大型料斗秤無砝碼標(biāo)定裝置解析

陳日興　李之炯

(上海大和衡器有限公司， 上海 201201)

0　引言

料斗秤在工業(yè)生產(chǎn)配料、物流控制與成本核算中起著舉足輕重的作用，它的日常檢定與計(jì)重準(zhǔn)確度將直接影響到生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行及產(chǎn)品的質(zhì)量。根據(jù)國際法制計(jì)量組織OIML的各類衡器的國際建議中對于稱量性能測試所使用砝碼的要求，現(xiàn)分別描述如下：

OIML R76-2006《非自動(dòng)衡器》3.7.3“檢定用標(biāo)準(zhǔn)砝碼的替代”中規(guī)定：“如果衡器的測試在使用地點(diǎn)，可以用其他固定載荷替代標(biāo)準(zhǔn)砝碼，所提供的標(biāo)準(zhǔn)砝碼至少為最大秤量的1/2；如果重復(fù)性誤差不大于0.3e，標(biāo)準(zhǔn)砝碼可以減少到最大秤量的1/3；如果重復(fù)性誤差不大于0.2e，標(biāo)準(zhǔn)砝碼可以減少到最大秤量的1/5。重復(fù)性誤差是用量值約為替代物的載荷(砝碼或任意其它載荷)在承載器上施加3次確定的” 。在偏載測試中規(guī)定如果受載均勻的料斗秤可以僅做1/10Max的偏載[1]。

OIML R107-2007《非連續(xù)累計(jì)自動(dòng)衡器》中雖然沒有規(guī)定靜態(tài)測試，但對于控制衡器卻規(guī)定了使用標(biāo)準(zhǔn)砝碼的測試，以便確定其準(zhǔn)確度是否符合1/3或1/5的規(guī)定[2]。但是在中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 28013—2011《非連續(xù)累計(jì)自動(dòng)衡器》5.1.2.2、6.1.3、8.2中增加了按OIML R76要求的靜態(tài)測試要求及方法[4]。

OIML R61-2005《重力式自動(dòng)裝料衡器》中在型式評價(jià)中需要確定靜態(tài)的參考準(zhǔn)確度等級，其中A.5.4“靜態(tài)稱重試驗(yàn)方法”中描述：“向承載器逐漸加載從零點(diǎn)至Max，再逆順序卸載至零點(diǎn)。選擇的試驗(yàn)載荷應(yīng)包括接近Max和Min的值以及6.2.1 c)中規(guī)定的符合本附錄要求的其它臨界載荷值”[3]。在中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 27738—2011《重力式自動(dòng)裝料衡器》9.3.2中增加了出廠試驗(yàn)應(yīng)進(jìn)行靜態(tài)測試的要求[5]。

料斗類衡器長期以來一直采用傳統(tǒng)的砝碼標(biāo)定方式，每次標(biāo)定往往還需要掛裝不同的砝碼，小噸位的料斗秤尚可人工掛裝砝碼，而對于規(guī)格大到數(shù)十噸、甚至上百噸的料斗秤掛裝大規(guī)格的砝碼則需要借助砝碼提升機(jī)(如通過電動(dòng)或電液推桿)來掛裝。這種方法存在很大的缺點(diǎn)與不足：標(biāo)定方式笨重、繁瑣、占地大，需投入大量的人力、物力，標(biāo)定時(shí)間長，往往無法滿足現(xiàn)代生產(chǎn)工藝的要求。這就需要我們尋求一種更加切實(shí)可行的檢定方法，以滿足用戶現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)標(biāo)定的需求。下面分別介紹兩種已取得國家專利的料斗秤標(biāo)定裝置來探討料斗秤無砝碼標(biāo)定方法的可行性。

1　方案一：料斗秤快速校驗(yàn)裝置[6]

