新型蔗帶秤在甘蔗糖廠的應用機理研究

謝武裝，黃向陽

（廣州甘蔗糖業研究所 廣東省甘蔗改良與生物煉制重點實驗室，廣東 廣州 510316）

新型蔗帶秤在甘蔗糖廠的應用機理研究

謝武裝，黃向陽

（廣州甘蔗糖業研究所 廣東省甘蔗改良與生物煉制重點實驗室，廣東 廣州 510316）

針對甘蔗糖廠壓榨輸送系統對蔗料輸送在線計量的高精度要求，在借鑒皮帶秤計量研究的基礎上，建立了蔗帶秤的秤體設計方案，結合秤體結構方案對其特性響應曲線和傳遞系數作出探討分析，并得出了蔗帶秤的數學計量模型，為蔗帶秤的優化設計提供借鑒。

秤體；響應曲線；傳遞系數；計量模型

0 前言

甘蔗糖廠均衡壓榨輸送系統是制糖企業生產技術管理中極為重要的一環，它是影響生產穩定及生產成本的重要因素之一。而輸蔗機蔗料實現自動調節有利于維持壓榨量均衡及全廠的物料供應平衡，提高壓榨抽出率、生產安全率，降低工人的勞動強度，提高壓榨車間的生產自動化控制水平［1］。如何實現輸蔗機的蔗料在線計量，從而控制輸蔗機帶速度，實現碎蔗的均衡輸送，成為解決均衡壓榨輸送系統的重要環節。

針對輸蔗機蔗料的在線實時計量需求，最初糖廠普遍采用壓力傳感器來進行檢測，由于現場環境惡劣以及蔗料的輸送帶長度、張力、振動影響了壓力傳感器的正確測量，使進蔗不均勻，容易造成設備跳閘停榨，反過來影響生產［2-3］。核子秤是一種非接觸型計量設備，它利用伽瑪射線照射輸蔗機的物料，實現被傳輸物料重量的動態在線相對測量。所以，核子秤的出現替代了傳統的壓力傳感器，克服了壓力傳感器的缺點，以核子秤為主要設備的控制系統實現了壓榨車間的均衡壓榨。核子秤的推廣使壓榨處理甘蔗量滿足生產要求，降低能耗，穩定蔗渣水分，提高鍋爐效能，取得了良好經濟效益。

但是，隨著核子秤在糖廠的推廣使用，帶來核源管理嚴格、手續復雜以及由核輻射和核泄漏日益引起的環境安全問題。因此，壓榨車間蔗帶秤的無核源計量技術成為當前糖業界亟待解決的難題之一。電子皮帶秤作為一種動態連續稱量的設備，在各行業中已得到廣泛應用，由于微電子技術的應用與發展，使電子皮帶秤的稱量準確度和穩定性明顯提高。如何將新型的電子計量技術借鑒、吸收引入糖廠均衡壓榨計量控制系統是一個值得研究的重要課題。所以，文章將從蔗帶秤的計量原理、秤體性能和數學累計模型等方面來進行分析探討。

1 蔗帶秤的工作原理及結構方案

1.1 皮帶秤的工作原理

電子皮帶秤作為對散狀物料自動連續、累計稱量的計量器具，主要特點是連續、自動稱重。為了測量輸送皮帶上某段長度的物料瞬時流量，可以通過測量某一托輥或幾個托輥上所承受物料的重量，測量方式采用連續采樣或周期采樣，所測得的物料瞬時重量再與皮帶速度或皮帶行程進行運算，得出物料瞬時流量和累計重量。在理論計算上，皮帶秤有積分型和累加型兩種累計計量數學模型。

1.1.1 積分型

當皮帶秤輸送物料進行動態計量時，測取皮帶秤上每單位長度的物料重量q（kg/m）和皮帶在同一時刻的速度v（m/s），得到物料的瞬時流量qv（kg/s），于是在一段時間T內物料的累計量q∑可用積分法表示：

1.1.2 累加型

當皮帶秤輸送物料時，輸送皮帶每運行一段距離Δl時，累加器作一次物料重量的累加qi，在一段時間內皮帶運行了n倍Δl的距離，累加器則有n次物料重量的累加q∑。

1.2 蔗帶秤的結構設計方案

蔗帶秤計量原理與皮帶秤相似，但結構形式與皮帶秤存在明顯差異。皮帶秤的簡要結構特點是秤架安裝在皮帶輸送機上，皮帶在托輥上運行，托輥作用于秤體上的稱重傳感器，皮帶上通過的物料計量由稱重傳感器和測速傳感器進行信號轉換。在轉換過程中，“皮帶效應”［4］的存在，對稱重結果的精度有明顯影響，特別是皮帶張緊力的選定是影響計量精度的主要因素之一，其秤體結構主要采用單托輥單杠桿式、多托輥單杠桿式、多托輥雙桿式、懸臂式以及懸浮式等形式。

