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稱重傳感器應(yīng)用
稱重系統(tǒng)應(yīng)用
- 摘要：本文介紹了稱重傳感器在水泥和工地行業(yè)的應(yīng)用，對混凝土攪拌樓站現(xiàn)場工況、稱重傳感器的選型要素及分類做了詳細(xì)闡述，可供參考。
工程機(jī)械攪拌設(shè)備稱重系統(tǒng)的基本要求和特殊要求，提出了稱重傳感器應(yīng)用在工程機(jī)械攪拌設(shè)備稱重系統(tǒng)選用時(shí)需要考慮的幾個(gè)問題，重點(diǎn)分析了稱重傳感器防護(hù)結(jié)構(gòu)對工程機(jī)械攪拌設(shè)備運(yùn)行可靠性的影響，指出IP代碼所代表的防護(hù)等級(jí)不能涵蓋工程機(jī)械攪拌設(shè)備對傳感器的全部防護(hù)要求。建議不同類型的攪拌設(shè)備選用不同防護(hù)能力的傳感器。
稱重系統(tǒng)中選用傳感器通常要考慮稱重系統(tǒng)的量限、準(zhǔn)確度、傳感器的安裝空間、周圍環(huán)境對傳感器的可能影響、加載的類型以及傳感器的壽命等諸方面因素。工程機(jī)械攪拌設(shè)備的稱重系統(tǒng)也不例外。只是不同的稱重系統(tǒng)由于要求不同，工作條件不同，所要考慮的問題側(cè)重點(diǎn)有所不同罷了。工程機(jī)械攪拌設(shè)備通常包括混凝土攪拌樓（站）、瀝青攪拌站、穩(wěn)定土拌和廠以及海上混凝土攪拌船等，其中以混凝土攪拌樓（站）最為典型。下面就以混凝土攪拌樓（站）為例進(jìn)行分析。
一、混凝土攪拌樓（站）對稱重系統(tǒng)的基本要求：
1.1、準(zhǔn)確稱量誤差對混凝土的強(qiáng)度影響很大，特別是水灰比計(jì)量精度，因?yàn)閺?qiáng)度和水灰比是線性關(guān)系。相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，水泥、水、外加劑、摻合料的動(dòng)態(tài)計(jì)量精度為±1%，砂、石料的動(dòng)態(tài)計(jì)量精度為±2%。
1.2、快速滿足攪拌樓站工作循環(huán)的要求。
1.3、種類多稱量值預(yù)選的種類要多，變換要方便，以適應(yīng)多種配比和不同容量的要求。
1.4、結(jié)構(gòu)簡單稱量裝置要結(jié)構(gòu)簡單，牢固可靠，性能穩(wěn)定，操作容易。顯然，采用傳感器電子稱重系統(tǒng)較之機(jī)械秤更能滿足要求。因此，稱重傳感器在混凝土攪拌樓站中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。但是，客觀地說，與機(jī)械杠桿秤相比，在“牢固可靠，性能穩(wěn)定”方面，傳感器電子稱重系統(tǒng)還有很多工作要做。
二、混凝土攪拌樓站中稱重傳感器的運(yùn)行條件：
與一般用于商貿(mào)計(jì)量的電子秤的一個(gè)很大的不同之處在于，混凝土攪拌樓站中稱重傳感器處于相當(dāng)惡劣的運(yùn)行條件中，應(yīng)力環(huán)境十分復(fù)雜，與一般的電子產(chǎn)品的運(yùn)行環(huán)境相比，有更大的隨機(jī)性。
2.1、環(huán)境溫度和濕度
