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隨著技術(shù)的進(jìn)步,由稱重模塊為核心的電子稱重系統(tǒng)已廣泛地應(yīng)用到各行各業(yè),實(shí)現(xiàn)了對設(shè)備物料的快速、 準(zhǔn)確的稱量,特別是隨著微處理機(jī)的出現(xiàn),工業(yè)生產(chǎn)過程自動(dòng)化程度化的不斷提高,稱重系統(tǒng)已成為過程控制中的一種必需的裝置,從以前不能稱重的大型罐、 料斗等重量計(jì)測到混合分配多種原料的配料系統(tǒng)、 生產(chǎn)工藝中的自動(dòng)檢測和粉粒體進(jìn)料量控制等,都應(yīng)用了稱重系統(tǒng),目前,稱重系統(tǒng)幾乎運(yùn)用到了所有的稱重領(lǐng)域。 本文就常用的電阻應(yīng)變式稱重模塊構(gòu)成的稱重系統(tǒng)進(jìn)行探討。

1 稱重原理

1.1 稱重模塊

根據(jù)稱重模塊在實(shí)際應(yīng)用中受力特點(diǎn),稱重模塊分為兩種,靜載稱重模塊與動(dòng)載稱重模塊。 靜載稱重模塊適用于只受垂直作用力的場合。 如槽罐、 儲料斗的重量檢測。 動(dòng)載模塊適用于作用力較明顯的場合。如平臺、 生產(chǎn)線、 傳送帶的重量檢測。

稱重模塊是一種新型的稱重元件,它將稱重傳感器、 負(fù)荷傳遞裝置和安裝連接件等部件組合在一起,可以非常方便地和各種形狀的機(jī)械裝置相連接,如滾道、 平臺、 立罐、 槽罐、 料斗等。 以稱重模塊為核心的電子稱重系統(tǒng)既可以保證稱重的精度高,長期穩(wěn)定性好的特點(diǎn),又解決了因安裝不當(dāng)而造成的稱重誤差。 使用稱重模塊的系統(tǒng)在理論通常上能達(dá)到優(yōu)于萬分之五的測重精度。

1.2 電子稱重系統(tǒng)組成

電阻應(yīng)變式稱重模塊是基于這樣一個(gè)原理:彈性體(彈性元件,敏感梁)在外力作用下產(chǎn)生彈性變形, 使粘貼在他表面的電阻應(yīng)變片(轉(zhuǎn)換元件)也隨同產(chǎn)生變形,電阻應(yīng)變片變形后,它的阻值將發(fā)生變化(增大或減小),再經(jīng)相應(yīng)的測量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號(電壓或電流),從而完成了將外力變換為電信號的過程。 由此可見,電阻應(yīng)變片、 彈性體和檢測電路是電阻應(yīng)變式稱重模塊中不可缺少的幾個(gè)主要部分。

以一個(gè)典型的化工料罐為例,安裝在料罐底部的稱重模塊將料罐的重量信號傳至接線盒。 接線盒中并聯(lián)各路稱重模塊信號,并可根據(jù)各稱重模塊受載情況調(diào)節(jié)角差,經(jīng)過匯集后的重量信號送至重量變送器。 重量變送器將重量信號處理成相應(yīng)的重量數(shù)據(jù)輸出至控制系統(tǒng)。

檢測電路的功能是把電阻應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷狠敵觥?在所加橋壓U不變的情況下,傳感器輸出信號與作用在傳感器上的重力和供橋橋壓成正比, 而且, 供橋橋壓U 的變化直接影響電子稱的測量精度, 所以要求橋壓很穩(wěn)定。 因?yàn)榛菟沟请姌蚓哂泻芏鄡?yōu)點(diǎn),如可以抑制溫度變化的影響, 可以抑制側(cè)向力干擾, 可以比較方便的解決稱重模塊的補(bǔ)償問題等, 所以惠斯登電橋在稱重模塊中得到了廣泛的應(yīng)用。 因?yàn)槿珮蚴降缺垭姌虻撵`敏度最高,各臂參數(shù)一致, 各種干擾的影響容易相互抵銷, 所以稱重模塊均采用全橋式等臂電橋。

