1 結構和原理
隨著化工企業對產品品質要求的提高, 對生產原料的比例要求也越來越精確, 稱重模塊作為一種新型傳感器得到了廣泛應用。稱重模塊可用于物料的計量監測, 如料斗/罐/槽等的計量 (替代料位計, 流量計等) ;也可用于工藝生產過程的配料, 如反應釜/罐的稱重配料控制 (配料系統) ;還可用于質量檢測 (檢重) 及分選等 (輥道秤, 檢重秤等) 。
稱重模塊將高精度剪切梁稱重傳感器、負荷傳遞裝置及安裝連接板等部件合為一體, 既保證了剪切梁傳感器精度高、長期穩定性好的特點, 又解決了因安裝不當造成的稱量誤差問題。
在稱重傳感器的彈性體受到來自受力方向的力 (如重力) 時, 彈性體產生相應的微量變形, 此時粘貼在彈性體上的電阻應變片的各橋路電阻即產生相應的阻值變化。由惠斯頓電橋工作原理可知, 如此時在電阻應變片的兩端加上一恒定的激勵工作電壓, 則電橋的兩個輸出端的電壓差即可反映出相應的電阻應變片的變形程度。由此, 給稱重傳感器加一恒定的激勵電壓, 通過檢測其輸出電壓差即可得出受力大小。為了保證稱重傳感器在各種環境中的測量精度, 一般在稱重傳感器的應變片橋路中增加線性補償、零點補償和溫度補償等處理, 以及傳感器表面的防腐處理等。同時為保證傳感器遠程激勵時的精度, 一般在應變片的激勵兩端再輸出兩根導線至重量變送器或稱重終端, 用于計算激勵電壓在長線傳輸時的損失補償。
2 分類和選型
稱重模塊通常分為兩類: 靜載稱重模塊和動載稱重模塊。靜載稱重模塊主要適用于側向力較小的靜載荷稱重場合, 靜載稱重模塊可以非常方便地安裝在各種形狀的容器上。動載稱重模塊主要適用于承受水平作用力的機械裝置如流水線、傳送帶等, 另外動載稱重模塊還可用于機械平臺秤的改造。
加料方式決定稱重模塊種類, 當物料是以垂直方式用輸送機或泵向斗、罐、釜和槽罐內送入時, 應選用靜載模塊;當以水平方式把物料輸送到秤臺或容器內時, 產生水平沖擊力, 此時應選用動載模塊, 如輥道秤、汽車衡或軌道衡機械秤改電子稱時應選用動載模塊。
稱重模塊還可以根據材質分類。以梅特勒-托利多衡器有限公司的產品為例, 其稱重模塊按材質分有兩種: 稱重模塊所有部件包括傳感器均采用不銹鋼; 稱重模塊所有部件除傳感器承壓頭外均采用碳鋼。在選擇模塊時應考慮其所處的環境及容器所裝物料的性質, 如果稱重模塊長期暴露在潮濕或有腐蝕性物質接觸的環境中, 建議選用全不銹鋼稱重模塊。
稱重模塊數量的選擇。對于已安裝支撐腳的罐, 可以根據支撐腳的數量來確定稱重模塊的數量。如果是新安裝的容器, 若為垂直放置的圓柱形容器, 用三點支撐比較穩定;考慮風力、晃動、震動等影響, 以采用四點支撐為宜;水平放置的容器則以四點支撐為宜。在多只模塊的系統中, 總的載荷應盡可能平均地作用到每只模塊上。
稱重模塊容量的選擇。對于一臺罐秤, 在估算選用稱重模塊的容量時, 有三個主要因素需考慮: 空罐的質量, 即秤體空載時的質量m0;可能裝入罐內的最大載荷ms;稱重模塊的數量n。
其次由于載荷分布不均勻以及對載荷的估計不足應考慮一個標準安全系數f (f=1.5) ;另外由于環境的影響 (例如風力、沖擊、振動等) 往往需要考慮第二個附加的安全系數k。單只稱重模塊的容量選擇應滿足下面的關系式:
