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传感器在电子皮带秤中的应用

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0  引言

皮带输送机广泛地应用于矿山、冶金、码头和化工等行业, 对于散状的固态原料( 如矿石、水泥、煤粉) 进行自动输送, 特别适合于高温、高空和有害环境下作业。 例如, 水泥厂粉磨车间的熟料配料系统就是依靠调节皮带输送机的速度来控制水泥磨的进料量, 完成对各种熟料的配比。

1  电子皮带秤的工作原理

电子皮带秤是一种用于测量和控制皮带输送机的速度和物料流量的实时控制器, 其工艺过程如图 1所示
皮带秤称重传感器

电子皮带秤定量给料的原理是, 物料通过皮带秤秤台时, 称量传感器将重量信号转换为电信号并传送给称重显示控制仪。 称重显示控制仪不断检测秤架上物料的流量并与仪表内的设定值进行比较, 得到实际流量与设定值之间的偏差值经过仪表内软件一系列复杂的运算后, 称重显示控制仪输出 P I D电流信号到调速执行设备 ( 如变频器) 调节皮带或给料设备的速度, 改变下料或出料量的大小使之与设定值趋于一致, 从而实现定量给料的目的。

电子皮带秤计量物料流量的信息传输过程为: 皮带上运动物料的重量由称量传感器测量, 并输出对应的电信号; 皮带运行速度由速度传感器测量, 并输出对应的电信号; 称重显示控制采集上述两种信息, 运算并输出对应的电信号。

常见的运算方法有积分法和累加法。 所谓积分法简单的讲就是某个瞬时测得的皮带单位长度上的物料质量P ( t ) 与此时测得的皮带速度值 v ( t ) 的乘积在时间长度 T上的积分。 累加法是指当皮带输送机运行时, 每隔一段固定长度就对物料质量测量一次。

从称量原理可知, 电子皮带秤所测量物料的瞬时流量的数据采集主要采用两种传感器: 即称量传感器与测速传感器。 称量传感器是测量承载器上物料的负荷值 P ( t ) /( k g /m ) , 测速传感器是测量皮带速度值 v ( t ) /( m/s )

2  称量传感器

皮带上的物料 ( 包括皮带重量) 是通过称量托辊传递给秤架, 再将力传递给称量传感器的。 称量传感器的结构形式有电阻应变式 、压磁式、差动变压器式、电容式、压电式等。 电阻应变式称量传感器因制作简单、工艺成熟、精确度高( 最高精确度目前可做到非线性、重复性、滞后指标优于 0. 01%) , 一直占据 90%以上的称量传感器市场份额, 国内市场几乎是电阻应变式称量传感器的一统天下。电阻应变式传感器的原理是用应变片直接测量弹性元件的应变, 实现间接测量压力。 这种方法弹性元件变形极小, 可以测量高频率变化的压力。

应变式传感器的应变元件实际是一个测力应变筒, 被测压力经膜片转换成相应大小的力, 再传给应变筒。 应变筒受压缩变形, 沿轴向贴的应变片受压阻值变小, 沿周向贴的应变片受拉阻值增大, 组成应变电桥即可得到输出电压值, 从而测出压力值的大小。 应变式传感器的结构如图2所示。
皮带秤称重传感器

称量传感器测量原理采用全桥电路( 3) , 其中输出电压 US C = U× ΔR1/R1。全桥电路中的 R1R2R3R 4阻值均相等。 ΔR1为应变片测力时变化的阻值, 它反映了所测压力的大小与输出电压 U s c 的关系( 成正比 ) 设计中使用全桥电路的目的在于: R 1 =R 2 =R 3 =R 4, 电桥电压灵敏度最高, 并消除了非线性误差, 也起到了补偿作用。
皮带秤称重传感器

