电子皮带秤设计

1前言

1.1电子皮带秤的发展及目前的状况

1908年，美国的一个年轻人梅里克发明了一种能够称重的皮带输送机械设备，世界上第一台电子皮带秤就此诞生了，梅里克的这项发明很好的解决了物料的连续称量这种发明的称重装置也就被称作梅里克电子皮带机。梅里克利用本发明成立了自己的公司，并且投入到生产实际当中。我们在德国申克公司的历史回顾资料中，曾看到“1902年，皮带秤”这一段产品编年史，表明该公司1902年就有皮带秤产品，但未看到更详细的叙述。

1940年以后电子皮带秤在美国等发达国家已经得到了广泛的生产与应用，相比之我过电子皮带秤的发展速度较慢，不过进入21世纪之后，随着工业生产快速发张，通过电子皮带秤进行连续称量就显得格外重要，能很好的提高生产效率，因此我国也出现了很多电子皮带秤的生产厂家，对电子皮带秤的研究也进一步深入，使得电子皮带秤在我过快速发展起来。

1.2电子皮带秤特点

1、电子皮带秤的测量信号可以远距离输送，因此工作人员就可以在工作室内实现对生产测量流程的控制，可以对电子皮带秤进行调节，大大简化了工作的流程，提高了工作效率。

2、电子皮带秤的承载不分设计简单明了化，承载器的传力机构大大简化，使得维修维护方便了很多。

3、进行测量的部分精度越来越高，使得整个测量过程从人力物力方面都远胜于之前的普通机械式称量装置。

4、电子皮带秤的称重计量仪器可以远离工作现场，能够有效的保护仪器，增加仪器的使用寿命，而且电子皮带秤的秤架，测量用的传感器多为结构件，不容易损坏，电子皮带秤的安装要比普通的皮带秤简单许多，并且不受现场环境条件的限制。能够长期稳定的工作。

5、与核子皮带秤相比，电子皮带秤不需要放射源，不存在安全隐患问题，并且电子皮带秤的使用精度要高于核子皮带秤，使用场合不受环境条件的限制，能够很好得满足大多数用户的需要。

电子皮带秤有以上这样的一些特点，使得电子皮带秤广泛的应用在工业生产的连续测量应用中，也使得电子皮带秤成为目前市场上的主流称重测量装置，其他一些皮带秤作为辅助的测量工具，电子皮带秤在未来的生产中将会得到进一步的发展与应用。

1.3选题背景和意义

在美国英国等发达国家中，电子皮带秤很早就得到了广泛的重视，很多科学工作者致力于电子皮带秤的研究，提出了很多电子皮带秤测量与结构方面的想法，并且通过实验去验证，很多已经申请了专利，为以后电子皮带秤的发展打下了很好得基础。有些国家还制定了相应的标准，为电子皮带秤的设计研究提供了一定的标准，在经过了几十年的发展之后电子皮带秤的技术越来越成熟，测量的准确性也越来越高，因此在工业生产中电子皮带秤得到了广泛的应用。也使得越来越多的国家的科研工作者投入到电子皮带秤的研究当中，推动了电子皮带秤的进一步发展。

很多国家很早就把电子皮带秤应用到了港口贸易结算中，以为电子皮带秤可以连续称量，精度较高，取得了很多国家的认可。很多国家在电子皮带秤研究方面都有很好的技术，这些国家也有专门的科研机构从事电子皮带秤的研究，使得电子皮带秤能够更广泛的应用到更多得领域。

我们国家电子皮带秤的发展较晚，60年代才出现带有传感器测量的电子皮带秤，但当时的传感器精确度不高，测量误差较大，没能很快的大量的投入到生产实际当中去，但这种测量方法得到了国家科研工作者的认可，有进一步发展的广阔空间，因此电子皮带秤的研究在我国得到了进一步的研究与发展。

