李曉力

摘 要：本文介紹了電子皮帶秤的工作原理，并針對(duì)引起電子皮帶秤動(dòng)態(tài)計(jì)量誤差的原因從稱重力誤差、皮帶測速誤差、數(shù)據(jù)檢測和信號(hào)處理誤差、校準(zhǔn)誤差、環(huán)境影響誤差等方面進(jìn)行深入剖析，并提出了減小誤差的方法。

Abstract：This paper introduces the working principle of the electronic belt scale， and analyzes the reasons of the dynamic measurement error of the electronic belt scale， which is called the gravity error， the belt speed error， the data detection and the signal processing error， the calibration error， the environmental impact error， and the method to reduce the error.

關(guān)鍵詞：電子皮帶秤；誤差分析

Keywords electronic belt scale； error analysis

電子皮帶秤作為一種準(zhǔn)確、方便的動(dòng)態(tài)質(zhì)量計(jì)量設(shè)備在我廠有著十分廣泛的應(yīng)用。在AD廠輸煤系統(tǒng)中共安裝有十套不同類型及用途電子皮帶秤，電子皮帶秤作為電廠輸煤系統(tǒng)重要的計(jì)量、控制設(shè)備，在接煤、上煤、煤數(shù)統(tǒng)計(jì)和節(jié)能降耗的各個(gè)環(huán)節(jié)分別起著流量計(jì)量、流量控制、精確摻兌配比，投入產(chǎn)出統(tǒng)計(jì)等起重要作用。本文主要針對(duì)我司AD廠輸煤系統(tǒng)專用電子皮帶秤的誤差原因進(jìn)行全面分析。

一、 電子皮帶秤的系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

物料在皮帶上運(yùn)行至皮帶秤位置時(shí)，對(duì)皮帶秤稱重托輥產(chǎn)生向下的作用力，通過稱體，將作用力作用至稱重傳感器上，傳感器內(nèi)部彈性體上的電阻應(yīng)變計(jì)電阻發(fā)生變化，通過測量電路將這一電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)輸出至稱重顯示器。

電阻應(yīng)變力傳感器的原理：被測負(fù)荷作用于彈性體上，使彈性體發(fā)生變形，引起電阻計(jì)電阻變化，通過測量電路將電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)輸出。其測量電路全部采用惠斯登電橋接線方式。

惠斯登電橋原理圖：圖中的四個(gè)橋臂上的電阻可視為傳感器的應(yīng)變計(jì)電阻，U為激勵(lì)電壓（DC 10V），U0為傳感器輸出電壓。當(dāng)傳感器的應(yīng)變計(jì)電阻的阻值由于物料的重力作用發(fā)生變化時(shí)， U0會(huì)發(fā)生變化，同時(shí)U0與應(yīng)變計(jì)電阻的變化呈線性關(guān)系。

二、 電子皮帶秤的誤差來源分析

由電子皮帶秤的組成結(jié)構(gòu)、稱重原理和秤架受力情況的分析可知，其計(jì)量準(zhǔn)確度是由稱重傳感器與測速傳感器所檢測到的為長度上的物料的重量以及皮帶運(yùn)行速度決定的。在實(shí)際稱量過程中，由于計(jì)量托輥的非準(zhǔn)直度、皮帶張力及皮帶運(yùn)行阻力等被稱為“皮帶效應(yīng)”的因素影響，使皮帶秤具有由其組成、結(jié)構(gòu)、工作方式?jīng)Q定的稱重誤差；由于傳感器本身精度、通道設(shè)置及工作方法的影響，是皮帶秤具有主要測量控制系統(tǒng)硬件配置、軟件設(shè)置及工作模式?jīng)Q定的數(shù)據(jù)檢測和處理誤差；由于校準(zhǔn)方法與實(shí)際工作狀況的差別影響，使皮帶秤具有校準(zhǔn)方式?jīng)Q定的校準(zhǔn)誤差；由于電磁干擾、振動(dòng)、溫度和濕度變化等因素影響，使皮帶秤具有皮帶秤整體和環(huán)境條件共同決定的環(huán)境誤差。

