料罐稱(chēng)重系統(tǒng)問(wèn)題及解決方案
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蚌埠雷泰傳感器公司制定傳感器方案前，首先必須選擇適合罐的傳感器，挑選一種傳感器，在每個(gè)支撐點(diǎn)都安裝一個(gè)——一個(gè)完美的稱(chēng)重系統(tǒng)就出來(lái)了。這里涉及的理論包括找到容器“靜重”，估算產(chǎn)品比重，然后計(jì)算總重量。這是一個(gè)輕松的設(shè)計(jì)工作，只要匯總圖紙，接著就能進(jìn)行“威斯丁豪斯工程”，找到合適的規(guī)格裝進(jìn)去。
傳感器的負(fù)載能力差可能不是工程學(xué)上的問(wèn)題，更確切的說(shuō)，可能是對(duì)傳感器如何工作缺少了解，對(duì)實(shí)際因素如何影響安裝缺乏認(rèn)識(shí)。首先介紹一些簡(jiǎn)單的力學(xué)知識(shí)、安裝技巧和實(shí)際教訓(xùn)，這有助于工程師更有效選擇傳感器。而質(zhì)量控制經(jīng)理、生產(chǎn)經(jīng)理也會(huì)從中得到一些收獲，來(lái)糾正他們現(xiàn)有罐秤的安裝。
傳感器的核心是應(yīng)變片。傳感器有很多種，這里主要說(shuō)剪切梁式傳感器。力的矢量分布很重要，傳感器并不能區(qū)別實(shí)際的垂直負(fù)載和側(cè)向/扭矩負(fù)載。應(yīng)該測(cè)量的是實(shí)際垂直負(fù)載，即罐內(nèi)重量，而不是剪切負(fù)載。但在實(shí)際情況下，或安裝不正確時(shí)，往往使傳感器測(cè)得的值遠(yuǎn)大于垂直負(fù)載。這些影響重復(fù)性的因素最終導(dǎo)致放棄使用傳感器。在了解這些影響罐秤精度的因素前，更重要的是了解剪切梁傳感器是如何工作的。
剪切梁式傳感器是包含幾個(gè)應(yīng)變片的精密碾壓的金屬片，應(yīng)變片成45o角，測(cè)量鋼的剪切應(yīng)力。
圖1 剪切梁傳感器高度依賴(lài)結(jié)構(gòu)材料
圖1顯示了剪切梁傳感器上應(yīng)變片的理論位置。
應(yīng)變片是鋸齒形條狀導(dǎo)體，用金屬薄膜蝕刻而成。原理是當(dāng)受到機(jī)械應(yīng)力時(shí)，導(dǎo)體電阻增大（該機(jī)械應(yīng)力由薄膜長(zhǎng)度和橫截面上的微小變化而產(chǎn)生）。由此產(chǎn)生的電壓變化很小，必須用惠斯通電橋或其他類(lèi)似放大電路才能精確測(cè)量。圖1中的字母F顯示力如何傳遞到剪切梁傳感器。
傳感器一般采用低碳鋼、不銹鋼、合金鋼或鋁等材料。一個(gè)傳感器通常要進(jìn)行數(shù)千次稱(chēng)重，因此要產(chǎn)生可重復(fù)性的稱(chēng)重結(jié)果，對(duì)金屬材料的要求很高。剪切梁傳感器實(shí)際是測(cè)量鋼的剪切應(yīng)力，因此如果本身材料不是一個(gè)整體，就會(huì)產(chǎn)生稱(chēng)重誤差。金屬的選擇也會(huì)影響傳感器的使用壽命，因?yàn)榭赡茏陨砭蜁?huì)發(fā)生故障。一般情況下，傳感器的制造廠家都要嚴(yán)格選用高等級(jí)鋼和鋁，生產(chǎn)最可靠的設(shè)備。
彎曲梁和剪切梁傳感器是標(biāo)準(zhǔn)用于工業(yè)臺(tái)秤和地秤的傳感器。抬起一個(gè)秤臺(tái)，看它的底部，就能會(huì)發(fā)現(xiàn)一類(lèi)彎曲梁傳感器。如果這類(lèi)傳感器能用在臺(tái)秤中，為什么不能用在罐秤中呢？
彎曲梁傳感器能完美用于靜態(tài)稱(chēng)重，但不適合生產(chǎn)型容器。稱(chēng)量容器需要傳感器和機(jī)械支撐系統(tǒng)對(duì)非垂直負(fù)載有高度承受力、并能產(chǎn)生重復(fù)稱(chēng)重結(jié)果。
罐的設(shè)計(jì)
首先，如果不對(duì)罐進(jìn)行適當(dāng)考慮，就不可能進(jìn)行成功稱(chēng)重。設(shè)計(jì)容器時(shí)首先要考慮在風(fēng)力、地震和其他自然因素作用下能夠安全存儲(chǔ)一定量的物料，其次才考慮對(duì)其的稱(chēng)重。
