电子皮带秤动态误差分析
发布时间：2016-07-02
本文介绍了电子皮带秤的工作原理，并针对引起电子皮带秤动态计量误差的原因从称重力误差、皮带测速误差、数据检测和信号处理误差、校准误差、环境影响误差等方面进行深入剖析，并提出了减小误差的方法。
1. 电子皮带秤的系统构成及工作原理
当皮带输送物料时，称量段上的物料重量通过皮带称计量托辊秤台作用于称重传感器，称重传感器将重量信号，送入运算器，经过放大滤波A/D转换等变换成数字信号，测速传感器把皮带运行的速度信号转换成脉冲信号，送入运算器运算器将两个信号进行乘积运算，从而得出物料的重量累计值及瞬时量。同时比较器将实时流量Qn与设定流量作比较得出误差E=Qp–Qn，经PID运算后输出一个增量控制信号到变频器改变电机转速，达到定量给料目的。
2. 电子皮带秤的误差来源分析
由电子皮带秤的组成结构、称重原理和秤架受力情况的分析可知，其计量准确度是由称重传感器与测速传感器所检测到的为长度上的物料的重量以及皮带运行速度决定的。在实际称量过程中，由于计量托辊的非准直度、皮带张力及皮带运行阻力等被称为“皮带效应”的因素影响，使皮带秤具有由其组成、结构、工作方式决定的称重误差；由于传感器本身精度、通道设置及工作方法的影响，是皮带秤具有主要测量控制系统硬件配置、软件设置及工作模式决定的数据检测和处理误差；由于校准方法与实际工作状况的差别影响，使皮带秤具有校准方式决定的校准误差；由于电磁干扰、振动、温度和湿度变化等因素影响，使皮带秤具有皮带秤整体和环境条件共同决定的环境误差。
2.1称重力误差δ1
称重误差是皮带秤的主要误差源。曾今有学者利用有限元法和应用梁理论，通过建立皮带秤称重力测量模型对称重误差进行数学分析，但是未见到有关成果的报道。在理想情况下，通过对单托辊皮带秤称重力测量模型的简化，作用于称重传感器上的力 P，减去皮带自重 P0，就是物料的重力作用力：
（1）
式中：g 为重力加速度；q（x）为质量分布函数；W （x）为称重权函数，是取值在0-1之间的数值函数。
设q为平均线载荷（单位为 kg/m）。则
（2）
即 （3）
在非理想情况运行状况下，由于称重物料的波动，计算皮带所输送的物料重量应将皮带张力变化等“皮带效应“考虑进去，美国Thayer衡器公司的F·yer博士，使用应变能法导出以下公式：
（4）
式中：
n 为称重托辊数；？兹为皮带输送机的倾角（度）；T 为皮带的张力（牛顿或 N）；
D 为托辊的不准直度（米或 m）；E 为皮带的弹性模量（牛顿/平方米或 N /m2）；I 为皮带断面的面积惯性矩（m4）；l 为托辊的实际间距（米或 m）。
从式（4）可知，式中第一项就是物料的重量值，式中第 2 项和第 3 项之和就是重量误差：
（5）
式中 相当于皮带刚度系数。当将皮带看成柔索时，可认为此值等于1。即式（5）简化为：
（6）
引入皮带张力、计量托辊的非准直度变量，将T=T0+？驻T和D=D0+？驻D代入式（6），省略二阶小量后得：
（7）
由上式知称重误差有三项误差组成。结合皮带秤的结构、称重原理和秤架的受力情况，相对误差分析如下：
1.第一项误差 为常量，属于系统恒定误差（张力、托辊的静非准直度基托辊间距），可通过校准予以消除。
2. ？驻D是秤台系统各部分的挠度造成的称重托辊垂直下沉量。其中迭加有称重托辊的径向跳动和系统秤架机械构件的变形因素。它具有随机变化的不确定性，但总是与皮带秤的瞬时载荷成正比。因此，？驻D是一种复杂规律的系统变差。即通过校准不能消除。
3.第三项误差是由皮带张力的变量及环境因素有关，有较大的随机性，可归类于系统性随时机误差。
第二项和第三项的系统变差可由（7）推导出下式
（8）
2.2 皮带测速误差δ2 。
这里分析的是广泛使用的测轮接触式测速的误差。若干影响因素均有差不多大的影响，均不可忽视。现分析如下：
（1）测力与测速地点不一致引起的测速误差
皮带秤上行皮带和下行皮带的张力是有差别的，因而各处皮带的伸长也不一样。皮带上A、B两点的速度之差等于其应变之差。
由材料力学的公式知：
（9）
式中：A为皮带的横截面积？着 为应变E 为皮带的弹性模量 T 为皮带的张力δv1一般在0.1%左右
（2）测轮与皮带不垂直引起的误差
使测轮皮带发生转动的是皮带与测轮成90度方向的力，所以测轮测得的速度只是皮带速度的垂直（于测轮的）分量， 因而发生相对速度误差：
（10）
式中：？兹为偏差角度（rad） δv2一般在0.14%左右。
2.3 校准误差δ4
皮带秤校准方法有：挂码、链码和实物校准三种。挂码校准和链码校准是模拟实物校准，但其并不能充分模拟皮带秤实际工作状态下的多种误差源，尤其产生不了事物运行中所产生的皮带张力。因此就产生了校准过程中无法消除的误差。同时，挂码校准和链码校准用的标准只是依据理论计算出的值，而不是量值传递的计量值。
结束语：影响电子皮带秤计量准确度的原因很多，但只要深入了解皮带秤的工作原理，认真对皮带秤测量体系的各个环节进行分析，明确各种影响电子皮带秤的因素，就能找出合理的解决办法，从而改善电子皮带秤的计量准确度和保证皮带秤的稳定运行。
