电子皮带秤和核子皮带秤的综合比较

电子皮带秤和核子皮带秤的综合比较河北钢铁集团承钢自动化分公司刘卫军金树成摘要：电子皮带秤和核子皮带秤是当前对皮带输送机物料进行动态称量累计的两大主流计量设备，针对两者在孰优孰劣的问题上存在的争议、在实际使用中存在的问题和不足，本文从测量原理、误差来源和克服、安装调试、维护校准、安全费用等多角度、多方面对这两种计量设备进行了分析比较，可以为皮带秤的选择使用和安装维护提供必要的参考。关键词：电子皮带秤核子皮带秤测量原理质量吸收系数误差分析安装调试维护校准一、前言电子皮带秤和核子皮带秤是当前对皮带输送机物料进行动态计量累计的两大主流计量设备。在国内，电子皮带秤的应用从20世纪60年代开始，其后经历了设计结构和技术水平不断优化更新的发展过程。而核子皮带秤的应用是从80年代开始，虽然在应用时间上落后了大约20年，但一度有后来居上的趋势，在一些单位曾被大量地、广泛地应用。在我们单位，就有核子皮带秤近200台（包括配料核子秤），电子皮带秤十余台的比例。随着人们成本核算的意识不断增强、要求不断提高，逐渐暴露出了准确性不足的问题。如今，核子皮带秤和电子皮带秤之争仍然没有停止，这一方面有厂家夸大宣传的原因；另一方面也有用户在认识上的问题、使用方法上的不当，而且在选择皮带秤上，一些用户不经客观分析，全凭主观意愿。本文将从多角度、多方面对这两种计量设备进行全面的比较分析，为皮带秤的选择、安装、使用和维护提供有益的指导。二、测量原理无论是电子皮带秤，还是核子皮带秤，首先都基于一个共同的原理：通过动态检测皮带单位长度上的物料重量（单位荷重）q和皮带速度v，将两个信号相乘得到瞬时流量Q，再经积分运算或累加运算得到一段时间内输送物料的累计流量W。用公式可表示为：Q＝q×v，W＝∫Qdt＝∫qvdt式中：Q—瞬时流量（kg/s）；q—单位荷重（kg/m）；v—皮带速度（m/s）；W—累计流量（kg）。两类计量装置检测皮带速度的方法都基本相同，现在广泛采用光电脉冲式的测速传感器，如光电脉冲编码器，也有采用步进电机的。这两种皮带秤的本质区别在于对单位荷重信号的测量和计算方法不同：电子皮带秤是通过称量设定皮带长度上的物料重量并求其比值来确定单位荷重信号，习惯上把设定皮带长度称为有效称量段；而核子皮带秤是通过物料对射线的衰减吸收量来确定单位荷重信号。具体测量原理如下：1.电子皮带秤单位荷重的测量原理目前应用的电子皮带秤主要以杠杆式和悬浮式秤架结构为主。杠杆式又分单杠杆式和双杠杆式，且后者明显优于前者。悬浮式秤架结构有单托辊直接承重式和多托辊全悬浮式，前者结构简单，安装方便，广泛用于计量准确度要求不高的场合，而后者可以达到较高的准确度。下面以双杠杆和多托辊全悬浮式为例介绍电子皮带秤单位荷重的测量原理，掌握了原理才能解决在实际应用中出现的问题。图1四托辊全悬浮式电子皮带秤称量示意图图1是某公司的4托辊全悬浮式电子皮带秤称量示意图。它采用双侧共4支传感器并联，直接称量秤的有效称量段内物料的重量P（单位kg），再除以有效称量段长度L（单位m）计算得到单位荷重q，即q＝P/L。显然q是秤的有效称量段内的物料被均匀化后的平均值，对于连续运行的皮带，这种均匀化也是连续进行的。图2四托辊双杠杆电子皮带秤称量示意图图2是另一公司的4托辊双杠杆电子皮带秤称量示意图，它采用双侧共2支传感器并联，直接测量秤的有效称量段L内物料的单位荷重q。先假设秤上物料的单位荷重为q，根据杠杆平衡原理，对单侧传感器进行受力分析F1×2l＝1/2ql×1/2l+1/2ql×3/2ql可得F1＝1/2ql因为F1＝F2，所以单侧传感器受力为F＝ql，如果托辊间距l＝1m，则F=q。所以单侧传感器受力大小在数值上等于秤上有效称量段内物料的单位荷重。在实际应用中，采用双侧2支传感器并联的平均值作为单位荷重。实际上这里的单位荷重也是秤的有效称量段内的物料被均匀化后的平均值，同样可表示为q＝P/L，这是电子皮带秤单位荷重的通用求法，而且专指秤的有效称量段内单位长度上物料的平均重量。