孔令宇

(山東英才學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，山東濟(jì)南　250104)

0　引言

我國(guó)從20世紀(jì)60年代中期開(kāi)始研制和生產(chǎn)電阻應(yīng)變式稱重傳感技術(shù)的產(chǎn)品，其準(zhǔn)確度低、可靠性差，故障率和損壞率高。自20世紀(jì)80年代初，開(kāi)展了與國(guó)外的技術(shù)交流和合作，通過(guò)引進(jìn)、消化、吸收和改造，使電子稱重裝置的綜合水平有了很大提高。我國(guó)現(xiàn)生產(chǎn)的商用靜態(tài)秤已基本能滿足國(guó)際法制計(jì)量組織OIMLⅢ級(jí)秤3000d的要求，靜態(tài)工藝秤也可達(dá)到0.1%～0.3%的準(zhǔn)確度要求。目前，國(guó)內(nèi)的定量稱量技術(shù)大都還處于手工計(jì)量狀態(tài)和半自動(dòng)化狀態(tài)，社會(huì)所急需的定量稱量自動(dòng)化測(cè)控系統(tǒng)技術(shù)，現(xiàn)在還難以達(dá)到1級(jí)計(jì)量準(zhǔn)確度的要求[1]。

國(guó)外在定量稱量技術(shù)領(lǐng)域所關(guān)注的前沿課題，多是將先進(jìn)的控制技術(shù)引入動(dòng)態(tài)稱重控制，以提高稱重品質(zhì)，解決稱重計(jì)量環(huán)節(jié)中的測(cè)量誤差影響，如：M．Halimic等人針對(duì)塊狀產(chǎn)品在測(cè)力傳感器下的動(dòng)態(tài)稱重過(guò)程，引入模糊邏輯估計(jì)，借以改善稱重準(zhǔn)確度；S．Almodrresi等人在動(dòng)態(tài)稱重過(guò)程中，引入特征提取因子和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)稱重信號(hào)估計(jì)；W．Balachandran等人研究了基于模糊控制器、稱重傳感器下的塊狀產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)稱量。但是，他們所實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)稱量準(zhǔn)確度一般均達(dá)不到0.5%，仍不能滿足國(guó)際法制計(jì)量組織OIML對(duì)動(dòng)態(tài)準(zhǔn)確度首檢應(yīng)達(dá)到≤0.25%的要求。

基于浮力稱量原理的定量稱量系統(tǒng)，引入全新的理念，該系統(tǒng)是以浮力稱重傳感器為技術(shù)核心而進(jìn)行研發(fā)的一種定量稱量自動(dòng)化測(cè)控系統(tǒng)，它將物料重量值的測(cè)量轉(zhuǎn)換成具有線性關(guān)系的位移值的測(cè)量。該項(xiàng)技術(shù)不存在非線性和零漂等技術(shù)缺陷，能夠?qū)崿F(xiàn)在全量程范圍內(nèi)進(jìn)行線性定量稱量。

1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及動(dòng)態(tài)模型的建立

1．1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

該定量稱重系統(tǒng)采用了以PLC為主的智能化控制系統(tǒng)，由儲(chǔ)料倉(cāng)、給料系統(tǒng)、稱重計(jì)量系統(tǒng)、輸送設(shè)備及中心控制系統(tǒng)5部分組成。具體配置如圖1所示。

圖1　基于浮力稱量原理的定量稱量系統(tǒng)框圖

圖1所示給料設(shè)備即電磁振動(dòng)給料系統(tǒng)。這種系統(tǒng)由振動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，給料量多少由電機(jī)振動(dòng)幅度的大小來(lái)決定。適用于物料流動(dòng)性差，配料精度要求較高的場(chǎng)合。如原料藥、粉粒狀物料等。稱重計(jì)量系統(tǒng)是動(dòng)態(tài)定量稱重系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)，是保證定量稱重精度的關(guān)鍵所在。稱重測(cè)量系統(tǒng)主要包括稱重料斗、浮力稱重傳感器以及稱重測(cè)量?jī)x表，其中尤以浮力稱重傳感器為重要環(huán)節(jié)。中心控制系統(tǒng)可采用PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)，該P(yáng)LC系統(tǒng)通過(guò)通訊裝置采集各種生產(chǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行檢側(cè)與控制主、副原料等物理量的稱量，通過(guò)人機(jī)界面進(jìn)行顯示、加工處理、輸出控制各種電磁閥，皮帶輸送控制，原料裝入控制及安全連鎖保護(hù)等命令，完成生產(chǎn)任務(wù)[2]。

