散狀物料計量與陣列式皮帶秤

       散狀物料計量與陣列式皮帶秤

現代物流中，散狀物料（煤炭、礦石等）的準確計量一直是個困擾供需雙方的世界性難題。因為這類物資的轉移大多采用皮帶輸送機。同樣在電力、冶金等工廠中各種原燃料（煤、礦石等）的轉運、入爐也存在著準確計量的問題。在這些場合最方便、最實用的計量器具當屬“皮帶秤”，它可以實現在物料輸送的過程中同步地進行計量。

但由于“皮帶秤”屬于自動衡器，存在計量精度低的問題。在現行的國家標準中皮帶秤的準確度等級為0.5級。與貿易計量通常采用的非自動衡器相比大的差距。更為關鍵的是由于稱重原理及使用中存在的問題，使得皮帶秤的準確度難以長期穩定的保持（實際使用中的誤差高達1～5%。）所以國際、國內貿易中船運散狀貨物的計量通常采用“水尺計重”法。

    “水尺計重”是一種原始的計量方法。是根據“阿基米德定律”的原理，通過在裝（卸）船前和裝（卸）船后分別測定前后兩次船舶的吃水線，并測定前后兩次的船用淡水、壓艙水及燃油的貯存量或消耗量，同時前后兩次測定船邊港水密度，然后按照船方提供的排水量表或載重量表以及有關的靜水力曲線圖表、水油艙計量表和校正表等船用圖表計算出船舶載運貨物的重量。

    影響水尺計重精度的客觀因素很多：如船舶拱陷變形、定量備料更動、港水風浪等等，要求船舶的艏舯艉水尺標記和載重線標記的字跡必須清晰、刻度正確無誤；具備船舶正確而有效的圖表，包括：排水量表或載重量表，靜水力曲線圖或可供排水量縱傾校正的圖表，水油艙計量表及縱傾校正表，船型圖或可供船艏艉水尺縱傾校正的有關圖表。

最為重要的是，水尺計重是憑借肉眼觀察確定的。簡單的目測只有在風平浪靜，水平面與水尺標志的交線是固定時，數據才是準確的；而當有風浪尤其是較大風浪時由于波面起伏不平，波面與水尺標志的交線就成了瞬息萬變的曲線。此時觀察者只能憑經驗判斷船舶吃水值，測得的重量難免帶有主觀臆斷性（這其中還不包括與“腐敗行為”掛上鉤的主觀故意），有失客觀、公允。

根據國際慣例水尺計重的誤差為±0.5%，但是實際的準確度誤差是遠遠大于0.5%的。

故而由此帶來的誤差也是驚人的。以一艘5萬噸的貨輪計算：吃水誤差1cm，貨物誤差就高達200t以上。如此大的計量誤差，勢必成為貿易爭端最常見的起因；同時也會嚴重影響企業原、燃料的消耗指標，給國家和企業帶來巨大的經濟損失。按這個誤差推算：沿海（江）的火力發電廠一臺300Mw的發電機組，水尺讀數誤差每cm ，全年將產生3500t誤差 、折合人民幣約300萬元。

皮帶秤為什么存在計量精度低、穩定性差的弊病，導致其無法應用于大宗散狀物料的計量呢？這是由皮帶秤的固有缺陷造成的。

傳統皮帶秤的誤差分析

下式是皮帶秤的誤差公式：

                       E相＝±2KdFp/nqa2

   式中：  E相—相對誤差  K—皮帶效應系數  Fp—皮帶張力 

  d—稱重輥垂  n—稱重輥組數  q—每米料重   a—托輥間距

皮帶秤的誤差來源有三：首先是皮帶張力

    下圖為一個簡化的皮帶秤原理圖：

                    固定輥      傳感器     稱重輥         固定輥

                              （圖一）

其受力分析如圖二：

                               （圖二）

圖中：  FP 是皮帶張力；FW 是物料重量（需測量的力）；

FC 為稱重傳感器受的力；α是皮帶張力FP與水平方向形成的夾角

根據受力分析可得到如下結論：FC ＝ FW + 2FP * sinα

而皮帶張力是皮帶輸送的一個基本屬性，它會隨溫度、濕度以及帶速、物料的密重、流量、粒度的變化而變化。

皮帶秤產生誤差的來源之二：皮帶效應

皮帶效應是指皮帶的硬度、彈性等物理特性及截面形狀對稱重產生的效應。皮帶效應作用在秤架上，對皮帶秤的受力及力傳遞產生極大的影響。皮帶效應取決于皮帶狀態及所處環境。皮帶狀態隨時間、溫度、張力、流量及皮帶材質、軟硬度、截面形狀而變化，對稱量結果影響很大，是皮帶秤長期穩定性差的影響因素。

