新型蔗带秤在甘蔗糖厂的应用机理研究

谢武装，黄向阳

（广州甘蔗糖业研究所 广东省甘蔗改良与生物炼制重点实验室，广东 广州 510316）

新型蔗带秤在甘蔗糖厂的应用机理研究

谢武装，黄向阳

（广州甘蔗糖业研究所 广东省甘蔗改良与生物炼制重点实验室，广东 广州 510316）

针对甘蔗糖厂压榨输送系统对蔗料输送在线计量的高精度要求，在借鉴皮带秤计量研究的基础上，建立了蔗带秤的秤体设计方案，结合秤体结构方案对其特性响应曲线和传递系数作出探讨分析，并得出了蔗带秤的数学计量模型，为蔗带秤的优化设计提供借鉴。

秤体；响应曲线；传递系数；计量模型

0 前言

甘蔗糖厂均衡压榨输送系统是制糖企业生产技术管理中极为重要的一环，它是影响生产稳定及生产成本的重要因素之一。而输蔗机蔗料实现自动调节有利于维持压榨量均衡及全厂的物料供应平衡，提高压榨抽出率、生产安全率，降低工人的劳动强度，提高压榨车间的生产自动化控制水平［1］。如何实现输蔗机的蔗料在线计量，从而控制输蔗机带速度，实现碎蔗的均衡输送，成为解决均衡压榨输送系统的重要环节。

针对输蔗机蔗料的在线实时计量需求，最初糖厂普遍采用压力传感器来进行检测，由于现场环境恶劣以及蔗料的输送带长度、张力、振动影响了压力传感器的正确测量，使进蔗不均匀，容易造成设备跳闸停榨，反过来影响生产［2-3］。核子秤是一种非接触型计量设备，它利用伽玛射线照射输蔗机的物料，实现被传输物料重量的动态在线相对测量。所以，核子秤的出现替代了传统的压力传感器，克服了压力传感器的缺点，以核子秤为主要设备的控制系统实现了压榨车间的均衡压榨。核子秤的推广使压榨处理甘蔗量满足生产要求，降低能耗，稳定蔗渣水分，提高锅炉效能，取得了良好经济效益。

但是，随着核子秤在糖厂的推广使用，带来核源管理严格、手续复杂以及由核辐射和核泄漏日益引起的环境安全问题。因此，压榨车间蔗带秤的无核源计量技术成为当前糖业界亟待解决的难题之一。电子皮带秤作为一种动态连续称量的设备，在各行业中已得到广泛应用，由于微电子技术的应用与发展，使电子皮带秤的称量准确度和稳定性明显提高。如何将新型的电子计量技术借鉴、吸收引入糖厂均衡压榨计量控制系统是一个值得研究的重要课题。所以，文章将从蔗带秤的计量原理、秤体性能和数学累计模型等方面来进行分析探讨。

1 蔗带秤的工作原理及结构方案

1.1 皮带秤的工作原理

电子皮带秤作为对散状物料自动连续、累计称量的计量器具，主要特点是连续、自动称重。为了测量输送皮带上某段长度的物料瞬时流量，可以通过测量某一托辊或几个托辊上所承受物料的重量，测量方式采用连续采样或周期采样，所测得的物料瞬时重量再与皮带速度或皮带行程进行运算，得出物料瞬时流量和累计重量。在理论计算上，皮带秤有积分型和累加型两种累计计量数学模型。

1.1.1 积分型

当皮带秤输送物料进行动态计量时，测取皮带秤上每单位长度的物料重量q（kg/m）和皮带在同一时刻的速度v（m/s），得到物料的瞬时流量qv（kg/s），于是在一段时间T内物料的累计量q∑可用积分法表示：

1.1.2 累加型

当皮带秤输送物料时，输送皮带每运行一段距离Δl时，累加器作一次物料重量的累加qi，在一段时间内皮带运行了n倍Δl的距离，累加器则有n次物料重量的累加q∑。

1.2 蔗带秤的结构设计方案

蔗带秤计量原理与皮带秤相似，但结构形式与皮带秤存在明显差异。皮带秤的简要结构特点是秤架安装在皮带输送机上，皮带在托辊上运行，托辊作用于秤体上的称重传感器，皮带上通过的物料计量由称重传感器和测速传感器进行信号转换。在转换过程中，“皮带效应”［4］的存在，对称重结果的精度有明显影响，特别是皮带张紧力的选定是影响计量精度的主要因素之一，其秤体结构主要采用单托辊单杠杆式、多托辊单杠杆式、多托辊双杆式、悬臂式以及悬浮式等形式。

