隨著技術(shù)的進(jìn)步, 由稱重模塊為核心的電子稱重系統(tǒng)已廣泛地應(yīng)用到各行各業(yè), 實(shí)現(xiàn)了對設(shè)備物料的快速、準(zhǔn)確的稱量, 特別是隨著微處理機(jī)的出現(xiàn), 工業(yè)生產(chǎn)過程自動(dòng)化程度化的不斷提高, 稱重系統(tǒng)已成為過程控制中的一種必需的裝置,從以前不能稱重的大型罐、料斗等重量計(jì)測到混合分配多種原料的配料系統(tǒng)、生產(chǎn)工藝中的自動(dòng)檢測和粉粒體進(jìn)料量控制等, 都應(yīng)用了稱重系統(tǒng), 目前, 稱重系統(tǒng)幾乎運(yùn)用到了所有的稱重領(lǐng)域。本文就常用的電阻應(yīng)變式稱重模塊構(gòu)成的稱重系統(tǒng)進(jìn)行探討。
 

1 稱重原理
 

1 . 1 稱重模塊

根據(jù)稱重模塊在實(shí)際應(yīng)用中受力特點(diǎn),稱重模塊分為兩種,靜載稱重模塊與動(dòng)載稱重模塊。靜載稱重模塊適用于只受垂直作用力的場合。如槽罐、儲(chǔ)料斗的重量檢測。動(dòng)載模塊適用于作用力較明顯的場合。如平臺(tái)、生產(chǎn)線、傳送帶的重量檢測。

稱重模塊是一種新型的稱重元件,它將稱重傳感器、負(fù)荷傳遞裝置和安裝連接件等部件組合在一起,可以非常方便地和各種形狀的機(jī)械裝置相連接,如滾道、平臺(tái)、立罐、槽罐、料斗等。以稱重模塊為核心的電子稱重系統(tǒng)既可以保證稱重的精度高,長期穩(wěn)定性好的特點(diǎn),又解決了因安裝不當(dāng)而造成的稱重誤差。使用稱重模塊的系統(tǒng)在理論通常上能達(dá)到優(yōu)于萬分之五的測重精度。
 

1 . 2 電子稱重系統(tǒng)組成

電阻應(yīng)變式稱重模塊是基于這樣一個(gè)原理:彈性體( 彈性元件,敏感梁) 在外力作用下產(chǎn)生彈性變形, 使粘貼在他表面的電阻應(yīng)變片( 轉(zhuǎn)換元件) 也隨同產(chǎn)生變形, 電阻應(yīng)變片變形后, 它的阻值將發(fā)生變化( 增大或減小),再經(jīng)相應(yīng)的測量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)( 電壓或電流) , 從而完成了將外力變換為電信號(hào)的過程。

由此可見, 電阻應(yīng)變片、彈性體和檢測電路是電阻應(yīng)變式稱重模塊中不可缺少的幾個(gè)主要部分。以一個(gè)典型的化工料罐為例, 安裝在

料罐底部的稱重模塊將料罐的重量信號(hào)傳至接線盒。接線盒中并聯(lián)各路稱重模塊信號(hào), 并可根據(jù)各稱重模塊受載情況調(diào)節(jié)角差, 經(jīng)過匯集后的重量信號(hào)送至重量變送器。重量變送器將重量信號(hào)處理成相應(yīng)的重量數(shù)據(jù)輸出至控制系統(tǒng)。

如圖1 所示, 檢測電路的功能是把電阻應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷狠敵觥Ｔ谒訕驂篣 不變的情況下, 傳感器輸出信號(hào)與作用在傳感器上的重力和供橋橋壓成正比, 而且, 供橋橋壓U 的變化直接影響電子稱的測量精度, 所以要求橋壓很穩(wěn)定。因?yàn)榛菟沟请姌蚓哂泻芏鄡?yōu)點(diǎn), 如可以抑制溫度變化的影響, 可以抑制側(cè)向力干擾, 可以比較方便的解決稱重模塊的補(bǔ)償問題等, 所以惠斯登電橋在稱重模塊中得到了廣泛的應(yīng)用。因?yàn)槿珮蚴降缺垭姌虻撵`敏度較高, 各臂參數(shù)一致,各種干擾的影響容易相互抵銷, 所以稱重模塊均采用全橋式等臂電橋。
 