混凝土攪拌樓站通常是露天安裝，傳感器可能遭受日曬雨淋，溫度劇烈變化。而不少工程建設(shè)項(xiàng)目是在自然條件相當(dāng)惡劣的山區(qū)或邊遠(yuǎn)地區(qū)。所以，必須考慮更大的溫度范圍，更高的濕度條件。混凝土在生產(chǎn)過程中需要水。在水的輸送和稱量過程中也會(huì)產(chǎn)生不少水氣，在一定的小范圍內(nèi)形成較為潮濕的環(huán)境。在溫控?cái)嚢铇侵校瑒t有高溫工況和低溫工況的不同要求。夏天運(yùn)行在低溫工況時(shí)要通入零度以下的冷風(fēng)以及加冰攪拌，這時(shí)樓內(nèi)會(huì)出現(xiàn)冷凝水，足見樓內(nèi)濕度之高。
2.2、粉塵
混凝土在生產(chǎn)過程中需要大量的水泥、煤粉灰以及適量的外加劑。這些粉狀物在輸送和稱量過程中會(huì)產(chǎn)生粉塵。即使是骨料，在輸送過程中也有粉塵產(chǎn)生。這些粉塵有一部分會(huì)附著在傳感器表面。在粉塵和水氣的共同作用下，傳感器將受到較為嚴(yán)重的腐蝕。所以，粉料秤傳感器的損壞通常要比其他秤的傳感器更頻繁一些。
2.3、沖擊與振動(dòng)
在進(jìn)料過程中，砂石料會(huì)產(chǎn)生沖擊。傳感器應(yīng)能承受5g的加速度。在攪拌過程中，會(huì)產(chǎn)生持續(xù)的振動(dòng)，而振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生疲勞破壞。
2.4、人為環(huán)境
人為環(huán)境是產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的因素之一。混凝土攪拌樓一般安裝在施工現(xiàn)場。工地上大量使用臨時(shí)工，其中相當(dāng)多的臨時(shí)工文化水平較低，缺少必要的技能。在設(shè)備的維修和清洗等工作中，很有可能發(fā)生傳感器受到高壓水的濺射，誤操作引起過載等情況。顯然，傳感器要在這樣的環(huán)境條件下長期可靠的運(yùn)行，是要進(jìn)行一些特殊設(shè)計(jì)的。上述基本要求和運(yùn)行條件可以作為混凝土攪拌樓（站）用稱重傳感器的選型的依據(jù)。
三、混凝土攪拌樓（站）用稱重傳感器選型時(shí)需要考慮的幾個(gè)問題：
??3.1、稱重傳感器載荷容量的確定??
稱重傳感器載荷容量通常按下式計(jì)算傳感器額定載荷=料斗自重＋額定稱重量 （0.6~0.7）×傳感器×只數(shù)，事實(shí)上人們在選擇傳感器容量時(shí)往往還要綜合考慮沖擊載荷的大小以及選定安全系數(shù).安全系數(shù)的選擇又與傳感器的靈敏度有密切關(guān)系．國內(nèi)外常見的應(yīng)變式稱重傳感器靈敏度多數(shù)為2mV/V，但是也有1mV/V的，如柱式傳感器；也有3mV/V的，如部分懸臂梁式傳感器和板環(huán)式傳感器；扭環(huán)式傳感器則通常是2.85mV/V。目前在攪拌樓上使用的傳感器基本上都是2mV/V的。
3.2、稱重傳感器準(zhǔn)確度的選擇
傳感器準(zhǔn)確度的選擇以滿足稱量系統(tǒng)的準(zhǔn)確度要求為準(zhǔn)，不必片面追求過高的傳感器準(zhǔn)確度等級(jí)。在多只傳感器組合使用時(shí)，其綜合誤差按下式計(jì)算δr=δ／√n 式中，δ為單只傳感器的準(zhǔn)確度，n為組合使用的傳感器只數(shù)。目前攪拌樓上常用的S型傳感器、懸臂梁式傳感器、板環(huán)式傳感器，其線性、滯后、重復(fù)性、靈敏度溫度影響、蠕變等主要指標(biāo)絕大多數(shù)廠家均優(yōu)于0.05%，大多數(shù)廠家優(yōu)于0.03%，部分廠家優(yōu)于0.02%。其單只傳感器的綜合誤差都接近或優(yōu)于0.1%。多只傳感器組合后其綜合誤差就更小了。可以說一般稱重傳感器生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品都能滿足要求。以前，不少攪拌樓生產(chǎn)廠家規(guī)定其稱重系統(tǒng)的靜態(tài)精度分別為0.1%和0.3%。這樣，對于使用單只傳感器的秤而言，單項(xiàng)指標(biāo)為0.05%的傳感器就可以滿足0.3%精度的秤的要求。對于使用三只以上傳感器的秤而言，單項(xiàng)指標(biāo)0.05%的傳感器也能滿足0.1%精度的要求。