在設備擺放、空間改造限制和輸蔗機結構不改變的情況下，蔗帶秤通常安裝在最大傾斜角為22°的鏈板輸送帶上。結合相關皮帶秤的秤架結構分析，懸浮式結構秤架抗干擾能力強，稱重效率高，測量精度高，所以，蔗帶秤秤架的結構宜采用懸浮式。鏈板輸送與皮帶輸送相比，鏈板傳動無彈性滑動和打滑現象，能保持準確的平均傳動比，傳動效率較高。但是，鏈傳動本身存在“多邊形效用”［4］，鏈輪每轉過一個鏈節，鏈板傳動的瞬時速度大小會周期性地重復變化一次。鏈板速度與鏈輪節距和齒數相關，鏈板輸蔗帶在輸送過程中瞬時周期性地變速運動，會產生動載荷，最終影響計量時的采樣精度。

鑒于鏈板輸蔗帶行走速度經常處于波動狀態，若采用定時采樣Δt，速度的變化會影響采樣精度，所以，我們在方案設計時選用位移傳感器，通過“定長采樣”Δl來實現。所謂的“定長采樣”就是當鏈板行走一定距離Δl時發出采樣脈沖，用它來控制測量儀表采樣，Δl對于蔗帶輸送系統來說是一個常數。物料的瞬時流量為：

其中，qi—物料的瞬時流量（kg·m）；pt—在承載器的有效稱量段Lx上瞬間的物料重量在稱重傳感器測得的數（kg）；vi—測量pt時刻的輸送帶速度（m/s）；Δt—定時采樣的時間間隔（s）。

在公式（3）中，當定長采樣Δl=vi×Δt時，則某段時間內蔗料輸送的流量表示如式（4）所示。

如圖l所示，甘蔗糖廠的蔗帶秤主要由秤體（稱重承載器）、稱重傳感器、位移傳感器和積算控制儀表等部分組成。其工作原理是當鏈板式輸蔗帶4載著破碎、完全撕解后的蔗料2，以一定的張力和速度通過秤體6時，鏈板輸送帶上的計量蔗料和鏈板重量通過秤體6傳遞到秤架下的稱重傳感器5，通過位移傳感器3的測量和反饋控制，當輸蔗帶上的蔗料被傳送過一個定長采樣距離Δl，系統就向稱重裝置發出一個詢問脈沖，稱重裝置從開始輸送蔗料時起，就在每個詢問時刻t，把稱重傳感器5感知的質量信號送入積算控制顯示儀表1，經過放大濾波、A/D轉換等轉換成數字信號，送入內置累計數學模型的運算器，運算器將兩個信號進行乘積運算，從而得出某段輸送距離L內輸蔗帶上被測蔗料的瞬時流量值和質量累計值。

2 蔗帶秤的秤體性能分析

2.1 秤體的響應特性曲線

秤體響應特性曲線分析方法是一種分析秤架特性的新方法，響應曲線表示了某個恒定質量的質點通過秤體過程中稱重傳感器受力的變化情況。在同一有效稱量段長度Lx不變的情況下，秤體的結構形式不同，其響應曲線也不相同，即特性曲線的投影面積也不同。曲線投影面積越大，則表明秤體性能越好［5-9］。我們通過圖2中對秤體結構的受力示意，利用平面慣性力學原理，對秤架各支點的受力進行計算分析，便可得到本方案中秤體的近似響應特性曲線圖2（忽略輸蔗帶的變速工況），其響應特性曲線為ABCD，與水平軸AD構成一個等腰梯形。該響應特性曲線表示鏈板輸送帶上有效稱量段Lx內各點的物料重量反映在秤體上的稱重傳感器變化情況。

圖2 秤體受力及響應特性曲線示意圖

根據圖2的響應特性曲線可以得出下面分析。

第一，斜線段分別為上升段AB和下降段CD，它反映了蔗料進入秤體或離開秤體時，稱重傳感器所感受的力從零上升到最大值或最大值下降到零的反應時間；如果斜線變得平緩，則梯形面積變小，表明秤架的響應特性曲線變差。該秤體特性曲線的斜段上無拐點，表明該結構形式的秤體在荷載時傳感器的受力無突變，懸浮式秤體對稱重信號的平滑濾波性好。

第二，水平段BC，該線段表示在L2這段區間上，蔗料對稱重傳感器的作用力是均勻分布的，并始終處于最大作用力狀態。線段BC越長，表明蔗料瞬時流量的波動小，秤體的機械濾波效果越好，則特性曲線的投影面積越大，稱重傳感器的總受力值也越大。

結合曲線圖2和秤體結構來說，當鏈板輸蔗帶的節距變小，相同有效稱量段Lx作用于秤體上的力更均勻，作用力更大，則特性曲線的投影面積更大，秤架的計量性能更優。所以，根據特性曲線的分析，在兼顧秤體撓度范圍的情況下，適當增大秤體長度，可以增大特性曲線的面積，從而改善其計量精確性。