物料定量稱重的簡(jiǎn)單過(guò)程為：?jiǎn)?dòng)給料裝置，物料在自身重力的作用下進(jìn)入稱量斗，料斗上裝有浮力稱重傳感器，料斗的重量信號(hào)由浮力稱重傳感器轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，經(jīng)放大器把該電壓信號(hào)放大后送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)定值時(shí)，停止給料，完成一次定量稱重。

1．2定量稱量動(dòng)態(tài)模型的建立

如圖1所示，影響定量動(dòng)態(tài)稱重精度的主要因素為：稱重測(cè)量系統(tǒng)的欠阻尼振蕩、物料下料的沖擊力、測(cè)量的滯后(空中物料)帶來(lái)的落差誤差。

1．2．1物料下落沖擊力和留空量的估計(jì)

由沖量定理得：

所以

從上式可以看出沖擊力與物料流量和下落高度有關(guān)。隨著稱斗內(nèi)物料增加，物料下落高度減小，沖擊力也相應(yīng)減小。

從上式得知只要知道沖擊力大小就能求出物料的留空量。

1．2．2定量稱量動(dòng)態(tài)模型的建立

浮力稱重傳感器和稱體構(gòu)成的稱重部分可以等效為一個(gè)由彈簧、阻尼器組成的二價(jià)系統(tǒng)，如圖2所示[3]。

圖2　定量稱量動(dòng)態(tài)模型

根據(jù)動(dòng)力學(xué)分析，建立稱重部分位移x與物料質(zhì)量M(t)的數(shù)學(xué)模型：

式中：m為稱體的自身重量，kg；M(t)為下料質(zhì)量的時(shí)間函數(shù)；c為阻尼系數(shù)；k為稱重傳感器的剛度；F(t)為物料沖擊力；x為稱體相對(duì)參考點(diǎn)的位置。

由于位移經(jīng)傳感器、信號(hào)放大器、A/D采集卡后與送到計(jì)算機(jī)的電壓信號(hào)v(t)成正比，因此上式也是電壓v(t)與質(zhì)量M(t)的關(guān)系模型。對(duì)上式兩邊進(jìn)行拉式變換，整理后得：

由于系統(tǒng)的輸入是連續(xù)的，而輸出是離散的，并不適合辨識(shí)目的。下面把上式變換為離散形式并根據(jù)z變換終值定理可得：

因?yàn)椴捎昧朔侄尉€性化的方法把非線性時(shí)變系統(tǒng)近似看作許多小時(shí)間段內(nèi)的線性系統(tǒng)，所以上式中并不能取無(wú)窮大，但是N可取一個(gè)較大的正整數(shù)。如進(jìn)一步將由輸入噪音引起的稱量誤差考慮在內(nèi)，且為方便起見(jiàn)假定是白噪聲，則上式同樣可用差分方程表示[4]：

y(n)=-a1y(n-1)-a2y(n-2)+b*+e(n)

式中e(n)為殘差。

2　前置放大器設(shè)計(jì)

前置放大器是定量稱重系統(tǒng)前向通道的重要組成部分，由于浮力稱重傳感器轉(zhuǎn)換后的中頻電壓信號(hào)是幅度很小的mV級(jí)信號(hào)，很難直接模數(shù)轉(zhuǎn)換，因此需要對(duì)該中頻模擬電信號(hào)放大處理。這就要求其必須具有很高的共模擬制比以及高增益、低噪聲和高輸入阻抗的特性。

