定量皮帶秤自動定量誤差測定方法研究

摘要：關于皮帶秤的國際建議與國家標準都沒有涉及到定量皮帶秤特有性能的技術要求。該項研究的目的是為實現對定量皮帶秤所稱量的連續輸送過程中物料流量的調控性能進行恰當地評價，并為制訂合理可行的產品技術規范創造條件。為此，首先界定定量皮帶秤的范圍，確定自動定量誤差的定義，以此為出發點尋求適用的定量皮帶秤自動定量誤差測定方法。兩種測定自動定量誤差的物料試驗方法：分離檢測法與集成檢測法，不僅合乎量值溯源和傳遞原理，而且經驗證，測得的數據比模擬載荷試驗方法更接近真實狀況，并均被我國首個《定量皮帶秤》產品標準所采用。研究結果表明，上述兩種自動定量誤差測定方法在測試精度上相互等效，又各有更加適用的場合。研究結果為定量皮帶秤的生產制造單位、檢測檢驗機構、使用單位采用統一的評價規則和規范市場起到促進作用。

關鍵詞：定量皮帶秤;自動定量誤差;分離檢測法;集成檢測法

中圖分類號：TP395 文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）06-0060-05

收稿日期：2018-06-10;收到修改稿日期：2018-07-20

作者簡介：胡強（1962-），男，江蘇南京市人，研究員級高級工程師，主要研究方向為力學專業計量。

0 引言

定量皮帶秤屬于連續累計自動衡器的一個種類，兼具動態衡器、連續累計衡器、自動衡器的基本特征[1]。由這3種衡器的定義可知，其工作方式具有下列特征：1）被稱載荷通常為堆積在一起的大量未經包裝的塊、粒、粉等散狀物料流，稱量時被稱載荷與衡器承載器存在著相對運動，且通過承載器的物料流瞬間質量會發生波動，并不恒定;2）在稱量過程中，物料流的運動無需被中斷或者質量細分，就能對所通過的散狀物料總質量連續累計;3）在稱量過程中無需操作者干預，就能按預定的處理程序自動稱量[2]。

連續累計自動衡器有多種類型，已列人我國輕工衡器行業技術標準體系的連續累計自動衡器有13種[3]。按照把散狀物料送到承載器并運離的相連輸送機品種，可分為：皮帶秤、螺旋（絞刀）秤、圓盤（轉子）秤等，其中，跟帶式輸送機相結合的皮帶秤應用最為普遍。定量皮帶秤的輸料部件也是帶式輸送機，同樣屬于皮帶秤;但是定量皮帶秤又跟一般的皮帶秤有顯著的區別，它除了具有自動稱量功能之外，還具有自動定量功能，即能夠以預設定的單位時間或單位長度內的質量為目標值，對通過其承載器的散狀裝物料實現定量輸送，這是一般的皮帶秤不能夠實現的。圖1是定量皮帶秤的原理框圖。

但由于目前OIML R50-12014 Continuoustotalizing automatic weighing instruments（beltweighers）和GB/T 7721-2018《連續累計自動衡器（皮帶秤）》[4-5]，以及以往的各個版本也都均沒有對定量皮帶秤進行詳細描述和規定有針對性的技術要求，因而定量皮帶秤所特有的自動定量性能長期以來一直缺乏統一、有效的評價方法。從2013年起，江蘇省計量科學研究院作為工信部與中國衡器協會組織編制的《定量皮帶秤》行業標準起草小組的成員，投入到了定量皮帶秤自動定量誤差測定方法的研究，為QB/T5046-2017的成功制定與發布奠定了技術基礎。

1 兩個重要的定義

1.1 定量皮帶秤的含義

能夠把物料的流量或線密度控制在穩定的范圍之內的皮帶秤的投入使用已有比較長的時間，但長期以來沒有統一的產品名稱，也從來沒有過確切的定義。同時它還有另外幾種相似卻又不完全相同的產品，分辨得也很不清晰。國外通常把這類產品稱作皮帶給料機（belt feeder），該名稱突出了它的輸料功能，卻沒有把其主要的稱量和調節功能特點表達出來。國內以往則通常稱之為配料皮帶秤，這個名稱是以用途來命名的，也不是很恰當，因為它完全也可以用于非配料用途，何況要實現配料使用至少同時配置兩臺以上，用配料來稱呼其中的任何一臺也不貼切?，F在把它稱之為定量皮帶秤（constantfeeding belt weighers）。經再三推敲斟酌，把定量皮帶秤定義為：“一種能事先設置瞬時載荷量的期望值（一般為質量流量t/h或質量線密度kg/m），并以設定值為目標對所通過的散狀物料實現輸送量動態調整的整機型皮帶秤。”此定義已被QB/T 5046-2017所采納。

