李曉力

摘 要：本文介紹了電子皮帶秤的工作原理，并針對引起電子皮帶秤動態(tài)計量誤差的原因從稱重力誤差、皮帶測速誤差、數據檢測和信號處理誤差、校準誤差、環(huán)境影響誤差等方面進行深入剖析，并提出了減小誤差的方法。

Abstract：This paper introduces the working principle of the electronic belt scale， and analyzes the reasons of the dynamic measurement error of the electronic belt scale， which is called the gravity error， the belt speed error， the data detection and the signal processing error， the calibration error， the environmental impact error， and the method to reduce the error.

關鍵詞：電子皮帶秤；誤差分析

Keywords electronic belt scale； error analysis

電子皮帶秤作為一種準確、方便的動態(tài)質量計量設備在我廠有著十分廣泛的應用。在AD廠輸煤系統(tǒng)中共安裝有十套不同類型及用途電子皮帶秤，電子皮帶秤作為電廠輸煤系統(tǒng)重要的計量、控制設備，在接煤、上煤、煤數統(tǒng)計和節(jié)能降耗的各個環(huán)節(jié)分別起著流量計量、流量控制、精確摻兌配比，投入產出統(tǒng)計等起重要作用。本文主要針對我司AD廠輸煤系統(tǒng)專用電子皮帶秤的誤差原因進行全面分析。

一、 電子皮帶秤的系統(tǒng)構成及工作原理

物料在皮帶上運行至皮帶秤位置時，對皮帶秤稱重托輥產生向下的作用力，通過稱體，將作用力作用至稱重傳感器上，傳感器內部彈性體上的電阻應變計電阻發(fā)生變化，通過測量電路將這一電阻變化轉變?yōu)殡妷盒盘栞敵鲋练Q重顯示器。

電阻應變力傳感器的原理：被測負荷作用于彈性體上，使彈性體發(fā)生變形，引起電阻計電阻變化，通過測量電路將電阻變化轉變?yōu)殡娦盘栞敵觥Ｆ錅y量電路全部采用惠斯登電橋接線方式。

惠斯登電橋原理圖：圖中的四個橋臂上的電阻可視為傳感器的應變計電阻，U為激勵電壓（DC 10V），U0為傳感器輸出電壓。當傳感器的應變計電阻的阻值由于物料的重力作用發(fā)生變化時， U0會發(fā)生變化，同時U0與應變計電阻的變化呈線性關系。

二、 電子皮帶秤的誤差來源分析

由電子皮帶秤的組成結構、稱重原理和秤架受力情況的分析可知，其計量準確度是由稱重傳感器與測速傳感器所檢測到的為長度上的物料的重量以及皮帶運行速度決定的。在實際稱量過程中，由于計量托輥的非準直度、皮帶張力及皮帶運行阻力等被稱為“皮帶效應”的因素影響，使皮帶秤具有由其組成、結構、工作方式決定的稱重誤差；由于傳感器本身精度、通道設置及工作方法的影響，是皮帶秤具有主要測量控制系統(tǒng)硬件配置、軟件設置及工作模式決定的數據檢測和處理誤差；由于校準方法與實際工作狀況的差別影響，使皮帶秤具有校準方式決定的校準誤差；由于電磁干擾、振動、溫度和濕度變化等因素影響，使皮帶秤具有皮帶秤整體和環(huán)境條件共同決定的環(huán)境誤差。

（一）稱重力誤差﹠1

稱重誤差是皮帶秤的主要誤差源。結合皮帶秤的結構、稱重原理和秤架的受力情況，相對誤差分析如下：

1.第一項誤差為常量，屬于系統(tǒng)恒定誤差（張力、托輥的 靜非準直度基托輥間距），可通過校準予以消除。

2.第二項誤差為秤臺系統(tǒng)各部分的撓度造成的稱重托輥垂直下沉量。其中迭加有稱重托輥的徑向跳動和系統(tǒng)秤架機械構件的變形因素。它具有隨機變化的不確定性，但總是與皮帶秤的瞬時載荷成正比。因此，該誤差是一種復雜規(guī)律的系統(tǒng)變差。即通過校準不能消除。

3.第三項誤差是由皮帶張力的變量及環(huán)境因素有關，有較大的隨機性，可歸類于系統(tǒng)性隨時機誤差。

（二）皮帶測速誤差﹠2

測速探頭既可選擇直接安裝在電機輸出軸上，也可安裝在同步皮帶上。當皮帶移動同樣距離時，采用前者方式安裝的編碼器得到的脈沖數量是后者的幾十倍，相應的分辨率能力大大提高，而且其抗干擾能力也相應增強。因此測速穩(wěn)定性較好，我廠的徐州三原就是使用該測量方式。另一種測速方式是通過使用測速輪緊貼皮帶，通過計算圈數和測輪周長得出。