2 稱重系統(tǒng)的工程應(yīng)用
 

2 . 1 工藝簡述

如圖2所示,在安慶石化的SHELL煤氣化裝置中, 粉煤灰的進(jìn)料與放料都有一套復(fù)雜的自動(dòng)順序控制系統(tǒng), 用于定時(shí)完成對介質(zhì)的進(jìn)料和放料, 工藝流程簡圖如下所示。循環(huán)順序控制基本分為減壓、放料、充壓、進(jìn)料等部分,鎖斗罐充壓后與上部高壓設(shè)備均壓連通進(jìn)料, 進(jìn)料完成之后與上部高壓設(shè)備隔離,減壓至接近常壓,再與下部放料罐均壓連通放料, 較后放料罐常壓放料。運(yùn)行中在進(jìn)料和放料時(shí)鎖斗罐收集的灰量是作為循環(huán)順序控制中的判別條件,這個(gè)重量達(dá)到設(shè)定值則程序向下進(jìn)行,鎖斗罐與上下兩臺(tái)設(shè)備間的高低壓隔離以及均壓后連通和放料,否則程序保持,繼續(xù)收集煤灰。因此不難理解對鎖斗罐收集的灰進(jìn)行稱量是保證在不中斷氣化爐運(yùn)行的情況下定期對灰進(jìn)行收集和放料。
 

2 . 2 設(shè)備配置

鎖斗罐V1504A/B和V1505是煤氣化工藝裝置中需要稱重控制進(jìn)出的設(shè)備, 設(shè)備稱重儀系統(tǒng)采用了分度數(shù)高、綜合性能好、抗干擾能力強(qiáng)、長期穩(wěn)定性和工作可靠性好的梅特勒-托利多的高溫?cái)?shù)字稱重模塊,其內(nèi)部有稱重傳感器和微處理器芯片,可以對自身進(jìn)行診斷,每個(gè)傳感器都有自己的地址,采用高精度高速A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)、全面的傳感器數(shù)字補(bǔ)償技術(shù)以及遠(yuǎn)程高速防爆通信能力, 穩(wěn)定性和過載性能超越了常規(guī)稱重模塊的極限,稱重變送器采用的是菲利普的PR1710系列儀表,能夠在線監(jiān)測各個(gè)傳感器輸出并進(jìn)行智能處理, 達(dá)了

OIML C6的精度。

如圖3所示,安裝在底部的四個(gè)壓式稱重模塊將罐體的重量信號(hào)傳至接線盒。接線盒并聯(lián)各路稱重模塊信號(hào), 并可根據(jù)各稱重模塊受載情況調(diào)節(jié)角差, 經(jīng)過匯集后的重量信號(hào)送至稱重量變送器。重量變送器將重量信號(hào)處理成相應(yīng)的重量數(shù)據(jù)傳輸?shù)紻 C S控制系統(tǒng)。

3 應(yīng)用中出現(xiàn)的問題及分析
 

3 . 1 問題的提出

設(shè)計(jì)對V1504A/B和V1505的灰量是采用靜態(tài)稱重方式,在靜態(tài)調(diào)試時(shí),所有的標(biāo)定工作都很正常。但裝置運(yùn)行后設(shè)備在工作中內(nèi)部壓力是交變的,溫度也有變化,發(fā)現(xiàn)設(shè)備V 1 5 0 4 A / B 和V 1 5 0 5 的稱重儀15WT0001/0051/0002測量顯示重量隨壓力升高而增大, 并與溫度變化也有一定的關(guān)聯(lián), 這樣一來就影響了工藝過程測量和控制, 導(dǎo)致進(jìn)料與放料的自動(dòng)順序控制系統(tǒng)無法正常運(yùn)行。
 