在设备摆放、空间改造限制和输蔗机结构不改变的情况下，蔗带秤通常安装在最大倾斜角为22°的链板输送带上。结合相关皮带秤的秤架结构分析，悬浮式结构秤架抗干扰能力强，称重效率高，测量精度高，所以，蔗带秤秤架的结构宜采用悬浮式。链板输送与皮带输送相比，链板传动无弹性滑动和打滑现象，能保持准确的平均传动比，传动效率较高。但是，链传动本身存在“多边形效用”［4］，链轮每转过一个链节，链板传动的瞬时速度大小会周期性地重复变化一次。链板速度与链轮节距和齿数相关，链板输蔗带在输送过程中瞬时周期性地变速运动，会产生动载荷，最终影响计量时的采样精度。

鉴于链板输蔗带行走速度经常处于波动状态，若采用定时采样Δt，速度的变化会影响采样精度，所以，我们在方案设计时选用位移传感器，通过“定长采样”Δl来实现。所谓的“定长采样”就是当链板行走一定距离Δl时发出采样脉冲，用它来控制测量仪表采样，Δl对于蔗带输送系统来说是一个常数。物料的瞬时流量为：

其中，qi—物料的瞬时流量（kg·m）；pt—在承载器的有效称量段Lx上瞬间的物料重量在称重传感器测得的数（kg）；vi—测量pt时刻的输送带速度（m/s）；Δt—定时采样的时间间隔（s）。

在公式（3）中，当定长采样Δl=vi×Δt时，则某段时间内蔗料输送的流量表示如式（4）所示。

如图l所示，甘蔗糖厂的蔗带秤主要由秤体（称重承载器）、称重传感器、位移传感器和积算控制仪表等部分组成。其工作原理是当链板式输蔗带4载着破碎、完全撕解后的蔗料2，以一定的张力和速度通过秤体6时，链板输送带上的计量蔗料和链板重量通过秤体6传递到秤架下的称重传感器5，通过位移传感器3的测量和反馈控制，当输蔗带上的蔗料被传送过一个定长采样距离Δl，系统就向称重装置发出一个询问脉冲，称重装置从开始输送蔗料时起，就在每个询问时刻t，把称重传感器5感知的质量信号送入积算控制显示仪表1，经过放大滤波、A/D转换等转换成数字信号，送入内置累计数学模型的运算器，运算器将两个信号进行乘积运算，从而得出某段输送距离L内输蔗带上被测蔗料的瞬时流量值和质量累计值。

2 蔗带秤的秤体性能分析

2.1 秤体的响应特性曲线

秤体响应特性曲线分析方法是一种分析秤架特性的新方法，响应曲线表示了某个恒定质量的质点通过秤体过程中称重传感器受力的变化情况。在同一有效称量段长度Lx不变的情况下，秤体的结构形式不同，其响应曲线也不相同，即特性曲线的投影面积也不同。曲线投影面积越大，则表明秤体性能越好［5-9］。我们通过图2中对秤体结构的受力示意，利用平面惯性力学原理，对秤架各支点的受力进行计算分析，便可得到本方案中秤体的近似响应特性曲线图2（忽略输蔗带的变速工况），其响应特性曲线为ABCD，与水平轴AD构成一个等腰梯形。该响应特性曲线表示链板输送带上有效称量段Lx内各点的物料重量反映在秤体上的称重传感器变化情况。

图2 秤体受力及响应特性曲线示意图

根据图2的响应特性曲线可以得出下面分析。

第一，斜线段分别为上升段AB和下降段CD，它反映了蔗料进入秤体或离开秤体时，称重传感器所感受的力从零上升到最大值或最大值下降到零的反应时间；如果斜线变得平缓，则梯形面积变小，表明秤架的响应特性曲线变差。该秤体特性曲线的斜段上无拐点，表明该结构形式的秤体在荷载时传感器的受力无突变，悬浮式秤体对称重信号的平滑滤波性好。

第二，水平段BC，该线段表示在L2这段区间上，蔗料对称重传感器的作用力是均匀分布的，并始终处于最大作用力状态。线段BC越长，表明蔗料瞬时流量的波动小，秤体的机械滤波效果越好，则特性曲线的投影面积越大，称重传感器的总受力值也越大。

结合曲线图2和秤体结构来说，当链板输蔗带的节距变小，相同有效称量段Lx作用于秤体上的力更均匀，作用力更大，则特性曲线的投影面积更大，秤架的计量性能更优。所以，根据特性曲线的分析，在兼顾秤体挠度范围的情况下，适当增大秤体长度，可以增大特性曲线的面积，从而改善其计量精确性。