需要指出的是，上述精度是稱重系統(tǒng)的靜態(tài)精度，而混凝土國家標(biāo)準(zhǔn)要求的是動(dòng)態(tài)精度，這是由于原材料不斷地向稱量機(jī)構(gòu)供料在重力的沖擊下稱量誤差明顯增加。上述0.1%和0.3%的靜態(tài)精度能否保證分別達(dá)到1%和2%的動(dòng)態(tài)精度還與供料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有關(guān)。現(xiàn)在，不少廠家規(guī)定其稱重系統(tǒng)的精度在0~額定稱量值的整個(gè)稱量范圍內(nèi)為水泥、水、外加劑±1%，砂、石料±2%。須知，預(yù)拌混凝土國家標(biāo)準(zhǔn)要求的是實(shí)物計(jì)量精度，而一般計(jì)量儀器在0~20%范圍相對誤差較大，因此，還是混凝土攪拌樓（站）的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的20~100%的稱量段滿足水泥、水、外加劑±1%，砂、石料±2%的計(jì)量允許偏差更為實(shí)際一些。更為合理的精度標(biāo)注方式是采用衡器行業(yè)的術(shù)語來表述，即作為累計(jì)料斗秤，應(yīng)采用自動(dòng)稱量準(zhǔn)確度的等級(jí)標(biāo)志1.0和2.0。這類秤的檢定項(xiàng)目與用途相適應(yīng)，既包括物料試驗(yàn)（確定累計(jì)誤差）也包括靜態(tài)檢定。
通常將1.0級(jí)秤設(shè)計(jì)為1000分度，2.0級(jí)秤設(shè)計(jì)為500分度。可以看出，在高量程端1.0級(jí)秤的誤差為0.15%，2.0級(jí)秤的誤差為0.3%，并不比以前廠家規(guī)定的0.1%和0.3%靜態(tài)精度高。但是在低量程段精度要求確實(shí)是提高了。在這種情況下需要確認(rèn)所選用的傳感器在低量程段能否也滿足要求。按秤的分度數(shù)選擇傳感器最簡單的方法就是1000分度的秤選用1000分度的傳感器，500分度的秤選用500分度的傳感器。稱重傳感器國家標(biāo)準(zhǔn)中準(zhǔn)確度就是用分度數(shù)來表示的，但是由于多方面的原因，目前大多數(shù)生產(chǎn)廠仍用單項(xiàng)指標(biāo)表示傳感器的精度。用戶再根據(jù)單項(xiàng)精度指標(biāo)算出綜合誤差。選用起來麻煩一點(diǎn)。國外發(fā)達(dá)國家的混凝土攪拌樓稱重系統(tǒng)精度一般用分度數(shù)來表示，規(guī)定為1000分度。可能與他們使用高性能混凝土所占比例高有關(guān)。
隨著經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的不斷發(fā)展，超高層建筑、超長橋梁、大型水利工程以及其他暴露在嚴(yán)酷環(huán)境中的建筑對混凝土的性能提出了越來越高的要求，混凝土技術(shù)也進(jìn)入了高科技時(shí)代，高性能混凝土的應(yīng)用比例不斷提升。生產(chǎn)高性能混凝土除了要正確選用原材料、確定合理的工藝參數(shù)外，施工工藝的控制也是十分重要的。混凝土攪拌樓中配料系統(tǒng)的準(zhǔn)確度是其中重要的一環(huán)。
