郭華君，張晨辰

（天津鋼管制造有限公司，天津 300301）

冶金工業(yè)中最重要的是對原料、相關冶煉催化劑等投入量的精準計量。傳統冶金行業(yè)的對材料投入量的計量方法采用核子稱進行測量。但是核子秤的標定環(huán)境和工作方式比較特殊，使用時局限性較大，而且無法保證穩(wěn)定的計量精度[1]。因此，需要對冶金工業(yè)中材料的計量方式進行改進。

隨著技術的發(fā)展，料斗秤的出現解決了核子稱應用的限制問題。料斗秤是用于對散裝物料進行自動稱量的理想化現代設備，具有稱重精度高的特點，非常適用于對非粘性散料計量[2]。因此，本文將研究料斗秤自動測量在冶金工業(yè)中的應用。

1 料斗秤自動測量在冶金工業(yè)中的應用研究

1.1 料斗秤稱重信號處理

料斗秤自動測量投入物料時，料斗下方的重量傳感器會感受到料斗重量的變化，從而向微機控制器傳輸檢測到的信號。微機控制器對采集到的信號進行處理、分析，從而完成對投入物料的重量稱量。因此，首先需要對料斗秤重量傳感器檢測信號進行處理。

本文使用最小二乘法對重量傳感器檢測信號進行擬合處理。假設投入的冶金物料顆粒均勻、干濕度一致，此時投入物料的重量與時間近似可以看作線性關系，則可以總結出如下式關系[3]：

公式（1）中，Q(a,b)為均方誤差，a、b為最小二乘法擬合參數；(xi,yi)為輸入的料斗秤重量傳感器檢測信號序列離散值。根據微積分極限值理論對公式（1）進行處理，結合重量傳感器檢測信號序列中離散值(xi,yi)和離散數據點個數，就可以得出最小二乘法擬合參數a、b的具體數值，從而確定擬合函數具體表達式[4]。

在實際稱重過程中，冶金原料投入時的粒度大小、有效成分含量、含水量的不同都會影響料斗秤稱重重量與時間變化的線性擬合度。因此，需要采用分段擬合的方式，對理論擬合函數進行修正[5]。

計算在時間區(qū)段Δt內重量與時間變化的最小二乘法擬合函數[6]。并測量在該區(qū)間段內的物料裝載速度。計算關閉物料投入閥門的提前量，當提前量與稱重量達到預設值時，料斗秤微機控制器發(fā)出關閘信號，完成一次物料投入過程。

1.2 料斗秤稱重誤差校驗

使用料斗秤對冶金材料稱重時為提高稱重計量的精度，需要對稱重誤差進行校驗。料斗秤稱重誤差校驗分為兩部分，即靜態(tài)校驗、動態(tài)累計誤差的校驗。

靜態(tài)校驗為料斗秤稱重誤差校驗的基礎。當料斗秤相關線路、設備安裝完成后，檢查料斗秤重量傳感器儀表接線是否完好后，通電[7]。通電后，料斗秤儀表盤上顯示的數字為料斗的凈重量。按去皮按鍵，將料斗秤料斗的凈重量歸零。向料斗中放入已知重量的標準物，調整料斗顯示儀表的相關系數及放大倍數，直至料斗秤儀表顯示重量與標準物已知重量一致，并且儀表顯示的精度達到標準要求。此時，完成對料斗秤的靜態(tài)校驗。

動態(tài)累計誤差是料斗秤自動測量的最終要求，根據冶金生產環(huán)節(jié)對投入料的要求、成本控制、管理要求等因素，制定料斗秤的動態(tài)累計誤差。動態(tài)累計誤差也采用實物標定的方式，要求動態(tài)累計誤差的精度為靜態(tài)校驗精度的3倍以上。即向料斗秤內分3次投入標定后的標準物料，按照下式計算動態(tài)累計誤差[8]。

公式（2）中，m為每次投入的標準物料的已知重量；n為每次檢定時，料斗秤儀表盤的顯示重量。在計算動態(tài)累計誤差時，需保證單次計算的誤差均小于等于±1%。以不同重量的標準物料分別進行3次稱重，完成動態(tài)校準。

雖然料斗秤經過靜態(tài)校驗、動態(tài)累計誤差校驗，但是在料斗秤實際使用過程中，由于冶金材料本身的性質不同、設備操作不同、誤差校定標準物的損耗以及設備長時間使用的消耗等，都會影響料斗秤自動測量的精度。因此，需要添加動態(tài)不確定度，來確保料斗秤的計量精度。

