1 概述
為了實現(xiàn)在工業(yè)環(huán)境中容器、料斗等的靜態(tài)稱重計量, 靜載稱重模塊便應(yīng)運而生了, 它是針對用戶需求, 結(jié)合高精度稱重傳感器而研制開發(fā)的一體化稱重單元。它將稱重傳感器、載荷傳遞裝置、限位和防過載等集合于一體, 可以方便地與多種機械設(shè)備 (如滾道、平臺、罐體、料斗等) 相連接。靜載稱重模塊采用模塊化設(shè)計, 具有結(jié)構(gòu)簡單, 安裝維護(hù)方便, 互換性好的特點, 適用于各種靜載稱重的場所, 可滿足容器等稱重體在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中的準(zhǔn)確稱量。適于在建材、冶金、化工、制藥、倉儲、水泥等行業(yè)中對料斗、儲罐、反應(yīng)釜、溶解槽等進(jìn)行靜態(tài)計量。本文以模擬靜載稱重模塊為例, 簡單介紹了靜載稱重模塊的選型和使用方式, 同時介紹了靜載稱重模塊在選型和安裝使用時應(yīng)注意的幾個問題。
2 靜載稱重模塊系統(tǒng)的幾種常見配置
靜載稱重模塊系統(tǒng)主要由靜載稱重模塊及稱重顯示控制器等組成, 按功能主要分為以下幾種 (在有防爆要求的場合下, 可增加防爆配置) :
2.1 僅實現(xiàn)基本的重量顯示功能
基本配置:靜載稱重模塊、接線盒及稱重顯示控制器。
2.2 在實現(xiàn)基本的重量顯示功能基礎(chǔ)上增加通訊接口、定值報警輸出、簡單控制功能。
基本配置:靜載稱重模塊、接線盒及帶相應(yīng)通訊接口、定值輸出接口功能的稱重顯示控制器。
2.3 在實現(xiàn)基本的重量顯示功能基礎(chǔ)上增加
控制功能, 包括重量顯示、定量加料、卸料、現(xiàn)場設(shè)備控制、報警信號顯示、配方設(shè)置及流程監(jiān)控等功能。
基本配置:靜載稱重模塊、接線盒及稱重顯示控制器及控制系統(tǒng)。
3 靜載稱重模塊結(jié)構(gòu)
靜載稱重模塊在設(shè)計時多采用調(diào)節(jié)螺桿來實現(xiàn)限位功能, 通過螺桿的組合實現(xiàn)對稱重傳感器水平方向位移的限制, 同時對于稱重傳感器起到過載保護(hù)和防止傾覆危險的發(fā)生。其結(jié)構(gòu)如圖1所示, 圖中各零部件作用為:
1——上安裝板:帶安裝孔用于與用戶容器支撐腳安裝板的連接。
2——壓頭座:保證不影響傳感器受力的情況下實現(xiàn)壓力信號的傳遞。
3——稱重傳感器:實現(xiàn)對載荷信號的采集。
4——調(diào)節(jié)螺桿:通過螺桿與上安裝板組合實
現(xiàn)對稱重模塊位置的限定, 限制容器在水平范圍內(nèi)有限位移, 以保證容器在環(huán)境影響變形下的準(zhǔn)確稱量。而且對于稱重傳感器起到過載保護(hù)和防止傾覆危險的發(fā)生。同時, 在更換傳感器時也可以將其升起以支撐容器支腿, 為更換傳感器提供方便。
5——跨接導(dǎo)線:使稱重傳感器上下安裝板成為等勢體, 保護(hù)稱重傳感器免受非預(yù)想的過電流對其產(chǎn)生的損害。
6——輔板:用于運輸和安裝時避免傳感器受到過載荷的沖擊, 正常使用時去除。
7——安裝架:用于傳感器的安裝, 下安裝板上帶安裝孔用于模塊與基礎(chǔ)安裝架的連接。
