散状物料计量与阵列式皮带秤

       散状物料计量与阵列式皮带秤

现代物流中，散状物料（煤炭、矿石等）的准确计量一直是个困扰供需双方的世界性难题。因为这类物资的转移大多采用皮带输送机。同样在电力、冶金等工厂中各种原燃料（煤、矿石等）的转运、入炉也存在着准确计量的问题。在这些场合最方便、最实用的计量器具当属“皮带秤”，它可以实现在物料输送的过程中同步地进行计量。

但由于“皮带秤”属于自动衡器，存在计量精度低的问题。在现行的国家标准中皮带秤的准确度等级为0.5级。与贸易计量通常采用的非自动衡器相比大的差距。更为关键的是由于称重原理及使用中存在的问题，使得皮带秤的准确度难以长期稳定的保持（实际使用中的误差高达1～5%。）所以国际、国内贸易中船运散状货物的计量通常采用“水尺计重”法。

    “水尺计重”是一种原始的计量方法。是根据“阿基米德定律”的原理，通过在装（卸）船前和装（卸）船后分别测定前后两次船舶的吃水线，并测定前后两次的船用淡水、压舱水及燃油的贮存量或消耗量，同时前后两次测定船边港水密度，然后按照船方提供的排水量表或载重量表以及有关的静水力曲线图表、水油舱计量表和校正表等船用图表计算出船舶载运货物的重量。

    影响水尺计重精度的客观因素很多：如船舶拱陷变形、定量备料更动、港水风浪等等，要求船舶的艏舯艉水尺标记和载重线标记的字迹必须清晰、刻度正确无误；具备船舶正确而有效的图表，包括：排水量表或载重量表，静水力曲线图或可供排水量纵倾校正的图表，水油舱计量表及纵倾校正表，船型图或可供船艏艉水尺纵倾校正的有关图表。

最为重要的是，水尺计重是凭借肉眼观察确定的。简单的目测只有在风平浪静，水平面与水尺标志的交线是固定时，数据才是准确的；而当有风浪尤其是较大风浪时由于波面起伏不平，波面与水尺标志的交线就成了瞬息万变的曲线。此时观察者只能凭经验判断船舶吃水值，测得的重量难免带有主观臆断性（这其中还不包括与“腐败行为”挂上钩的主观故意），有失客观、公允。

根据国际惯例水尺计重的误差为±0.5%，但是实际的准确度误差是远远大于0.5%的。

故而由此带来的误差也是惊人的。以一艘5万吨的货轮计算：吃水误差1cm，货物误差就高达200t以上。如此大的计量误差，势必成为贸易争端最常见的起因；同时也会严重影响企业原、燃料的消耗指标，给国家和企业带来巨大的经济损失。按这个误差推算：沿海（江）的火力发电厂一台300Mw的发电机组，水尺读数误差每cm ，全年将产生3500t误差 、折合人民币约300万元。

皮带秤为什么存在计量精度低、稳定性差的弊病，导致其无法应用于大宗散状物料的计量呢？这是由皮带秤的固有缺陷造成的。

传统皮带秤的误差分析

下式是皮带秤的误差公式：

                       E相＝±2KdFp/nqa2

   式中：  E相—相对误差  K—皮带效应系数  Fp—皮带张力 

  d—称重辊垂  n—称重辊组数  q—每米料重   a—托辊间距

皮带秤的误差来源有三：首先是皮带张力

    下图为一个简化的皮带秤原理图：

                    固定辊      传感器     称重辊         固定辊

                              （图一）

其受力分析如图二：

                               （图二）

图中：  FP 是皮带张力；FW 是物料重量（需测量的力）；

FC 为称重传感器受的力；α是皮带张力FP与水平方向形成的夹角

根据受力分析可得到如下结论：FC ＝ FW + 2FP * sinα

而皮带张力是皮带输送的一个基本属性，它会随温度、湿度以及带速、物料的密重、流量、粒度的变化而变化。

皮带秤产生误差的来源之二：皮带效应

皮带效应是指皮带的硬度、弹性等物理特性及截面形状对称重产生的效应。皮带效应作用在秤架上，对皮带秤的受力及力传递产生极大的影响。皮带效应取决于皮带状态及所处环境。皮带状态随时间、温度、张力、流量及皮带材质、软硬度、截面形状而变化，对称量结果影响很大，是皮带秤长期稳定性差的影响因素。