（一）稱重力誤差﹠1

稱重誤差是皮帶秤的主要誤差源。結(jié)合皮帶秤的結(jié)構(gòu)、稱重原理和秤架的受力情況，相對(duì)誤差分析如下：

1.第一項(xiàng)誤差為常量，屬于系統(tǒng)恒定誤差（張力、托輥的 靜非準(zhǔn)直度基托輥間距），可通過校準(zhǔn)予以消除。

2.第二項(xiàng)誤差為秤臺(tái)系統(tǒng)各部分的撓度造成的稱重托輥垂直下沉量。其中迭加有稱重托輥的徑向跳動(dòng)和系統(tǒng)秤架機(jī)械構(gòu)件的變形因素。它具有隨機(jī)變化的不確定性，但總是與皮帶秤的瞬時(shí)載荷成正比。因此，該誤差是一種復(fù)雜規(guī)律的系統(tǒng)變差。即通過校準(zhǔn)不能消除。

3.第三項(xiàng)誤差是由皮帶張力的變量及環(huán)境因素有關(guān)，有較大的隨機(jī)性，可歸類于系統(tǒng)性隨時(shí)機(jī)誤差。

（二）皮帶測速誤差﹠2

測速探頭既可選擇直接安裝在電機(jī)輸出軸上，也可安裝在同步皮帶上。當(dāng)皮帶移動(dòng)同樣距離時(shí)，采用前者方式安裝的編碼器得到的脈沖數(shù)量是后者的幾十倍，相應(yīng)的分辨率能力大大提高，而且其抗干擾能力也相應(yīng)增強(qiáng)。因此測速穩(wěn)定性較好，我廠的徐州三原就是使用該測量方式。另一種測速方式是通過使用測速輪緊貼皮帶，通過計(jì)算圈數(shù)和測輪周長得出。

測速誤差主要受皮帶彎曲狀況的影響和粘結(jié)臟污的影響，如果皮帶秤工作環(huán)境條件較差，此項(xiàng)誤差不可忽視。

（三）數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理誤差﹠3

電子皮帶秤數(shù)據(jù)檢測和信號(hào)處理過程包括：重量模擬信號(hào)的采樣、模擬量與數(shù)字量的的轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)脈沖信號(hào)的采集、數(shù)據(jù)的運(yùn)算等。其中重量模擬信號(hào)的采樣包括信號(hào)放大過程。

在稱重誤差一定，稱重傳感器選用、放大器配置及連接和使用方法確定后，重量信號(hào)采樣的誤差主要由傳感器和放大器的精度來決定，同時(shí)受測控系統(tǒng)采樣頻率的影響。由于測控系統(tǒng)的主機(jī)、硬件及軟件設(shè)置等固有模式約束了采樣時(shí)間、采樣周期的選擇，因此，從使用角度來看，重量信號(hào)采樣誤差主要來自于傳感器和放大器的誤差。

另一個(gè)值得注意的是，在重量模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)對(duì)其誤差起決定性作用。因此在選擇A/D模塊時(shí)一定要注意轉(zhuǎn)換位數(shù)這一重要因素，同時(shí)數(shù)據(jù)運(yùn)算盡可能采用浮點(diǎn)運(yùn)算，以減小運(yùn)算誤差。

模擬量處理環(huán)節(jié)造成的非線性等綜合誤差，一般在0.05%以內(nèi)，A /D （16位）轉(zhuǎn)換精度在0.03%以內(nèi)，傳感器的綜合誤差為0.02%，數(shù)字信號(hào)的處理部分不存在非線性誤差。另外還有放大器的誤差，因此其綜合誤差一般在0.14%左右。

（四）校準(zhǔn)誤差﹠4

皮帶秤的準(zhǔn)確度在很大程度上依賴于頻繁的日常校準(zhǔn)，準(zhǔn)確度級(jí)別較高的皮帶秤尤其如此。但校準(zhǔn)并不能完全消除誤差，相反，校準(zhǔn)時(shí)還可帶來其它誤差。這一方面是由于校準(zhǔn)的方法問題，另一方面則歸根到底是由于皮帶秤校準(zhǔn)時(shí)的狀態(tài)與正常工作狀態(tài)的區(qū)別（如皮帶張力、皮帶轉(zhuǎn)圈數(shù)等這些差異引入了校準(zhǔn)誤差），即動(dòng)態(tài)誤差難以校準(zhǔn)。