為了解決傳統(tǒng)工藝中的缺點(diǎn)與不足，前幾年國內(nèi)某鋼廠設(shè)計(jì)了一套用于冶金配料的料斗秤快速校驗(yàn)裝置[6]。該裝置(見圖1)由校驗(yàn)基座K兩側(cè)連接的垂直拉桿F與壓力承載器E構(gòu)成剛性框架，校驗(yàn)基座K與壓力承載器E之間自下而上依次安放被校驗(yàn)傳感器A、被校驗(yàn)傳感器定位上基座、標(biāo)準(zhǔn)傳感器三叉式下基座B、千斤頂C、標(biāo)準(zhǔn)傳感器D。系統(tǒng)還包括高壓軟管H、分配閥I、液壓泵J及標(biāo)定用稱重儀表、接線盒等。

A.被校驗(yàn)傳感器；B.三叉式下基座；C.千斤頂；D.標(biāo)準(zhǔn)傳感器；E.壓力承載器；F.垂直拉桿；G.電纜線；H.高壓軟管；I.分配閥；J.液壓泵

上述料斗秤快速校驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)如下：

1)該方案液壓泵作為系統(tǒng)受力來源，取代砝碼的重力；2)方便拆卸安裝，在完成一臺(tái)料斗秤的檢定后，拆卸分解可迅速安裝到另外一臺(tái)待測料斗秤，據(jù)說在十五分鐘內(nèi)就可以完成一臺(tái)料斗秤的全部校驗(yàn)過程；3)同步受力的千斤頂同時(shí)對標(biāo)準(zhǔn)傳感器和被校驗(yàn)傳感器施加壓力；4)三叉式傳感器下基座受力穩(wěn)定，并確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性；5)垂直拉桿作為垂直限位起到了橫向受力穩(wěn)定的保護(hù)作用；6)校驗(yàn)基座的預(yù)埋處理，使得系統(tǒng)具有了足夠的拉力強(qiáng)度，確保系統(tǒng)加壓時(shí)結(jié)構(gòu)不會(huì)斷裂；7)同步千斤頂行程的選擇，充分考慮了傳感器與校驗(yàn)結(jié)構(gòu)的變形量，使結(jié)構(gòu)更加牢固。

工作時(shí)千斤頂經(jīng)高壓油管、分配閥與液壓泵連接，信號電纜連接傳感器和顯示儀表。但是這種裝置具有如下不足之處：

a.該裝置使用時(shí)，料斗秤傳感器與標(biāo)定用傳感器的安裝要求高(要求串聯(lián)且同心)，如果安裝不同心，互相會(huì)產(chǎn)生干擾，影響標(biāo)定的準(zhǔn)確性；

b.該裝置使用時(shí)，標(biāo)定裝置可能需要多套標(biāo)定用的傳感器、千斤頂、液壓泵及稱重儀表，造成裝置成本高，且由于標(biāo)定用傳感器及儀表的測量精度的些許差別可能影響總體稱量準(zhǔn)確度；

c.該裝置使用時(shí)，標(biāo)定裝置不能卸下(由于料斗秤傳感器與標(biāo)定用傳感器的安裝要求高，而且必須串聯(lián)且同心)，若要拆卸，將會(huì)破壞原安裝狀態(tài)；

d.該裝置使用時(shí)，標(biāo)定傳感器為模擬傳感器，其傳輸距離短、抗干擾能力弱，在標(biāo)定過程中，由于現(xiàn)場的模擬傳感器的毫伏級弱電流傳輸，無法克服電磁與強(qiáng)電干擾所帶來的稱量準(zhǔn)確度的影響；

e.該裝置使用時(shí)，采用千斤頂油壓加載方式和結(jié)構(gòu)，由于油壓加載的壓力波動(dòng)，將影響計(jì)量的穩(wěn)定性。

2　方案二：基于數(shù)字傳感器的料斗秤標(biāo)定裝置[7]