測速誤差主要受皮帶彎曲狀況的影響和粘結臟污的影響，如果皮帶秤工作環(huán)境條件較差，此項誤差不可忽視。

（三）數據采集和信號處理誤差﹠3

電子皮帶秤數據檢測和信號處理過程包括：重量模擬信號的采樣、模擬量與數字量的的轉換、數據脈沖信號的采集、數據的運算等。其中重量模擬信號的采樣包括信號放大過程。

在稱重誤差一定，稱重傳感器選用、放大器配置及連接和使用方法確定后，重量信號采樣的誤差主要由傳感器和放大器的精度來決定，同時受測控系統(tǒng)采樣頻率的影響。由于測控系統(tǒng)的主機、硬件及軟件設置等固有模式約束了采樣時間、采樣周期的選擇，因此，從使用角度來看，重量信號采樣誤差主要來自于傳感器和放大器的誤差。

另一個值得注意的是，在重量模擬信號轉換為數字信號時，A/D轉換器位數對其誤差起決定性作用。因此在選擇A/D模塊時一定要注意轉換位數這一重要因素，同時數據運算盡可能采用浮點運算，以減小運算誤差。

模擬量處理環(huán)節(jié)造成的非線性等綜合誤差，一般在0.05%以內，A /D （16位）轉換精度在0.03%以內，傳感器的綜合誤差為0.02%，數字信號的處理部分不存在非線性誤差。另外還有放大器的誤差，因此其綜合誤差一般在0.14%左右。

（四）校準誤差﹠4

皮帶秤的準確度在很大程度上依賴于頻繁的日常校準，準確度級別較高的皮帶秤尤其如此。但校準并不能完全消除誤差，相反，校準時還可帶來其它誤差。這一方面是由于校準的方法問題，另一方面則歸根到底是由于皮帶秤校準時的狀態(tài)與正常工作狀態(tài)的區(qū)別（如皮帶張力、皮帶轉圈數等這些差異引入了校準誤差），即動態(tài)誤差難以校準。

皮帶秤校準方法有：掛碼、鏈碼和實物校準三種。掛碼校準和鏈碼校準是模擬實物校準，但其并不能充分模擬皮帶秤實際工作狀態(tài)下的多種誤差源，尤其產生不了事物運行中所產生的皮帶張力。因此就產生了校準過程中無法消除的誤差。同時，掛碼校準和鏈碼校準用的標準只是依據理論計算出的值，而不是量值傳遞的計量值。

即使是實物校準，由于不可能在任意多的量程點上進行校準試驗，因此校準誤差不可避免。只有當皮帶秤的工作流量比較恒定，而且只在此流量下檢定時，校準誤差才可以忽略。

皮帶自重不均勻性的影響。如果實物稱量時皮帶所轉過的圈數不是整圈數，就必定存在因自重的不均勻而引起的誤差。其絕對誤差以半圈數時為最大，圈數越多相對誤差就越小。國內目前使用的皮帶并不是為皮帶秤特殊設計的，其自重的不均勻性一般不小于5%，因此，在檢定規(guī)程中吸取德國的經驗，規(guī)定按整圈數進行實物檢測?？蓪⑷嫡`差控制在0.05%以內。綜合起來，實物校準誤差一般在0.1%以內。

（五）環(huán)境誤差﹠5

環(huán)境因素有溫度、濕度、風、振動和電磁干擾。環(huán)境中振動劇烈的設備傳導給皮帶輸送機的振動，以及皮帶輸送機自身系統(tǒng)的振動。其影響稱重準確度的程度與秤架系統(tǒng)的固有頻率強烈相關。美國Thayer衡器公司做過一些分析試驗表明，電阻應變片式稱重傳感器在這方面受影響的程度較大。

電磁干擾可引起皮帶秤和電控系統(tǒng)的電場和磁場變化，在電路中產生感應電動勢，影響有關器件的正常工作。電磁干擾除外部大功率設備的起停的影響外，還有來自皮帶秤測控系統(tǒng)自身的干擾，其中變頻器就是一個主要干擾源。

在其他影響因素中，強烈的震動可傳遞給皮帶秤秤架系統(tǒng)，其中對電阻應變片式傳感器的影響最大。溫度聚變會引起電路元件電動勢和參數的變化，同時對皮帶的性能還有不利影響。