3  测速传感器

电子皮带秤上所用测速传感器目前主要有磁阻脉冲式、光电脉冲式两类, 模拟式测速发电机式测速传感器早已不再使用, 取而代之的是上述两种输出脉冲信号的数字式测速传感器。

a )磁阻脉冲式测速传感器: 磁阻脉冲式测速传感器中, 线圈和磁铁部分都是静止的, 与被测件连接, 而运动的部分是用导磁材料制成的, 当转动件转动时, 改变了磁路的磁阻, 因而改变了贯通线圈的磁通, 在线圈中产生了感生电势。 磁阻脉冲式测速传感器从结构上看有开磁路和闭磁路两种。 在一个 П型永久磁铁上装有两个相互串联的感应线圈, 滚轮与皮带直接摩擦旋转并带动等分齿轮旋转。 当等分齿轮的凸起部分与磁极相对时, 回路磁通最大, 当等分齿轮的凹陷部分与磁极相对时, 回路磁通最小,感应线圈上便感应随磁通变化的感应电压。 感应电压变化的频率 f 与皮带速度 v 成正比。 这种测速传感器结构简单, 但输出信号幅度小。 当皮带运行时, 通过摩擦使滚轮旋转, 并带动转子磁杯转动, 转子磁杯及定子磁杯相对安装, 其圆周端面上都均匀地铣出多个齿槽。 当两个磁杯的凸齿相对时, 磁通最大, 当两个磁杯的凸凹齿相对时, 磁通最小, 从而在线圈中感应出随磁通而变化的感应电压。

磁阻测速传感器结构较复杂, 但密封性能好, 输出信号幅值大。 磁阻脉冲式测速传感器用于高转速测量时, 因磁路磁滞影响, 使线圈中感应电压太小而不易测量。
皮带秤称重传感器

b )光电脉冲式测速传感器: 光电脉冲式测速传感器( 如图 4) 由装在输入轴 4上的开孔圆盘 3、光源 5、光敏元件 1以及缝隙板 2等组成, 输入轴与被测轴相连接。 当圆盘转到某一位置时, 由光源发射的光通过开孔圆盘上的孔照射到光敏元件上, 使光敏元件感光, 产生一个电信号。开孔盘上开有一定数量的小孔, 当开孔盘转动一周, 光敏元件感光的次数与盘的开孔数相等, 因此产生相应数量的电脉冲信号。 圆盘上的孔可以是 1个或多个, 取决于设备要求的脉冲数。

4  常见问题的处理方法

a )电子皮带秤开启正常, 电脑显示停止, 无流量。 应重点检查速度传感器及其线路, 在不确定之前, 可以将速度信号的给定方式由实测改为内给, 若正常则说明速度信号异常, 检查或更换速度传感器。

b )电子皮带秤的零点值过高, 称量不准。 出现这种情况, 应首先检查秤架是否有问题, 比如秤架上是否压有重物, 秤架的螺栓是否有松动倾斜等。 确认秤架没有问题, 然后检查皮带秤称重传感器 , 在空秤时测量各个传感器的输出信号, 如果输出信号相差过大, 则说明有传感器损坏, 确定后更换称重传感器。

c )当皮带机停止运行时, 由于皮带上有剩余物料或皮带不均匀皮重造成显示仪表仍在缓慢跳字, 造成不运物料而积算器仍不断累积。 处理办法: 1) 将小信号切除值( 物料瞬时流量低于此值, 积算器不再累积) 适当抬高; 2)将皮带输送机电气运行触点接入显示仪表的供电回路, 当皮带输送机停止运行时, 显示仪表的电源也就断开了。

5  结论

测速传感器与称量传感器的的测量精确度和稳定性决定着电子皮带秤的测量性能, 目前称量传感器的精确度普遍提高到万分之几 , 而测速传感器的精确度大多在千分之几, 所以提高测速传感器精确度是提高电子皮带秤系统精确度有效的途径之一。

在电子皮带秤使用过程中, 涉及传感器的问题不少,当我们较为透彻了解各种传感器的工作原理、信号类别及与显示仪表的关系后, 就有可能根据现场情况灵活应用,以满足生产现场各种要求。

参考文献:

[ 1] 方原柏. 电子皮带秤的原理及应用[ M ] . 北京: 冶金工业出版社, 1994.

[ 2] 孙传友, , 现代检测技术及仪表[ M] . 北京: 高等教育出版社, 2006.

[ 3] 易志高. 电子皮带秤的调试与故障处理[ M] . 北京: 水利电力出版社, 1999.
作者:李冬

收稿日期: 2008- 08- 18

 

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