由上海大和衡器有限公司申請的一種基于數(shù)字傳感器的料斗秤標(biāo)定裝置[7]，主要解決上述現(xiàn)有模擬傳感器的料斗秤標(biāo)定裝置所存在的缺陷。該種基于數(shù)字傳感器的料斗秤標(biāo)定裝置(見圖2)包括下端可與料斗秤架臺(tái)1連接的框架5，該框架上設(shè)置緩沖器4，緩沖器下方設(shè)置有數(shù)字式稱重傳感器6，該數(shù)字式稱重傳感器通過傳感器固定橡膠3定位，其下端通過連接件7連接千斤頂8上端，該千斤頂下端通過定位件9與料斗支架2連接。

1.架臺(tái)；2.料斗支架；3.傳感器固定橡膠；4.緩沖器；5.框架；6.稱重傳感器；7.連接件；8.千斤頂；9.千斤頂定位器

所述的框架5是標(biāo)定裝置的關(guān)鍵部件，受到較為復(fù)雜的拉、壓應(yīng)力的作用，其剛度及穩(wěn)定性顯得尤為重要，在設(shè)計(jì)時(shí)首先選擇相對重量較輕的H鋼(或槽鋼，若選用槽鋼，則采取兩件槽鋼相對焊接在一起的結(jié)構(gòu))，根據(jù)穩(wěn)定性的要求，并在受力集中部分進(jìn)行相應(yīng)加強(qiáng)，然后根據(jù)H鋼(槽鋼)的抗彎截面系數(shù)、許用應(yīng)力等力學(xué)技術(shù)參數(shù)，以滿足強(qiáng)度與穩(wěn)定性的使用要求。除了必須滿足強(qiáng)度與剛度的要求外，同時(shí)還必須滿足安全、輕便、準(zhǔn)確的要求。

所述的緩沖器4采用了彈簧鋼板疊加式緩沖器。彈簧鋼板疊加式緩沖器一般是設(shè)計(jì)用于汽車的避震措施上，主要考慮如何消除汽車在高速運(yùn)行中由于路面不平整而產(chǎn)生的震動(dòng)。而本方案是在料斗秤中，考慮到在加載過程中由于沖擊而使稱重信號波動(dòng)帶來的不穩(wěn)定，可能影響計(jì)量準(zhǔn)確度。因此，我們認(rèn)為并非采用一般料斗秤所常用的橡膠緩沖墊，而是將汽車的避震緩沖器用于衡器行業(yè)料斗秤的標(biāo)定裝置，應(yīng)該是一種創(chuàng)新的舉措。

本方案采用了一套獨(dú)特的多通道控制儀表實(shí)時(shí)同步對多個(gè)不同位置加載結(jié)構(gòu)的標(biāo)定程序，其直接效果是既提高了標(biāo)定裝置的精度，又提高了標(biāo)定效率。

如圖3所示，本方案所述的數(shù)字式稱重傳感器通過接線盒連接到儀表箱的插座上。對于該標(biāo)定裝置電氣方面的要求體現(xiàn)為：該儀表的顯示數(shù)據(jù)就是該料斗秤的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定數(shù)據(jù)，儀表的選型直接關(guān)系到數(shù)據(jù)的精度，是個(gè)重要的環(huán)節(jié)，該標(biāo)定系統(tǒng)的儀表應(yīng)選擇高精度數(shù)字式稱量儀表，其稱量準(zhǔn)確度比料斗秤儀表至少要高三倍。由于本方案采用了多通道標(biāo)定專用儀表，可同時(shí)顯示最多六個(gè)標(biāo)準(zhǔn)傳感器的單個(gè)重量值和所有標(biāo)準(zhǔn)傳感器的累積重量值。

