连续式计量技术的突破--差分减重(失重秤)

本文作者结合多年工作实践及对国内外动态称重计量的广泛深入研究，就连续式搅拌设备计量的精度如何提高做出分析，得出方法。
一． 连续式搅拌设备计量方法的现状
1．1传统使用的连续式计量方法
　　在如建材、粮油、矿山等散状物料计量或在线控制配料时，有很多种方法。比较典型的有：皮带秤类、冲板流量计类、核子秤类、圆盘给料秤类。这些计量形式各有特点，但是局限性很大，受设备机械变化影响大，精度不高，安装调校烦琐，维护量大。
　　
皮带秤工艺介流程绍：
　　皮带秤将单位面积（称重段）上受到的负荷信号与变化速度（皮带转速）信号进行积分运算得出流量值，以此作为可控制的对象。

注： 通过控制拖拉式皮带转速，改变拖出的物料量，物料经给料溜槽的出料口整形后， 其厚度稳定均匀，无论皮带机转速大小，皮带上的负荷都是恒定的。 与其它给料方式相比， 该方式计量与控制精度效果较好。

注： 给料与称量功能分别在两条皮带上实现
1．2连续式计量方法在连续搅拌设备上使用现状
　　连续式搅拌设备包括：稳定土厂拌设备，水泥连续式搅拌设备，沥青连续式搅拌设备。就计量精度而言，目前，这些设备不能与间歇式相提并论。因此，连续式搅拌方法受不到广大用户的青睐，也是原因之一。科学分析可以说明，这两种计量方法决定的搅拌工艺都有其适用的场合，不能由于暂时的技术限制而影响连续式搅拌的应用。

　　目前，我国连续式搅拌设备均采用容积法或皮带秤/螺旋秤两类来计量，七十年代从欧洲引进开发连续搅拌工艺至今，一直如此，始终未有突破。事实上，这两种计量方法在欧洲使用能够作到高精度，例如德国申克（Schenck）的皮带配料秤，动态配料精度达到2%。而在中国却不行，原因在于受到我国机械制造及材料等基础工业的制约。目前我国用于公路行业的皮带秤计量精度一般只能达到5%左右，与容积计量相差无几，长期稳定性较差。

二． 连续称重的革命——差分减量（失重）秤
　　失重秤（英文Loss-in-weight）是九十年代开始应用于工业过程称重连续计量的。失重秤逐渐替代皮带秤、螺旋秤，甚至累加秤，作为一种全新的计量方法，逐渐应用到越来越多物料处理。

2．1基本原理：
　　将秤量斗及给料机构作为整个秤体，通过仪表或上位机不停对秤体进行重量信号的采样，计算出重量在单位时间的变化比率作为瞬时流量，再通过各种软硬件的滤波技术处理，得出可以作为控制对象的“实际流量”。
　　这个流量的获取非常重要，是失重秤能否准确计量的基础。图中介绍的是一种经典的方法：

　　然后FC通过PID反馈算法，进行逼近目标流量的控制运算，输出调节信号去控制变频器等给料机控制器。

2.2差分减量秤（失重秤）在实际中的应用：
　　从原理上可以看出它不受秤体与给料机构的机械变化影响，它只是计算重量差值（差重），与传统动态计量手段相比，其优点是不言而喻的。
　　对于控制对象为流量（t/h ,kg/min ），而且物料可输送性好，计量精度要求高时，采用失重法计量可以作为一种最佳方案。

2．2．2失重秤工艺流程：

2．2．3失重秤设计必须注意的事项，影响精度的因素：
　　失重秤兼有静态秤、动态秤特点，因此，在设计系统时，要求：
1． 正确的输送率范围，一般实际工作范围为额定输送量的60%~70%最佳。若采用交流调速，对应变频率为35-40Hz最佳。这样保证调节范围宽。还由于在输送率过低时，系统稳定性差。
2． 传感器量程选用适当，按公式

