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重力式自动装料衡器(定量秤)技术及其发展
点击次数:833 发布时间:2017-12-05
 

  重力式自动装料衡器作为贸易结算的重要计量设备,在种子,粮食,饲料,化工,建材等国民经济各个领域中都有广泛的应用,近年来,由于微电子技术和软件技术的高速发展,定量秤在操作界面、控制方法、可靠性等方面都有较大发展,本文将就相关技术进行讨论,zui后还将阐述定量秤的发展趋势。

  在国际法制计量组织(OIML)R61号国际建议和我国相关的或行业标准中是这样定义重力式自动装料衡器(定量秤)的:“把散状的物料分成预先设定的且实际上恒定质量的装料,并将装料装入容器的自动衡器”(《重力式自动装料衡器(定量秤)检定规程》JJG564-2002T1.3)。由此可见,定量秤包含两个基本功能,其 ,将散状的物料分成预先设定的,恒定的载荷:其二,将一个或多个载荷装入容器。

  定量秤的性能采用准确度等级进行评价,在评价准确度等级时,物料的颗粒度等因素作为影响因子并进行了考虑。

  除常见的增量型重力式自动装料衡器外,还包括以下三种类型的重力式自动装料衡器:

  组合型衡器:该型衡器有多个称重单元,通过对多个称重单元的载荷进行计算,将载荷的组合作为一次装料输出的重力式自动装料衡器。计算载荷是以每次装料的准确度zui高为优化目标的,完成每一次装料的称重单元数量可以是相同的,也可以是不同的。

  累加型衡器:只有一个称重单元,通过多个给料装置和多个称量周期,控制每次输出的装料质量的重力式自动装料衡器。在饲料,冶金,建材等行业使用的配料秤就是典型的累加衡器。

  减量型衡器:通过控制称重料斗内的重量输出,来确定装料质量的自动装料衡器。在减量重力式自动装料衡器中,料斗中物料重量的减少量就是减量秤的装料重量。

  本文重点讨论增量型重力式自动装料衡器。

  一、定量秤的工作原理

  a)组成部分

  定量秤通常由给料装置,承载装置、灌装装置和机架等组成。

  给料装置:由于物料的流动性不同,给料装置的设计也有很大差别,对于流动性好的颗粒状物料,可以选择弧形活门给料,当活门打开后,由于重力的作用,物料自动从活门口流出,也可采用振动料槽方式,通过控制料槽的振动频率和幅度,使得料槽中的物料沿着料槽前进,达到控制给料的目的;对于流动性比较差的粉状物料,通常采用螺旋(绞龙)推进方式强制给料;对于颗粒和粉状混合的物料(比如:畜禽饲料)通常采用小型皮带输送给料。

  为了保证计量的准确性和适当的工作效率,通常采用快、慢两级给料形式向承载装置添加物料。

  承载装置:承载装置连接传感部件,以此来控制给料装置的加料过程,承载装置同时还必须具备已经计量完成的物料的自动卸料(卸载)功能。

  灌装装置:称重结束后,承载装置自动卸料,通过灌装装置将物料装入容器,小型定量秤的罐装装置为简单的锥形斗,大型定量秤的罐装装置的锥形斗处设有夹袋部件,灌装时可以将口袋夹在处,粉状物料的罐装装置还应设有回风口,提供口袋中空气的回流通道,减少粉尘通过袋口外溢。

  b)工作原理

  定量秤工作时,通常采用快加料迅速向承载装置中添加物料,当承载装置中的物料达到一定重量时,快加料停止工作,系统确定承载装置中的物料真实重量,调整下一个称重周期的给料参数,zui后打开卸料装置,将物料装入容器。

  由上图可见,由于快加料的给料速度较快,快加料的停止点往往高于包装重量,经过快加料稳定周期重量回落到真实值,细给料器继续工作,直到重量达到设定值停止,再由稳定称重周期取得称重的真实重量。

  二、早期的定量秤

  60~70年代,定量秤多采用杠杆称重原理工作,通过对系统中的杠杆的位置检测确定称重重量,进而通过继电器联锁控制喂料过程,系统称重精度低,速度慢。随着电子技术的发展,一种通过称重传感器测量重量,电脑控制系统进行重量分析与控制的新型电脑定量秤已经取代了老式的定量秤系统。

  三、现代定量秤技术

  a)传感器技术

  电阻应变片式称重传感器技术的不断进步,为定量秤的技术进步提供了前提和保障。称重传感器实际上是将四只电阻应变片按照需要粘贴到称重传感器的弹性体上,并组成惠斯通电桥,当称重传感器弹性体受力变形时,电桥失去平衡而产生信号输出。称重传感器的输出特性由输出灵敏度进行评价,单位是mV/V,称重传感器的输出灵敏度通常是2.0mV/V左右,称重传感器的准确度通常为满量程的万分之二,也就是0.02%(FS)。

  b)称重信号前置放大及预处理

  信号前置放大:由于称重传感器的输出灵敏度~般为2.0mV/V,称重传感器的满量程输出也仅仅为1 0mV左右,而模拟/数字转换(A/D)器件的模拟输入信号一般要求在“伏”的量级上,如果模拟/数字(A/D)转换器件内部没有设计模拟信号的前置放大电路,就必须通过设计前置放大电路对称重传感器的输出信号进行多级、数百倍甚至数千倍放大,以满足A/D转换器件对输入信号幅度的要求。定量秤有些情况下安装在户外,工作环境相对比较恶劣(温度变化大,电磁干扰强),因此,称重仪表所使用的放大器必须是低漂移(低温度漂移,低时间漂移)、低噪声、低失调的高性能放大器。