圖3　三點(diǎn)支撐電子料斗秤標(biāo)定裝置電氣接線圖

標(biāo)定用數(shù)字式稱重傳感器的選擇，在滿足量程的范圍內(nèi)，既要保證標(biāo)定準(zhǔn)確度，又要保障系統(tǒng)的受力平衡與系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在稱重傳感器的選擇中，還要充分考慮到該系統(tǒng)裝置的標(biāo)定量程范圍，并根據(jù)料斗秤量程的大小選擇規(guī)格不同的傳感器，以達(dá)到不同規(guī)格料斗秤的標(biāo)定要求。料斗秤標(biāo)定裝置采用了數(shù)字式稱重傳感器。數(shù)字式傳感器由于輸出的是數(shù)字信號，因此克服了模擬式稱重傳感器的信號小、傳輸距離短、抗干擾能力差等缺點(diǎn)，該傳感器具備了數(shù)字補(bǔ)償智能化技術(shù)，具有優(yōu)異的負(fù)荷復(fù)現(xiàn)性和長期穩(wěn)定性。由于數(shù)字式稱重傳感器可以事先在標(biāo)準(zhǔn)測力機(jī)上完成數(shù)字標(biāo)定，使現(xiàn)場可進(jìn)行無砝碼標(biāo)定。

方案一和方案二比較如表1所示。

表1　方案一和方案二比較

續(xù)表

圖4　三點(diǎn)支撐數(shù)字傳感器料斗秤標(biāo)定裝置安裝實(shí)例

現(xiàn)以三支點(diǎn)的料斗秤為例(見圖4)，料斗周圍a、b、c部位裝有三只料斗秤所用的稱重傳感器，其中數(shù)字傳感器料斗秤標(biāo)定裝置位于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個(gè)部位，分別裝有三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字稱重傳感器。且三個(gè)位置的標(biāo)定用標(biāo)準(zhǔn)傳感器通過接線盒接入一個(gè)標(biāo)定用多通道儀表。

因?yàn)槊總€(gè)標(biāo)定裝置在出廠前都依照所需標(biāo)定的料斗秤的稱量值，通過測力機(jī)進(jìn)行過單獨(dú)標(biāo)定，同時(shí)也記錄了標(biāo)定時(shí)標(biāo)定用儀表顯示的每個(gè)標(biāo)定裝置的重量值W1S、W2S、W3S。因此現(xiàn)場的工作量大為減少，只需一邊對照標(biāo)定儀表顯示的單個(gè)標(biāo)定裝置的重量值，一邊操作千斤頂對每個(gè)標(biāo)定裝置加力，直至每個(gè)標(biāo)定裝置上承受的力與在廠內(nèi)測力機(jī)標(biāo)定時(shí)記錄的值W1S、W2S、W3S相同時(shí)，即可停止操作千斤頂。然后在標(biāo)定儀表的累計(jì)窗顯示三個(gè)標(biāo)定裝置的累加值∑S：

∑S=W1S+W2S+W3S

將∑S和料斗秤儀表同步顯示的重量值∑W進(jìn)行比較，得出料斗秤當(dāng)前總重量的差值Δ：

Δ=∑W-∑S

然后通過對料斗秤儀表進(jìn)行量程的標(biāo)定或修改儀表量程值(依照差值Δ，對量程系數(shù)進(jìn)行操作)，用以消除兩者的誤差。當(dāng)兩個(gè)儀表顯示的重量值一致時(shí)，說明料斗秤在該載荷的標(biāo)定完成。上述標(biāo)定過程同時(shí)適用于每一級載荷的標(biāo)定過程。整個(gè)過程簡單方便，既省去了大量拆裝標(biāo)定裝置以及單個(gè)位置分別標(biāo)定的工作量，同時(shí)也減少了拆裝標(biāo)定裝置所帶來的安裝誤差和累加各位置重量值時(shí)的人為誤差，提高料斗秤的計(jì)量準(zhǔn)確度。

另外，因?yàn)樯a(chǎn)廠廠內(nèi)用標(biāo)準(zhǔn)測力機(jī)進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，是整個(gè)對成套標(biāo)定裝置(千斤頂+緩沖裝置+傳感器)進(jìn)行標(biāo)定，并不是簡單地對單個(gè)傳感器進(jìn)行標(biāo)定，所以直接模擬了現(xiàn)場的標(biāo)定壞境，使得現(xiàn)場標(biāo)定裝置功效更加接近標(biāo)準(zhǔn)砝碼加載狀況，并提高最終的標(biāo)定準(zhǔn)確度，確保料斗秤的稱量準(zhǔn)確度。