根據(jù)限位結(jié)構(gòu)的不同形式, 有的靜載稱重模塊又分為全約束模塊、半自由模塊、自由模塊三種基本形式。全約束模塊是指該模塊在水平范圍內(nèi)為全約束;半自由模塊是指該模塊在水平范圍內(nèi)僅可以在單一方向上運動, 其自由度受到限制;自由模塊是指該模塊在水平范圍內(nèi)是可以自由運動的。
4 靜載稱重模塊的選型
4.1 靜載稱重模塊數(shù)量的選擇
常見的靜載稱重模塊系統(tǒng)多由3個或4個稱重模塊組成, 其布置方式如下:
4.1.1 三點支撐
將靜載稱重模塊均布于同一圓周上。對于由全約束模塊、半自由模塊、自由模塊三種基本模塊組成的系統(tǒng), 則三種基本模塊各1個。
4.1.2 四點支撐
將稱重模塊均布于同一圓周或矩形的4個頂點上。對于由全約束模塊、半自由模塊、自由模塊三種基本模塊組成的系統(tǒng), 則4個點為全約束模塊、半自由模塊各一個, 自由模塊兩個。
4.1.3 多點支撐
在用戶的實際應(yīng)用中有時需要多點支撐, 即4個以上的支撐點安裝稱重模塊。在該種情況下, 可將稱重模塊均布于同一圓周或類似于四點支撐的情況。對于由全約束模塊、半自由模塊、自由模塊三種基本模塊組成的系統(tǒng), 稱重模塊可選擇全約束模塊、半自由模塊各為一個, 其他需要的承重點由自由模塊補足。
4.2 靜載稱重模塊量程的選擇
靜載稱重模塊系統(tǒng)一般是由計量裝置 (載體) 、靜載稱重模塊 (稱重傳感器) 和稱重顯示控制器三部分組成的。稱重傳感器主要用于質(zhì)量和力的測量, 為了稱重計量的準(zhǔn)確性和可靠性, 在設(shè)計稱重計量裝置時, 對于多只稱重傳感器模塊組成的系統(tǒng), 稱重傳感器模塊量程的選擇一般遵循如下原則。
固定負(fù)荷 (秤臺或容器自重) +變動負(fù)荷 (物料重量) +沖擊、振動等≤0.6×單只稱重傳感器額定負(fù)荷×稱重傳感器個數(shù)
其中, 系數(shù)0.6是一般性要求, 可以在0.25~0.8 (甚至更寬) 波動, 主要是根據(jù)計量精度要求和儀表的情況決定的。具體地說, 系數(shù)偏小時, 使用傳感器的有效量程較小, 要求儀表的分辨率高, 儀表示值穩(wěn)定性相對較低, 但是傳感器的使用壽命就高。系數(shù)偏大時, 使用傳感器的有效量程較大, 要求儀表的分辨率低, 儀表示值穩(wěn)定性相對較高, 但是傳感器的使用壽命偏低。因此在選擇稱重傳感器的量程時, 需綜合考慮相關(guān)因素。
4.3 靜載稱重模塊選型的其他注意事項
靜載稱重模塊在選型時, 還需根據(jù)現(xiàn)場情況 (防腐、防爆要求) , 來確定靜載稱重模塊的材質(zhì) (碳鋼防腐處理或不銹鋼材質(zhì)) 、防護(hù)及防爆等級要求等。
5 稱重顯示控制器的選型
在選擇靜載稱重模塊的同時, 稱重顯示控制器也必須同時考慮, 主要應(yīng)注意如下幾個參數(shù):輸入靈敏度范圍 (μV/d) 、空秤量值范圍 (m V) 、供橋電壓 (V) 等。
5.1輸入靈敏度計算 (假設(shè)儀表的供橋電壓12V, 輸入靈敏度范圍在1.2~24μV/d之間) 。
其中A:傳感器的總量程 (kg)
B:傳感器的靈敏度 (m V/V)
d:顯示最小分度值 (kg)
X:輸入靈敏度 (μV/d)
最后計算出X應(yīng)在1.2~24μV/d之間, 方才符合儀表的使用范圍。
舉例:一臺60t料斗秤, 共使用靈敏度為2m V/V的30t傳感器模塊4只, 最小顯示分度值為20kg, 可計算如下:
A=30×1000×4=120000kg
B=2m V/V
d=20kg
