工程机械搅拌设备用称重传感器的选型-工程机械动态-中国路面机械网

2007-08-16 23:29:53

水利部杭州机械研究所俞勤泰/YU Qintai
　　　　　　福建省莆田传感器厂钱小林/QIAN Xiaolin

　　摘要：本文阐述了工程机械搅拌设备称重系统的基本要求和特殊要求，提出了工程机械搅拌设备称重系统选用传感器时需要考虑的几个问题，重点分析了传感器防护结构对工程机械搅拌设备运行可靠性的影响，指出IP代码所代表的防护等级不能涵盖工程机械搅拌设备对传感器的全部防护要求。建议不同类型的搅拌设备选用不同防护能力的传感器。

　　称重系统中选用传感器通常要考虑称重系统的量限、准确度、传感器的安装空间、周围环境对传感器的可能影响、加载的类型以及传感器的寿命等诸方面因素。工程机械搅拌设备的称重系统也不例外。只是不同的称重系统由于要求不同，工作条件不同，所要考虑的问题侧重点有所不同罢了。
　　工程机械搅拌设备通常包括混凝土搅拌楼（站）、沥青搅拌站、稳定土拌和厂以及海上混凝土搅拌船等，其中以混凝土搅拌楼（站）最为典型。下面就以混凝土搅拌楼（站）为例进行分析。

1 混凝土搅拌楼（站）对称重系统的基本要求
1.1 准确称量误差对混凝土的强度影响很大，特别是水灰比计量精度，因为强度和水灰比是线性关系。相关国家标准规定，水泥、水、外加剂、掺合料的动态计量精度为±1%，砂、石料的动态计量精度为±2%。
1.2 快速满足搅拌楼站工作循环的要求。
1.3 种类多称量值预选的种类要多，变换要方便，以适应多种配比和不同容量的要求。
1.4 结构简单称量装置要结构简单，牢固可靠，性能稳定，操作容易。
　　显然，采用传感器电子称重系统较之机械秤更能满足要求。因此，称重传感器在混凝土搅拌楼站中得到了越来越广泛的应用。但是，客观地说，与机械杠杆秤相比，在“牢固可靠，性能稳定”方面，传感器电子称重系统还有很多工作要做。

2 混凝土搅拌楼站中称重传感器的运行条件
　　与一般用于商贸计量的电子秤的一个很大的不同之处在于，混凝土搅拌楼站中称重传感器处于相当恶劣的运行条件中，应力环境十分复杂，与一般的电子产品的运行环境相比，有更大的随机性。
2.1 环境温度和湿度
　　混凝土搅拌楼站通常是露天安装，传感器可能遭受日晒雨淋，温度剧烈变化。而不少工程建设项目是在自然条件相当恶劣的山区或边远地区。所以，必须考虑更大的温度范围，更高的湿度条件。混凝土在生产过程中需要水。在水的输送和称量过程中也会产生不少水气，在一定的小范围内形成较为潮湿的环境。在温控搅拌楼中，则有高温工况和低温工况的不同要求。夏天运行在低温工况时要通入零度以下的冷风以及加冰搅拌，这时楼内会出现冷凝水，足见楼内湿度之高。
2.2 粉尘
　　混凝土在生产过程中需要大量的水泥、煤粉灰以及适量的外加剂。这些粉状物在输送和称量过程中会产生粉尘。即使是骨料，在输送过程中也有粉尘产生。这些粉尘有一部分会附着在传感器表面。在粉尘和水气的共同作用下，传感器将受到较为严重的腐蚀。所以，粉料秤传感器的损坏通常要比其他秤的传感器更频繁一些。
2.3 冲击与振动
　　在进料过程中，砂石料会产生冲击。传感器应能承受5g的加速度。在搅拌过程中，会产生持续的振动，而振动会产生疲劳破坏。
2.4 人为环境
　　人为环境是产品可靠性设计时必须考虑的因素之一。混凝土搅拌楼一般安装在施工现场。工地上大量使用临时工，其中相当多的临时工文化水平较低，缺少必要的技能。在设备的维修和清洗等工作中，很有可能发生传感器受到高压水的溅射，误操作引起过载等情况。显然，传感器要在这样的环境条件下长期可靠的运行，是要进行一些特殊设计的。
　　上述基本要求和运行条件可以作为混凝土搅拌楼（站）用称重传感器的选型的依据。

