电子皮带秤是工业生产中用来计量输送物料的重量而广泛采用的计量器具,在火电厂的原煤计量中有广泛的应用。国家对电子皮带秤的精度要求分为0.25、0.5、1.0、2.0共4个等级,作为火力发电厂二级计量标准的电子皮带秤一般要求达到0.5级精度标准[1]

火电厂电子皮带秤一般安装在输煤栈桥的皮带输煤机上,其运行环境较差。振动、粉尘、噪声、电机启动电场和磁场干扰、环境湿度、原煤含水量变化、人为清洁冲洗等各种因素都对电子皮带秤的称重精度有很大影响[2]。通过电子皮带秤生产厂家和用户的共同努力,近年来电子皮带秤的精度和使用情况有了一定的改善,但仍然存在运行维护量较大,精度校核工作繁重、程序多等问题,远未能达到如静态电子衡器所能达到的使用精度和使用效果。分析电子皮带秤的运行情况,归纳产生误差的原因,研究其中的规律,寻找解决问题的途径和方法,开发新型高精度电子皮带秤是解决运行维护量大、精度等级低的有效手段。

1　 影响电子皮带秤称重精度的因素

由于电子皮带秤是在皮带输送机运行的动态过程中对原煤重量进行计量,所以其受力情况较静态电子秤要复杂得多。按空间三维情况考虑,电子皮带秤传感器受力可以归纳为重力、与皮带前进方向相同的拉力和与传感器对称中心面垂直的侧向推力三种综合力及其他一些因素的影响。

(1)重力受力

电子皮带秤的传感器所受到的重力由秤架重力、皮带重力和皮带上原煤重力所组成。原煤重力等于传感器所受重力减去秤架重力和皮带重力的差。由于各种因素的影响,可将该三种力看为随时间变化的、非零均值的随机过程。皮带输送机在实际运行过程中煤量会随时间发生变化,在一确定的时刻煤量是一确定的数值,但由于种种原因传感器实际受力是该时刻的煤量重力、秤架重力、皮带重力三者之和加上一零均值的随机干扰量。秤架重量和皮带重量可以在静态情况下准确测量到,所以在实际运行中电子皮带秤去皮后的测量量是附加一零均值随机误差的原煤重量。从该测量信号中获取真实的原煤重量信号是电子皮带秤显示控制单元信号处理的主要工作。若由于皮带输送机本身及安装环境使附加随机误差为非零均值时,则应对皮带输送机进行调整或在皮重校核时处理。

(2)与传感器对称中心面垂直的侧向推力电子皮带秤在运行过程中由于负载的非均匀性、皮带打滑等各种因素,会使皮带产生跑偏现象。该现象将对称重传感器产生一与传感器对称中心面垂直的侧向推力,该附加侧推力对传感器的称重精度产生重要影响。实验数据表明当皮带跑偏造成100kg侧向推力时,称重传感器将产生1kg的称重附加误差,即可产生1%的误差。电子皮带秤在运行过程中跑偏现象是经常发生的,只是程度不同。

皮带空载下绝对误差允许范围:50kg/计量单位长度×5‰=(±)250g/计量单位长度

显然皮带在空载下绝对误差允许范围要求十分苛刻,比皮带负载情况下的要求严格得多,若能在这种最为不利的情况下达到所要求的称重精度,则在负载情况下肯定可以满足所要求的称重精度。这和仪表在满量程时能达到要求的精度,但在小量程时精度则不能满足要求,需要安装同样精度但量程较小的仪表的道理一样。消除和减小与传感器对称中心面垂直的侧向推力造成的称重误差是提高电子皮带秤精度的重要途径之一。

(3)与皮带前进方向相同的拉力受力

皮带输送机运行过程中,皮带所受到的牵引拉力会通过皮带托辊、秤架机构传送给称重传感器。传感器在该力作用下产生变形,输出一附加称重信号,该信号的大小与皮带运行速度、秤架结构、称重传感器的结构及各部分之间的摩擦系数等因素有关。该信号是影响电子皮带秤称重精度的重要因素之一,其影响称重精度的机理与侧向推力影响称重精度的情况相同。

(4)测速传感器

测速传感器的作用主要是用来测量皮带运行速度,确定皮带称重单位长度和皮带皮重,即皮带空载运行时的称重。测速传感器所发脉冲频率越高其代表的皮带称重单位长度越短,称重采样速度也越快。若将皮带平均皮重的仪表读数看为皮带真实平均皮重与零均值随机误差之和,则在确定皮带平均皮重过程中,采样速度越高皮带平均皮重的仪读数就越接近皮带真实平均皮重。

