1 概述
為了實現在工業環境中容器、料斗等的靜態稱重計量, 靜載稱重模塊便應運而生了, 它是針對用戶需求, 結合高精度稱重傳感器而研制開發的一體化稱重單元。它將稱重傳感器、載荷傳遞裝置、限位和防過載等集合于一體, 可以方便地與多種機械設備 (如滾道、平臺、罐體、料斗等) 相連接。靜載稱重模塊采用模塊化設計, 具有結構簡單, 安裝維護方便, 互換性好的特點, 適用于各種靜載稱重的場所, 可滿足容器等稱重體在工業生產環境中的準確稱量。適于在建材、冶金、化工、制藥、倉儲、水泥等行業中對料斗、儲罐、反應釜、溶解槽等進行靜態計量。本文以模擬靜載稱重模塊為例, 簡單介紹了靜載稱重模塊的選型和使用方式, 同時介紹了靜載稱重模塊在選型和安裝使用時應注意的幾個問題。
2 靜載稱重模塊系統的幾種常見配置
靜載稱重模塊系統主要由靜載稱重模塊及稱重顯示控制器等組成, 按功能主要分為以下幾種 (在有防爆要求的場合下, 可增加防爆配置) :
2.1 僅實現基本的重量顯示功能
基本配置:靜載稱重模塊、接線盒及稱重顯示控制器。
2.2 在實現基本的重量顯示功能基礎上增加通訊接口、定值報警輸出、簡單控制功能。
基本配置:靜載稱重模塊、接線盒及帶相應通訊接口、定值輸出接口功能的稱重顯示控制器。
2.3 在實現基本的重量顯示功能基礎上增加
控制功能, 包括重量顯示、定量加料、卸料、現場設備控制、報警信號顯示、配方設置及流程監控等功能。
基本配置:靜載稱重模塊、接線盒及稱重顯示控制器及控制系統。
3 靜載稱重模塊結構
靜載稱重模塊在設計時多采用調節螺桿來實現限位功能, 通過螺桿的組合實現對稱重傳感器水平方向位移的限制, 同時對于稱重傳感器起到過載保護和防止傾覆危險的發生。其結構如圖1所示, 圖中各零部件作用為:
1——上安裝板:帶安裝孔用于與用戶容器支撐腳安裝板的連接。
2——壓頭座:保證不影響傳感器受力的情況下實現壓力信號的傳遞。
3——稱重傳感器:實現對載荷信號的采集。
4——調節螺桿:通過螺桿與上安裝板組合實
現對稱重模塊位置的限定, 限制容器在水平范圍內有限位移, 以保證容器在環境影響變形下的準確稱量。而且對于稱重傳感器起到過載保護和防止傾覆危險的發生。同時, 在更換傳感器時也可以將其升起以支撐容器支腿, 為更換傳感器提供方便。
5——跨接導線:使稱重傳感器上下安裝板成為等勢體, 保護稱重傳感器免受非預想的過電流對其產生的損害。
6——輔板:用于運輸和安裝時避免傳感器受到過載荷的沖擊, 正常使用時去除。
7——安裝架:用于傳感器的安裝, 下安裝板上帶安裝孔用于模塊與基礎安裝架的連接。
根據限位結構的不同形式, 有的靜載稱重模塊又分為全約束模塊、半自由模塊、自由模塊三種基本形式。全約束模塊是指該模塊在水平范圍內為全約束;半自由模塊是指該模塊在水平范圍內僅可以在單一方向上運動, 其自由度受到限制;自由模塊是指該模塊在水平范圍內是可以自由運動的。
4 靜載稱重模塊的選型
4.1 靜載稱重模塊數量的選擇
常見的靜載稱重模塊系統多由3個或4個稱重模塊組成, 其布置方式如下:
4.1.1 三點支撐
將靜載稱重模塊均布于同一圓周上。對于由全約束模塊、半自由模塊、自由模塊三種基本模塊組成的系統, 則三種基本模塊各1個。
4.1.2 四點支撐
將稱重模塊均布于同一圓周或矩形的4個頂點上。對于由全約束模塊、半自由模塊、自由模塊三種基本模塊組成的系統, 則4個點為全約束模塊、半自由模塊各一個, 自由模塊兩個。
4.1.3 多點支撐