3 . 2 問題分析

經(jīng)過我們對現(xiàn)場安裝情況的詳細(xì)檢查,首先拆除設(shè)備上部膨脹節(jié)的保溫層。逐個(gè)檢查膨脹節(jié)螺栓的緊固狀態(tài);松解緊固的螺栓,同時(shí)觀察設(shè)備稱重儀顯示狀況,顯示向誤差減小的方向恢復(fù),說明是該原因造成誤差的因素之一。設(shè)備稱重儀稱重?cái)?shù)據(jù)是否受壓力影響取決于設(shè)備的開口位置、大小、管道連接方式、安裝水平等確定,關(guān)鍵是否存在剛性連接。出現(xiàn)稱重?cái)?shù)據(jù)受壓力影響,表明存在剛性連接。在設(shè)備關(guān)聯(lián)的膨脹節(jié)中,有壓力平衡式,對設(shè)備的受力狀態(tài)影響很小;也有采用通用型的,就存在盲板力,盲板力由設(shè)備和上方的固定點(diǎn)承受,盲板力與工作壓力有關(guān),工作壓力(內(nèi)壓)越大,盲板力越大。原因分析清楚了,但是短期內(nèi)改變設(shè)備的開口位置、大小、管道連接方式都是非常困難,甚至是不可能的。

4 解決方案
 

4 . 1 設(shè)備安裝上的整改

原稱重傳感器的限位機(jī)構(gòu)布置情況限位效果較差,間隙不在8～11mm以內(nèi);我們進(jìn)行了重新調(diào)整。工作時(shí)罐體溫度升高比較多, 限位機(jī)構(gòu)與罐體裙邊的間隙過小容易發(fā)生摩擦卡死出現(xiàn)附加誤差現(xiàn)象, 整改后消除了這一現(xiàn)象。
 

4 . 2 建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行軟件補(bǔ)償

通過長時(shí)間跟蹤工藝操作數(shù)據(jù)我們發(fā)現(xiàn),稱重顯示重量隨壓力升高而增大是有規(guī)律的,重量和壓力曲線基本上是線性,這樣為修正提供了可能。我們嘗試建立數(shù)學(xué)模型,用軟件方法在DCS中完成壓力修正補(bǔ)償。根據(jù)掌握的情況, 在壓力和溫度兩個(gè)因素中,目前表現(xiàn)出壓力影響大,溫度影響小,故應(yīng)該首行壓力修正工作,而操作記錄數(shù)據(jù)表明, 稱重顯示重量受壓力影響基本是線性關(guān)系, 因此整個(gè)修正補(bǔ)償建模工作大體上分為三步。
 

第一步,根據(jù)要求,在修正中需要一并考慮壓力和溫度的影響。故將數(shù)學(xué)模型暫以下式表示:物料重量(G)=顯示重量(Gx)－K1壓力(P)－K2溫度(T)即G=Gx－K1P － K 2T
第二步, 如果進(jìn)行操作壓力下的溫度影響修正, 應(yīng)該首先在常溫下完成壓力修正工作。在不改變溫度的條件下,壓力修正公式為:壓力修正重量(GYX)=Gx－K1P
第三步,完成壓力影響修正工作后,在操作壓力下讀取溫度影響數(shù)據(jù), 按照以下關(guān)系計(jì)算出溫度修正系數(shù)。G = G Y X－ K 2 T 公式中K 1和K 2是修正系數(shù), 由設(shè)備的開口位置、大小、管道連接方式?jīng)Q定。每個(gè)罐的修正系數(shù)K 1和K 2不相同, 其差值由膨脹節(jié)制造差異性和罐體開口、管道施工等差異性造成。另外, 個(gè)別閥門的開啟和關(guān)閉會(huì)影響罐體在垂直方向的受力面積,由此造成修正系數(shù)K1的變化。因此需要根據(jù)工藝過程、閥兩端壓力差、受力狀態(tài)等因素,驗(yàn)證修正系數(shù)K1的適用條件。
 