伴随着改革开放，我们国家从事电子皮带研究与生产的人越来越多，也引进了很多国外的先进技术，使得电子皮带秤的测量精度有了很大的提高，满足了用户的需求，得到了用户的认可，进一步推广了电子皮带秤，使得电子皮带秤在我国有了突飞猛进的发展。

近几年水泥行业基建项目较多，在大型水泥厂的自动化控制中各个厂家也越来越重视诸如配料秤、冲板流量计、料位控制器等设备的应用，其中配料的精确度会直接影响熟料和水泥的产品性能，影响每吨产量的劳动力成本，因此选用稳定、可靠、精确的称重控制产品至关重要。

本课题研制的电子皮带秤，在解决配料的精确度方面起到了重要作用，提高了水泥的产量与质量，很好得满足了水泥行业的需要。

1.4电子皮带秤设计要求

1、用于日产3000t水泥厂生料计量；

2、每年一次维修；

3、计量精度：按水泥厂要求；

4、连续计量。

2称重原理

2.1电子皮带秤的结构

通常电子皮带秤一般都由以下六大部件组成，如下图2.1所示

图2.1 皮带秤的组成

电子皮带秤的主要组成部分主要由以下几部分，测量传感器（称重测速），承载装置（秤架），信号处理装置（放大积分装置），由上图可以看到通过传感器测量得到的两路信号先通过信号放大器放大之后通过接线盒然后接入到计算机中，在计算机中进行信号的积分处理，然后再通过显示器显示或者直接通过打印机直接打印输出，将结果显示出来，整个过程简单自动化。

2.2称重原理

皮带秤的称重是当散装物料在皮带秤上处于输送状态时，安装在输送物料的皮带下面的称重传感器就会产生一个物料的重量信号，该信号送入现场放大器进行处理，此时安装在皮带上面的测速传感器会把测到的皮带速度信号也发送到现场放大器进行处理。两组现场信号通过现场放大器进行适当处理，然后把处理后的信号通过接线盒输送给主控制计算机进行bode积分、相关的调节、控制等程序。最后从输出设备打印机打印出称重后的累计结果。这就是传统皮带秤的称重原理。方框图见图2.2。

图2.2 电子皮带秤称重原理方框示意图

电子皮带秤与机械式皮带秤相比较能够连续称量，并且能够准确的测量物料的流量，误差很小，能够准确的测量出皮带上某一单位长度上物料的瞬时流量，也可以通过测量计算出某一段皮带上物料的重量，我们可以通过利用数学模型来模拟计算，这就要用到我们数学中比较熟悉的积分法和累计法了。

2.2.1积分法

假定电子皮带输送机正在进行物料输送，计算机通过电阻应变传感器会连续测量到输送皮带上每单位长度的载荷信号值，另一方面通过测速传感器也可以测得在同一时刻的速度信号，这两种信号然后通过房子现场的信号放大器将信号放大后处理后就能够得到物料单位长度的载荷值m(kg/m)和同一时刻的速度信号值u(而s)，将得到的两个数值进行相乘运算得到的结果就是物料在单位时间内得瞬时流量值了。 由于电子皮带秤输送的物料在输送带上的分布不是十分均匀的，存在一定的变化，电子皮带秤在运行的过程中由于受到来自入料斗物料的冲击以及电动机震动等外部因素的影响，电子皮带秤的带速也存在变化，这些因素都会影响电子皮带秤的测量与精确度。所以我们把在t 时间间隔内的物料累计流量用以下积分形式表示: ()()dt t u t m Q t