1.2 自動定量誤差的內在含義

定量皮帶秤的最基本特征是自動定量功能及其準確度，評價定量皮帶秤的基本性能時，不僅要考慮自動稱量誤差，還要兼顧其自動定量誤差。

QB/T 5046-2017中設立0.5級、1級、2級3個準確度等級，每一準確度等級不僅規定了自動稱量誤差，還規定了相應的自動定量誤差。

定量皮帶秤的自動稱量誤差的含義同一般皮帶秤一樣，已有明確、統一的計算公式，即：式中：E_W——定量皮帶秤的自動稱量誤差;

I——定量皮帶秤累計指示控制儀對于工作期間所通過物料的質量示值;

W——控制衡器對于通過皮帶秤的物料的質量示值（約定真值）。

自動定量誤差的評定和計算并不統一，經研究將其定義為“設定流量值相對于實際通過載荷在測量時間段內平均流量的百分比誤差”。即：式中：E_Q——定量皮帶秤的自動定量誤差;

Q_S——定量皮帶秤的目標流量的設定值;

C_M——定量皮帶秤的實際流量的平均值。

由于P=Q_M×t_s，C=Q_s×t_s，故也可用式（3）來計算自動定量誤差：

EQ=C-P/P×100%（3）式中：t_s——試驗期持續的時間;

P——控制衡器顯示的累計載荷量;

C——按定量皮帶秤給料量預置值計算的試驗期間累計載荷量。

明確了自動定量誤差是實際的輸送流量對于預期目標輸送流量值的偏離程度，而且上述Q_M或尸的量值可以通過質量工作計量儀器（控制衡器）溯源到質量計量標準量具（砝碼）。

OIML R61-2004 Automatic gravimetric filinginstruments和GB/T 27738-2011《重力式自動裝料衡器》[6]中，是用預設值誤差（preset value error）來表述的：

se=∑F/n-F_P（4）式中：se——預設值誤差;

F_P——裝料預設值;

∑F/n——n次裝料試驗所裝全部物料的單次平均值。

據此，定量皮帶秤的預設值QS也應像重力式自動裝料衡器中的F_P那樣置于“減數”，而不是“被減數”。其實這兩個表達式的涵義并不相同，兩者不能簡單地拿來類比。無論是哪種誤差的表達式，都是用計算該種誤差時的對照值作為其“減數”的，而“被減數”則為直接被考察的對象。在重力式自動裝料衡器的預設值誤差表達式中的F是重力式自動裝料衡器每一單次的實際裝料質量的測量值，包含了EUT（被測定量皮帶秤）的全部誤差，每一次的F都會有差別，因此它跟固定不變的預設值相比時，后者作為比較的參照值更為相宜。

另外，重力式自動裝料衡器的預設值誤差實際上表征的是EUT的系統偏差，這可從以下推導中加以證明[7]：

設重力式自動裝料衡器的第i次測量值F_i與其設定值F_P存在如下關系：

F_i=F_p+⊿+δ_i（5）式中：F_i——第i次測量值;

F_P——裝料預設值;

⊿——被測對象EUT的固有偏差;

δ_i——被測對象EUT在每次測量時隨機出現的系統偏差。

因此有：對于n次測量值的總和為：∑F=nF_p+n△+∑δ，則平均值為：∑F/n=F_P+△+∑δ/n，當n足夠大時，可認為∑δ/n趨于0，于是有：△=∑F/n-FP=se。

因為重力式自動裝料衡器在同一設定流量下的物料試驗至少10次以上，多的可達60次或更多，而定量皮帶秤在同一設定流量下的物料試驗只進行3次，由于定量皮帶秤試驗時并不多次讀取測量值，在測量次數不是足夠多時，就無法消除測量值中的隨機（偶然）誤差，預設值誤差就不等同于系統誤差。

然而，定量皮帶秤對所通過物料的累計量值P，都能直接或間接地經控制衡器溯源到質量量值，以約定真值作為比較的參照值，即把它作為減數或除數顯然是適宜的。而自動定量誤差要考察的正是預期的目標值偏離真值的程度，把設定值作為被減數也是順理成章的。同時，這與前面所述的定值控制系統的誤差公式也是吻合的。