2.2 傳遞系數η的推導

秤體是物料稱重過程中力與電信號進行轉換的第一個環節，該環節的力轉換特性及其精確度對秤的性能優劣起著關鍵作用［5-6］。蔗帶秤在秤體斜置工況下，輸蔗帶上蔗層實際重量∑Pt是通過懸浮式秤體傳遞給稱重傳感器，而在垂直方向上稱重傳感器感知的重量是∑Pt′，稱量段蔗層Lx的實際重量∑Pt=∑Pt′（忽略輸蔗帶與秤體作用在稱重傳感器部件上的重量）。∑Pt′為輸蔗帶有效稱量段Lx內在不同的位置作用在稱重傳感器的力，它在不同位置時傳感器感應的力不相同（Pi因為合力點到力臂的支點距離不同，所以稱重傳感器感知的力也就不相同）?！芇t與∑Pt′之間有一個傳遞系數η，傳遞系數η與秤體的結構尺寸以及鏈板輸送帶的節距p0均相關。

從響應特性曲線圖2可以知道，它由兩個拐點，三個線性方程組成。用積分計算如式（5）、式（6）和式（7）所示。其中，鏈板輸送帶節距p0=Lg=L1=Lx-L2。

由此推導出懸浮式秤體傳遞系數計算公式（8）。

鏈板輸送帶的節距為p0，為了有利于計算分析，取有效稱量長度Lx=np0，由此可得式（9）。

所以，有效稱量段Lx蔗層于秤體垂直方向上各傳感器感知的實際重量應滿足下面關系式（10）。

從式（8）可知，在滿足秤體撓度和剛性情況下，有效稱量長度Lx適當增大，鏈板輸送帶間距p0越小，對應有效稱量段作用在秤體上的節距數越多，秤體傳遞系數越大（近于一），稱重傳感器計量精度越高。

3 連續累計計量模型建立

實際上，蔗帶秤不可能對通過的每個單元蔗料進行單獨計量，而是對連續輸送的蔗料進行計量，可以將連續的蔗料看成是無數個單元寬度為Δl單元蔗層段（其寬度即為定長采樣距離），單元蔗料的重量為PΔl，隨同鏈板輸送帶依次通過秤體，每前進一步增加一個Δl的距離，并且由位移傳感器發出一個脈沖，進行一次計量。由圖2可見，Lx可以等分的距離數Lx= nkΔl（其中，n和k均為大于0的整數）。為了便于分析和計算，我們可以籠統地假設鏈板輸送帶的整圈長度為L=NL0（N為大于0的整數），連續工作的稱重計量重量可以采用長度積分法［7-8］得到下面的計量模型。

式中，Q0—鏈板輸蔗帶整圈累加皮重（kg）；L0—輸蔗帶的整圈長度（m）；L—輸蔗帶的輸送長度（m）；Q—鏈板輸蔗帶上Lx段蔗料的累加重量（kg）；θ—輸蔗帶的傾角（°）；P0（Δl）—輸蔗帶空載時的作用于秤體的縱向力（kg·m）；P（Δl）—輸蔗帶荷載時的作用于秤體的縱向力（kg·m）；η—秤體的傳遞系數。

所以上式（11）和式（12）動態累加數值算法分別如式（13）和式（14）所示。

4 實驗平臺模擬及結果

根據上面秤體結構方案所推導的動態連續累計計量數學模型，筆者搭建了圖1的小實驗平臺，模擬了輸蔗帶荷載運行工況，用定長采樣法對其數據進行采集，其模擬計量結果如表1所示。從相對誤差可以看出，計量結果優于±0.5%的計量精度。

表1 實驗模擬計量結果統計

5 結束語

本文提出了新型蔗帶秤的結構設計方案，從秤架結構的力學分析出發，推導出基于秤體結構的響應特性曲線，并對秤架性能優劣進行探討。秤體結構的傳遞系數η的推導有利于提高秤體的計量精度，采用的定長采樣法（或長度積分法）避免了因測速而引入的測速誤差；動態累加計量數學模型的建立為蔗帶秤的計量提供理論依據和參考。

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［3］ 謝汝生，張松順.PLC在均衡輸蔗自動控制系統的應用［J］.計算機自動測量與控制，2001（3）：37-39.

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［5］ 方原柏.皮帶秤秤架靈敏度特性曲線分析［J］.自動化儀表，1990（9）：5-9.

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Study on Application Mechanism of New Cane Chain Plate Scale in Sugar Mill

Xie Wu-zhuang，Huang Xiang-yang
（Guangzhou Sugarcane Industry Research Institute/Guangdong Key Lab of Sugarcane Improvement& Biorefinery，Guangzhou 510316）

According to high precision requirements of sugarcane layer transmission online measurement in sugar mill press conveyor system，the designing scheme of suspension balance body of cane chain plate scale was established based on belt scale measurement research，and we analyzed its characteristic response curve and transmittance coefficient according to scale structure scheme，and received measuring mathematical model ofsugarcane belt scale，which served as a reference for optimal design ofsugarcane belt scale.

Load receptor;Response curve;Transfer coefficient;Measurement model

TS243.1

A

2095-820X（2016）03-05

2016-06-02

廣東省科技計劃項目“綠色制糖加工關鍵技術與裝備研發”（2016B070701005）。

謝武裝（1977-），男，碩士，工程師，主要從事制糖工藝與裝備的研發設計；Email：xiewuzhuang2006@163.com。