濕度的影響一般表現在皮帶受潮吸濕的最初階段，在此期間含水率的直線上升直至飽和，通過及時的零點校準，其影響可作為皮帶自重的均勻變化并消除。粉塵殘料等也會附著在皮帶秤托輥、傳感器傳力拉桿及皮帶上而對稱重產生影響。粉塵殘料等可通過保養(yǎng)的方法清除，制絲工藝對環(huán)境溫度、濕度又有嚴格要求。當計量精度要求不是很高時，環(huán)境因素不是皮帶秤的主要誤差來源，但是當精度要求很高時并且物料的濕度、環(huán)境溫度變化劇列時，要將環(huán)境因此作為誤差來源主要因素之一。如若工況環(huán)境較好的情況下，環(huán)境綜合誤差一般小于0.05%。

綜上所述，稱重力誤差是皮帶秤諸多誤差中最重要，影響因素最多和最難分析的一項誤差。因此，我們要提高系統(tǒng)動態(tài)計量精度并改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性，就首先要從此環(huán)節(jié)的誤差改善入手。

三、 提高電子皮帶秤可靠性和計量精度的方法

了解了電子皮帶秤的計量原理并對其誤差來源進行了分析，在現有的技術條件下，我們可以采取一定的方法和措施來提高皮帶秤的可靠性和計量精度。

（一）對稱重秤架的改進

測量秤架性能是影響皮帶秤計量精度的關鍵因素。為了降低稱架對電子皮帶稱測量精度的影響，宜采用以下措施。

（1）調整計量托輥，使計量托輥的高度比前后皮帶支撐托輥高度略高。以減小稱重誤差。稱之為“力準直性”方法。

（2）采取新型設計的連續(xù)式機械糾偏裝置限制皮帶的跑偏。

（3）防止秤架變形，一旦秤架變形，皮帶秤不可能進行正確計量，要及時消除這種現象。

（二）對測速裝置的改進

測速傳感器是影響皮帶秤運行可靠性的關鍵因素。改進方法如下：

（1）將測速發(fā)電機式傳感器更換為光電編碼傳感器。

（2）安裝時， 編碼器直接安裝在電機輸出軸上，編碼器得到的脈沖數將提高幾十倍，相應的分辨率能力大大提高，而且其抗干擾能力也相應增強。

（三）皮帶秤校準

要從根本上消除校準誤差需采用全量程動態(tài)校準方法。在皮帶秤校驗過程中必須注意以下幾點：

（1）必須保證皮帶整圈數時間的準確性。并將這一參數重新輸入到儀表內。這一參數對皮帶秤的零點影響很大，如果不準確，皮帶秤在空轉時顯示的皮帶重量會出現反復變化，這就是平常所說的皮帶秤的“零點飄移”。

（2）校驗皮帶秤的零位及量程時，使皮帶空轉15分鐘左右后，再校驗較好。此時，皮帶的張力基本均勻，可以有效減少皮帶張力帶來的誤差。

（3）陰雨天由于環(huán)境潮濕，會引起皮帶自重增加，煙絲等物料也容易粘到皮帶上增加誤差。因此陰雨天不適合于皮帶秤校驗。

（四）消除環(huán)境因素的影響

（1）減少皮帶支撐架的振動。在現有的狀況下，對皮帶秤秤架周圍的支架用槽鋼加固，增加皮帶支架地腳的數量，達到減少振動的目的。

（2）將稱重傳感器信號電纜更換為屏蔽電纜，并將屏蔽層單點接地；采取措施以提高積算顯示儀的抗電磁干擾能力。

（3）環(huán)境溫度的變化，采取相應措施修正“溫飄”對稱重傳感器測量誤差的影響。

（4）做好就地端子箱的防塵和防潮措施，最好將端子箱更換為防塵防潮專用產品。

四、 結束語

影響電子皮帶秤計量準確度的原因很多，但只要深入了解皮帶秤的工作原理，認真對皮帶秤測量體系的各個環(huán)節(jié)進行分析，明確各種影響電子皮帶秤的因素，就能找出合理的解決辦法，從而改善電子皮帶秤的計量準確度和保證皮帶秤的穩(wěn)定運行。

參考文獻：

[1] 徐州三原電力測控有限公司.2000系列電子皮帶秤說明書[D].2005

[2] 郭春偉.配料系統(tǒng)電子皮帶秤計量誤差的分析及改造[J].有色礦冶， 2006

[3] 方原柏.電子皮帶秤的原理及應用[M].中國計量出版社，1994（3）30

[4] 施漢謙，宋文敏.電子秤技術.中國計量出版社，1991