設(shè)計(jì)傳感器時(shí)最重要的因素是“稱(chēng)重框架”的結(jié)構(gòu)，即傳感器安裝的地方。無(wú)論剪切梁、彎曲梁或壓式傳感器，該框架都能以機(jī)械方式與容器下的所有傳感器連接，并確保傳感器在任何方向都不會(huì)移動(dòng)。由于這里是考慮垂直力，因此設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮外力不會(huì)使傳感器發(fā)生傾斜。
圖2 構(gòu)建一個(gè)堅(jiān)固的框架是獲得重復(fù)性稱(chēng)重的關(guān)鍵
圖2顯示了最佳的安裝類(lèi)型。注意傳感器是如何安裝在梁中間。每個(gè)傳感器都位于兩個(gè)框架間。該結(jié)構(gòu)確保傳感器會(huì)一起移動(dòng)，產(chǎn)生可重復(fù)的稱(chēng)重結(jié)果。
圖2中，傳感器安裝在底部支撐框架的頂端，容器重量從傳感器傳遞到底部框架。這種力的傳遞產(chǎn)生的偏差最小。雖然傳感器也可以不需要框架直接裝在地面，但前提是地板必須幾乎沒(méi)有變形或下沉，因?yàn)閭鞲衅骺梢詼y(cè)量幾千分之一毫米的偏差，而如果地基變形，就不能得到準(zhǔn)確的精度。大部分建筑在設(shè)計(jì)時(shí)都允許有地面變形，但對(duì)傳感器來(lái)說(shuō)是不允許的。
圖3 縮短罐底部與傳感器的間距，減小導(dǎo)致重復(fù)性和精度變差的彎矩
圖3顯示了罐秤系統(tǒng)中的另一個(gè)典型設(shè)計(jì)問(wèn)題，傳感器安裝在一個(gè)腳很長(zhǎng)的罐的底部。罐腳移動(dòng)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生誤差。由于外部變形引起位移變化，測(cè)量重復(fù)性就變差。
圖3右圖顯示了傳感器的正確安裝方法；截短罐腳，縮小各個(gè)腳的移動(dòng)，傳感器的頂部和底部框架有助于使負(fù)載模式更為一致。這些圖顯示的是常用錯(cuò)誤，而每個(gè)具體稱(chēng)重應(yīng)用都是不同的。
堅(jiān)固的罐包括堅(jiān)固的基礎(chǔ)，頂部/底部框架，較短的腳。另外設(shè)計(jì)時(shí)還需要考慮的，也最容易忽視的因素是容器的外圍連接件和附件，如管子、攪拌器、梯子、過(guò)道等。這些外圍設(shè)備也會(huì)影響稱(chēng)重系統(tǒng)。這也是設(shè)計(jì)傳感器時(shí)，同樣需要設(shè)計(jì)生產(chǎn)過(guò)程和容器的原因。
進(jìn)出容器的管子也會(huì)產(chǎn)生外力。在穩(wěn)定的環(huán)境條件如恒溫時(shí)，管子和噴嘴不會(huì)對(duì)傳感器造成嚴(yán)重影響。但是眾所周知，工業(yè)場(chǎng)合不可能是“穩(wěn)定環(huán)境”。熱膨脹和運(yùn)動(dòng)會(huì)影響稱(chēng)重結(jié)果。舉例說(shuō)明，站在浴室磅秤上看看體重讀數(shù)，接著輕輕推墻再看體重，然后再推推附近的毛巾架再看體重，結(jié)果是不同的，這種作用力和反作用力就類(lèi)似于管子在容器中的使用。
圖4 管子作用在容器上的力Fp使傳感器出現(xiàn)重量低的“假象”
圖4說(shuō)明管子可能產(chǎn)生的力和位移：堅(jiān)固的管子可能會(huì)承擔(dān)容器的一些重量，并產(chǎn)生位移dP。沿管子方向的力Fp會(huì)將容器向側(cè)面推，并產(chǎn)生向下或向上的力。
仔細(xì)考慮管子的支撐和噴嘴結(jié)構(gòu)，就可以減少類(lèi)似問(wèn)題。最簡(jiǎn)單的減少管子對(duì)稱(chēng)重結(jié)果影響的方法是將所有管子從側(cè)面接入。可能的話使管子吊架盡可能遠(yuǎn)離罐，使罐在裝貨時(shí)能方便地上下移動(dòng)。當(dāng)然也可以使用滑輪，但這種方法最終還是會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題。最好的解決方案是使用軟管和波紋管，這樣可以減少管子對(duì)容器作用力的影響，并延緩管子的疲勞度，但必須確保軟管的連接是軟連接。一個(gè)1英寸的彎頭在一根4英寸的管子上，無(wú)論對(duì)管子老化，還是對(duì)傳感器干擾，可能都沒(méi)有什么影響。
