝秤是不需要列入強(qiáng)制計(jì)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(zhǔn)確性，與被稱物料的特性有關(guān)。所以不是可以用一種準(zhǔn)確度等級(jí)來代表所有被稱物料的稱量準(zhǔn)確度等級(jí)的，實(shí)際上定量秤均屬于“個(gè)性”特點(diǎn)的衡器。稱重結(jié)果與物料的特性有關(guān)。嚴(yán)格講廠家應(yīng)說明該產(chǎn)品的誤差是針對(duì)某類物料的結(jié)果，這與定量包裝秤一樣，需說明所標(biāo)注的準(zhǔn)確度級(jí)別是在稱重何種物料的結(jié)果。

 

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