?=0

上述公式中:Q —t 时间间隔内的物料累计量(kg);

t 一被测量物料通过的时间(S);

m(t)—单位长度上的通过物料重量(kg/m);

u(t)—物料的运行速度(m/s)。

2.2.2累加法

当物料在电子皮带秤上进行输送时，假定电子皮带秤输送皮带运转特定一段距离L 的时候此时累加器将称重物料的重量进行一次累加，计为m ，在给定一段时间间隔中，假定输送皮带一共运行了m 倍于L 的距离，这样累加器就会有m 次的物料重量被累加，其累加重量计为Q 。Q 的累加公式即为: ∑===m

s s Ls Q 0

2.3传感器的分析

称重传感器是将被测量质量转换成电信号的另一种被测量来进行测量的称重装置传感器称重传感器。

2.3.1称重传感器的种类

电子皮带秤中应用的称重传感器主要是电阻应变式，其次是压磁式、振弦式、差动变压器式，其他型式的称重传感器应用很少。与其它型式的称重传感器比较，电阻应变式称重传感器具有如下优点：

1、结构比较简单、制作方便、工艺比较成熟；

2、精确度高，主要技术指标如非线性、重复性、滞后均优于其它类型的称重传感器，综合误差可以做到0.03%-0.01%；

3、外形比较小，可制作成多种结构形状，便于安装。

4、工作稳定、互换性好，使用寿命长。

电阻应变式称重传感器一直占据90%以上得称重传感器市场份额，国内市场几乎是电阻应变是称重传感器一统天下。德国申克公司RTN 环形电阻应变式称重传感器的电阻值为4千欧姆，是国内电阻应变式称重传感器阻值的10倍以上，它具有测量灵敏度高、长期稳定性好、工作电流小、输出信号大、重复性好、激励电压高等优点。最新的数字化智能称重传感器可由微处理器芯片对常规桥路进行补偿和调整，进行非线性、滞后、蠕变等性能的修正，从而大大提高称重传感器的性能。

2.3.2电阻应变式称重传感器的工作原理

1936—1938年美国加利福尼亚理工学院教授西蒙斯和麻省理工学院教授鲁奇分别同时研制出粘贴型纸基丝绕式电阻应变计，由美国BLH 公司专利生产。BLH 公司和Revere 公司利用上述电阻应变计研制出的应变式称重传感器，用于工程测力和称重计量，成为应变式载荷传感器的创始者。

电阻应变式称重传感器由弹性元件、电阻应变片等组成。

弹性元件是将重量（或力）转换为应变量的部件，作为弹性元件的材料应具有迟滞小、如变小、直线性好、弹性极限高、强度极限大、弹性模量受温度的影响小等性

能。

弹性元件的结构形式有圆筒式、环式、悬臂梁式、剪应力梁式、S形梁式、平行四边形等。

电阻应变片是将应变量转换成电信号的一种机械量—电量转换元件，当把电阻应变片黏贴在需要测量变形的弹性元件表面上时，电阻应变片的电阻丝即随弹性元件的变形而改变其电阻值，这称为“应变效应”。为了便于测量，通常由多个电阻应变片组成测量电桥。

电阻应变片有丝片、箔片两种结构，丝片（见图2.3a）和箔片（见图2.3b）的工

图2.3电阻应变片

作原理是一样的，只不过制作方法不同。箔片采用照相腐蚀方法成型，制作时形状多样，电阻值差异小，允许通过电流大抗蠕变和抗漂移性能好。

图2.4a是一个悬臂梁式称重传感器的外形，两端的孔分别用于螺栓固定在地板上和承受外力，称重传感器的中部是用波纹管1保护的弹性元件应变梁2，梁的上下表面粘贴有电阻应变片3。图2.4b是取下波纹管后的悬臂梁式称重传感器，可以看见应变梁2及粘贴的电阻应变片3。

图2.4 悬臂梁式称重传感器

（a ）悬臂梁式称重传感器外形

（b ）取下波纹管后的悬臂梁式称重传感器

1—波纹管；2—应变梁；3—电阻应变片×××××称重传

感器的工作原理如图2.5所示，这里仍一悬臂梁式称重传感器为例，在弹性元件应变梁的上下表面上粘贴有四片电阻应变片，当弹性元件受到如图所示方向的力F 时，1R 、4R 电阻应变片被压缩，2R 、3R 电阻应变片被拉伸，电阻应变片随之变形并改变其电阻值。其中1R 、4R 电阻应变片得电阻丝被压缩，阻值减小；2R 、3R 电阻应变片的电阻丝被拉伸，阻值增加。

