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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年針對配料用的定量皮帶秤，制定了國家標(biāo)準(zhǔn)。對一種產(chǎn)品制定標(biāo)準(zhǔn)，是對該產(chǎn)品深化認(rèn)識的過程，對產(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Χ科С拥恼J(rèn)知。

二、正文

自動定量皮帶秤是能夠控制通過皮帶輸運物料在預(yù)定單位時間內(nèi)輸送的重量，屬于自動稱量的動態(tài)秤。然而在很多介紹自動定量皮帶秤的文章，沒能講述其動態(tài)稱重的特點，大多介紹各廠家定量皮帶秤的機械結(jié)構(gòu)，使用材料和制造的特點。很少從動態(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。定量皮帶秤是運用過程檢制方法在整個稱重過程中調(diào)節(jié)進量的多少，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。在整個稱重過程中被稱物料不斷由進料口流入通過皮帶運送，又不斷的由皮帶的出口流出。根據(jù)變質(zhì)量力學(xué)的動量定理，可寫出皮帶上運輸物料的表示式：

式中：m1———流入皮帶的質(zhì)量；

u1———流入質(zhì)量相對皮帶的速度；

m2———流出皮帶的質(zhì)量；

u2———流出質(zhì)量相對于皮帶的速度，此

時等于皮帶的傳輸速度為I，q＝mI是皮帶上被輸送物料的動量。在時間T內(nèi)經(jīng)皮帶運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）式是輸運物料的動量微分表示式，（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，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。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)做進一步的分析。只對其中一些部件在動態(tài)狀態(tài)下的特點做一些分析。

在動態(tài)系統(tǒng)中對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)。因為在反饋控制系統(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被稱物料的瞬時流量、經(jīng)累加就可得到被稱物料的總重量。對數(shù)值的累加過程，由頻域的觀點看，時域的累加相當(dāng)通過一個低通濾波器。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，對稱重傳感器作用力量不同。例如對于單托輥式，當(dāng)物料剛進入稱量段，即進入輸入方向的托輥時，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)于對取樣數(shù)值的平均值加了一個“權(quán)函數(shù)”，對單稱重托輥此承載器加載的，由單位點載荷得到的力函數(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，是因為它的變換結(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，而且信號通過該系統(tǒng)有一定的延遲。在實際運用時，由于處理的數(shù)據(jù)均為離散信號，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)整量的時間與稱量區(qū)間有一段延遲時間，由稱量區(qū)間到投料口又有一段延遲時間。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?，F(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。此時稱量區(qū)D＝L，由于單托輥在不同段上的加權(quán)不同。此時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。此時的取樣區(qū)也由后來的D＝ZL，變?yōu)镈＝L。由于現(xiàn)在是動態(tài)稱重，當(dāng)進料端的載荷流量有改變時，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給出進入單稱重托輥階躍流量時的瞬時過程。圖中Q為階躍流量通過稱重段的實際值，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，兩者之間的線載荷可能不一樣，造成對預(yù)設(shè)量的偏差。因此，稱量段應(yīng)當(dāng)盡量接近拋料點。

單稱重托輥階躍載荷的瞬時圖如圖4所示

與所有自動定量秤一樣，控制流動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料段的上方安裝有進料斗由于物料的物理特性的差異，進料斗結(jié)構(gòu)，尺寸就是設(shè)計定量皮帶秤需要重點考慮的問題。

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

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，按照法制計量管理的規(guī)定，作為工藝秤是不需要列入強制計量管理的范疇。

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)確度等級來代表所有被稱物料的稱量準(zhǔn)確度等級的，實際上定量秤均屬于“個性”特點的衡器。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)確度級別是在稱重何種物料的結(jié)果。

 

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