則
注:在有防爆要求的場合下, 應(yīng)考慮安全柵對傳感器信號的影響。
5.2 在選擇稱重顯示控制器參數(shù)的同時, 還應(yīng)考慮對稱重顯示控制器的接口要求、安裝要求、環(huán)境要求等。
6 靜載稱重模塊的安裝
6.1 對用戶現(xiàn)場的要求
6.1.1 基本要求
●計量設(shè)備進(jìn)出料口等處應(yīng)采用軟連接, 不得影響稱重計量。
●對于重心較高的計量設(shè)備, 設(shè)備周邊應(yīng)作必要的橫向牽引防護(hù), 增加防護(hù)安全。
●用戶計量設(shè)備支撐腿與基礎(chǔ)安裝架要有足夠強度、剛度, 應(yīng)保證在稱重模塊額定載荷作用下發(fā)生變形不超過l/1000。
●基礎(chǔ)安裝板上平面以及設(shè)備支撐腿安裝板下平面各要求在同一平面內(nèi), 相互間高度允差均不大于2mm或支點距的2/1000 (兩者取最小值) 。
●模塊支撐點的承載力應(yīng)不小于模塊用傳感器量程的150%, 單個基礎(chǔ)安裝板和設(shè)備支撐腿安裝板的水平度均應(yīng)在l/500之內(nèi)。
●現(xiàn)場施工時注意, 嚴(yán)禁可能損壞傳感器的電流 (例如焊接電流) 通過傳感器。
6.1.2 防爆場合的附加要求
●防爆稱重模塊在現(xiàn)場使用時, 特別應(yīng)避免受到?jīng)_擊或撞擊, 以避免出現(xiàn)危險火花。
●防爆稱重模塊所使用的防爆稱重傳感器作為現(xiàn)場本安設(shè)備 (氣體環(huán)境場合) , 必須在本安設(shè)備 (本安防爆傳感器) 與非本安設(shè)備 (非本安防爆儀表) 之間配置安全柵。
●當(dāng)防爆稱重模塊用于粉塵爆炸危險場所時, 設(shè)備表面應(yīng)定期清掃, 防止粉塵積聚。
●用戶在安裝、使用和維護(hù)產(chǎn)品時, 必須同時嚴(yán)格遵守相關(guān)防爆標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范。
6.2 靜載稱重模塊的安裝
稱重模塊安裝時模塊輔板不拆除, 將模塊整體在安裝位置擺放, 然后模塊上安裝板與容器支撐腿安裝板用螺栓連接緊固, 模塊位置固定后, 下安裝板用螺栓連接于基礎(chǔ)安裝板上或直接將下安裝板焊接于基礎(chǔ)安裝板上, 焊接時應(yīng)注意焊接電流不應(yīng)通過傳感器, 以免損壞傳感器。安裝完畢后拆除輔板, 調(diào)節(jié)限位使之滿足安裝要求, 然后即可開始校驗使用。
7 靜載稱重模塊系統(tǒng)的校準(zhǔn)
在靜載稱重模塊系統(tǒng)安裝完畢后, 必須對系統(tǒng)進(jìn)行稱量校準(zhǔn)。目前, 這種稱量系統(tǒng)常見的有五種檢驗方法:砝碼標(biāo)定法、替代法、比對法、預(yù)標(biāo)定法和標(biāo)準(zhǔn)信號源標(biāo)定法。其中, 比對法、預(yù)標(biāo)定法和標(biāo)準(zhǔn)信號源標(biāo)定法適用于對系統(tǒng)精度要求不高且現(xiàn)場無法使用砝碼標(biāo)定法和替代法兩種方法進(jìn)行標(biāo)定的情況, 以下對這幾種方法簡要介紹一下。
7.1 砝碼標(biāo)定法