皮帶秤校準(zhǔn)方法有：掛碼、鏈碼和實(shí)物校準(zhǔn)三種。掛碼校準(zhǔn)和鏈碼校準(zhǔn)是模擬實(shí)物校準(zhǔn)，但其并不能充分模擬皮帶秤實(shí)際工作狀態(tài)下的多種誤差源，尤其產(chǎn)生不了事物運(yùn)行中所產(chǎn)生的皮帶張力。因此就產(chǎn)生了校準(zhǔn)過程中無法消除的誤差。同時(shí)，掛碼校準(zhǔn)和鏈碼校準(zhǔn)用的標(biāo)準(zhǔn)只是依據(jù)理論計(jì)算出的值，而不是量值傳遞的計(jì)量值。

即使是實(shí)物校準(zhǔn)，由于不可能在任意多的量程點(diǎn)上進(jìn)行校準(zhǔn)試驗(yàn)，因此校準(zhǔn)誤差不可避免。只有當(dāng)皮帶秤的工作流量比較恒定，而且只在此流量下檢定時(shí)，校準(zhǔn)誤差才可以忽略。

皮帶自重不均勻性的影響。如果實(shí)物稱量時(shí)皮帶所轉(zhuǎn)過的圈數(shù)不是整圈數(shù)，就必定存在因自重的不均勻而引起的誤差。其絕對(duì)誤差以半圈數(shù)時(shí)為最大，圈數(shù)越多相對(duì)誤差就越小。國內(nèi)目前使用的皮帶并不是為皮帶秤特殊設(shè)計(jì)的，其自重的不均勻性一般不小于5%，因此，在檢定規(guī)程中吸取德國的經(jīng)驗(yàn)，規(guī)定按整圈數(shù)進(jìn)行實(shí)物檢測?？蓪⑷?shù)誤差控制在0.05%以內(nèi)。綜合起來，實(shí)物校準(zhǔn)誤差一般在0.1%以內(nèi)。

（五）環(huán)境誤差﹠5

環(huán)境因素有溫度、濕度、風(fēng)、振動(dòng)和電磁干擾。環(huán)境中振動(dòng)劇烈的設(shè)備傳導(dǎo)給皮帶輸送機(jī)的振動(dòng)，以及皮帶輸送機(jī)自身系統(tǒng)的振動(dòng)。其影響稱重準(zhǔn)確度的程度與秤架系統(tǒng)的固有頻率強(qiáng)烈相關(guān)。美國Thayer衡器公司做過一些分析試驗(yàn)表明，電阻應(yīng)變片式稱重傳感器在這方面受影響的程度較大。

電磁干擾可引起皮帶秤和電控系統(tǒng)的電場和磁場變化，在電路中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，影響有關(guān)器件的正常工作。電磁干擾除外部大功率設(shè)備的起停的影響外，還有來自皮帶秤測控系統(tǒng)自身的干擾，其中變頻器就是一個(gè)主要干擾源。

在其他影響因素中，強(qiáng)烈的震動(dòng)可傳遞給皮帶秤秤架系統(tǒng)，其中對(duì)電阻應(yīng)變片式傳感器的影響最大。溫度聚變會(huì)引起電路元件電動(dòng)勢和參數(shù)的變化，同時(shí)對(duì)皮帶的性能還有不利影響。

濕度的影響一般表現(xiàn)在皮帶受潮吸濕的最初階段，在此期間含水率的直線上升直至飽和，通過及時(shí)的零點(diǎn)校準(zhǔn)，其影響可作為皮帶自重的均勻變化并消除。粉塵殘料等也會(huì)附著在皮帶秤托輥、傳感器傳力拉桿及皮帶上而對(duì)稱重產(chǎn)生影響。粉塵殘料等可通過保養(yǎng)的方法清除，制絲工藝對(duì)環(huán)境溫度、濕度又有嚴(yán)格要求。當(dāng)計(jì)量精度要求不是很高時(shí)，環(huán)境因素不是皮帶秤的主要誤差來源，但是當(dāng)精度要求很高時(shí)并且物料的濕度、環(huán)境溫度變化劇列時(shí)，要將環(huán)境因此作為誤差來源主要因素之一。如若工況環(huán)境較好的情況下，環(huán)境綜合誤差一般小于0.05%。

綜上所述，稱重力誤差是皮帶秤諸多誤差中最重要，影響因素最多和最難分析的一項(xiàng)誤差。因此，我們要提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)計(jì)量精度并改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性，就首先要從此環(huán)節(jié)的誤差改善入手。