皮带秤产生误差的来源之三：温度变化对传感器的影响

    我国大部分地域处于温带。四季分明、昼夜温差大，最高可达1~200c、季节温差变化最大达30～400c，。温度变化对称重传感器的灵敏度影响，导致称重结果不能保持原有的精度、即长期稳定性不好。

    三大影响因素导致皮带秤的精度低、长期稳定性差，成为制约皮带秤成为贸易级计量的工具。

南京三埃有限公司（链接网址）通过多年的研究及大量试验开发研制出一种新的高准确度皮带秤——阵列式皮带秤。

阵列式皮带秤的定义：以一只称重传感器为支承，采用特殊的结构安装两组托辊，组成一个独立的称重单元—单点悬浮式称重单元；将N个称重单元连续安装，组成一个称重阵列。

阵列式皮带秤以一种新的皮带秤误差理论为基础，由N个称重单元组成一个阵列称量系统，极大地降低了皮带张力带来的影响。使得皮带秤的准确度和长期稳定性得以大大提高，可长期保持优于0.%的称量误差。

（链接：阵列式皮带秤产品指南）

阵列式皮带秤的技术突破

一、理论上的突破

一、理论上的突破

阵列式皮带秤基于一个新的皮带称重误差理论——“内力”理论。即：在一个称重阵列里，皮带张力转变成为系统内力，张力的变化在系统内此消彼长、相互抵消，对系统的影响为零。

二、结构上的改革

单点悬浮式称重单元，结构采用直联式连接。摒弃传统的杠杆系统，消除了机械变形引入的误差，保持了称重系统的长期稳定性。

三、技术上的创造

阵列式皮带秤在信号处理系统有着独特创新点：

1、张力二次补偿。

在“内力”理论的支持下，阵列内部的张力变化对称重几无影响，但进出口单元仍会受影响。信号处理系统通过对相同载荷在不同称重单元产生的信号差异对首尾单元进行修正，进一步提高了阵列式皮带秤的准确度。

2、对称重传感器进行温度补偿

温度对衡器准确度与耐久性的影响往往不被用户重视，但实际使用时温度变化所造成的影响还是不容忽视的。特别是传感器灵敏系数的温度系数，对皮带秤的耐久性指标尤为关键。由于皮带秤使用现场的温度季节变化有30～400c，由温度变化引入的误差是造成多数电子衡器耐久性指标差的重要因素之一。

阵列式皮带秤使用的每一只传感器都经过48小时的带载温度检测，测得的温度曲线供现场温度补偿使用。

四、完善的修正补偿软件

包括：张力补偿软件、拉格朗日线性修正软件、皮带效应跟踪软件、温度补偿软件、运行状态跟踪补偿软件等。

五、应用功能

包括： 智能自动除皮功能；故障早期诊断功能；状态、操作记录、查询功能；遥测、遥讯、遥控功能等。

六、基于物联网技术的《阵列式皮带秤远程系统（ZLNET）》

南京三埃将物联网技术应用于皮带秤上，于2012年正式推出应用于阵列式皮带秤的《皮带秤远程系统》 。

《皮带秤远程系统》依托无线网络，通过GPRS将用户设备与公司网络服务器握手连接。用户皮带秤的各种信息与系统的各项指令实时交换，实现了遥测、遥讯、遥控。

阵列式皮带秤的特点 

一、长期保持准确度误差≤0.2% ；

二、现场免维护，无需专业维护人员；

三、可采用挂码标定，与实物检定误差≤0.5%；

阵列式皮带秤与皮带秤的耐久性能试验

皮带秤的耐久性能是关系皮带秤长期稳定性的关键指标，这一点已经为国际、国内业界所重视。国际法制计量组织(OIML)质量技术委员会/自动衡器分技术委员会（TC9/SC2）于2009年2月4、5日在伦敦举行会议,讨论“关于连续累计自动衡器引进耐久度测试”的提议，拟在改版的国际建议（OIML R50）中增加皮带秤耐久性指标及耐久性测试项目。

阵列式皮带秤研发之初即在南京三埃投巨资建设的《QPS皮带秤全性能实验室》进行过各种耐久性能试验，包括：皮带张力变化影响的模拟试验、水平力影响的模拟试验、振动及速度变化影响的模拟试验、皮带速度变化试验、流量变化试验等。（链接：阵列式皮带秤的耐久性试验）

试验采用提高严酷度的方法、用严酷度来替代时间长度，客观的测试出皮带秤的耐久性能。2011年4月OIML SC2/TC9在伦敦召开的R50－1：2009 /3cd讨论会上，南京三埃向国际同行作了介绍，获得了充分肯定。