稱重模塊容量m≥1.5 k (m0+ms) /n
3 安裝
稱重模塊一般安裝在秤體的下部即腳、托盤等位置, 或者安裝在秤體的上部即釜、罐、斗的腰部等位置。模塊的位置分布以使重量基本均布在傳感器上為前提, 而不是幾何均布, 同一個稱重模塊系統的模塊必須處于同一水平面。要制造一個準確的罐稱量系統, 必須確保所有傳感器是垂直均勻受力的。為達到以上目的, 罐以及支撐部分應盡可能地達到水平度、直線度、剛性和平行度的要求。稱重模塊的安裝對罐秤的精度影響很大, 安裝時需從以下幾方面進行考慮。
a) 在罐秤系統中, 支架結構的偏斜會影響秤的精度和重復性, 因此稱重模塊支架結構的設計有三點要求: 稱重模塊上支架偏斜引起與水平線的夾角不能大于0.5°;稱重模塊的基座支架結構扭轉或偏斜引起與水平線的夾角不能大于0.5°; 稱重模塊的基座支架結構偏斜 (撓度) 一致。
一臺罐秤的支架結構的撓度應盡可能小, 所有支點的撓度應一致。撓度過大會引起罐體入口和出口管道的撓度變化, 從而造成線性誤差。當各點撓度不一致時, 可能產生重復性誤差以及由于蠕變而產生的回零誤差。
b) 注意稱重模塊與支撐梁的統一調整。加在傳感器上載荷的中心線應與稱重模塊支撐梁的中心線相重合。為了防止支撐梁在加載時扭轉, 可以增加加強腹板。
c) 必要時加強支架結構。當加在金屬支架上的載荷增加時, 支撐部分易彎曲而增加撓度, 撓度過大會影響罐秤的精度。當稱重模塊安裝在支撐梁的中間時, 產生的撓度最大。如果這種安裝方式不可避免, 則需要加固支撐梁, 使撓度減至最小。減少撓度比較好的辦法是把稱重模塊安裝在靠近立柱的地方, 確保在相同尺寸的結構梁上安裝模塊, 以免不同的撓度造成重復性誤差和回零誤差。
d) 注意避免罐之間的相互影響。當兩臺罐秤相互緊挨著安裝時, 如果使用公共的安裝基礎, 其稱量會相互受到干擾。模塊安裝在混凝土基礎上是最好的一種選擇, 由于混凝土的撓度很小, 兩臺罐之間幾乎沒有什么影響。另一種較好的選擇是將稱重模塊安裝在立柱附近, 每個罐有各自獨立的支架結構, 限止撓度, 可以減少相互影響。
e) 管道設計的原則。所有與罐連接的管道應水平敷設, 防止因管道使罐懸空。盡量減少罐秤支架結構的撓度, 從而減小管道撓度的變化。管道的第一個連接支撐點應設置在盡量遠離罐體的地方, 這樣會增加管道的彈性。在滿足工藝要求的情況下, 管道的直徑越小越好, 管道越輕越好, 這同樣能增加管道的彈性。只要有可能, 盡量采用軟連接。應避免把管道固定在與罐不相連的結構上, 例如上層樓面, 而應把管道連接在罐的支架結構上, 以使管道與罐一起移動。
f) 罐體在設計時應考慮標定時安放砝碼的位置及安裝維修時的千斤頂工作位。支撐罐體的基礎 (或樓層) 應有足夠的承載力及剛度, 基礎撓度變形小于3 mm。
g) 罐體必須是獨立作用在傳感器上的, 不能與不受傳感器支撐的其他部件有任何的機械綁定, 否則稱量將會不準。在事先沒有將傳感器取掉的情況下, 不要在傳感器附近進行焊接, 否則, 焊接電流會穿過傳感器導致傳感器損壞。
h) 要將稱重模塊安裝在便于維修的地方, 每只模塊應有獨立的接地, 安裝完成后必須進行標定。