所以电子皮带秤的瞬时流量Q＝qv＝P/（L/v）也不是指流过皮带上某一截面处的流量，可以理解为秤上有效称量段内的物料被完全输出的平均流量。在上面的传感器受力分析中，没有考虑皮带自重、张力、称量框架的自重引入的非计量力的影响，这些力在理想模型中属于定值，归属于秤的零点。2.核子皮带秤单位荷重的测量原理图3核子皮带秤组成结构示意图图3是核子皮带秤的示意图，它是基于γ射线穿过被测物质时，其强度的衰减与被测介质的组分、密度及射线方向上的厚度成指数函数关系这一原理来测量单位荷重的。其函数关系可表达为I＝I0e-μρd式中：I0—穿过物料前的射线强度，也称发射强度或真空强度；I—穿透物料衰减后的射线强度；μ—物料对γ射线的质量吸收系数（cm2/g）；ρ—物料密度（g/cm3）；d—射线方向上的物料厚度（cm）。根据ρds＝q，可得I＝I0e-μq/s式中：s—皮带上的物料宽度（cm）；q—皮带单位长度上的物料重量（单位荷重g/cm）。γ射线探测器（电离室）输出和接收到的射线强度成正比的电流信号，经前置放大器放大为电压信号，电压信号经压频转换变换成频率信号f远传给二次仪表。以上转换关系均为线性，所以有f＝f0e-μq/s。而二次仪表大多采用计数法进行频率测量，计数值N正比于频率f，故有N＝N0e-μq/s，于是可得：q＝－s/μlnN/N0＝s/μ（lnN0－lnN）上式中：f0、N0—皮带空载状态下的频率值、计数值；F、N—皮带上有物料时的频率值、计数值。对某种固定的物料而言，质量吸收系数μ是定值，N0可以由皮带空载调零得出，但是皮带上的物料宽度并不是规则恒定的，如果令s等于某一恒定值，必然使q产生误差。在实际应用中令K＝s/μ，称为吸收参数。K值通过实物标定确定，以后当定值处理，直到再次标定。三、误差分析在国家计量检定规程JJG195－2002连续累计自动衡器（电子皮带秤）检定规程中把电子皮带秤的准确度等级分为0.5、1.0、2.0三个等级，在被取代的JJG650－1990规程中甚至还有0.25级，而在JJG811－1993核子皮带秤检定规程中把核子皮带秤的准确度等级分为1.0、2.0两个等级。可以说在国家计量法规和国家皮带秤技术上确定了核子皮带秤达不到高精度电子皮带秤的准确度水平，任何从准确度水平上夸大核子皮带秤的说法首先是靠不住的。而且国家检定规程的制定也是以国内外皮带秤技术状况和应用实践为依据的，国内曾举行过一次由官方机构组织主持的电子皮带秤和核子皮带秤的考核鉴定：在同一条皮带上同时安装2台电子皮带秤和1台核子皮带秤进行准确性比较，结果2台电子皮带秤均能达到0.5级的准确度，而核子皮带秤达不到1.0级的准确度。从测量原理进行误差分析，由于所有的皮带秤的测速方法基本相同，技术成熟，所以在速度测量方面的误差差异不大，电子皮带秤和核子皮带秤的误差差别主要在于单位荷重的测量方法不同。1.电子皮带秤单位荷重的测量误差分析电子皮带秤的单位荷重或物料重量要通过皮带、承重托辊、杠杆和连接机构等一系列机械装置传递给称重传感器，中间任何一个环节不当，都会引入测量误差。①皮带张力的变化引入测量误差。物料的重量通过皮带作用向下一级传递，如果皮带张力不稳定必然引起测量误差。造成皮带张力变化的因素有：物料量的变化、皮带跑偏、皮带刚性硬度的变化、称重托辊安装不规范等。皮带的刚性和硬度会随着使用自然降低，会随气候的变化而变化。②皮带和秤架自重的变化引入测量误差。皮带的自然磨损和秤架积灰、积料也会影响传感器的受力，引起测量误差。③秤的整个机械系统内部的应力变化会引入测量误差。秤架和传感器连接机构如果安装不当，会存在内应力，如果天气气候如冷热、干湿变化明显，会引起内应力的变化，必然带来测量误差。④皮带运行中对托辊的摩擦力会造成测量误差。皮带运行中和称重托辊之间存在滚动摩擦，摩擦力的大小随皮带负荷大小变化，摩擦力会对称量杠杆系统产生非计量力矩，从而引起称量误差。