2 稱重系統(tǒng)的工程應(yīng)用
2.1 工藝簡述
在安慶石化的SHELL煤氣化裝置中,粉煤灰的進(jìn)料與放料都有一套復(fù)雜的自動(dòng)順序控制系統(tǒng),用于定時(shí)完成對介質(zhì)的進(jìn)料和放料。 循環(huán)順序控制基本分為減壓、 放料、充壓、 進(jìn)料等部分,鎖斗罐充壓后與上部高壓設(shè)備均壓連通進(jìn)料,進(jìn)料完成之后與上部高壓設(shè)備隔離,減壓至接近常壓,再與下部放料罐均壓連通放料,最后放料罐常壓放料。 運(yùn)行中在進(jìn)料和放料時(shí)鎖斗罐收集的灰量是作為循環(huán)順序控制中的判別條件,這個(gè)重量達(dá)到設(shè)定值則程序向下進(jìn)行,鎖斗罐與上下兩臺設(shè)備間的高低壓隔離以及均壓后連通和放料,否則程序保持,繼續(xù)收集煤灰。 因此不難理解對鎖斗罐收集的灰進(jìn)行稱量是保證在不中斷氣化爐運(yùn)行的情況下定期對灰進(jìn)行收集和放料。

2.2 設(shè)備配置
鎖斗罐V1504A/B和V1505是煤氣化工藝裝置中需要稱重控制進(jìn)出的設(shè)備,設(shè)備稱重儀系統(tǒng)采用了分度數(shù)高、 綜合性能好、抗干擾能力強(qiáng)、 長期穩(wěn)定性和工作可靠性好的梅特勒-托利多的高溫?cái)?shù)字稱重模塊,其內(nèi)部有稱重傳感器和微處理器芯片,可以對自身進(jìn)行診斷,每個(gè)傳感器都有自己的地址,采用高精度高速A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)、 全面的傳感器數(shù)字補(bǔ)償技術(shù)以及遠(yuǎn)程高速防爆通信能力,穩(wěn)定性和過載性能超越了常規(guī)稱重模塊的極限,稱重變送器采用的是菲利普的PR1710系列儀表,能夠在線監(jiān)測各個(gè)傳感器輸出并進(jìn)行智能處理,達(dá)到了OIML C6的精度。

安裝在底部的四個(gè)壓式稱重模塊將罐體的重量信號傳至接線盒。 接線盒并聯(lián)各路稱重模塊信號,并可根據(jù)各稱重模塊受載情況調(diào)節(jié)角差,經(jīng)過匯集后的重量信號送至稱重量變送器。 重量變送器將重量信號處理成相應(yīng)的重量數(shù)據(jù)傳輸?shù)紻CS控制系統(tǒng)。

3 應(yīng)用中出現(xiàn)的問題及分析

3.1 問題的提出

設(shè)計(jì)對V1504A/B和V1505的灰量是采用靜態(tài)稱重方式,在靜態(tài)調(diào)試時(shí),所有的標(biāo)定工作都很正常。 但裝置運(yùn)行后設(shè)備在工作中內(nèi)部壓力是交變的,溫度也有變化,發(fā)現(xiàn) 設(shè) 備 V 1 5 0 4 A / B 和 V 1 5 0 5 的 稱 重 儀15WT0001/0051/0002測量顯示重量隨壓力升高而增大,并與溫度變化也有一定的關(guān)聯(lián),這樣一來就影響了工藝過程測量和控制,導(dǎo)致進(jìn)料與放料的自動(dòng)順序控制系統(tǒng)無法正常運(yùn)行。