3.3、傳感器結(jié)構(gòu)形式的選擇
常用的拉式傳感器有Ｓ形，板環(huán)式以及中心十字筋板環(huán)式等。中心十字筋板環(huán)式傳感器精度高、抗偏載性能優(yōu)異，但是價(jià)格較高，通常只在高精度測量場合使用。攪拌樓上常用的是Ｓ型傳感器和板環(huán)式傳感器。其中Ｓ型傳感器因其精度高、抗偏載能力強(qiáng)、同時(shí)可以帶過載保護(hù)、量程范圍寬等優(yōu)點(diǎn)用得最多。常用的壓式傳感器有懸臂梁式、輪輻式、柱式、橋式、扭環(huán)式等。綜合考慮精度、量程范圍、安裝方式、價(jià)格等因素，絕大多數(shù)攪拌樓生產(chǎn)廠選擇了懸臂梁式。
3.4、載荷類型的考慮
混凝土生產(chǎn)主要使用砂、石子、水泥以及水、外加劑、摻合料。幾種材料中數(shù)石子秤的沖擊為最大。在電子秤大家族中，這類沖擊不算最大，一般傳感器均能承受過載情況。筆者調(diào)查的情況來看，傳感器因過載而損壞的情況時(shí)有發(fā)生。比如控制系統(tǒng)出故障，造成大量物料傾瀉而下，造成過載。也有使用過程中人為因素造成的過載，特別是小量程傳感器因操作者踩踏秤架而過載損壞的事時(shí)有發(fā)生。因此傳感器的過載能力、傳感器有無過載保護(hù)對稱重系統(tǒng)的可靠運(yùn)行還是有一定影響的。 傳感器的性能指標(biāo)中有兩項(xiàng)與此有關(guān)，一是允許過負(fù)荷，一是極限過負(fù)荷。 允許過負(fù)荷是指卸去這一負(fù)荷后，傳感器的性能指標(biāo)不變。極限過負(fù)荷是指在這一負(fù)荷下傳感器不會(huì)產(chǎn)生有害的永久性機(jī)械變形。一般傳感器的允許過負(fù)荷為150%，極限過負(fù)荷在200%~300%之間。有些帶過載保護(hù)的傳感器則可能超過著一范圍。如莆田傳感器廠的CFCKN-1型傳感器因其特殊設(shè)計(jì)，允許過負(fù)荷高達(dá)500%。此類傳感器在頻繁過載的情況下也能可靠地工作。
3.5、傳感器的防護(hù)等級(jí)
傳感器的防護(hù)等級(jí)通常用IP表示。一般傳感器廠家均稱自己的產(chǎn)品達(dá)到IP67水平，少數(shù)廠家的部分產(chǎn)品達(dá)到IP68水平。我們知道，IP代碼所表示的是電壓不超過72.5kV電氣產(chǎn)品的外殼防護(hù)等級(jí)。國家標(biāo)準(zhǔn)《GB4208-93外殼防護(hù)等級(jí)》中規(guī)定，IP67是指產(chǎn)品能防塵、防短時(shí)間浸水影響；IP68是指產(chǎn)品能防塵、防持續(xù)潛水影響。需要指出的是，這樣的防護(hù)中未包括機(jī)械損壞、銹蝕、潮濕等外部影響或環(huán)境條件。涉及這類保護(hù)通常由有關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。
稱重傳感器與一般的電器產(chǎn)品和二次儀表產(chǎn)品不同的是，它同時(shí)還是一個(gè)受力構(gòu)件，在運(yùn)行中不斷地受到力的作用并產(chǎn)生變形。此外還有可能受到震動(dòng)、沖擊或撞擊這樣的機(jī)械損傷，粉塵和水氣共同作用下的較為嚴(yán)重的腐蝕以及在非常潮濕的環(huán)境條件下運(yùn)行。這與GB4208-93規(guī)定的試驗(yàn)條件有很大的不同。例舉：某礦山的礦石秤上選用了進(jìn)口傳感器，某大型鋼廠的鋼包秤上選用了一種國際知名品牌的傳感器，均是焊接密封，非常漂亮，達(dá)到了IP68級(jí)。但是在現(xiàn)場實(shí)際使用壽命都很短。在不得已的情況下，試用了莆田傳感器廠的產(chǎn)品。結(jié)果出乎他們的意外，使用壽命都超過了進(jìn)口傳感器。其中在某大型鋼廠鋼包秤上的傳感器已運(yùn)行了7年，至今還在運(yùn)行中。在這兩個(gè)例子中，說穿了主要是防護(hù)上的區(qū)別。一是有外殼還是沒有外殼；二是焊縫設(shè)計(jì)。三是密封材料。