3　結(jié)論與建議

從上述傳感器料斗秤標(biāo)定裝置的兩個(gè)不同的方案介紹中，可以看出基于稱重傳感器的料斗秤標(biāo)定裝置，特別是基于數(shù)字式稱重傳感器的料斗秤標(biāo)定裝置，主要解決國際法制計(jì)量組織OIML R76《非自動(dòng)衡器》、OIML R107《非連續(xù)自動(dòng)衡器》、OIML R61《重力式自動(dòng)裝料衡器》中對于料斗秤的靜態(tài)稱量或控制衡器的標(biāo)定需要砝碼的困難，特別是對于大規(guī)格的料斗秤的現(xiàn)場計(jì)量標(biāo)定。上述料斗秤標(biāo)定裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、制造和使用成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，使用時(shí)縮短標(biāo)定時(shí)間與周期，簡化標(biāo)定方式，節(jié)省大量的人力、物力，具有廣泛的使用價(jià)值和推廣前景。

當(dāng)然要使上述基于稱重傳感器的料斗秤標(biāo)定裝置完全代替砝碼是不現(xiàn)實(shí)的，特別是對于小于0.1%的相對百分誤差的料斗秤。因?yàn)榫退闶菙?shù)字式稱重傳感器而言，畢竟測力機(jī)中的標(biāo)定數(shù)據(jù)在現(xiàn)場的復(fù)現(xiàn)與現(xiàn)場的環(huán)境還是有不同之處，即使標(biāo)定裝置設(shè)計(jì)得再完美，由于現(xiàn)場的使用環(huán)境和安裝條件的不同給標(biāo)準(zhǔn)傳感器的測量數(shù)據(jù)帶來的影響也是不可忽視的。另外，從上述的分析中也可以看出料斗秤標(biāo)定裝置的設(shè)計(jì)好壞也會(huì)給標(biāo)準(zhǔn)傳感器的測量數(shù)據(jù)帶來影響。根據(jù)冶金行業(yè)的實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)，上述基于稱重傳感器的料斗秤標(biāo)定裝置，用在大于0.1%的相對百分誤差的料斗秤時(shí)，可以作為現(xiàn)場靜態(tài)計(jì)量性能的砝碼標(biāo)定的替代；而對于小于0.1%的相對百分誤差的料斗秤，上述方法作為標(biāo)定比對或使用驗(yàn)證更具推廣價(jià)值。該標(biāo)定裝置目前已經(jīng)在國內(nèi)一些大型冶金企業(yè)，諸如上海寶鋼、山西太鋼等大型配料料斗秤的現(xiàn)場靜態(tài)標(biāo)定上發(fā)揮了積極有效的作用。

建議國際法制計(jì)量組織OIML R76《非自動(dòng)衡器》、OIML R107《非連續(xù)累計(jì)自動(dòng)衡器》、OIML R61《重力式自動(dòng)裝料衡器》與相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)中增加對于大型料斗秤的現(xiàn)場計(jì)量性能測試或使用中檢驗(yàn)的測試方法，可以采用基于數(shù)字式稱重傳感器的料斗秤標(biāo)定裝置進(jìn)行“標(biāo)定比對或使用驗(yàn)證”的內(nèi)容。

[1]國際法制計(jì)量組織國際建議OIML R76-2006非自動(dòng)衡器

[2]國際法制計(jì)量組織國際建議OIML R107-2007非連續(xù)自動(dòng)衡器

[3]國際法制計(jì)量組織國際建議OIML R61-2004重力式自動(dòng)裝料衡器

[4]中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 28013—2011非連續(xù)累計(jì)自動(dòng)衡器

[5]中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 27738—2011重力式自動(dòng)裝料衡器

[6]萊蕪鋼鐵集團(tuán)有限公司.料斗秤快速校驗(yàn)裝置.中國實(shí)用新型專利，CN2861988Y.2007-01-24

[7]上海大和衡器有限公司.一種基于數(shù)字傳感器的料斗秤標(biāo)定裝置.中國發(fā)明專利，CN101598593A.2012-03-21