3.2 問題分析

經(jīng)過我們對現(xiàn)場安裝情況的詳細(xì)檢查,首先拆除設(shè)備上部膨脹節(jié)的保溫層。 逐個(gè)檢查膨脹節(jié)螺栓的緊固狀態(tài);松解緊固的螺栓,同時(shí)觀察設(shè)備稱重儀顯示狀況,顯示向誤差減小的方向恢復(fù),說明是該原因造成誤差的因素之一。 設(shè)備稱重儀稱重?cái)?shù)據(jù)是否受壓力影響取決于設(shè)備的開口位置、 大小、 管道連接方式、 安裝水平等確定,關(guān)鍵是否存在剛性連接。 出現(xiàn)稱重?cái)?shù)據(jù)受壓力影響,表明存在剛性連接。 在設(shè)備關(guān)聯(lián)的膨脹節(jié)中,有壓力平衡式,對設(shè)備的受力狀態(tài)影響很小;也有采用通用型的,就存在盲板力,盲板力由設(shè)備和上方的固定點(diǎn)承受,盲板力與工作壓力有關(guān),工作壓力(內(nèi)壓)越大,盲板力越大。 原因分析清楚了,但是短期內(nèi)改變設(shè)備的開口位置、 大小、 管道連接方式都是非常困難,甚至是不可能的。

4 解決方案

4.1 設(shè)備安裝上的整改

原稱重傳感器的限位機(jī)構(gòu)布置情況限位效果較差,間隙不在8～11mm以內(nèi);我們進(jìn)行了重新調(diào)整。 工作時(shí)罐體溫度升高比較多,限位機(jī)構(gòu)與罐體裙邊的間隙過小容易發(fā)生摩擦卡死出現(xiàn)附加誤差現(xiàn)象,整改后消除了這一現(xiàn)象。

4.2 建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行軟件補(bǔ)償

通過長時(shí)間跟蹤工藝操作數(shù)據(jù)我們發(fā)現(xiàn),稱重顯示重量隨壓力升高而增大是有規(guī)律的,重量和壓力曲線基本上是線性,這樣為修正提供了可能。 我們嘗試建立數(shù)學(xué)模型,用軟件方法在DCS中完成壓力修正補(bǔ)償。

根據(jù)掌握的情況,在壓力和溫度兩個(gè)因素中,目前表現(xiàn)出壓力影響大,溫度影響小,故應(yīng)該首先進(jìn)行壓力修正工作,而操作記錄數(shù)據(jù)表明,稱重顯示重量受壓力影響基本是線性關(guān)系,因此整個(gè)修正補(bǔ)償建模工作大體上分為三步。

第一步,根據(jù)要求,在修正中需要一并考慮壓力和溫度的影響。 故將數(shù)學(xué)模型暫以下式表示:物料重量(G)=顯示重量(Gx )－K1 ×壓力(P)－K2 ×溫度(T)即G=Gx －K1 ×P－ K2 × T

第二步,如果進(jìn)行操作壓力下的溫度影響修正,應(yīng)該首先在常溫下完成壓力修正工作。 在不改變溫度的條件下,壓力修正公式為:壓力修正重量(G YX )=G x －K 1 ×P

第三步,完成壓力影響修正工作后,在操作壓力下讀取溫度影響數(shù)據(jù),按照以下關(guān)系計(jì)算出溫度修正系數(shù)。

G=G YX － K2 × T 公 式 中 K 1 和 K 2 是 修 正系數(shù),由設(shè)備的開口位置、 大小、 管道連接方式?jīng)Q定。 每個(gè)罐的修正系數(shù)K 1 和K 2 不相同,其差值由膨脹節(jié)制造差異性和罐體開口、 管道施工等差異性造成。 另外,個(gè)別閥門的開啟和關(guān)閉會影響罐體在垂直方向的受力面積,由此造成修正系數(shù)K 1 的變化。 因此需要根據(jù)工藝過程、 閥兩端壓力差、 受力狀態(tài)等因素,驗(yàn)證修正系數(shù)K 1 的適用條件。