　　也就是说，传感器也用到其量程的60%~70%，信号变化范围宽，对提高精度极为有利。
3． 机械结构设计要确保物料流动性好，同时保证补料时间短，补料不应过于频繁，一般要求5-10分钟补一次料。
　　配套传动系统要保证运行平稳，线性好。

2．2．4应用前景：
　　随着电子控制技术的飞速发展，失重秤通过采用新的技术，在计量精度上由0.3%~0.5%。而提高到0.1%~0.2%，甚至到超过静态秤，这一新技术的核心即数字式称重传感器的应用。

2．2．4．1数字式称量传感器的应用：
　　为了适应动态测量的需要,在称重系统中作为系统输入端的传感器至关重要。特别在需要智能化的场合,传感器的直接或间接数安化已必不可少,此时测量不确定度和测量速度往往是一对矛盾,两者很难兼得,而需根据实际情况作折衷选择。在称重领域,我国目前大量生产和应用的都是传统的模拟式传感器,模拟信号的输出较小。以生产量最大、采用电阻应变原理的称重传感器为例，一般最大输出为30-40mV。故其信号易受射频干扰，电缆传输距离也短，通常在10m以内。

　　在使用多个传感器并联的容器称重系统（料斗秤式配料秤）、平台称重系统或秤桥（汽车衡或轨道衡）中，利用数字系统可实现“自校准”。这是因为多通道的数字传感器系统，不存在阻抗匹配问题。用户输入各传感器的地址、秤量和灵敏度，即可自动进行秤的“四角”或“边角”平衡，不必一次次地反复调整信。而在模拟系统中多个传感器关联接线后，每个传感器的特性就不再是可辨别的了，校准时需在每一个传感器上施加砝码并利用接线盒中的分压器进行调整。由于调整时存在着交互作用，因而反复多次。在数字系统中，则允许分别复核作为单体的每一个传感器。因此，校准装有数字传感器系统的所有花费的时间，仅为模拟系统的1/4。

　　利用数字系统可以实现“自诊断”，即诊断程序连续地检查各传感器信号是否中断、输出是否明显超出范围等。若有问题，在仪表或控制器面板上会自动显示或报警，用户利用面板上的键即可寻找各个传感器，独立地确定问题原因并进行故障排除。这种直觉诊断和故障排除能力，对用户显然是一种重要优点，而在模拟传感器系统中则是很难忘以低成本实现的。

　　在称重领域中，典型模拟传感器系统的模数变换器的分辨力为16比特，即有50000个可用计数；而数字系统中每一个传感器的分辨率为20比特，即有1000 000个可用计数。所以，一个装有4个数字传感器的系统即可提供4000 000个计数的分辨率。这种高分辨率的优点，特别适用于秤架自重大而被称物重量小的场合。例如：在配料称重系统中，有时配方中某种物料仅占很小比例，但准确度要求却仍然很高。这在传统的模拟系统中同样是很难实现的。

2.3国内外应用的现状（在水泥厂、冶金、塑料、化纤等行业取得）
　　许多行业有丰富应用失重秤的经验。如：水泥厂配料。近年来在工程塑料、化纤、光纤等等众多行业已广泛普及。有些行业由于采用了连续失重计量，可以保证落料按比例混合，而弱化搅拌需要，简化了工艺。国外发达国家这一产品很成熟，如德国申克公司，布达本拉（brabender），瑞士开创（ktron）公司，技术处于国际最领先地位。其中开创公司由于采取了数字传感器技术动态精度可达0.25%。以工业过程称重而言，已经达到静态秤精度。

三． 在连续式搅拌机械上的应用及前景影响
　　由于国内连续式搅拌设备计量停留在传统的方法上，因此，推广失重秤应用前景将十分广阔，对稳定土厂拌、水泥连续搅拌、沥青连续搅拌工艺起到革命性的改变，对流量的精准控制将会制造出非常合格理想的混合料。由于连续式拌和工艺结构简单，维护费用低，因此一旦在产品级配上把好关，将彻底改变连续式拌和的市场占有低的现状。特别是公路、水电行业所需的高产设备，具有重大意义，而失重秤即是提高计量精度的一种重要突破。