一般說來，有外殼的設(shè)計(jì)優(yōu)于無外殼的設(shè)計(jì)；在焊縫設(shè)計(jì)方面則要盡可能避免焊縫受力。在無法避免的情況下，則要校核焊縫強(qiáng)度，特別是疲勞強(qiáng)度。疲勞引起的細(xì)微裂紋是導(dǎo)致潮氣進(jìn)入，傳感器失效的重要原因。前面提到的某國際知名品牌焊接密封傳感器在現(xiàn)場使用壽命短的原因就是過分依賴焊接密封，內(nèi)部應(yīng)變片僅薄薄一層面膠密封，一旦焊縫裂紋，傳感器就在潮氣的作用下迅速失效。在密封材料方面需要提醒的是，能通過IP67半小時(shí)浸水試驗(yàn)的傳感器未必能通得過傳感器標(biāo)準(zhǔn)中的12周期濕熱試驗(yàn)。應(yīng)該說傳感器標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的濕熱試驗(yàn)更符合傳感器的使用環(huán)境要求，其嚴(yán)酷程度并不低于IP67。受價(jià)格競爭的影響，不少傳感器廠取消了保護(hù)外殼，拉式傳感器尤甚。目前國內(nèi)生產(chǎn)的S型傳感器、板環(huán)式傳感器幾乎都取消了外殼。
筆者調(diào)查的情況來看，傳感器因過載而損壞的情況時(shí)有發(fā)生。比如控制系統(tǒng)出故障，造成大量物料傾瀉而下，造成過載。也有使用過程中人為因素造成的過載，特別是小量程傳感器因操作者踩踏秤架而過載損壞的事時(shí)有發(fā)生。因此傳感器的過載能力、傳感器有無過載保護(hù)對稱重系統(tǒng)的可靠運(yùn)行還是有一定影響的。傳感器的性能指標(biāo)中有兩項(xiàng)與此有關(guān)，一是允許過負(fù)荷，一是極限過負(fù)荷。允許過負(fù)荷是指卸去這一負(fù)荷后，傳感器的性能指標(biāo)不變。極限過負(fù)荷是指在這一負(fù)荷下傳感器不會(huì)產(chǎn)生有害的永久性機(jī)械變形。一般傳感器的允許過負(fù)荷為150%，極限過負(fù)荷在200%~300%之間。有些帶過載保護(hù)的傳感器則可能超過著一范圍。如蚌埠市金諾傳感器儀表廠的JLBS型傳感器因進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，允許過負(fù)荷高達(dá)500%。此類傳感器在頻繁過載的情況下也能可靠地工作。
四、不同類型攪拌樓對稱重傳感器選型的細(xì)分：
大中型水利工程的混凝土攪拌樓、城市商品混凝土攪拌樓、小型水利工程和縣級(jí)公路建設(shè)中使用的混凝土攪拌樓在規(guī)格大小、使用連續(xù)時(shí)間、安裝地點(diǎn)的環(huán)境條件都有很大的不同，所生產(chǎn)的混凝土性能要求也有很大差別。因此，對傳感器的可靠性、防護(hù)等級(jí)等性能事實(shí)上也有不同的要求，應(yīng)區(qū)別對待。對連續(xù)運(yùn)行時(shí)間長、環(huán)境條件惡劣以及生產(chǎn)高性能混凝土的攪拌樓應(yīng)選擇可靠性、防護(hù)等級(jí)高的傳感器。其余的則可適當(dāng)降低要求。對于運(yùn)行在海上的混凝土攪拌船，則還需要考慮防鹽霧的要求。