1. 电子皮带秤的系统构成及工作原理
当皮带输送物料时，称量段上的物料重量通过皮带称计量托辊秤台作用于称重传感器，称重传感器将重量信号，送入运算器，经过放大滤波A/D转换等变换成数字信号，测速传感器把皮带运行的速度信号转换成脉冲信号，送入运算器运算器将两个信号进行乘积运算，从而得出物料的重量累计值及瞬时量。同时比较器将实时流量Qn与设定流量作比较得出误差E=Qp–Qn，经PID运算后输出一个增量控制信号到变频器改变电机转速，达到定量给料目的。
2. 电子皮带秤的误差来源分析
由电子皮带秤的组成结构、称重原理和秤架受力情况的分析可知，其计量准确度是由称重传感器与测速传感器所检测到的为长度上的物料的重量以及皮带运行速度决定的。在实际称量过程中，由于计量托辊的非准直度、皮带张力及皮带运行阻力等被称为“皮带效应”的因素影响，使皮带秤具有由其组成、结构、工作方式决定的称重误差；由于传感器本身精度、通道设置及工作方法的影响，是皮带秤具有主要测量控制系统硬件配置、软件设置及工作模式决定的数据检测和处理误差；由于校准方法与实际工作状况的差别影响，使皮带秤具有校准方式决定的校准误差；由于电磁干扰、振动、温度和湿度变化等因素影响，使皮带秤具有皮带秤整体和环境条件共同决定的环境误差。
2.1称重力误差δ1
称重误差是皮带秤的主要误差源。曾今有学者利用有限元法和应用梁理论，通过建立皮带秤称重力测量模型对称重误差进行数学分析，但是未见到有关成果的报道。在理想情况下，通过对单托辊皮带秤称重力测量模型的简化，作用于称重传感器上的力 P，减去皮带自重 P0，就是物料的重力作用力：
（1）
式中：g 为重力加速度；q（x）为质量分布函数；W （x）为称重权函数，是取值在0-1之间的数值函数。
设q为平均线载荷（单位为 kg/m）。则
（2）
即 （3）
在非理想情况运行状况下，由于称重物料的波动，计算皮带所输送的物料重量应将皮带张力变化等“皮带效应“考虑进去，美国Thayer衡器公司的F·yer博士，使用应变能法导出以下公式：
（4）
式中：
n 为称重托辊数；？兹为皮带输送机的倾角（度）；T 为皮带的张力（牛顿或 N）；
D 为托辊的不准直度（米或 m）；E 为皮带的弹性模量（牛顿/平方米或 N /m2）；I 为皮带断面的面积惯性矩（m4）；l 为托辊的实际间距（米或 m）。
从式（4）可知，式中第一项就是物料的重量值，式中第 2 项和第 3 项之和就是重量误差：
（5）
式中 相当于皮带刚度系数。当将皮带看成柔索时，可认为此值等于1。即式（5）简化为：
（6）
引入皮带张力、计量托辊的非准直度变量，将T=T0+？驻T和D=D0+？驻D代入式（6），省略二阶小量后得：
（7）
由上式知称重误差有三项误差组成。结合皮带秤的结构、称重原理和秤架的受力情况，相对误差分析如下：
1.第一项误差 为常量，属于系统恒定误差（张力、托辊的静非准直度基托辊间距），可通过校准予以消除。
2. ？驻D是秤台系统各部分的挠度造成的称重托辊垂直下沉量。其中迭加有称重托辊的径向跳动和系统秤架机械构件的变形因素。它具有随机变化的不确定性，但总是与皮带秤的瞬时载荷成正比。因此，？驻D是一种复杂规律的系统变差。即通过校准不能消除。
3.第三项误差是由皮带张力的变量及环境因素有关，有较大的随机性，可归类于系统性随时机误差。
第二项和第三项的系统变差可由（7）推导出下式
（8）
2.2 皮带测速误差δ2 。
这里分析的是广泛使用的测轮接触式测速的误差。若干影响因素均有差不多大的影响，均不可忽视。现分析如下：
（1）测力与测速地点不一致引起的测速误差
皮带秤上行皮带和下行皮带的张力是有差别的，因而各处皮带的伸长也不一样。皮带上A、B两点的速度之差等于其应变之差。
由材料力学的公式知：
（9）
式中：A为皮带的横截面积？着 为应变E 为皮带的弹性模量 T 为皮带的张力δv1一般在0.1%左右
（2）测轮与皮带不垂直引起的误差
使测轮皮带发生转动的是皮带与测轮成90度方向的力，所以测轮测得的速度只是皮带速度的垂直（于测轮的）分量， 因而发生相对速度误差：
（10）
式中：？兹为偏差角度（rad） δv2一般在0.14%左右。
2.3 校准误差δ4
皮带秤校准方法有：挂码、链码和实物校准三种。挂码校准和链码校准是模拟实物校准，但其并不能充分模拟皮带秤实际工作状态下的多种误差源，尤其产生不了事物运行中所产生的皮带张力。因此就产生了校准过程中无法消除的误差。同时，挂码校准和链码校准用的标准只是依据理论计算出的值，而不是量值传递的计量值。
结束语：影响电子皮带秤计量准确度的原因很多，但只要深入了解皮带秤的工作原理，认真对皮带秤测量体系的各个环节进行分析，明确各种影响电子皮带秤的因素，就能找出合理的解决办法，从而改善电子皮带秤的计量准确度和保证皮带秤的稳定运行。
上一篇：简析电子皮带秤在火力发电厂煤炭计量中的应用如意彩
下一篇：浅谈电子皮带秤作为贸易结算的探讨
