1 概述

为了实现在工业环境中容器、料斗等的静态称重计量, 静载称重模块便应运而生了, 它是针对用户需求, 结合高精度称重传感器而研制开发的一体化称重单元。它将称重传感器、载荷传递装置、限位和防过载等集合于一体, 可以方便地与多种机械设备 (如滚道、平台、罐体、料斗等) 相连接。静载称重模块采用模块化设计, 具有结构简单, 安装维护方便, 互换性好的特点, 适用于各种静载称重的场所, 可满足容器等称重体在工业生产环境中的准确称量。适于在建材、冶金、化工、制药、仓储、水泥等行业中对料斗、储罐、反应釜、溶解槽等进行静态计量。本文以模拟静载称重模块为例, 简单介绍了静载称重模块的选型和使用方式, 同时介绍了静载称重模块在选型和安装使用时应注意的几个问题。

2 静载称重模块系统的几种常见配置

静载称重模块系统主要由静载称重模块及称重显示控制器等组成, 按功能主要分为以下几种 (在有防爆要求的场合下, 可增加防爆配置) :

2.1 仅实现基本的重量显示功能

基本配置:静载称重模块、接线盒及称重显示控制器。

2.2 在实现基本的重量显示功能基础上增加通讯接口、定值报警输出、简单控制功能。

基本配置:静载称重模块、接线盒及带相应通讯接口、定值输出接口功能的称重显示控制器。

2.3 在实现基本的重量显示功能基础上增加

控制功能, 包括重量显示、定量加料、卸料、现场设备控制、报警信号显示、配方设置及流程监控等功能。

基本配置:静载称重模块、接线盒及称重显示控制器及控制系统。

3 静载称重模块结构

静载称重模块在设计时多采用调节螺杆来实现限位功能, 通过螺杆的组合实现对称重传感器水平方向位移的限制, 同时对于称重传感器起到过载保护和防止倾覆危险的发生。其结构如图1所示, 图中各零部件作用为:

1——上安装板:带安装孔用于与用户容器支撑脚安装板的连接。

2——压头座:保证不影响传感器受力的情况下实现压力信号的传递。

3——称重传感器:实现对载荷信号的采集。

4——调节螺杆:通过螺杆与上安装板组合实

现对称重模块位置的限定, 限制容器在水平范围内有限位移, 以保证容器在环境影响变形下的准确称量。而且对于称重传感器起到过载保护和防止倾覆危险的发生。同时, 在更换传感器时也可以将其升起以支撑容器支腿, 为更换传感器提供方便。

5——跨接导线:使称重传感器上下安装板成为等势体, 保护称重传感器免受非预想的过电流对其产生的损害。

6——辅板:用于运输和安装时避免传感器受到过载荷的冲击, 正常使用时去除。

7——安装架:用于传感器的安装, 下安装板上带安装孔用于模块与基础安装架的连接。

根据限位结构的不同形式, 有的静载称重模块又分为全约束模块、半自由模块、自由模块三种基本形式。全约束模块是指该模块在水平范围内为全约束;半自由模块是指该模块在水平范围内仅可以在单一方向上运动, 其自由度受到限制;自由模块是指该模块在水平范围内是可以自由运动的。

4 静载称重模块的选型

4.1 静载称重模块数量的选择

常见的静载称重模块系统多由3个或4个称重模块组成, 其布置方式如下:

4.1.1 三点支撑

将静载称重模块均布于同一圆周上。对于由全约束模块、半自由模块、自由模块三种基本模块组成的系统, 则三种基本模块各1个。

4.1.2 四点支撑

将称重模块均布于同一圆周或矩形的4个顶点上。对于由全约束模块、半自由模块、自由模块三种基本模块组成的系统, 则4个点为全约束模块、半自由模块各一个, 自由模块两个。