一旦罐設(shè)計(jì)正確、管子連接正常，下一步就是選擇正確的稱(chēng)重系統(tǒng)。雖然剪切梁或彎曲梁傳感器都可使用，我還是建議使用壓式傳感器。因?yàn)閴菏絺鞲衅饔芯稍O(shè)計(jì)的弧形頂部和底部，能消除非垂直負(fù)載。這些圓形部件可以使傳感器在受到側(cè)向力時(shí)根據(jù)恢復(fù)力的原則自我“校準(zhǔn)”（見(jiàn)圖 5）。
圖5 隔熱保護(hù)的20000kg壓式傳感器及安裝套件
如圖6所示的壓式傳感器，當(dāng)容器膨脹時(shí)可以位移，從機(jī)械結(jié)構(gòu)上消除其他非垂直力的影響。
壓式傳感器不應(yīng)像梁式傳感器那樣用螺栓固定在地上或輔助框架上。因?yàn)樗型饬Γ▉?lái)自攪拌器和熱膨脹的力，梁式傳感器都不能區(qū)別開(kāi)。只有正確安裝壓式傳感器，才能有效消除這些力的干擾。
能有效用于壓式傳感器的工具之一是限位器。限位器是一種簡(jiǎn)單裝置，如果使用得當(dāng)，就能消除復(fù)雜的側(cè)向負(fù)載的影響。限位器一般安裝在傳感器安裝套件側(cè)面，它類(lèi)似于一種經(jīng)典的螺絲扣。這種螺絲扣可吸收來(lái)自側(cè)向負(fù)載的非垂直力，例如風(fēng)以及垂直安裝的攪拌器產(chǎn)生的力矩。
圖7 適當(dāng)安裝螺絲扣能確保傳感器之間重量分布均勻
圖7是一種典型的帶螺絲扣的壓式傳感器的安裝套件。安裝套件只有正確排列才能很好吸收側(cè)向力。圖中顯示安裝套件如何正確安裝在3個(gè)腳和4個(gè)腳的容器上。如圖所示，在3個(gè)腳的容器中，螺絲扣是與罐相切的。這種螺絲扣可吸收攪拌器產(chǎn)生的力矩，使側(cè)向力在限位器間均勻分布。通常4個(gè)腳的系統(tǒng)比3個(gè)腳的更穩(wěn)定。4個(gè)腳的罐在安裝時(shí)，不應(yīng)使任何螺絲扣相對(duì)，以避免不必要的軸向力。用這種辦法，每個(gè)螺絲扣將均勻分擔(dān)整個(gè)容器上的負(fù)載。
最后，讓我們來(lái)考慮罐的熱膨脹。熱脹冷縮產(chǎn)生的原因很多，最常見(jiàn)的是：外殼遇熱或遇冷，環(huán)境溫度改變，以及往罐中加入冷/熱液體。如果使用剪切梁或彎曲梁傳感器，就不能用物理方法防止罐的熱脹冷縮將負(fù)載作用在傳感器上。
舉例來(lái)說(shuō)，用這類(lèi)安裝時(shí)，溫度升高會(huì)使容器壁向外對(duì)傳感器施加壓力。壓力會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向下的力，傳感器會(huì)認(rèn)為其是重量變化。這種膨脹小到幾磅或幾公斤，大到幾百公斤，是不可重復(fù)的重量變化。
對(duì)于一個(gè)用不銹鋼材料AISI304/ 1.4301 制作的容器來(lái)說(shuō)，稱(chēng)重系統(tǒng)在環(huán)境溫度（20℃）下校準(zhǔn)，但在250℃的加熱系統(tǒng)中運(yùn)行。計(jì)算公式如下：
罐半徑（R）= 1.25 m
膨脹系數(shù)（k）= 1.6 mm/m/100oK（材料不同時(shí)膨脹系數(shù)不同）
溫差 = 250℃ – 20℃ = 230℃
應(yīng)變（ΣT）= 1.6 mm/m × 230℃/100oK = 3.68 mm/m
半徑膨脹 = 1.25 m × 3.68 mm/m = 4.6 mm
剪切梁稱(chēng)重系統(tǒng)中，罐產(chǎn)生4.6mm的膨脹量就會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的稱(chēng)重誤差。壓式傳感器不是以物理方法用螺釘固定在地上，而是浮動(dòng)的，當(dāng)罐膨脹時(shí)會(huì)產(chǎn)生輕微位移。這種傳感器如果安裝正確，就可以避免熱膨脹引起的誤差。
關(guān)于成本(蚌埠雷泰傳感器有限公司技術(shù)部）
在工業(yè)行業(yè)，稱(chēng)重精度就相當(dāng)于成本，甚至是大量成本。使用不適合的稱(chēng)重方案就意味著浪費(fèi)時(shí)間、降低效率，也就是增加了成本。不精確的罐秤可能會(huì)造成幾千美元的損失，既浪費(fèi)產(chǎn)品，也消耗時(shí)間。因此，最關(guān)鍵的就是需要咨詢(xún)專(zhuān)業(yè)罐秤公司，不僅熟悉傳感器技術(shù)規(guī)格，同時(shí)還要對(duì)系統(tǒng)工程學(xué)了如指掌。