整臺定量皮帶秤實際輸送的物料量應由控制衡器測得的標準值體現，但是還存在把被測定量皮帶秤儀表上的累計示值跟預置值之間的偏離程度當作自動定量誤差或控制誤差的做法，由于所采用的累計示值與預置值都來自同一臺儀表，這樣測出的數據只反映了儀表的部分特性，未包含對整臺定量皮帶秤技術性能全部影響分量，這樣的做法直接導致累計示值不能通過控制衡器實現量值追溯，無法對實際所輸送物料量值的準確性進行識別。

2 測定試驗方法的統一

2.1 自動定量誤差物料試驗測定方法的確立

QB/T 5046-2017發布實施前，測定定量皮帶秤自動定量誤差基本采用模擬載荷的試驗方法，就像與定量皮帶秤相類似的耐壓式計量給煤機的國家標準GB/T28017-2011[8]采用的也是模擬載荷試驗方法。但是由于模擬載荷試驗不能量值溯源，而且對皮帶效應的仿真度差，其試驗結果與真實情況的差別較大，當模擬載荷裝置（如鏈碼等）在承載器上的位置不同，可能導致重復測試的結果大相徑庭，所以模擬載荷試驗是沒有適當的物料試驗方法時的無奈之舉，是不得已而為之的替代辦法。

用物料試驗方法測定定量皮帶秤的自動定量誤差與測定自動稱量誤差有很大的不同。定量皮帶秤在啟動后物料尚未進入或剛剛進入稱量段的初始階段，以及停供物料之時但輸送帶上尚有斷續余料還未停止運行，定量皮帶秤會處于非正常工作的缺料狀態，顯然這一階段的誤差會大于正常值，而用于測試的時間又不可能很長，這一階段的誤差影響就可能會比實際使用時占的比重大得多;因此，讀取試驗數據不能完全與皮帶秤的啟動和停止同步，需要舍棄其中的非正常工作階段。在進行試驗獲取數據的過程中，需要確保進入控制衡器的物料是在上述正常工作階段通過稱量段的，同時還要測得這些物料通過稱量段所花的時間;從而才能獲得試驗階段的平均流量。以往之所以多采用如鏈碼之類的模擬載荷試驗，是因為試驗時鏈碼一直置于稱量段上，定量皮帶秤始終處于正常工作狀態，獲取數據可與其啟動和停止同步，用物料試驗方法測定定量皮帶秤的自動定量誤差就沒有那么容易實現了。為解決這個問題，提出兩種測定定量皮帶秤自動定量誤差的物料試驗方法：分離檢測法和集成檢測法。

2.2 定量皮帶秤自動定量誤差的兩種物料試驗測定方法

2.2.1 分離檢測法簡介

分離檢測法的基本特點是，所采用的控制衡器是與EUT分離的獨立衡器，采用該試驗方法時需把通過EUT的試驗物料在通往控制衡器的路徑中另設旁路容器，以確保物料在EUT基本穩定之后再進入控制衡器。

定量皮帶秤自動定量誤差的分離檢測法的原理如圖2所示，在EUT預定的給料量設定值和物料給料流量下，試驗物料經EUT并駛離后的起初先不進人控制衡器，而是進入旁路，待EUT運行穩定后，再通過切換裝置將物料送入控制衡器，同時記錄開始時間t₁，在控制衡器的累計示值增量不少于最小累計載荷∑_min之后切回旁路，同時記錄結束時間tzl由控制衡器獲取得卜12期間的試驗物料質量，作為約定真值，并把按給料量預置值計算的試驗期間累計載荷量C與之比較，求得自動定量誤差E_Q。

2.2.2 集成檢測法簡介

定量皮帶秤在用集成檢測法進行物料試驗時，提供約定真值的EUT是無法用標準砝碼直接量傳的動態衡器;這跟重力式自動裝料衡器采集成檢測法時有所不同[9]，這是不能不顧及的問題。后者的EUT在作為控制衡器時，是以靜態衡器方式工作的，因而能夠用標準砝碼直接量傳。而皮帶秤的量值是通過檢測散狀物料的質量間接溯源的，難以保證量值傳遞數據鏈中的上一級的誤差小于下一級誤差的1/3。為了抵消這一原因帶入的附加誤差，在處理試驗數據時，將定量皮帶秤的自動稱量誤差作為其自動定量誤差中的一項分量，使最終的結果不致于會被低估，這樣的數據處理方式也是符合誤差原理的。