4.3  K 1 和 K 2 的實(shí)際計(jì)算

K 1 和K 2 的理論計(jì)算較繁,在目前的情況下,實(shí)際測量比較容易,各讀取3個(gè)狀態(tài)(常壓、 操作壓力、 中間壓力和常溫、 操作溫度、 中間溫度)下的設(shè)備稱重儀顯示數(shù)據(jù)得出 “加載-響應(yīng)情況” ,即可以計(jì)算得出K 1 和K 2 ,基本可以滿足工藝控制精度。

我們對壓力影響數(shù)據(jù)的測量方法為,在常壓條件下,待稱重顯示數(shù)據(jù)穩(wěn)定5min后以固定的時(shí)間間隔(2～5min)讀取數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)數(shù)量以5～7個(gè)為宜,以該組數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值為計(jì)算依據(jù)。 常壓下的數(shù)據(jù)作為物料重量使用壓力影響的數(shù)據(jù)記錄在數(shù)據(jù)記錄表中。 操作壓力和中間壓力條件下測量數(shù)據(jù)的方法和上面相同,中間壓力條件下測量數(shù)據(jù)作為參考,用于檢查修正系數(shù)K 1的線性。 

4.3.1 壓力修正系數(shù)K 1 的計(jì)算

K 1 =(操作壓力下顯示重量－常壓下顯示重量)/(操作壓力—常壓)式中,重量單位——噸(T),壓力單位——兆帕(MPa),K 1 =(18.648－1.814)/(0.59－0.012)=16.834/0.578=29.1246。

4.3.2 溫度修正系數(shù)K 2 的計(jì)算

完成壓力影響修正工作后,進(jìn)行溫度影響數(shù)據(jù)測量工作。 在操作壓力、 常溫條件下,待設(shè)備稱重儀顯示數(shù)據(jù)穩(wěn)定5分鐘后以固定的時(shí)間間隔(2～5min)讀取數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)數(shù)量以5～7個(gè)為宜,以該組數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值為計(jì)算依據(jù)。 操作壓力、 常溫條件下的數(shù)據(jù)作為壓力修正重量(G YX )使用,其后續(xù)計(jì)算方法基本同K 1 。 實(shí)測表明,溫度影響的偏差很小,基本可以忽略,這里溫度影響的數(shù)據(jù)記錄及計(jì)算不再贅述。

4.4 修正后的驗(yàn)證

裝置運(yùn)行后和運(yùn)行期間,隨著裝置負(fù)荷的變化和運(yùn)行時(shí)間的推移,設(shè)備框架、 設(shè)備管道應(yīng)力狀態(tài)都會持續(xù)發(fā)生變化,從而影響K 1 和K 2 的修正效果。 應(yīng)該注意觀察,及時(shí)調(diào)整,K 1 和K 2 經(jīng)過幾次調(diào)整后會穩(wěn)定。修正后原稱重儀的量程需要同步修改,我們考慮裝置操作人員的需要,在DCS顯示屏保留現(xiàn)在的設(shè)備稱重儀顯示數(shù)據(jù),增加修正后的重量數(shù)據(jù)參考顯示。

5 結(jié)語

電子稱重系統(tǒng)在過程控制中的應(yīng)用已越來越廣泛,但如何提高應(yīng)用水平,使之達(dá)到應(yīng)有的測量精度,設(shè)備安裝中一定要重視安裝質(zhì)量,特別注意膨脹節(jié)制造差異性和罐體開口、 管道施工、 管道連接方式、 是否存在剛性連接等關(guān)鍵問題,將壓力和溫度兩個(gè)因素對設(shè)備稱重儀系統(tǒng)造成的影響降到最低。 如果稱重儀系統(tǒng)受到變化的壓力和溫度兩個(gè)因素的影響,通過找出影響規(guī)律建立修正數(shù)學(xué)模型后,完全能夠滿足過程工業(yè)控制的需要。

 

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