2.2 传递系数η的推导

秤体是物料称重过程中力与电信号进行转换的第一个环节，该环节的力转换特性及其精确度对秤的性能优劣起着关键作用［5-6］。蔗带秤在秤体斜置工况下，输蔗带上蔗层实际重量∑Pt是通过悬浮式秤体传递给称重传感器，而在垂直方向上称重传感器感知的重量是∑Pt′，称量段蔗层Lx的实际重量∑Pt=∑Pt′（忽略输蔗带与秤体作用在称重传感器部件上的重量）。∑Pt′为输蔗带有效称量段Lx内在不同的位置作用在称重传感器的力，它在不同位置时传感器感应的力不相同（Pi因为合力点到力臂的支点距离不同，所以称重传感器感知的力也就不相同）。∑Pt与∑Pt′之间有一个传递系数η，传递系数η与秤体的结构尺寸以及链板输送带的节距p0均相关。

从响应特性曲线图2可以知道，它由两个拐点，三个线性方程组成。用积分计算如式（5）、式（6）和式（7）所示。其中，链板输送带节距p0=Lg=L1=Lx-L2。

由此推导出悬浮式秤体传递系数计算公式（8）。

链板输送带的节距为p0，为了有利于计算分析，取有效称量长度Lx=np0，由此可得式（9）。

所以，有效称量段Lx蔗层于秤体垂直方向上各传感器感知的实际重量应满足下面关系式（10）。

从式（8）可知，在满足秤体挠度和刚性情况下，有效称量长度Lx适当增大，链板输送带间距p0越小，对应有效称量段作用在秤体上的节距数越多，秤体传递系数越大（近于一），称重传感器计量精度越高。

3 连续累计计量模型建立

实际上，蔗带秤不可能对通过的每个单元蔗料进行单独计量，而是对连续输送的蔗料进行计量，可以将连续的蔗料看成是无数个单元宽度为Δl单元蔗层段（其宽度即为定长采样距离），单元蔗料的重量为PΔl，随同链板输送带依次通过秤体，每前进一步增加一个Δl的距离，并且由位移传感器发出一个脉冲，进行一次计量。由图2可见，Lx可以等分的距离数Lx= nkΔl（其中，n和k均为大于0的整数）。为了便于分析和计算，我们可以笼统地假设链板输送带的整圈长度为L=NL0（N为大于0的整数），连续工作的称重计量重量可以采用长度积分法［7-8］得到下面的计量模型。

式中，Q0—链板输蔗带整圈累加皮重（kg）；L0—输蔗带的整圈长度（m）；L—输蔗带的输送长度（m）；Q—链板输蔗带上Lx段蔗料的累加重量（kg）；θ—输蔗带的倾角（°）；P0（Δl）—输蔗带空载时的作用于秤体的纵向力（kg·m）；P（Δl）—输蔗带荷载时的作用于秤体的纵向力（kg·m）；η—秤体的传递系数。

所以上式（11）和式（12）动态累加数值算法分别如式（13）和式（14）所示。

4 实验平台模拟及结果

根据上面秤体结构方案所推导的动态连续累计计量数学模型，笔者搭建了图1的小实验平台，模拟了输蔗带荷载运行工况，用定长采样法对其数据进行采集，其模拟计量结果如表1所示。从相对误差可以看出，计量结果优于±0.5%的计量精度。

表1 实验模拟计量结果统计

5 结束语

本文提出了新型蔗带秤的结构设计方案，从秤架结构的力学分析出发，推导出基于秤体结构的响应特性曲线，并对秤架性能优劣进行探讨。秤体结构的传递系数η的推导有利于提高秤体的计量精度，采用的定长采样法（或长度积分法）避免了因测速而引入的测速误差；动态累加计量数学模型的建立为蔗带秤的计量提供理论依据和参考。

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Study on Application Mechanism of New Cane Chain Plate Scale in Sugar Mill

Xie Wu-zhuang，Huang Xiang-yang
（Guangzhou Sugarcane Industry Research Institute/Guangdong Key Lab of Sugarcane Improvement& Biorefinery，Guangzhou 510316）

According to high precision requirements of sugarcane layer transmission online measurement in sugar mill press conveyor system，the designing scheme of suspension balance body of cane chain plate scale was established based on belt scale measurement research，and we analyzed its characteristic response curve and transmittance coefficient according to scale structure scheme，and received measuring mathematical model ofsugarcane belt scale，which served as a reference for optimal design ofsugarcane belt scale.

Load receptor;Response curve;Transfer coefficient;Measurement model

TS243.1

A

2095-820X（2016）03-05

2016-06-02

广东省科技计划项目“绿色制糖加工关键技术与装备研发”（2016B070701005）。

谢武装（1977-），男，硕士，工程师，主要从事制糖工艺与装备的研发设计；Email：xiewuzhuang2006@163.com。