使用集成檢測法進行試驗，先按EUT的量程范圍把給料流量調整合適后，啟動EUT和計時器，待皮帶承載面都已均布物料后開始記錄數據，記下累計指示控制儀顯示窗口的示值I₁（單位：t），以及同一時刻的計時器示值t₁（單位：s）;待皮帶運行已達預期的時間或圈數，且顯示通過物料的示值增量已達到或超過∑_min時（此時皮帶上應仍布滿物料），再次記錄累計指示控制儀顯示窗口的示值I₂（單位：t），以及同一時刻的計時器示值t₂（單位：s）;以t₂-t₁作為本次試驗持續的時間，以I₂-I₁作為本次試驗通過的物料量;從而可求得試驗期間的平均流量Qm：

接著計算設定流量Q_s與Q_m的相對誤差e：

再將實際測得的EUT自動稱量誤差E_w與e用方和根法則合成，得到自動定量誤差E_Q的最終結果：

2.3 兩種物料測定試驗方法的比較

分離檢測法與集成檢測法兩種物料試驗方法的共同優點是，兩者的試驗原理都是有據可索的，約定真值都能夠實現量值溯源，區別只是在于約定真值的提供源不同，而且試驗狀態同實際工作狀態相似，避免了模擬載荷試驗的弊病。

分離檢測法的不足之處是，對試驗設施提出了額外的要求，必須配備能滿足試驗之需的物料旁路裝置，有時會難以滿足，因此只能在可以裝備相關設施的少數實驗室和使用現場采用。若把物料旁路裝置做成移動式的，可以搬到某些原先沒有所需設施的場所使用。但是移動式旁路裝置的體積會受到多種因素的制約，難以適用于大流量的EUT。

集成檢測法所需的設施則要簡單很多，同步計時或攝錄設備是主要配備要求，主要過程就是獲取試驗所需的同一時刻的試驗物料累計示值與試驗經歷時間，現在智能手機就是非常方便的配置之一，完全可以承擔試驗所需的秒表和照相機的作用，無論在現場還是實驗室都可以使用。其不足之處是，在最后的數據處理時需要增加誤差合成計算的步驟，不如分離檢測法來得直觀。對同一樣本同時采用分離檢測法和集成檢測法分別獲取自動定量誤差數據進行比對，多次試驗的結果顯示兩者之間相差不到0.03%，不存在統計學意義上的差別，表明它們是等價的。因此在實際檢測過程中，完全可以由定量皮帶秤的使用單位、制造商和檢測單位進行磋商，根據定量皮帶秤現場的實際配置狀況選擇合適的自動定量誤差測定方法。

3 結束語

定量皮帶秤自動定量準確度定義的確定和自動定量準確度試驗方法的提出，有利于定量皮帶秤生產制造單位、檢測檢驗機構、使用單位的正確理解和使用，起到規范市場、統一量值的作用。研究成果應用于《定量皮帶秤》行業標準，改變以往只有依據企業標準甚至沒有產品標準進行生產的混亂局面，為業界提供了對定量皮帶秤進行物料試驗的統一方法。

雖然國際建議規定，自動衡器物料試驗的地點可以是使用現場，也可以是典型的試驗場所;然而國內已有自動衡器制造商和計量檢測機構撰文指出，鑒于試驗的環境條件的一致性和可再現性、試驗結果的可靠性等方面的考慮，型式評價的物料試驗放在實驗室進行更加妥當、合理和公正。依托江蘇省計量科學研究院建立的國家自動衡器型式評價實驗室，已完全具備對定量皮帶秤開展各項技術檢測（包括物料試驗）的設施條件，可為廣大定量皮帶秤制造商提供全面完整的型式評價服務，并將通過進一步的檢測實踐為完善定量皮帶秤檢測標準做出努力。

參考文獻

[1]盛伯湛.連續累計自動衡器概述[M].北京：中國勞動社會保障出版社，2011.

[2]衡器計量名詞術語及定義：JJF 1181-2007[S].北京：中國計量出版社，2007.

[3]范韶辰，陳成軍.從衡器標準體系看衡器產品技術的發展[J].衡器，2013，42（6）：1-6.

[4]連續累計自動衡器（皮帶秤）：GB/T 7721-2018[S].北京：中國質檢出版社，2018.

[5]定量自動皮衡器：GB/T 7721-2017[S].北京：中國質檢出版社，2017.

[6]重力式自動裝料衡器：GB/T 27738-2011[S].北京：中國質檢出版社，2011.

[7]盛伯湛.皮帶秤自動定量準確度的物料試驗方法探研[J].衡器，2016，45（3）：9-13.

[8]耐壓式計量給煤機：GB/T 28017-2011[S].北京：中國質檢出版社，2012.

[9]魯新光，申東濱，劉平.實驗室條件下和使用現場條件下的自動衡器物料試驗方法比較[J].衡器，2016，45（1）：39-42.

（編輯：劉楊）