  滤波:滤波是对信号进行调理的一种常用技术手段,通过滤波技术zui大限度的抑制噪声信号,现代称重控制仪表中所使用的滤波可以分为硬件滤波和软件滤波两种,在很多称重仪表中既使用硬件滤波方式,又使用软件滤波方式。

  硬件滤波一般可以分为有源滤波和无源滤波两种,可以采取一级或多级滤波形式,软件滤波通过专用的数学模型,抑制和降低信号中的噪声分量,通??刹捎闷交德瞬?,加权中值滤波等计算方法。

  C)模拟/数值转换(A/D转换)

  随着微电子技术的不断发展,A/D转换器件的工作原理也发生了巨大的变化,A/D转换方式由双积分方式、三积分方式、逐次逼近方式发展到zui新的一△方式。数据总线也由原来的并联方式发展到现在的12C总线方式,使得A/D转换器件的引脚越来越少,体积越来越小,功能却越来越强大。

  双积分方式:双积分型A/D转换器,属于早期经典的A/D转换器形式之一,工作稳定可靠,典型的器件如:ICL7109(124,~A/D转换器),ICL7104(16位 A/D转换器)等。双积分式A/D转换器件转换时间一般在lOOmS以上,A/D转换的速度偏低。

  逐次逼近方式:逐次逼近式A/D转换器件也是较经典的A/D转换器件,转换速度快,工作稳定可靠,典型的器件如:AD574A(12位A/D转换器),ADCI 143(161',~A/D转换器)等,A/D转换速度多在lOOuS以下,有些逐次逼近型A/D转换器件的转换时间甚至达到纳秒级,A/D转换速度非常高。

  Sigma-Delta(∑一△)方式:Sigma-Delta(∑一△)方式A/D转换器件,采用电荷平衡原理工作,通过过采样技术和器件内部的数字滤波技术,达到输出稳定的、高精度的转换结果的目的。典型的器件如:MAXl400(18位A/D转换器),CS5532(24位A/D转换器),AD7730(24位A/D转换器1。

  Sigma-Delta方式A/D转换器件内部一般设有可编程的前置放大器件(PGA),可以通过软件设定片内前置放大器的放大倍率,省去了外部的模拟放大器件。同时,A/D转换数据输出采用12C总线方式,使得A/D转换器件的引脚减少,A/D转换器件的体积也大大缩小。

  d)变频控制技术

  早些年,需要由电机驱动的给料装置均选用带有制动功能的双速电机,电机体积较大,控制调节也不够方便,近年发展起来的变频技术,为电机驱动设备的设计提供了大的灵活性和方便性。很多情况下,电机驱动的喂料绞龙或喂料皮带均使用了变频器,大大方便了设计和使用。

  e)称重控制软件技术

  称重控制软件是称重控制仪表中的重要部分,除按照控制要求进行执行部件的顺序控制外,还需要实现A/D转换数据的处理,工作参数修正,生产数据统计,数据上传等功能。

  zui新的智能称重控制仪表,可以根据物料的比重,称重量程,流动性等特性实现系统工作参数的自适应调整,可以自动消除喂料结束瞬间“空中悬浮物料”对定量秤精度的影响。四、定量秤的现状

  现代定量秤多采用智能称重控制仪表进行系统控制,称重仪表本身具备智能称重和执行部件的控制能力,仪表的分度数可以高达一万以上。小型定量秤(定量范围小于5公斤)多采用双秤甚至多秤结构,以提高称重效能;大型定量秤(定量范围在大于5公斤)多采用双秤结构。

  定量秤的计量准确度可以达到x(0.2)级,有些甚至高达x(0.1)级,单秤的计量速度也在350包/小时以上。

  定量秤的操作界面已经由简单的LED显示加按键的传统向触摸屏形式转变,可以显示中文菜单,中文在线帮助,大大地方便了用户的使用。

  五、定量秤的发展趋势

  a)提高系统中的自动化程度

  以电脑定量秤为核心,构成全自动定量称重包装系统。

  对于小量程包装系统,可以配置卷模式制袋系统构成包含称重,制袋,封口功能在内的全自动称重包装生产线。也可以配置抓袋式自动上袋机,构成同样功能的全自动定量包装系统。

  对于大型定量系统,通常只配置抓袋式自动上袋系统构成全自动包装生产线,由于包装袋有枕型袋和自立袋(M型袋口)之分,自动上袋系统中取袋装置和袋夹也有一定差别。

  b)融合现代网络技术

  通过局域网技术,现场总线技术(PROFIBUS),RS485总线技术将定量秤的定量结果数据上传,同生产企业内部的企业资源计划系统(ERP-Enterprise Resource Planning)无缝连接,为企业的信息化管理自动传输必要的基础数据和信息。

  c)远程控制技术

  结合现代互联网技术为用户定量秤实行远程故障诊断,系统软件下载和软件升级。

作者:张晓传 来源:农业工程技术·农产品加工 2010年2期

 
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