皮帶秤產生誤差的來源之三：溫度變化對傳感器的影響

    我國大部分地域處于溫帶。四季分明、晝夜溫差大，最高可達1~200c、季節溫差變化最大達30～400c，。溫度變化對稱重傳感器的靈敏度影響，導致稱重結果不能保持原有的精度、即長期穩定性不好。

    三大影響因素導致皮帶秤的精度低、長期穩定性差，成為制約皮帶秤成為貿易級計量的工具。

南京三埃有限公司（鏈接網址）通過多年的研究及大量試驗開發研制出一種新的高準確度皮帶秤——陣列式皮帶秤。

陣列式皮帶秤的定義：以一只稱重傳感器為支承，采用特殊的結構安裝兩組托輥，組成一個獨立的稱重單元—單點懸浮式稱重單元；將N個稱重單元連續安裝，組成一個稱重陣列。

陣列式皮帶秤以一種新的皮帶秤誤差理論為基礎，由N個稱重單元組成一個陣列稱量系統，極大地降低了皮帶張力帶來的影響。使得皮帶秤的準確度和長期穩定性得以大大提高，可長期保持優于0.%的稱量誤差。

（鏈接：陣列式皮帶秤產品指南）

陣列式皮帶秤的技術突破

一、理論上的突破

一、理論上的突破

陣列式皮帶秤基于一個新的皮帶稱重誤差理論——“內力”理論。即：在一個稱重陣列里，皮帶張力轉變成為系統內力，張力的變化在系統內此消彼長、相互抵消，對系統的影響為零。

二、結構上的改革

單點懸浮式稱重單元，結構采用直聯式連接。摒棄傳統的杠桿系統，消除了機械變形引入的誤差，保持了稱重系統的長期穩定性。

三、技術上的創造

陣列式皮帶秤在信號處理系統有著獨特創新點：

1、張力二次補償。

在“內力”理論的支持下，陣列內部的張力變化對稱重幾無影響，但進出口單元仍會受影響。信號處理系統通過對相同載荷在不同稱重單元產生的信號差異對首尾單元進行修正，進一步提高了陣列式皮帶秤的準確度。

2、對稱重傳感器進行溫度補償

溫度對衡器準確度與耐久性的影響往往不被用戶重視，但實際使用時溫度變化所造成的影響還是不容忽視的。特別是傳感器靈敏系數的溫度系數，對皮帶秤的耐久性指標尤為關鍵。由于皮帶秤使用現場的溫度季節變化有30～400c，由溫度變化引入的誤差是造成多數電子衡器耐久性指標差的重要因素之一。

陣列式皮帶秤使用的每一只傳感器都經過48小時的帶載溫度檢測，測得的溫度曲線供現場溫度補償使用。

四、完善的修正補償軟件

包括：張力補償軟件、拉格朗日線性修正軟件、皮帶效應跟蹤軟件、溫度補償軟件、運行狀態跟蹤補償軟件等。

五、應用功能

包括： 智能自動除皮功能；故障早期診斷功能；狀態、操作記錄、查詢功能；遙測、遙訊、遙控功能等。

六、基于物聯網技術的《陣列式皮帶秤遠程系統（ZLNET）》

南京三埃將物聯網技術應用于皮帶秤上，于2012年正式推出應用于陣列式皮帶秤的《皮帶秤遠程系統》 。

《皮帶秤遠程系統》依托無線網絡，通過GPRS將用戶設備與公司網絡服務器握手連接。用戶皮帶秤的各種信息與系統的各項指令實時交換，實現了遙測、遙訊、遙控。

陣列式皮帶秤的特點 

一、長期保持準確度誤差≤0.2% ；

二、現場免維護，無需專業維護人員；

三、可采用掛碼標定，與實物檢定誤差≤0.5%；

陣列式皮帶秤與皮帶秤的耐久性能試驗

皮帶秤的耐久性能是關系皮帶秤長期穩定性的關鍵指標，這一點已經為國際、國內業界所重視。國際法制計量組織(OIML)質量技術委員會/自動衡器分技術委員會（TC9/SC2）于2009年2月4、5日在倫敦舉行會議,討論“關于連續累計自動衡器引進耐久度測試”的提議，擬在改版的國際建議（OIML R50）中增加皮帶秤耐久性指標及耐久性測試項目。

陣列式皮帶秤研發之初即在南京三埃投巨資建設的《QPS皮帶秤全性能實驗室》進行過各種耐久性能試驗，包括：皮帶張力變化影響的模擬試驗、水平力影響的模擬試驗、振動及速度變化影響的模擬試驗、皮帶速度變化試驗、流量變化試驗等。（鏈接：陣列式皮帶秤的耐久性試驗）

試驗采用提高嚴酷度的方法、用嚴酷度來替代時間長度，客觀的測試出皮帶秤的耐久性能。2011年4月OIML SC2/TC9在倫敦召開的R50－1：2009 /3cd討論會上，南京三埃向國際同行作了介紹，獲得了充分肯定。