在用戶的實際應用中有時需要多點支撐, 即4個以上的支撐點安裝稱重模塊。在該種情況下, 可將稱重模塊均布于同一圓周或類似于四點支撐的情況。對于由全約束模塊、半自由模塊、自由模塊三種基本模塊組成的系統, 稱重模塊可選擇全約束模塊、半自由模塊各為一個, 其他需要的承重點由自由模塊補足。
4.2 靜載稱重模塊量程的選擇
靜載稱重模塊系統一般是由計量裝置 (載體) 、靜載稱重模塊 (稱重傳感器) 和稱重顯示控制器三部分組成的。稱重傳感器主要用于質量和力的測量, 為了稱重計量的準確性和可靠性, 在設計稱重計量裝置時, 對于多只稱重傳感器模塊組成的系統, 稱重傳感器模塊量程的選擇一般遵循如下原則。
固定負荷 (秤臺或容器自重) +變動負荷 (物料重量) +沖擊、振動等≤0.6×單只稱重傳感器額定負荷×稱重傳感器個數
其中, 系數0.6是一般性要求, 可以在0.25~0.8 (甚至更寬) 波動, 主要是根據計量精度要求和儀表的情況決定的。具體地說, 系數偏小時, 使用傳感器的有效量程較小, 要求儀表的分辨率高, 儀表示值穩定性相對較低, 但是傳感器的使用壽命就高。系數偏大時, 使用傳感器的有效量程較大, 要求儀表的分辨率低, 儀表示值穩定性相對較高, 但是傳感器的使用壽命偏低。因此在選擇稱重傳感器的量程時, 需綜合考慮相關因素。
4.3 靜載稱重模塊選型的其他注意事項
靜載稱重模塊在選型時, 還需根據現場情況 (防腐、防爆要求) , 來確定靜載稱重模塊的材質 (碳鋼防腐處理或不銹鋼材質) 、防護及防爆等級要求等。
5 稱重顯示控制器的選型
在選擇靜載稱重模塊的同時, 稱重顯示控制器也必須同時考慮, 主要應注意如下幾個參數:輸入靈敏度范圍 (μV/d) 、空秤量值范圍 (m V) 、供橋電壓 (V) 等。
5.1輸入靈敏度計算 (假設儀表的供橋電壓12V, 輸入靈敏度范圍在1.2~24μV/d之間) 。
其中A:傳感器的總量程 (kg)
B:傳感器的靈敏度 (m V/V)
d:顯示最小分度值 (kg)
X:輸入靈敏度 (μV/d)
最后計算出X應在1.2~24μV/d之間, 方才符合儀表的使用范圍。
舉例:一臺60t料斗秤, 共使用靈敏度為2m V/V的30t傳感器模塊4只, 最小顯示分度值為20kg, 可計算如下:
A=30×1000×4=120000kg
B=2m V/V
d=20kg
則
注:在有防爆要求的場合下, 應考慮安全柵對傳感器信號的影響。
5.2 在選擇稱重顯示控制器參數的同時, 還應考慮對稱重顯示控制器的接口要求、安裝要求、環境要求等。
6 靜載稱重模塊的安裝
6.1 對用戶現場的要求
6.1.1 基本要求
●計量設備進出料口等處應采用軟連接, 不得影響稱重計量。
●對于重心較高的計量設備, 設備周邊應作必要的橫向牽引防護, 增加防護安全。
●用戶計量設備支撐腿與基礎安裝架要有足夠強度、剛度, 應保證在稱重模塊額定載荷作用下發生變形不超過l/1000。
●基礎安裝板上平面以及設備支撐腿安裝板下平面各要求在同一平面內, 相互間高度允差均不大于2mm或支點距的2/1000 (兩者取最小值) 。
●模塊支撐點的承載力應不小于模塊用傳感器量程的150%, 單個基礎安裝板和設備支撐腿安裝板的水平度均應在l/500之內。
●現場施工時注意, 嚴禁可能損壞傳感器的電流 (例如焊接電流) 通過傳感器。
6.1.2 防爆場合的附加要求
●防爆稱重模塊在現場使用時, 特別應避免受到沖擊或撞擊, 以避免出現危險火花。