(5)称重显示控制器

称重显示控制器的作用是对称重传感器的信号和测速脉冲信号进行处理,显示皮带输送机的瞬时输煤量,同时累计输送原煤总量。称重显示控制器的数据处理精度和速度是十分重要的功能指标。根据国家标准对二级精度电子皮带秤的要求和前面的分析可知,其空载时的误差为(±)250g/单位长度,所以控制显示器的分辨率应达到10g或更高。这对显示控制器提出了两方面的要求,一是要求加大A/D位数、采样速度和数据处理速度;另一方面是由于精度的提高,常规情况下如温漂、电源纹波干扰、接触电阻等可忽略因素都上升为不可忽略的主要矛盾。这对传感器输出信号和放大器放大倍数的稳定性提出了很高要求。

2　 新型高精度电子皮带秤用的技术手段

(1)全悬浮秤架及特殊安装结构

电子皮带秤采用4个称重传感器,其秤架采用全悬浮方式设计,秤架由滚珠托起。皮带运行过程中出现跑偏现象时,秤架平面可以作滚动滑移,达到消除皮带侧向推力的作用,提高称量精度。由于采用全悬浮专利方式设计,当秤架受到非重力扰动时,可由滑动及全悬浮部分产生相应作用消除,极大地减少了对称重力的振动及附加影响。电子皮带秤在实际应用中大多安装在有一定倾角的皮带输送机上。对二级精度的电子皮带秤国家标准规定倾角应小于6°[1]际安装条件很难满足国标要求。通过对现场电子皮带秤秤架安装情况的分析,采用特殊的秤架结构和安装方法,可以消除大倾角对称重精度的影响。在某电厂倾角为20°的皮带输送机上的试验和长期运行情况看,完全克服了皮带倾角的影响,效果十分显著。

(2)无侧推力附加误差传感器

侧向推力的存在使空载皮带的称重精度超过国家规定的5‰的精度标准。若用此皮带秤计量,则最低误差将超出称重精度要求。为减小皮带偏载的影响,采用传感器并联技术,可以使偏载时的称重误差大为减小[3]过试验验证,采用4个压式称重传感器并联时效果较好。为保证传感器的质量性能一致,需要将4个无侧推力附加误差传感器进行专门的一致性校验及侧向推力消除校验。现场长期实际运行情况证明采用此项技术后,称重精度及稳定性大为提高,满足了高精度称重皮带秤长期运行工作的要求。

(3)光电测速传感器

常用的测速传感器有机械式和光电式两种,机械式结构脉冲频率低,一般为20万次/h,使用过程中容易引起磨损,故障率较高;光电式结构脉冲频率高,一般可达300万次/h以上,安装方便,故障率低。采用测速滚筒与测速光电脉冲机柔性连接方式,无机械磨损,可靠性高,使用寿命长,无维修工作。

(4)改善称重显示控制器性能

1)提高称重显示控制器的分辨率电子皮带秤的空载误差对电子皮带秤称重显示控制器的分辨率提出了很高的要求。为保证仪表的高分辨率,同时也考虑仪表前端放大器的信号处理的难度,综合以上两方面因素,将分辨率定为10g[4]。

2)温漂抑制处理

由于高精度电子皮带秤是全天侯运行,温度变化范围大,当温度变化使放大器产生的温度漂移变化超过允许范围影响称重精度时,传感器的温漂处理就变得尤为重要。在硬件电路布局上总体考虑温漂处理问题是目前技术上可行且有效的方法。具体实施方法应是在传感器和放大器电路之间进行综合平衡。在每天温度变化±20℃的范围内,可以保证显示误差在±10g以内。

3)采样频率及显示功能

现场试验数据处理的结果显示,提高采样频率,可以有效消除零均值随机误差,采用高速16位A/D技术、高稳定洁净电源、高速CPU,使数据处理速度由原来的60万采样数据/h提高到300万采样数据/h,有效地提高了数据精度,保证了控制显示器的稳定性和准确性。

4)采用串行数据传送方式

采用RS232/RS485通信接口方式可使通信距离达1200m,同时精确的数字传输方式不会产生二次误差。克服了与上位机数据传送过程中使用模拟量或脉冲量精度难以保证的缺点。

(5)自校验功能

电子皮带秤称量系统的校验工作给用户带来极大的不便,其安装地点一般离下煤点较远,且运行规程规定皮带输送机的启动顺序是与原煤输送方向相反的,所以每次皮带输送机在启动过程中有足够的空转时间保证。利用皮带输送机的空转时间进行皮带空载称重校验是目前多数生产厂家进行电子皮带秤自校验的方法[5]。

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