基于浮力稱量原理的定量稱量系統(tǒng)

孔令宇

(山東英才學院機械工程學院，山東濟南　250104)

0　引言

我國從20世紀60年代中期開始研制和生產電阻應變式稱重傳感技術的產品，其準確度低、可靠性差，故障率和損壞率高。自20世紀80年代初，開展了與國外的技術交流和合作，通過引進、消化、吸收和改造，使電子稱重裝置的綜合水平有了很大提高。我國現生產的商用靜態(tài)秤已基本能滿足國際法制計量組織OIMLⅢ級秤3000d的要求，靜態(tài)工藝秤也可達到0.1%～0.3%的準確度要求。目前，國內的定量稱量技術大都還處于手工計量狀態(tài)和半自動化狀態(tài)，社會所急需的定量稱量自動化測控系統(tǒng)技術，現在還難以達到1級計量準確度的要求[1]。

國外在定量稱量技術領域所關注的前沿課題，多是將先進的控制技術引入動態(tài)稱重控制，以提高稱重品質，解決稱重計量環(huán)節(jié)中的測量誤差影響，如：M．Halimic等人針對塊狀產品在測力傳感器下的動態(tài)稱重過程，引入模糊邏輯估計，借以改善稱重準確度；S．Almodrresi等人在動態(tài)稱重過程中，引入特征提取因子和神經網絡，實現稱重信號估計；W．Balachandran等人研究了基于模糊控制器、稱重傳感器下的塊狀產品的動態(tài)稱量。但是，他們所實現的動態(tài)稱量準確度一般均達不到0.5%，仍不能滿足國際法制計量組織OIML對動態(tài)準確度首檢應達到≤0.25%的要求。

基于浮力稱量原理的定量稱量系統(tǒng)，引入全新的理念，該系統(tǒng)是以浮力稱重傳感器為技術核心而進行研發(fā)的一種定量稱量自動化測控系統(tǒng)，它將物料重量值的測量轉換成具有線性關系的位移值的測量。該項技術不存在非線性和零漂等技術缺陷，能夠實現在全量程范圍內進行線性定量稱量。

1　系統(tǒng)總體結構及動態(tài)模型的建立

1．1系統(tǒng)總體結構

該定量稱重系統(tǒng)采用了以PLC為主的智能化控制系統(tǒng)，由儲料倉、給料系統(tǒng)、稱重計量系統(tǒng)、輸送設備及中心控制系統(tǒng)5部分組成。具體配置如圖1所示。

圖1　基于浮力稱量原理的定量稱量系統(tǒng)框圖

圖1所示給料設備即電磁振動給料系統(tǒng)。這種系統(tǒng)由振動電機驅動，給料量多少由電機振動幅度的大小來決定。適用于物料流動性差，配料精度要求較高的場合。如原料藥、粉粒狀物料等。稱重計量系統(tǒng)是動態(tài)定量稱重系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)，是保證定量稱重精度的關鍵所在。稱重測量系統(tǒng)主要包括稱重料斗、浮力稱重傳感器以及稱重測量儀表，其中尤以浮力稱重傳感器為重要環(huán)節(jié)。中心控制系統(tǒng)可采用PLC來實現，該PLC系統(tǒng)通過通訊裝置采集各種生產數據，進行檢側與控制主、副原料等物理量的稱量，通過人機界面進行顯示、加工處理、輸出控制各種電磁閥，皮帶輸送控制，原料裝入控制及安全連鎖保護等命令，完成生產任務[2]。

物料定量稱重的簡單過程為：啟動給料裝置，物料在自身重力的作用下進入稱量斗，料斗上裝有浮力稱重傳感器，料斗的重量信號由浮力稱重傳感器轉換成與之對應的電壓信號，經放大器把該電壓信號放大后送入計算機進行數據處理，當到達預定值時，停止給料，完成一次定量稱重。

1．2定量稱量動態(tài)模型的建立

如圖1所示，影響定量動態(tài)稱重精度的主要因素為：稱重測量系統(tǒng)的欠阻尼振蕩、物料下料的沖擊力、測量的滯后(空中物料)帶來的落差誤差。

1．2．1物料下落沖擊力和留空量的估計

由沖量定理得：

所以

從上式可以看出沖擊力與物料流量和下落高度有關。隨著稱斗內物料增加，物料下落高度減小，沖擊力也相應減小。

從上式得知只要知道沖擊力大小就能求出物料的留空量。

1．2．2定量稱量動態(tài)模型的建立

浮力稱重傳感器和稱體構成的稱重部分可以等效為一個由彈簧、阻尼器組成的二價系統(tǒng)，如圖2所示[3]。

圖2　定量稱量動態(tài)模型

根據動力學分析，建立稱重部分位移x與物料質量M(t)的數學模型：

式中：m為稱體的自身重量，kg；M(t)為下料質量的時間函數；c為阻尼系數；k為稱重傳感器的剛度；F(t)為物料沖擊力；x為稱體相對參考點的位置。

由于位移經傳感器、信號放大器、A/D采集卡后與送到計算機的電壓信號v(t)成正比，因此上式也是電壓v(t)與質量M(t)的關系模型。對上式兩邊進行拉式變換，整理后得：