●防爆稱重模塊所使用的防爆稱重傳感器作為現場本安設備 (氣體環境場合) , 必須在本安設備 (本安防爆傳感器) 與非本安設備 (非本安防爆儀表) 之間配置安全柵。
●當防爆稱重模塊用于粉塵爆炸危險場所時, 設備表面應定期清掃, 防止粉塵積聚。
●用戶在安裝、使用和維護產品時, 必須同時嚴格遵守相關防爆標準及規范。
6.2 靜載稱重模塊的安裝
稱重模塊安裝時模塊輔板不拆除, 將模塊整體在安裝位置擺放, 然后模塊上安裝板與容器支撐腿安裝板用螺栓連接緊固, 模塊位置固定后, 下安裝板用螺栓連接于基礎安裝板上或直接將下安裝板焊接于基礎安裝板上, 焊接時應注意焊接電流不應通過傳感器, 以免損壞傳感器。安裝完畢后拆除輔板, 調節限位使之滿足安裝要求, 然后即可開始校驗使用。
7 靜載稱重模塊系統的校準
在靜載稱重模塊系統安裝完畢后, 必須對系統進行稱量校準。目前, 這種稱量系統常見的有五種檢驗方法:砝碼標定法、替代法、比對法、預標定法和標準信號源標定法。其中, 比對法、預標定法和標準信號源標定法適用于對系統精度要求不高且現場無法使用砝碼標定法和替代法兩種方法進行標定的情況, 以下對這幾種方法簡要介紹一下。
7.1 砝碼標定法
對于涉及貿易結算的稱量系統, 必須用標準砝碼進行標定, 使之滿足級秤標準, 此時, 應根據現場情況, 在計量設備上安裝堆放砝碼的支架、平臺或其它替代裝置, 以方便校準。
7.2 替代法
對于不涉及貿易結算的工藝用稱重系統, 由于承載器在設計時一般不考慮安放標準砝碼的位置, 往往只能用少量標準砝碼來檢驗, 這樣只能使用其它替代物進行標定, 反復的使用有限砝碼和替代物, 從零點開始, 一直檢驗到使用的最大載荷量。
使用替代法的關鍵問題是, 要求被測試裝置的重復性必須高, 同時必須滿足生產工藝要求。
7.3 比對法
它是選用在標準測試裝置 (例如測力機) 上標定好的一套稱重傳感器和稱重顯示器, 與稱量系統上的稱重傳感器和稱重顯示器相比較。使用比對法的關鍵問題是, 要求在使用現場預先設計可安裝標準裝置的位置, 所以使用比對法檢驗最好是在設計稱量系統時就著手進行。
7.4 預標定法
它是指靜載稱重模塊系統在出廠前, 通過測力機給傳感器加載額定負荷, 調整接線盒內的可調電阻使每只傳感器的輸出靈敏度一樣, 然后將所有傳感器、接線盒、稱重顯示器組成稱重系統, 用測力機校正顯示儀表的零點和滿量程 (此處的滿量程為客戶現場使用的滿量程) 。這樣, 模塊系統現場安裝后只需要重新校準儀表的零點即可。使用預標定法的關鍵問題是對靜載稱重模塊的安裝要求較高。
7.5 標準信號源標定法
它是指在已知秤體 (容器) 自重及稱重傳感器量程及靈敏度等參數的情況下, 通過理論計算, 得到靜載稱重模塊系統的空秤信號值 (或能夠實際測得) 和滿量程信號值, 然后, 用標準信號源替代稱重傳感器與稱重顯示控制器連接。調整標準信號源, 使之輸出電壓等于所計算的空秤信號值, 來進行空秤校準;再調整標準信號源, 使之輸出電壓等于所計算的滿量程信號值, 來實現量程校準。
校準完成后, 將靜載稱重模塊與稱重顯示控制器連接, 若能實現空秤狀態, 此時只需進行實際空秤校準即可。
8 結束語
因本人在工作中接觸到的部分衡器設計人員及衡器產品用戶對靜載稱重模塊系統的選型及應用了解程度不夠全面, 所以, 在這里對傳感器靜載稱重模塊的選型和應用做簡單介紹, 以增進廣大用戶對傳感器靜載稱重模塊的了解, 方便今后靜載稱重模塊系統的設計和使用。但因本人水平有限, 還望廣大讀者對本文加以批評指正。