動態(tài)不確定度主要來源于料斗秤儀表盤的分辨率、標定物質量總合的誤差分布、歸零誤差檢定的不確定度、超差修正前的誤差分布以及重復校定時標定物殘留影響的偏載誤差等[9]。對于料斗秤儀表盤的分辨率的不確定度，直接將該部分設置為檢定分度值與實際分度值相 等，用檢定分度值代替該部分的不確定度。對于標定物質量總合的誤差分布，需要設定每一標定物的使用次數上限、標定物的進行標定時的磨損率等參數，按照限定使用次數，結合磨損率，分級劃定不確定度。對于歸零誤差檢定的不確定度，在初始歸零時對料斗秤儀表進行多次歸零，則在使用時該不確定度可以忽略不計。超差修正的不確定度和偏載誤差不確定度，則通過最小二乘法擬合得到對應的不確定數值。料斗秤的綜合動態(tài)不確定度可以用以上所有確定的不確定度的平方和的二次根值代替。最終的料斗秤對冶金材料的計量結果為儀表盤顯示值與綜合不確定度之和。確定料斗秤的動態(tài)不確定度后，使用料斗秤對冶金材料進行計量。

1.3 料斗秤稱重實現過程

使用料斗秤對冶金材料稱重時，首先需要根據傳感器測量的投入料的大體重量，對料斗秤自動測量儀表定量范圍進行更改、設定。調出儀表中需要的計量范圍設定點。

根據預設投料程序，控制變頻器向料斗秤內進行粗給料操作。當料斗秤料斗內重量發(fā)生變化時，重量傳感器將檢測后的信號輸入微機控制器中，經過一系列的處理后，重新根據處理結果對料斗秤自動測量儀表定量范圍進行更改、設定。判斷是否達到料斗秤自動測量儀表粗給料定值，若達到，則控制變頻器進行細給料，即以緩慢速度向料斗內投入冶金材料；反之，若未達到粗給料定值，則再次向料斗內進行粗給料，直至達到粗給料定值[10]。

向料斗內進行細給料時，料斗秤重量傳感器檢測到細給料定值的變化，若達到設定的細給料定值，則控制變頻器停止向料斗內進行細給料，此時還需判斷儀表盤的重量顯示是否穩(wěn)定，并且沒有超差現象；若還未達到設定的細給料定值，則繼續(xù)向料斗內進行細給料，直至到達定值。

達到設定的細給料定值后，整體料斗內的重量滿足單次投料的重量要求，此時打開料斗閥門，進行卸料操作。卸料完成后，將料斗秤儀表盤歸零，關閉料斗卸料閥門，完成一次對冶金材料投料計量操作。

至此，完成了對料斗秤自動測量在冶金工業(yè)中的應用的研究。

2 實驗研究

本文研究了應用料斗秤自動測量的冶金產品計量方法，為驗證該方法的有效性，下面將設計實驗。通過對實驗結果的分析、比較，評價該方法是否可以在實際冶金工業(yè)中開展使用。

2.1 實驗內容簡述

為使得實驗結果更加客觀、科學、有效，本次實驗采用對比實驗的形式。選取基于核子稱測量的原料計量方法為對比。使用兩個方法同時對相同體積、質量的冶金原料進行計量。

通過對比兩個計量方法的在不同環(huán)境下的計量誤差以及測量結果的反應時間，比較兩個方法的實用性高低。為保證計量誤差的可信度，本文選擇經過多次校準后的標準量稱的計量結果作為標準值計算計量誤差。記錄、處理兩組實驗的實驗數據，得出最終的實驗結論。

2.2 實驗結果

兩種方法對相同冶金材料進行計量的計量誤差以及計量反應時間對比結果如表1所示。

分析表1中的計量誤差一項可知，使用本文方法對冶金材料進行計量的計量誤差整體均小于使用對比方法對冶金材料進行計量的計量誤差。并且針對不同的冶金材料進行計量時，本文方法的計量誤差浮動范圍較為穩(wěn)定，而對比方法的計量誤差波動范圍較大。計算兩種方法的平均計量誤差，本文方法的平均計量誤差為1.235kg，對比方法的平均計量誤差為4.008kg，本文方法的平均計量誤差約為對比方法的2/7，說明本文方法對冶金材料的稱重精度更高。

分析上表中的計量反應時間一項可知，對相同冶金材料進行計量時，本文方法的計量反應時間均遠遠小于對比方法的計量反應時間，說明本文方法對冶金材料的重量變化更加迅速。計算兩種方法的平均反應時間，本文方法的平均計量反應時間2.261 ms，對比方法的平均計量反應時間為14.298 ms，本文方法的平均計量反應時間約為對比方法的1/6，說明本文方法進行計量時對計量材料的重量變化更為敏感。

表1 計量誤差以及計量反應時間對比結果

綜合以上兩個實驗指標數據結論，本文研究的應用料斗秤自動測量的冶金產品計量方法對冶金材料進行計量時具有計量精度高、計量反應時間短的優(yōu)點，實際使用效果更佳。

3 結束語

本文通過提出應用料斗秤自動測量的冶金產品計量方法，明確了料斗秤自動測量在冶金工業(yè)中的應用方式之一。通過實驗，證明了應用料斗秤自動測量的冶金產品計量方法能夠有效提升冶金工業(yè)生產過程中原料的計量精度，具有實際使用價值，應該推廣使用。