由于系統(tǒng)的輸入是連續(xù)的，而輸出是離散的，并不適合辨識目的。下面把上式變換為離散形式并根據z變換終值定理可得：

因為采用了分段線性化的方法把非線性時變系統(tǒng)近似看作許多小時間段內的線性系統(tǒng)，所以上式中并不能取無窮大，但是N可取一個較大的正整數。如進一步將由輸入噪音引起的稱量誤差考慮在內，且為方便起見假定是白噪聲，則上式同樣可用差分方程表示[4]：

y(n)=-a1y(n-1)-a2y(n-2)+b*+e(n)

式中e(n)為殘差。

2　前置放大器設計

前置放大器是定量稱重系統(tǒng)前向通道的重要組成部分，由于浮力稱重傳感器轉換后的中頻電壓信號是幅度很小的mV級信號，很難直接模數轉換，因此需要對該中頻模擬電信號放大處理。這就要求其必須具有很高的共模擬制比以及高增益、低噪聲和高輸入阻抗的特性。

前放原理圖如圖3所示，圖中：VI為遠端經過調制的中頻位移傳感器信號，VR1為滿量程調整電位器，C2、C4可對中頻載頻信號顯著衰減，起解調作用，從而使傳感器直流信號得到放大。運算放大器選用LM324，則前置放大器的輸出為VO2：

式中：AVF1、AVF2分別為第一、二級的電壓放大倍數；R為電位器VR1的固定電阻值；RX為電位器VR1對地可變電阻值。

將上式整理可得到前置放大器的輸出為VO2：

圖3　前置放大原理圖

3　系統(tǒng)的軟件設計

基于浮力稱量原理的定量稱重系統(tǒng)軟件是以工業(yè)自動控制的組態(tài)軟件為軟件開發(fā)平臺，以實現和完成集成系統(tǒng)監(jiān)控層的各項功能。該軟件能以靈活多樣的組態(tài)方式提供良好的用戶界面和簡捷的使用方法，以動態(tài)圖形和報表對稱重過程控制流程進行集中監(jiān)視、管理、操作。它可以替代模擬屏動態(tài)顯示工藝流程圖，用開關量控制圖形顏色塊、線狀態(tài)、操作提示、動畫等；可替代記錄儀動態(tài)顯示實時趨勢圖，實現故障報警和記錄；可顯示實時報表，在線輸入參數，即時打印實時或歷史報表，定時保存數據，定時打印報表和圖形；可替代操作控制臺，使用軟按鍵在線改變控制機開關量狀態(tài)，自動切換圖形畫面等。

定量稱重系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示。

圖4　定量稱重系統(tǒng)軟件流程圖

4　系統(tǒng)試驗結果

應用浮力稱量原理研制的定量稱重系統(tǒng)樣機，于2009年4月由山東省科技廳對系統(tǒng)的各項具體性能指標進行了鑒定與驗收，發(fā)布等級：0.5級，達到了國際法制計量組織(OIML)R50所建議的最高準確度等級，控制系統(tǒng)的各項功能齊全，各項測控技術指標均滿足國家計量檢定規(guī)程的要求[5]。其中，重復性定量稱量試驗數據如表1所示。表1中控制的載荷T為摩擦材料實際稱量載荷。

表1　定量稱重系統(tǒng)重復性實驗數據

表1表明：采用基于浮力稱量原理的定量稱重系統(tǒng)，其控制的載荷T與示值I之間的相對誤差均<0.25%，完全滿足動態(tài)稱量準確度0.5級的高要求。

5　結束語

提出的浮力動態(tài)定量稱量技術通過了中國計量科學研究院主持的技術論證會，認定浮力稱量原理是對我國傳統(tǒng)稱量原理的一次創(chuàng)新，它從根本上克服了目前常用的電阻應變式稱重傳感器的某些缺點和不足。

參考文獻：

[1]岳慶寅，孫秉禮．水泥廠計量手冊．北京：中國建材工業(yè)出版社，1993：9-11．

[2]楊新志，沙鍵，姚康，等．粉狀物料配料設備控制系統(tǒng)．機電一體化，2001(3)：65-66．

[3]黃俊欽．靜、動態(tài)數學模型的實用建模方法．北京：機械工業(yè)出版社，1988．

[4]李寶安，李行善，羅先和．動態(tài)稱重系統(tǒng)計量誤差的動態(tài)校正．儀器儀表學報，2001(3)：252-253．

[5]國家青島衡器測試中心．《計量器具型式評價報告》(2000)量認(國)字(Z0235)號，2003-18(D)．