4.1.3 多点支撑

在用户的实际应用中有时需要多点支撑, 即4个以上的支撑点安装称重模块。在该种情况下, 可将称重模块均布于同一圆周或类似于四点支撑的情况。对于由全约束模块、半自由模块、自由模块三种基本模块组成的系统, 称重模块可选择全约束模块、半自由模块各为一个, 其他需要的承重点由自由模块补足。

4.2 静载称重模块量程的选择

静载称重模块系统一般是由计量装置 (载体) 、静载称重模块 (称重传感器) 和称重显示控制器三部分组成的。称重传感器主要用于质量和力的测量, 为了称重计量的准确性和可靠性, 在设计称重计量装置时, 对于多只称重传感器模块组成的系统, 称重传感器模块量程的选择一般遵循如下原则。

固定负荷 (秤台或容器自重) +变动负荷 (物料重量) +冲击、振动等≤0.6×单只称重传感器额定负荷×称重传感器个数

其中, 系数0.6是一般性要求, 可以在0.25~0.8 (甚至更宽) 波动, 主要是根据计量精度要求和仪表的情况决定的。具体地说, 系数偏小时, 使用传感器的有效量程较小, 要求仪表的分辨率高, 仪表示值稳定性相对较低, 但是传感器的使用寿命就高。系数偏大时, 使用传感器的有效量程较大, 要求仪表的分辨率低, 仪表示值稳定性相对较高, 但是传感器的使用寿命偏低。因此在选择称重传感器的量程时, 需综合考虑相关因素。

4.3 静载称重模块选型的其他注意事项

静载称重模块在选型时, 还需根据现场情况 (防腐、防爆要求) , 来确定静载称重模块的材质 (碳钢防腐处理或不锈钢材质) 、防护及防爆等级要求等。

5 称重显示控制器的选型

在选择静载称重模块的同时, 称重显示控制器也必须同时考虑, 主要应注意如下几个参数:输入灵敏度范围 (μV/d) 、空秤量值范围 (m V) 、供桥电压 (V) 等。

5.1输入灵敏度计算 (假设仪表的供桥电压12V, 输入灵敏度范围在1.2~24μV/d之间) 。

其中A:传感器的总量程 (kg)

B:传感器的灵敏度 (m V/V)

d:显示最小分度值 (kg)

X:输入灵敏度 (μV/d)

最后计算出X应在1.2~24μV/d之间, 方才符合仪表的使用范围。

举例:一台60t料斗秤, 共使用灵敏度为2m V/V的30t传感器模块4只, 最小显示分度值为20kg, 可计算如下:

A=30×1000×4=120000kg

B=2m V/V

d=20kg

则, 符合要求。

注:在有防爆要求的场合下, 应考虑安全栅对传感器信号的影响。

5.2 在选择称重显示控制器参数的同时, 还应考虑对称重显示控制器的接口要求、安装要求、环境要求等。

6 静载称重模块的安装

6.1 对用户现场的要求

6.1.1 基本要求

●计量设备进出料口等处应采用软连接, 不得影响称重计量。

●对于重心较高的计量设备, 设备周边应作必要的横向牵引防护, 增加防护安全。

●用户计量设备支撑腿与基础安装架要有足够强度、刚度, 应保证在称重模块额定载荷作用下发生变形不超过l/1000。

●基础安装板上平面以及设备支撑腿安装板下平面各要求在同一平面内, 相互间高度允差均不大于2mm或支点距的2/1000 (两者取最小值) 。

●模块支撑点的承载力应不小于模块用传感器量程的150%, 单个基础安装板和设备支撑腿安装板的水平度均应在l/500之内。

●现场施工时注意, 严禁可能损坏传感器的电流 (例如焊接电流) 通过传感器。

6.1.2 防爆场合的附加要求

●防爆称重模块在现场使用时, 特别应避免受到冲击或撞击, 以避免出现危险火花。

●防爆称重模块所使用的防爆称重传感器作为现场本安设备 (气体环境场合) , 必须在本安设备 (本安防爆传感器) 与非本安设备 (非本安防爆仪表) 之间配置安全栅。