双杠杆系统由于对称性可以有效抵消摩擦力矩，全悬浮系统中，摩擦力的方向与称重传感器的受力方向垂直，基本不引入影响。⑤称量框架因传感器和吊挂系统受载后产生微动下移引入测量误差。电子皮带秤属于悬索类称量系统，物料重量经皮带传递给受力系统，由于称量框架在加载后的微动下移，必然使传感器受力减小，从而产生测量误差。⑥气候、风力也会引入测量误差。上面已经说了气候变化会影响皮带刚性硬度和机械系统的内应力产生测量误差，另外风力作用于皮带两面还会产生较大的测量误差。一级风力（速度1m/s~2m/s）会在1m2的垂直面积上产生1kg~2kg的力，多托辊电子皮带秤的有效称量段的面积一般在4m2~5m2，同时由于风向的关系，一般情况下会在流量1000t/h，皮带速度2m/s的电子皮带秤上产生1%以上的误差。⑦如果在安装中未经偏载调试，在工作中皮带跑偏会产生测量误差；安装中托辊未校准，如不等高、不等距的问题会引起运行中力的传递函数发生变化，也会产生测量误差。2.核子皮带秤单位荷重的测量误差分析核子皮带秤是利用γ射线穿透物料的衰减程度来测量单位荷重的，γ射线由射源发出后，经物料、皮带和电离室保护外罩衰减后被电离室接受，传递过程中影响射线衰减的因素会带来测量误差。①皮带厚度的自然磨损，电离室表面积灰尘，可以被认为是射线的穿透厚度发生了变化，对测量结果有影响。但由于这两者变化缓慢，影响结果相反而且同时作用，所以总的影响轻微。②如皮带跑偏使皮带甚至物料跑到射线覆盖区域之外，会产生较大甚至严重的测量误差。③物料品种、成份、水份的变化，会引起质量吸收系数的变化，会产生测量误差。颗粒度增大会引起射线的多次折射，会使测量结果降低。④射线在皮带平面的扇面宽度总是要大于物料的宽度，物料的截面形状是不规则的，电离室接收到的射线强度是一部分经物料不规则衰减和一部分未经衰减的平均强度，改变了核子皮带秤的理论函数模型，而且由于在实际应用中的物料宽度和截面形状的不确定，所以核子皮带秤在工作中的实际函数模型也不确定，必然存在着难以定量确定的误差。⑤在核子皮带秤的函数模型中实际还有一个变量：物料宽度S，在实际应用中以实物校准时的物料宽度按固定值处理，在工作中物料宽度的变化必然会带来测量误差。另外，从测量原理角度还可以发现，核子皮带秤和电子皮带秤对单位荷重的测量范围也有所不同：对电子皮带秤来说，单位荷重越大，传感器受力越大，输出信号越大，这有利于克服干扰，达到较高的准确度；而对核子皮带秤来说，由于射源强度的限制，单位荷重越大，射线强度衰减越大，探测器接收到的信号越弱，输出信号越小，准确度必然越低。但是如果单位荷重太小，会使信号变化很小，也会影响测量准确度，一般应工作在昀大流量的20%以上。四、误差克服以上对电子皮带秤和核子皮带秤的主要误差来源进行了分析，针对这些误差来源，应该进一步分析有无有效的克服措施，使测量能达到较高的准确度。1.电子皮带秤单位荷重的测量误差克服①首先要选择皮带张力变化小的地方安装电子皮带秤。越靠近皮带的驱动端，皮带的张力越大，变化也越大，是不适合安装电子皮带秤的；而在皮带的从动端，张力小，变化也小，比较稳定，所以适合在靠近皮带从动端的位置安装电子皮带秤。皮带在安装时都进行了防跑偏调整，并在运行中采取抗跑偏措施，皮带秤在安装时进行抗跑偏调校。皮带的刚性、硬度变化与气候及磨损有关，要按时进行调零，可以克服。②皮带的自然磨损造成的自重变化可以靠按时调零进行克服，秤架积灰、积料可以靠加强维护进行克服。③可以采用定修和按时调零克服气候因素变化造成的影响，通过正确安装减小内应力。④摩擦力矩可以靠减小摩擦、精密安装、严格对称进行克服。⑤称量框架的微动下移造成的测量误差不可避免，但按托辊间距1m、皮带垂度2cm、秤架微动下移1mm计算，在4托辊电子皮带秤中这项误差不足0.1％，实际上这已经是昀大值。⑥避风安装、采取防风措施。⑦严格调试，偏载调校，精密安装，定时校正。上述措施，对电子皮带秤的测量误差既能有效克服，但又不能完全消除，因为客观因素的错综复杂、相互交织和措施