4.3 K1 和K2 的實(shí)際計(jì)算

K 1和K 2的理論計(jì)算較繁, 在目前的情況下, 實(shí)際測量比較容易, 各讀取3個(gè)狀態(tài)(常壓、操作壓力、中間壓力和常溫、操作溫度、中間溫度)下的設(shè)備稱重儀顯示數(shù)據(jù)得出“加載-響應(yīng)情況”,即可以計(jì)算得出K1和K2,基本可以滿足工藝控制精度。我們對壓力影響數(shù)據(jù)的測量方法為,在常壓條件下,待稱重顯示數(shù)據(jù)穩(wěn)定5min后以固定的時(shí)間間隔(2～5min)讀取數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)數(shù)量以5 ～7 個(gè)為宜, 以該組數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值為計(jì)算依據(jù)。常壓下的數(shù)據(jù)作為物料重量使用壓力影響的數(shù)據(jù)記錄在數(shù)據(jù)記錄表中。操作壓力和中間壓力條件下測量數(shù)據(jù)的方法和上面相同, 中間壓力條件下測量數(shù)據(jù)作為參考, 用于檢查修正系數(shù)K1的線性。以V-1504A的K1計(jì)算為例,見表1。

 

5.3.1 壓力修正系數(shù)K1的計(jì)算。

K1=(操作壓力下顯示重量－常壓下顯示重量)/(操作壓力常壓)式中,重量單位噸( T),壓力單位兆帕(MPa), K 1=(18.648－1.814)/(0.59－0.012)=16.834/0.578=29.1246。
 

5.3.2 溫度修正系數(shù)K2的計(jì)算

完成壓力影響修正工作后, 進(jìn)行溫度影響數(shù)據(jù)測量工作。在操作壓力、常溫條件下,待設(shè)備稱重儀顯示數(shù)據(jù)穩(wěn)定5分鐘后以固定的時(shí)間間隔(2～5min)讀取數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)數(shù)量以5 ～7 個(gè)為宜, 以該組數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值為計(jì)算依據(jù)。操作壓力、常溫條件下的數(shù)據(jù)作為壓力修正重量(GYX)使用,其后續(xù)計(jì)算方法基本同K1。實(shí)測表明,溫度影響的偏差很小,基本可以忽略,這里溫度影響的數(shù)據(jù)記錄及計(jì)算不再贅述。
 

4.4修正后的驗(yàn)證

裝置運(yùn)行后和運(yùn)行期間, 隨著裝置負(fù)荷的變化和運(yùn)行時(shí)間的推移,設(shè)備框架、設(shè)備管道應(yīng)力狀態(tài)都會(huì)持續(xù)發(fā)生變化, 從而影響K1和K2的修正效果。應(yīng)該注意觀察,及時(shí)調(diào)整,K1和K2經(jīng)過幾次調(diào)整后會(huì)穩(wěn)定。修正后原稱重儀的量程需要同步修改,我們考慮裝置操作人員的需要,在DCS顯示屏保留現(xiàn)在的設(shè)備稱重儀顯示數(shù)據(jù),增加修正后的重量數(shù)據(jù)參考顯示。
 

5 結(jié)語

電子稱重系統(tǒng)在過程控制中的應(yīng)用已越來越廣泛,但如何提高應(yīng)用水平,使之達(dá)到應(yīng)有的測量精度,設(shè)備安裝中一定要重視安裝質(zhì)量, 特別注意膨脹節(jié)制造差異性和罐體開口、管道施工、管道連接方式、是否存在剛性連接等關(guān)鍵問題, 將壓力和溫度兩個(gè)因素對設(shè)備稱重儀系統(tǒng)造成的影響降到較低。如果稱重儀系統(tǒng)受到變化的壓力和溫度兩個(gè)因素的影響, 通過找出影響規(guī)律建立修正數(shù)學(xué)模型后, 完全能夠滿足過程工業(yè)控制的需要。