對于涉及貿(mào)易結(jié)算的稱量系統(tǒng), 必須用標(biāo)準(zhǔn)砝碼進(jìn)行標(biāo)定, 使之滿足級秤標(biāo)準(zhǔn), 此時, 應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場情況, 在計量設(shè)備上安裝堆放砝碼的支架、平臺或其它替代裝置, 以方便校準(zhǔn)。
7.2 替代法
對于不涉及貿(mào)易結(jié)算的工藝用稱重系統(tǒng), 由于承載器在設(shè)計時一般不考慮安放標(biāo)準(zhǔn)砝碼的位置, 往往只能用少量標(biāo)準(zhǔn)砝碼來檢驗, 這樣只能使用其它替代物進(jìn)行標(biāo)定, 反復(fù)的使用有限砝碼和替代物, 從零點開始, 一直檢驗到使用的最大載荷量。
使用替代法的關(guān)鍵問題是, 要求被測試裝置的重復(fù)性必須高, 同時必須滿足生產(chǎn)工藝要求。
7.3 比對法
它是選用在標(biāo)準(zhǔn)測試裝置 (例如測力機) 上標(biāo)定好的一套稱重傳感器和稱重顯示器, 與稱量系統(tǒng)上的稱重傳感器和稱重顯示器相比較。使用比對法的關(guān)鍵問題是, 要求在使用現(xiàn)場預(yù)先設(shè)計可安裝標(biāo)準(zhǔn)裝置的位置, 所以使用比對法檢驗最好是在設(shè)計稱量系統(tǒng)時就著手進(jìn)行。
7.4 預(yù)標(biāo)定法
它是指靜載稱重模塊系統(tǒng)在出廠前, 通過測力機給傳感器加載額定負(fù)荷, 調(diào)整接線盒內(nèi)的可調(diào)電阻使每只傳感器的輸出靈敏度一樣, 然后將所有傳感器、接線盒、稱重顯示器組成稱重系統(tǒng), 用測力機校正顯示儀表的零點和滿量程 (此處的滿量程為客戶現(xiàn)場使用的滿量程) 。這樣, 模塊系統(tǒng)現(xiàn)場安裝后只需要重新校準(zhǔn)儀表的零點即可。使用預(yù)標(biāo)定法的關(guān)鍵問題是對靜載稱重模塊的安裝要求較高。
7.5 標(biāo)準(zhǔn)信號源標(biāo)定法
它是指在已知秤體 (容器) 自重及稱重傳感器量程及靈敏度等參數(shù)的情況下, 通過理論計算, 得到靜載稱重模塊系統(tǒng)的空秤信號值 (或能夠?qū)嶋H測得) 和滿量程信號值, 然后, 用標(biāo)準(zhǔn)信號源替代稱重傳感器與稱重顯示控制器連接。調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)信號源, 使之輸出電壓等于所計算的空秤信號值, 來進(jìn)行空秤校準(zhǔn);再調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)信號源, 使之輸出電壓等于所計算的滿量程信號值, 來實現(xiàn)量程校準(zhǔn)。
校準(zhǔn)完成后, 將靜載稱重模塊與稱重顯示控制器連接, 若能實現(xiàn)空秤狀態(tài), 此時只需進(jìn)行實際空秤校準(zhǔn)即可。
8 結(jié)束語
因本人在工作中接觸到的部分衡器設(shè)計人員及衡器產(chǎn)品用戶對靜載稱重模塊系統(tǒng)的選型及應(yīng)用了解程度不夠全面, 所以, 在這里對傳感器靜載稱重模塊的選型和應(yīng)用做簡單介紹, 以增進(jìn)廣大用戶對傳感器靜載稱重模塊的了解, 方便今后靜載稱重模塊系統(tǒng)的設(shè)計和使用。但因本人水平有限, 還望廣大讀者對本文加以批評指正。