电子皮带秤的误差分析

2016-05-30李晓力

今日财富 2016年3期

李晓力

摘要：本文介绍了电子皮带秤的工作原理，并针对引起电子皮带秤动态计量误差的原因从称重力误差、皮带测速误差、数据检测和信号处理误差、校准误差、环境影响误差等方面进行深入剖析，并提出了减小误差的方法。

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.

关键词：电子皮带秤；误差分析

Keywords electronic belt scale； error analysis

电子皮带秤作为一种准确、方便的动态质量计量设备在我厂有着十分广泛的应用。在AD厂输煤系统中共安装有十套不同类型及用途电子皮带秤，电子皮带秤作为电厂输煤系统重要的计量、控制设备，在接煤、上煤、煤数统计和节能降耗的各个环节分别起着流量计量、流量控制、精确掺兑配比，投入产出统计等起重要作用。本文主要针对我司AD厂输煤系统专用电子皮带秤的误差原因进行全面分析。

一、电子皮带秤的系统构成及工作原理

物料在皮带上运行至皮带秤位置时，对皮带秤称重托辊产生向下的作用力，通过称体，将作用力作用至称重传感器上，传感器内部弹性体上的电阻应变计电阻发生变化，通过测量电路将这一电阻变化转变为电压信号输出至称重显示器。

电阻应变力传感器的原理：被测负荷作用于弹性体上，使弹性体发生变形，引起电阻计电阻变化，通过测量电路将电阻变化转变为电信号输出。其测量电路全部采用惠斯登电桥接线方式。

惠斯登电桥原理图：图中的四个桥臂上的电阻可视为传感器的应变计电阻，U为激励电压（DC 10V），U0为传感器输出电压。当传感器的应变计电阻的阻值由于物料的重力作用发生变化时， U0会发生变化，同时U0与应变计电阻的变化呈线性关系。

二、电子皮带秤的误差来源分析

由电子皮带秤的组成结构、称重原理和秤架受力情况的分析可知，其计量准确度是由称重传感器与测速传感器所检测到的为长度上的物料的重量以及皮带运行速度决定的。在实际称量过程中，由于计量托辊的非准直度、皮带张力及皮带运行阻力等被称为“皮带效应”的因素影响，使皮带秤具有由其组成、结构、工作方式决定的称重误差；由于传感器本身精度、通道设置及工作方法的影响，是皮带秤具有主要测量控制系统硬件配置、软件设置及工作模式决定的数据检测和处理误差；由于校准方法与实际工作状况的差别影响，使皮带秤具有校准方式决定的校准误差；由于电磁干扰、振动、温度和湿度变化等因素影响，使皮带秤具有皮带秤整体和环境条件共同决定的环境误差。

（一）称重力误差﹠1

称重误差是皮带秤的主要误差源。结合皮带秤的结构、称重原理和秤架的受力情况，相对误差分析如下：

1.第一项误差为常量，属于系统恒定误差（张力、托辊的静非准直度基托辊间距），可通过校准予以消除。

2.第二项误差为秤台系统各部分的挠度造成的称重托辊垂直下沉量。其中迭加有称重托辊的径向跳动和系统秤架机械构件的变形因素。它具有随机变化的不确定性，但总是与皮带秤的瞬时载荷成正比。因此，该误差是一种复杂规律的系统变差。即通过校准不能消除。

3.第三项误差是由皮带张力的变量及环境因素有关，有较大的随机性，可归类于系统性随时机误差。

（二）皮带测速误差﹠2

测速探头既可选择直接安装在电机输出轴上，也可安装在同步皮带上。當皮带移动同样距离时，采用前者方式安装的编码器得到的脉冲数量是后者的几十倍，相应的分辨率能力大大提高，而且其抗干扰能力也相应增强。因此测速稳定性较好，我厂的徐州三原就是使用该测量方式。另一种测速方式是通过使用测速轮紧贴皮带，通过计算圈数和测轮周长得出。

测速误差主要受皮带弯曲状况的影响和粘结脏污的影响，如果皮带秤工作环境条件较差，此项误差不可忽视。

（三）数据采集和信号处理误差﹠3

电子皮带秤数据检测和信号处理过程包括：重量模拟信号的采样、模拟量与数字量的的转换、数据脉冲信号的采集、数据的运算等。其中重量模拟信号的采样包括信号放大过程。

在称重误差一定，称重传感器选用、放大器配置及连接和使用方法确定后，重量信号采样的误差主要由传感器和放大器的精度来决定，同时受测控系统采样频率的影响。由于测控系统的主机、硬件及软件设置等固有模式约束了采样时间、采样周期的选择，因此，从使用角度来看，重量信号采样误差主要来自于传感器和放大器的误差。

另一个值得注意的是，在重量模拟信号转换为数字信号时，A/D转换器位数对其误差起决定性作用。因此在选择A/D模块时一定要注意转换位数这一重要因素，同时数据运算尽可能采用浮点运算，以减小运算误差。