前放原理圖如圖3所示，圖中：VI為遠(yuǎn)端經(jīng)過(guò)調(diào)制的中頻位移傳感器信號(hào)，VR1為滿量程調(diào)整電位器，C2、C4可對(duì)中頻載頻信號(hào)顯著衰減，起解調(diào)作用，從而使傳感器直流信號(hào)得到放大。運(yùn)算放大器選用LM324，則前置放大器的輸出為VO2：

式中：AVF1、AVF2分別為第一、二級(jí)的電壓放大倍數(shù)；R為電位器VR1的固定電阻值；RX為電位器VR1對(duì)地可變電阻值。

將上式整理可得到前置放大器的輸出為VO2：

圖3　前置放大原理圖

3　系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

基于浮力稱量原理的定量稱重系統(tǒng)軟件是以工業(yè)自動(dòng)控制的組態(tài)軟件為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)和完成集成系統(tǒng)監(jiān)控層的各項(xiàng)功能。該軟件能以靈活多樣的組態(tài)方式提供良好的用戶界面和簡(jiǎn)捷的使用方法，以動(dòng)態(tài)圖形和報(bào)表對(duì)稱重過(guò)程控制流程進(jìn)行集中監(jiān)視、管理、操作。它可以替代模擬屏動(dòng)態(tài)顯示工藝流程圖，用開(kāi)關(guān)量控制圖形顏色塊、線狀態(tài)、操作提示、動(dòng)畫(huà)等；可替代記錄儀動(dòng)態(tài)顯示實(shí)時(shí)趨勢(shì)圖，實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警和記錄；可顯示實(shí)時(shí)報(bào)表，在線輸入?yún)?shù)，即時(shí)打印實(shí)時(shí)或歷史報(bào)表，定時(shí)保存數(shù)據(jù)，定時(shí)打印報(bào)表和圖形；可替代操作控制臺(tái)，使用軟按鍵在線改變控制機(jī)開(kāi)關(guān)量狀態(tài)，自動(dòng)切換圖形畫(huà)面等。

定量稱重系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示。

圖4　定量稱重系統(tǒng)軟件流程圖

4　系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果

應(yīng)用浮力稱量原理研制的定量稱重系統(tǒng)樣機(jī)，于2009年4月由山東省科技廳對(duì)系統(tǒng)的各項(xiàng)具體性能指標(biāo)進(jìn)行了鑒定與驗(yàn)收，發(fā)布等級(jí)：0.5級(jí)，達(dá)到了國(guó)際法制計(jì)量組織(OIML)R50所建議的最高準(zhǔn)確度等級(jí)，控制系統(tǒng)的各項(xiàng)功能齊全，各項(xiàng)測(cè)控技術(shù)指標(biāo)均滿足國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程的要求[5]。其中，重復(fù)性定量稱量試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。表1中控制的載荷T為摩擦材料實(shí)際稱量載荷。

表1　定量稱重系統(tǒng)重復(fù)性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表1表明：采用基于浮力稱量原理的定量稱重系統(tǒng)，其控制的載荷T與示值I之間的相對(duì)誤差均<0.25%，完全滿足動(dòng)態(tài)稱量準(zhǔn)確度0.5級(jí)的高要求。

5　結(jié)束語(yǔ)

提出的浮力動(dòng)態(tài)定量稱量技術(shù)通過(guò)了中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院主持的技術(shù)論證會(huì)，認(rèn)定浮力稱量原理是對(duì)我國(guó)傳統(tǒng)稱量原理的一次創(chuàng)新，它從根本上克服了目前常用的電阻應(yīng)變式稱重傳感器的某些缺點(diǎn)和不足。

參考文獻(xiàn)：

[1]岳慶寅，孫秉禮．水泥廠計(jì)量手冊(cè)．北京：中國(guó)建材工業(yè)出版社，1993：9-11．

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[3]黃俊欽．靜、動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的實(shí)用建模方法．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1988．

[4]李寶安，李行善，羅先和．動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)計(jì)量誤差的動(dòng)態(tài)校正．儀器儀表學(xué)報(bào)，2001(3)：252-253．

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