多維約束稱重提高皮帶秤測量精度研究應用

秦建梅

（晉中市綜合檢驗檢測中心， 山西 晉中 030600）

0 引言

物體的運動形態主要依靠力發生改變，將多維約束稱重傳感器和電路結合，可以有效將力轉化為交互的質量信息[1]。皮帶秤結構對計量精度會產生很大影響，對稱重的穩定性也起著至關重要的作用。因此，本文對皮帶秤的結構形式、測量原理、電器原理、校準方式、經濟性和影響因素等方面進行分析。

1 多維約束皮帶秤構成及測量原理

稱重橋架、稱重傳感器是電子皮帶秤的關鍵部件，影響測量的精度和穩定性。電子皮帶秤的其他組成部分包括積算器、傳輸線路和三維方向板等。稱重傳感器安裝在傳送皮帶的縱梁處，稱重托輥依靠稱重橋架支撐，用于檢測皮帶上方的物料質量，通過電路中電阻貼片的變化，將力轉化輸出為顯示質量的模擬量信號，可以大大提高采集回質量的精度和穩定性[2]。將速度傳感器安裝在輸送機尾部來測量輸送機的傳輸速度。將單位質量（kg/m）和速度v（m/s）相乘，得到物料的累積質量和瞬時質量，顯示在交互界面（顯示器）上。

2 多維約束皮帶秤產生誤差原因及解決方法

多維約束皮帶秤測量精度不僅僅體現在測量傳感器的精度和電器的測量精度方面，皮帶秤的安裝和維護對系統性能具有重要作用，能夠大大提高多維約束皮帶秤的精度。

1）電磁場環境對測量電子元器件存在較大的干擾，對顯示儀表和數據傳輸過程都會造成較大的干擾，導致整個數據的異常。電子元器件無法自身消除周圍磁場環境的干擾，提高電路的抗干擾能力，可以增加電纜的屏蔽層，使用鋁箔紙等方式進行屏蔽[3]。整體電路的防護等級達到IP60 以上，可以減少水和塵埃等的影響。同時增加散熱，增加電子元器件的壽命。

2）氣候條件的影響主要有溫度、塵埃等。皮帶秤應盡量安裝在封閉的室內，能夠經常清掃，保持清潔。同時，要保證室內的空氣流動，減少溫度變化較大的情況，溫度變化較大，元器件會產生溫漂，導致元器件精度和斜率偏差較大。產生較大的溫度變化時，應對電子元器件進行校準。

3）皮帶運行速度不穩定，會造成計算錯誤。運行速度不勻會造成機械抖動甚至震動加劇，容易導致零部件松動、產生形變等，從而產生計量誤差。

4）機械結構因素。皮帶秤機械結構如圖1 所示。皮帶秤安裝時，要緊固螺栓部分，安裝支架要固定牢靠。否則，會因機械剛度的不同而產生一定形變，導致計算誤差。若有物料或者異物卡在皮帶處，會產生較大的誤差。因此，應加強皮帶的清理工作，并對簧片吊掛組件、稱重托輥等種重點部位定期緊固。

圖1 皮帶秤機械結構

5）校準誤差的影響因素。校準電子皮帶的常用的方式有電子校準、掛碼校準、鏈碼校準和實物校準。實物校準準確度更高，根據實際的工況進行標定校準，將實物在皮帶上進行預先計算，與皮帶運行后稱重的結果進行對比，采用系數方式進行校正。實物校準產生的工作量較大，操作難度和校準次數也隨之增加，但校準的結果更貼近實際，產生的誤差較小，受其他因素的影響也較小。

3 多維約束傳感器產品特征和皮帶秤電器結構

1）多維約束傳感器具有承受壓力范圍大、承受拉力范圍寬的優勢，廣泛應用于皮帶秤中。為保證測量的靈敏度和精度，將傳感器平行貼于機械裝置兩側，提高整個測量裝置的輸出特性，使用中能夠經受住瞬間的沖擊，即使運行中出現過載情況，產生的影響也較小。基于以上特點，深受用戶的青睞。

2）傳統的皮帶秤采用杠桿原理傳遞力，會造成較大的測量誤差，而多維約束稱重傳感器能夠改變力的傳遞方式，優化了傳統測量的缺點。對物體直接進行測量，減少了中間測量環節，可以保證力在傳遞過程中由于機械剛度不同所帶來的損耗。稱量準確度也得到了較大提升。

3）將多維稱重傳感器按照陣列的形式布置在稱重單元中，該矩陣方式可以有效提高稱重的精度，稱重范圍更廣更精確，增加稱重托輥的組數，可以提高皮帶秤的運行穩定性及采集數據的有效性。

4）通過矩陣式傳感器分布位置均勻檢測，提高了皮帶秤的抗干擾能力，加上整個單元框架的強度和剛度較為穩定，電路對整體稱重數據進行有效濾波，大大減小了皮帶秤運行中的誤差。

如圖2 所示為主梁受力圖。

圖2 稱重單元主梁受力

除機械結構的穩定性影響稱重精度和穩定性以外，電路處理和濾波對稱重數據也會產生較大誤差。對比多種傳感器發現，多維約束稱重傳感器電阻型信號變化靈敏，精度較高。

多維約束傳感器皮帶秤的電器結構如圖3 所示。通過速度傳感器和稱重傳感器采集速度信號和質量信號，電氣控制柜控制電機的穩定運行。將信號傳輸到集中控制室，根據采集數據分析判斷策略，發送控制器信號到儀表顯示出來。

圖3 皮帶秤電路

4 工業應用與經濟性分析

4.1 工業應用

在工業應用中，多維稱重傳感器采用多維約束電阻應變片，將力的變化轉化為電阻值變化，當物理量作用在電阻上時，產生的彈性形變使電阻值發生改變，可以精確到阻值為mV 級別的變化。經過AD 采集電路，分辨率達到65 536，采集的質量數據可以精確到小數點后兩位，通過電阻的變化量反映出了物理量的變化大小。從表1 可以看出，Z軸數值變化誤差較小，滿足工業使用的需求。

表1 Z 軸采集點數據 單位：mV

由某物料加工廠皮帶秤采集的數據可以看出，多個位置采集的數據偏差在±7 以內，滿足實際皮帶秤稱重的運行需求。經過皮帶秤稱重的質量與普通秤稱重的總質量進行對比，采集次數為20 次，分別稱重質量在500 kg 左右，產生的偏差較小，20 次的均差為1 kg，稱重累計誤差精度可以達到0.3%以下，精度等級高于市場中大部分電子皮帶秤0.5 級、1 級和2 級三個準確度等級，即累計誤差低于市場上最低0.5%的動態累計誤差。

4.2 經濟性分析

采用多維約束稱重的方式，皮帶秤的成本根據皮帶秤的長度和托輥的數量，每增加一組成本增加約1 000 元。實際使用中，通過提高穩定性和精度、減小實際誤差，可節約成本約50 元/t。按某物料加工廠每天物料需求總稱質量為1 000 t 計，企業每天可節省5萬元的成本。同時，可增加皮帶秤2 a 使用壽命，減少1 萬元/a 的維護成本支出，為企業創造了更高的利潤。