模拟量处理环节造成的非线性等综合误差，一般在0.05%以内，A /D （16位）转换精度在0.03%以内，传感器的综合误差为0.02%，数字信号的处理部分不存在非线性误差。另外还有放大器的误差，因此其综合误差一般在0.14%左右。

（四）校准误差﹠4

皮带秤的准确度在很大程度上依赖于频繁的日常校准，准确度级别较高的皮带秤尤其如此。但校准并不能完全消除误差，相反，校准时还可带来其它误差。这一方面是由于校准的方法问题，另一方面则归根到底是由于皮带秤校准时的状态与正常工作状态的区别（如皮带张力、皮带转圈数等这些差异引入了校准误差），即动态误差难以校准。

皮带秤校准方法有：挂码、链码和实物校准三种。挂码校准和链码校准是模拟实物校准，但其并不能充分模拟皮带秤实际工作状态下的多种误差源，尤其产生不了事物运行中所产生的皮带张力。因此就产生了校准过程中无法消除的误差。同时，挂码校准和链码校准用的标准只是依据理论计算出的值，而不是量值传递的计量值。

即使是实物校准，由于不可能在任意多的量程点上进行校准试验，因此校准误差不可避免。只有当皮带秤的工作流量比较恒定，而且只在此流量下检定时，校准误差才可以忽略。

皮带自重不均匀性的影响。如果实物称量时皮带所转过的圈数不是整圈数，就必定存在因自重的不均匀而引起的误差。其绝对误差以半圈数时为最大，圈数越多相对误差就越小。国内目前使用的皮带并不是为皮带秤特殊设计的，其自重的不均匀性一般不小于5%，因此，在检定规程中吸取德国的经验，规定按整圈数进行实物检测。可将圈数误差控制在0.05%以内。综合起来，实物校准误差一般在0.1%以内。

（五）环境误差﹠5

环境因素有温度、湿度、风、振动和电磁干扰。环境中振动剧烈的设备传导给皮带输送机的振动，以及皮带输送机自身系统的振动。其影响称重准确度的程度与秤架系统的固有频率强烈相关。美国Thayer衡器公司做过一些分析试验表明，电阻应变片式称重传感器在这方面受影响的程度较大。

电磁干扰可引起皮带秤和电控系统的电场和磁场变化，在电路中产生感应电动势，影响有关器件的正常工作。电磁干扰除外部大功率设备的起停的影响外，还有来自皮带秤测控系统自身的干扰，其中变频器就是一个主要干扰源。

在其他影响因素中，强烈的震动可传递给皮带秤秤架系统，其中对电阻应变片式传感器的影响最大。温度聚变会引起电路元件电动势和参数的变化，同时对皮带的性能还有不利影响。

湿度的影响一般表现在皮带受潮吸湿的最初阶段，在此期间含水率的直线上升直至饱和，通过及时的零点校准，其影响可作为皮带自重的均匀变化并消除。粉尘残料等也会附着在皮带秤托辊、传感器传力拉杆及皮带上而对称重产生影响。粉尘残料等可通过保养的方法清除，制丝工艺对环境温度、湿度又有严格要求。当计量精度要求不是很高时，环境因素不是皮带秤的主要误差来源，但是当精度要求很高时并且物料的湿度、环境温度变化剧列时，要将环境因此作为误差来源主要因素之一。如若工况环境较好的情况下，环境综合误差一般小于0.05%。

综上所述，称重力误差是皮带秤诸多误差中最重要，影响因素最多和最难分析的一项误差。因此，我们要提高系统动态计量精度并改善系统的稳定性，就首先要从此环节的误差改善入手。

三、提高电子皮带秤可靠性和计量精度的方法

了解了电子皮带秤的计量原理并对其误差来源进行了分析，在现有的技术条件下，我们可以采取一定的方法和措施来提高皮带秤的可靠性和计量精度。

（一）对称重秤架的改进

测量秤架性能是影响皮带秤计量精度的关键因素。为了降低称架对电子皮带称测量精度的影响，宜采用以下措施。

（1）调整计量托辊，使计量托辊的高度比前后皮带支撑托辊高度略高。以减小称重误差。称之为“力准直性”方法。

（2）采取新型设计的连续式机械纠偏装置限制皮带的跑偏。

（3）防止秤架变形，一旦秤架变形，皮带秤不可能进行正确计量，要及时消除这种现象。

（二）对测速装置的改进

测速传感器是影响皮带秤运行可靠性的关键因素。改进方法如下：

（1）将测速发电机式传感器更换为光电编码传感器。

（2）安装时，编码器直接安装在电机输出轴上，编码器得到的脉冲数将提高几十倍，相应的分辨率能力大大提高，而且其抗干扰能力也相应增强。