图2.5 电阻应变式称重传感器原理图

当我们把四个电阻应变片连接成桥式测量电路时（见图2.6），在对角线A ，C 两点接

入稳压电源，在B 、D 两点就可以得到毫伏测量信号输出。

图2.6 测量电桥

2.3.3光电脉冲式测速传感器

光电脉冲式测速传感器（见图2.7）由装在输入轴上的开孔圆盘2、光源4、光敏原件1等组成。当圆盘2转到某一位置是时，由光源4发射到光敏元件1上，使光敏元件1感光，产生一个电信号。圆盘2上的孔可以是一个或多个，取决于设备要求的脉冲数。

图2.7 光电脉冲式测速传感器

1—光敏元件；2—圆盘；3—小孔；4—光源

圆盘也可换成光栅盘，光栅盘上刻有能透过光线的光栅，其余部分则不透光。当光栅盘转到某个位置时，光源正好透过光栅及缝隙板照射到光电管上；光栅盘稍离开这个位置，光源及被光栅盘上不透光的部分隔断。因此当光栅盘每转一周时，光电管即可输出与光栅盘上光栅数相同的电脉冲（见图2.8）

光电脉冲式测速传感器机构简单、可靠，输出脉冲的幅值恒定因而测量精度高。

图2.8 带光栅盘得光电脉冲式测速传感器

1—光源；2—光栅盘；3—缝隙板；4—光电管；5—电脉冲

3电子皮带秤的承载器

电子皮带秤的承载器也就是秤架，一般采用钢结构的梁，他主要的作用就是承载物料的重量并且起到重力传递。他是电子皮带秤测量的第一部分，该部分的稳定性与测量的精度直接影响到之后的测量，因此承载器的好坏直接对测量结果产生较大的影响。

承载器的设计通常满足以下要求：

（1）刚性要大，偏移量要小，有很好的对称；

（2）尽量减少其他方向力的影响。

（3）支点结构无摩擦；

（4）防止皮带跑偏；

（5）有可能积料的地方要少，防止灰尘的积累；

（6）结构简单稳固，方便制作维护；

（7）结构要便于拆装；

（8）称重传感器所承受的皮重较小但荷重要大；

电子皮带秤的承载器按传统的分类主要是托辊的形式进行分类的，主要是单托辊，多托辊和悬置式。传统的分类方法主要是从托辊的外形来进行分类，清晰明了。但内部构造却得不到充分的展示体现。因此这类分类方法有一定的局限性。

3.1承载器的响应特性曲线分析方法

当我们把某个恒定质量的重物当做一个质点时，响应特性曲线就表示了这个质点通过承载器受力的变化情况

针对具体承载器的响应特性曲线的分析通常是采用以下方式进行的：

（1）曲线形状的分析；

（2）曲线的对称性分析；

（3）曲线的投影长度和投影面积分析；

（4）曲线的斜线段斜度和水平段长度的分析；

（5）曲线中有无水平段和水平段长度的分析；

（6）曲线中有无垂直段分析；

（7）曲线的负值区分析。

本文主要以悬臂式承载器为分析对象。

3.1.1悬浮式承载器的响应特性曲线

悬浮式承载器与静态称重的平台秤类似，它有一个由称重传感器支承的称重平台3，多个称重托辊4即支承在这个平台上。当物料通过A点后，物料重量开始加在称重平台上，支承称重平台3的称重传感器2受力从零开始逐渐加大，响应特性曲线1从零开始上升；当物料通过第一个称重托辊时，称重传感器受力达到最大值，特性曲线升至最高点B’；这个最大值一直保持到物料离开最后一个称重托辊；当物料通过最后一个称重托辊之后，称重传感器受力逐渐减小直至为零，特性曲线呈下降状态；当物料通过D点时，称重传感器受力减少到零，特性曲线也回到零点（见图3.1）