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電子皮帶秤是工業(yè)生產中用來計量輸送物料的重量而廣泛采用的計量器具,在火電廠的原煤計量中有廣泛的應用。國家對電子皮帶秤的精度要求分為0.25、0.5、1.0、2.0共4個等級,作為火力發(fā)電廠二級計量標準的電子皮帶秤一般要求達到0.5級精度標準[1]

火電廠電子皮帶秤一般安裝在輸煤棧橋的皮帶輸煤機上,其運行環(huán)境較差。振動、粉塵、噪聲、電機啟動電場和磁場干擾、環(huán)境濕度、原煤含水量變化、人為清潔沖洗等各種因素都對電子皮帶秤的稱重精度有很大影響[2]。通過電子皮帶秤生產廠家和用戶的共同努力,近年來電子皮帶秤的精度和使用情況有了一定的改善,但仍然存在運行維護量較大,精度校核工作繁重、程序多等問題,遠未能達到如靜態(tài)電子衡器所能達到的使用精度和使用效果。分析電子皮帶秤的運行情況,歸納產生誤差的原因,研究其中的規(guī)律,尋找解決問題的途徑和方法,開發(fā)新型高精度電子皮帶秤是解決運行維護量大、精度等級低的有效手段。

1　 影響電子皮帶秤稱重精度的因素

由于電子皮帶秤是在皮帶輸送機運行的動態(tài)過程中對原煤重量進行計量,所以其受力情況較靜態(tài)電子秤要復雜得多。按空間三維情況考慮,電子皮帶秤傳感器受力可以歸納為重力、與皮帶前進方向相同的拉力和與傳感器對稱中心面垂直的側向推力三種綜合力及其他一些因素的影響。

(1)重力受力

電子皮帶秤的傳感器所受到的重力由秤架重力、皮帶重力和皮帶上原煤重力所組成。原煤重力等于傳感器所受重力減去秤架重力和皮帶重力的差。由于各種因素的影響,可將該三種力看為隨時間變化的、非零均值的隨機過程。皮帶輸送機在實際運行過程中煤量會隨時間發(fā)生變化,在一確定的時刻煤量是一確定的數(shù)值,但由于種種原因傳感器實際受力是該時刻的煤量重力、秤架重力、皮帶重力三者之和加上一零均值的隨機干擾量。秤架重量和皮帶重量可以在靜態(tài)情況下準確測量到,所以在實際運行中電子皮帶秤去皮后的測量量是附加一零均值隨機誤差的原煤重量。從該測量信號中獲取真實的原煤重量信號是電子皮帶秤顯示控制單元信號處理的主要工作。若由于皮帶輸送機本身及安裝環(huán)境使附加隨機誤差為非零均值時,則應對皮帶輸送機進行調整或在皮重校核時處理。

(2)與傳感器對稱中心面垂直的側向推力電子皮帶秤在運行過程中由于負載的非均勻性、皮帶打滑等各種因素,會使皮帶產生跑偏現(xiàn)象。該現(xiàn)象將對稱重傳感器產生一與傳感器對稱中心面垂直的側向推力,該附加側推力對傳感器的稱重精度產生重要影響。實驗數(shù)據(jù)表明當皮帶跑偏造成100kg側向推力時,稱重傳感器將產生1kg的稱重附加誤差,即可產生1%的誤差。電子皮帶秤在運行過程中跑偏現(xiàn)象是經常發(fā)生的,只是程度不同。

皮帶空載下絕對誤差允許范圍:50kg/計量單位長度×5‰=(±)250g/計量單位長度

顯然皮帶在空載下絕對誤差允許范圍要求十分苛刻,比皮帶負載情況下的要求嚴格得多,若能在這種最為不利的情況下達到所要求的稱重精度,則在負載情況下肯定可以滿足所要求的稱重精度。這和儀表在滿量程時能達到要求的精度,但在小量程時精度則不能滿足要求,需要安裝同樣精度但量程較小的儀表的道理一樣。消除和減小與傳感器對稱中心面垂直的側向推力造成的稱重誤差是提高電子皮帶秤精度的重要途徑之一。

(3)與皮帶前進方向相同的拉力受力

皮帶輸送機運行過程中,皮帶所受到的牽引拉力會通過皮帶托輥、秤架機構傳送給稱重傳感器。傳感器在該力作用下產生變形,輸出一附加稱重信號,該信號的大小與皮帶運行速度、秤架結構、稱重傳感器的結構及各部分之間的摩擦系數(shù)等因素有關。該信號是影響電子皮帶秤稱重精度的重要因素之一,其影響稱重精度的機理與側向推力影響稱重精度的情況相同。

(4)測速傳感器

測速傳感器的作用主要是用來測量皮帶運行速度,確定皮帶稱重單位長度和皮帶皮重,即皮帶空載運行時的稱重。測速傳感器所發(fā)脈沖頻率越高其代表的皮帶稱重單位長度越短,稱重采樣速度也越快。若將皮帶平均皮重的儀表讀數(shù)看為皮帶真實平均皮重與零均值隨機誤差之和,則在確定皮帶平均皮重過程中,采樣速度越高皮帶平均皮重的儀讀數(shù)就越接近皮帶真實平均皮重。