●当防爆称重模块用于粉尘爆炸危险场所时, 设备表面应定期清扫, 防止粉尘积聚。

●用户在安装、使用和维护产品时, 必须同时严格遵守相关防爆标准及规范。

6.2 静载称重模块的安装

称重模块安装时模块辅板不拆除, 将模块整体在安装位置摆放, 然后模块上安装板与容器支撑腿安装板用螺栓连接紧固, 模块位置固定后, 下安装板用螺栓连接于基础安装板上或直接将下安装板焊接于基础安装板上, 焊接时应注意焊接电流不应通过传感器, 以免损坏传感器。安装完毕后拆除辅板, 调节限位使之满足安装要求, 然后即可开始校验使用。

7 静载称重模块系统的校准

在静载称重模块系统安装完毕后, 必须对系统进行称量校准。目前, 这种称量系统常见的有五种检验方法:砝码标定法、替代法、比对法、预标定法和标准信号源标定法。其中, 比对法、预标定法和标准信号源标定法适用于对系统精度要求不高且现场无法使用砝码标定法和替代法两种方法进行标定的情况, 以下对这几种方法简要介绍一下。

7.1 砝码标定法

对于涉及贸易结算的称量系统, 必须用标准砝码进行标定, 使之满足级秤标准, 此时, 应根据现场情况, 在计量设备上安装堆放砝码的支架、平台或其它替代装置, 以方便校准。

7.2 替代法

对于不涉及贸易结算的工艺用称重系统, 由于承载器在设计时一般不考虑安放标准砝码的位置, 往往只能用少量标准砝码来检验, 这样只能使用其它替代物进行标定, 反复的使用有限砝码和替代物, 从零点开始, 一直检验到使用的最大载荷量。

使用替代法的关键问题是, 要求被测试装置的重复性必须高, 同时必须满足生产工艺要求。

7.3 比对法

它是选用在标准测试装置 (例如测力机) 上标定好的一套称重传感器和称重显示器, 与称量系统上的称重传感器和称重显示器相比较。使用比对法的关键问题是, 要求在使用现场预先设计可安装标准装置的位置, 所以使用比对法检验最好是在设计称量系统时就着手进行。

7.4 预标定法

它是指静载称重模块系统在出厂前, 通过测力机给传感器加载额定负荷, 调整接线盒内的可调电阻使每只传感器的输出灵敏度一样, 然后将所有传感器、接线盒、称重显示器组成称重系统, 用测力机校正显示仪表的零点和满量程 (此处的满量程为客户现场使用的满量程) 。这样, 模块系统现场安装后只需要重新校准仪表的零点即可。使用预标定法的关键问题是对静载称重模块的安装要求较高。

7.5 标准信号源标定法

它是指在已知秤体 (容器) 自重及称重传感器量程及灵敏度等参数的情况下, 通过理论计算, 得到静载称重模块系统的空秤信号值 (或能够实际测得) 和满量程信号值, 然后, 用标准信号源替代称重传感器与称重显示控制器连接。调整标准信号源, 使之输出电压等于所计算的空秤信号值, 来进行空秤校准;再调整标准信号源, 使之输出电压等于所计算的满量程信号值, 来实现量程校准。

校准完成后, 将静载称重模块与称重显示控制器连接, 若能实现空秤状态, 此时只需进行实际空秤校准即可。

8 结束语

因本人在工作中接触到的部分衡器设计人员及衡器产品用户对静载称重模块系统的选型及应用了解程度不够全面, 所以, 在这里对传感器静载称重模块的选型和应用做简单介绍, 以增进广大用户对传感器静载称重模块的了解, 方便今后静载称重模块系统的设计和使用。但因本人水平有限, 还望广大读者对本文加以批评指正。