三、 提高電子皮帶秤可靠性和計(jì)量精度的方法

了解了電子皮帶秤的計(jì)量原理并對(duì)其誤差來源進(jìn)行了分析，在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，我們可以采取一定的方法和措施來提高皮帶秤的可靠性和計(jì)量精度。

（一）對(duì)稱重秤架的改進(jìn)

測量秤架性能是影響皮帶秤計(jì)量精度的關(guān)鍵因素。為了降低稱架對(duì)電子皮帶稱測量精度的影響，宜采用以下措施。

（1）調(diào)整計(jì)量托輥，使計(jì)量托輥的高度比前后皮帶支撐托輥高度略高。以減小稱重誤差。稱之為“力準(zhǔn)直性”方法。

（2）采取新型設(shè)計(jì)的連續(xù)式機(jī)械糾偏裝置限制皮帶的跑偏。

（3）防止秤架變形，一旦秤架變形，皮帶秤不可能進(jìn)行正確計(jì)量，要及時(shí)消除這種現(xiàn)象。

（二）對(duì)測速裝置的改進(jìn)

測速傳感器是影響皮帶秤運(yùn)行可靠性的關(guān)鍵因素。改進(jìn)方法如下：

（1）將測速發(fā)電機(jī)式傳感器更換為光電編碼傳感器。

（2）安裝時(shí)， 編碼器直接安裝在電機(jī)輸出軸上，編碼器得到的脈沖數(shù)將提高幾十倍，相應(yīng)的分辨率能力大大提高，而且其抗干擾能力也相應(yīng)增強(qiáng)。

（三）皮帶秤校準(zhǔn)

要從根本上消除校準(zhǔn)誤差需采用全量程動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)方法。在皮帶秤校驗(yàn)過程中必須注意以下幾點(diǎn)：

（1）必須保證皮帶整圈數(shù)時(shí)間的準(zhǔn)確性。并將這一參數(shù)重新輸入到儀表內(nèi)。這一參數(shù)對(duì)皮帶秤的零點(diǎn)影響很大，如果不準(zhǔn)確，皮帶秤在空轉(zhuǎn)時(shí)顯示的皮帶重量會(huì)出現(xiàn)反復(fù)變化，這就是平常所說的皮帶秤的“零點(diǎn)飄移”。

（2）校驗(yàn)皮帶秤的零位及量程時(shí)，使皮帶空轉(zhuǎn)15分鐘左右后，再校驗(yàn)較好。此時(shí)，皮帶的張力基本均勻，可以有效減少皮帶張力帶來的誤差。

（3）陰雨天由于環(huán)境潮濕，會(huì)引起皮帶自重增加，煙絲等物料也容易粘到皮帶上增加誤差。因此陰雨天不適合于皮帶秤校驗(yàn)。

（四）消除環(huán)境因素的影響

（1）減少皮帶支撐架的振動(dòng)。在現(xiàn)有的狀況下，對(duì)皮帶秤秤架周圍的支架用槽鋼加固，增加皮帶支架地腳的數(shù)量，達(dá)到減少振動(dòng)的目的。

（2）將稱重傳感器信號(hào)電纜更換為屏蔽電纜，并將屏蔽層單點(diǎn)接地；采取措施以提高積算顯示儀的抗電磁干擾能力。

（3）環(huán)境溫度的變化，采取相應(yīng)措施修正“溫飄”對(duì)稱重傳感器測量誤差的影響。

（4）做好就地端子箱的防塵和防潮措施，最好將端子箱更換為防塵防潮專用產(chǎn)品。

四、 結(jié)束語

影響電子皮帶秤計(jì)量準(zhǔn)確度的原因很多，但只要深入了解皮帶秤的工作原理，認(rèn)真對(duì)皮帶秤測量體系的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，明確各種影響電子皮帶秤的因素，就能找出合理的解決辦法，從而改善電子皮帶秤的計(jì)量準(zhǔn)確度和保證皮帶秤的穩(wěn)定運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1] 徐州三原電力測控有限公司.2000系列電子皮帶秤說明書[D].2005

[2] 郭春偉.配料系統(tǒng)電子皮帶秤計(jì)量誤差的分析及改造[J].有色礦冶， 2006

[3] 方原柏.電子皮帶秤的原理及應(yīng)用[M].中國計(jì)量出版社，1994（3）30

[4] 施漢謙，宋文敏.電子秤技術(shù).中國計(jì)量出版社，1991