(5)稱重顯示控制器

稱重顯示控制器的作用是對稱重傳感器的信號和測速脈沖信號進行處理,顯示皮帶輸送機的瞬時輸煤量,同時累計輸送原煤總量。稱重顯示控制器的數(shù)據(jù)處理精度和速度是十分重要的功能指標。根據(jù)國家標準對二級精度電子皮帶秤的要求和前面的分析可知,其空載時的誤差為(±)250g/單位長度,所以控制顯示器的分辨率應達到10g或更高。這對顯示控制器提出了兩方面的要求,一是要求加大A/D位數(shù)、采樣速度和數(shù)據(jù)處理速度;另一方面是由于精度的提高,常規(guī)情況下如溫漂、電源紋波干擾、接觸電阻等可忽略因素都上升為不可忽略的主要矛盾。這對傳感器輸出信號和放大器放大倍數(shù)的穩(wěn)定性提出了很高要求。

2　 新型高精度電子皮帶秤用的技術手段

(1)全懸浮秤架及特殊安裝結構

電子皮帶秤采用4個稱重傳感器,其秤架采用全懸浮方式設計,秤架由滾珠托起。皮帶運行過程中出現(xiàn)跑偏現(xiàn)象時,秤架平面可以作滾動滑移,達到消除皮帶側向推力的作用,提高稱量精度。由于采用全懸浮專利方式設計,當秤架受到非重力擾動時,可由滑動及全懸浮部分產生相應作用消除,極大地減少了對稱重力的振動及附加影響。電子皮帶秤在實際應用中大多安裝在有一定傾角的皮帶輸送機上。對二級精度的電子皮帶秤國家標準規(guī)定傾角應小于6°[1]際安裝條件很難滿足國標要求。通過對現(xiàn)場電子皮帶秤秤架安裝情況的分析,采用特殊的秤架結構和安裝方法,可以消除大傾角對稱重精度的影響。在某電廠傾角為20°的皮帶輸送機上的試驗和長期運行情況看,完全克服了皮帶傾角的影響,效果十分顯著。

(2)無側推力附加誤差傳感器

側向推力的存在使空載皮帶的稱重精度超過國家規(guī)定的5‰的精度標準。若用此皮帶秤計量,則最低誤差將超出稱重精度要求。為減小皮帶偏載的影響,采用傳感器并聯(lián)技術,可以使偏載時的稱重誤差大為減小[3]過試驗驗證,采用4個壓式稱重傳感器并聯(lián)時效果較好。為保證傳感器的質量性能一致,需要將4個無側推力附加誤差傳感器進行專門的一致性校驗及側向推力消除校驗?，F(xiàn)場長期實際運行情況證明采用此項技術后,稱重精度及穩(wěn)定性大為提高,滿足了高精度稱重皮帶秤長期運行工作的要求。

(3)光電測速傳感器

常用的測速傳感器有機械式和光電式兩種,機械式結構脈沖頻率低,一般為20萬次/h,使用過程中容易引起磨損,故障率較高;光電式結構脈沖頻率高,一般可達300萬次/h以上,安裝方便,故障率低。采用測速滾筒與測速光電脈沖機柔性連接方式,無機械磨損,可靠性高,使用壽命長,無維修工作。

(4)改善稱重顯示控制器性能

1)提高稱重顯示控制器的分辨率電子皮帶秤的空載誤差對電子皮帶秤稱重顯示控制器的分辨率提出了很高的要求。為保證儀表的高分辨率,同時也考慮儀表前端放大器的信號處理的難度,綜合以上兩方面因素,將分辨率定為10g[4]。

2)溫漂抑制處理

由于高精度電子皮帶秤是全天侯運行,溫度變化范圍大,當溫度變化使放大器產生的溫度漂移變化超過允許范圍影響稱重精度時,傳感器的溫漂處理就變得尤為重要。在硬件電路布局上總體考慮溫漂處理問題是目前技術上可行且有效的方法。具體實施方法應是在傳感器和放大器電路之間進行綜合平衡。在每天溫度變化±20℃的范圍內,可以保證顯示誤差在±10g以內。

3)采樣頻率及顯示功能

現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)處理的結果顯示,提高采樣頻率,可以有效消除零均值隨機誤差,采用高速16位A/D技術、高穩(wěn)定潔凈電源、高速CPU,使數(shù)據(jù)處理速度由原來的60萬采樣數(shù)據(jù)/h提高到300萬采樣數(shù)據(jù)/h,有效地提高了數(shù)據(jù)精度,保證了控制顯示器的穩(wěn)定性和準確性。

4)采用串行數(shù)據(jù)傳送方式

采用RS232/RS485通信接口方式可使通信距離達1200m,同時精確的數(shù)字傳輸方式不會產生二次誤差?？朔伺c上位機數(shù)據(jù)傳送過程中使用模擬量或脈沖量精度難以保證的缺點。

(5)自校驗功能

電子皮帶秤稱量系統(tǒng)的校驗工作給用戶帶來極大的不便,其安裝地點一般離下煤點較遠,且運行規(guī)程規(guī)定皮帶輸送機的啟動順序是與原煤輸送方向相反的,所以每次皮帶輸送機在啟動過程中有足夠的空轉時間保證。利用皮帶輸送機的空轉時間進行皮帶空載稱重校驗是目前多數(shù)生產廠家進行電子皮帶秤自校驗的方法[5]。

 

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