3 混凝土搅拌楼（站）用称重传感器选型时需要考虑的几个问题
3.1 称重传感器载荷容量的确定
　　称重传感器载荷容量通常按下式计算
　　传感器额定载荷= 料斗自重＋额定称重量
（0.6~0.7）×传感器只数
　　事实上人们在选择传感器容量时往往还要综合考虑冲击载荷的大小以及选定安全系数.安全系数的选择又与传感器的灵敏度有密切关系．国内外常见的应变式称重传感器灵敏度多数为2mV/V，但是也有1 mV/V的，如柱式传感器；也有3 mV/V的，如部分悬臂梁式传感器和板环式传感器；扭环式传感器则通常是2.85 mV/V。目前在搅拌楼上使用的传感器基本上都是2mV/V的。
3.2 称重传感器准确度的选择
　　传感器准确度的选择以满足称量系统的准确度要求为准，不必片面追求过高的传感器准确度等级。在多只传感器组合使用时，其综合误差按下式计算
δr=δ／√n
　　式中，δ为单只传感器的准确度，n为组合使用的传感器只数。
　　目前搅拌楼上常用的S型传感器、悬臂梁式传感器、板环式传感器，其线性、滞后、重复性、灵敏度温度影响、蠕变等主要指标绝大多数厂家均优于0.05%，大多数厂家优于0.03%，部分厂家优于0.02%。其单只传感器的综合误差都接近或优于0.1%。多只传感器组合后其综合误差就更小了。可以说一般称重传感器生产厂家的产品都能满足要求。
　　以前，不少搅拌楼生产厂家规定其称重系统的静态精度分别为0.1%和0.3%。这样，对于使用单只传感器的秤而言，单项指标为0.05% 的传感器就可以满足0.3%精度的秤的要求。对于使用三只以上传感器的秤而言，单项指标0.05%的传感器也能满足0.1%精度的要求。
　　需要指出的是，上述精度是称重系统的静态精度，而混凝土国家标准要求的是动态精度，这是由于原材料不断地向称量机构供料在重力的冲击下称量误差明显增加。上述0.1%和0.3%的静态精度能否保证分别达到1%和2%的动态精度还与供料系统的设计有关。
　　现在，不少厂家规定其称重系统的精度在0~额定称量值的整个称量范围内为水泥、水、外加剂±1%，砂、石料±2%。须知，预拌混凝土国家标准要求的是实物计量精度，而一般计量仪器在0~20%范围相对误差较大，因此，还是混凝土搅拌楼（站）的行业标准中规定的20~100%的称量段满足水泥、水、外加剂±1%，砂、石料±2%的计量允许偏差更为实际一些。更为合理的精度标注方式是采用衡器行业的术语来表述，即作为累计料斗秤，应采用自动称量准确度的等级标志1.0和2.0。这类秤的检定项目与用途相适应，既包括物料试验（确定累计误差）也包括静态检定。
　　其自动称量时的最大允许误差见表一。
　　在用标准载荷进行静态检定和进行非自动称量时，应满足表二的规定。
　　通常将1.0级秤设计为1000分度，2.0级秤设计为500分度。可以看出，在高量程端1.0级秤的误差为0.15%，2.0级秤的误差为0.3%，并不比以前厂家规定的0.1%和0.3%静态精度高。但是在低量程段精度要求确实是提高了。在这种情况下需要确认所选用的传感器在低量程段能否也满足要求。
　　按秤的分度数选择传感器最简单的方法就是1000分度的秤选用1000分度的传感器，500分度的秤选用500分度的传感器。称重传感器国家标准中准确度就是用分度数来表示的，但是由于多方面的原因，目前大多数生产厂仍用单项指标表示传感器的精度。用户再根据单项精度指标算出综合误差。选用起来麻烦一点。
　　国外发达国家的混凝土搅拌楼称重系统精度一般用分度数来表示，规定为１000分度。可能与他们使用高性能混凝土所占比例高有关。
　　随着经济和技术的不断发展，超高层建筑、超长桥梁、大型水利工程以及其他暴露在严酷环境中的建筑对混凝土的性能提出了越来越高的要求，混凝土技术也进入了高科技时代，高性能混凝土的应用比例不断提升。生产高性能混凝土除了要正确选用原材料、确定合理的工艺参数外，施工工艺的控制也是十分重要的。混凝土搅拌楼中配料系统的准确度是其中重要的一环。
3.3 传感器结构形式的选择
　　常用的拉式传感器有Ｓ形，板环式以及中心十字筋板环式等。中心十字筋板环式传感器精度高、抗偏载性能优异，但是价格较高，通常只在高精度测量场合使用。搅拌楼上常用的是Ｓ型传感器和板环式传感器。其中Ｓ型传感器因其精度高、抗偏载能力强、同时可以带过载保护、量程范围宽等优点用得最多。
　　常用的压式传感器有悬臂梁式、轮辐式、柱式、桥式、扭环式等。综合考虑精度、量程范围、安装方式、价格等因素，绝大多数搅拌楼生产厂选择了悬臂梁式。
3.4 载荷类型的考虑
　　混凝土生产主要使用砂、石子、水泥以及水、外加剂、掺合料。几种材料中数石子秤的冲击为最大。在电子秤大家族中，这类冲击不算最大，一般传感器均能承受。
　　过载情况。从笔者调查的情况来看，传感器因过载而损坏的情况时有发生。比如控制系统出故障，造成大量物料倾泻而下，造成过载。也有使用过程中人为因素造成的过载，特别是小量程传感器因操作者踩踏秤架而过载损坏的事时有发生。因此传感器的过载能力、传感器有无过载保护对称重系统的可靠运行还是有一定影响的。
　　传感器的性能指标中有两项与此有关，一是允许过负荷，一是极限过负荷。
　　允许过负荷是指卸去这一负荷后，传感器的性能指标不变。极限过负荷是指在这一负荷下传感器不会产生有害的永久性机械变形。
　　一般传感器的允许过负荷为150%，极限过负荷在200%~300%之间。有些带过载保护的传感器则可能超过着一范围。如莆田传感器厂的CFCKN-1型传感器因其特殊设计，允许过负荷高达500%。此类传感器在频繁过载的情况下也能可靠地工作。
3.5 传感器的防护等级
　　传感器的防护等级通常用IP表示。一般传感器厂家均称自己的产品达到IP67水平，少数厂家的部分产品达到IP68水平。
　　我们知道，IP代码所表示的是电压不超过72.5kV电气产品的外壳防护等级。国家标准《GB4208-93外壳防护等级》中规定，IP67是指产品能防尘、防短时间浸水影响；IP68是指产品能防尘、防持续潜水影响。需要指出的是，这样的防护中未包括机械损坏、锈蚀、潮湿等外部影响或环境条件。涉及这类保护通常由有关产品标准规定。称重传感器与一般的电器产品和二次仪表产品不同的是，它同时还是一个受力构件，在运行中不断地受到力的作用并产生变形。此外还有可能受到震动、冲击或撞击这样的机械损伤，粉尘和水气共同作用下的较为严重的腐蚀以及在非常潮湿的环境条件下运行。这与GB4208-93规定的试验条件有很大的不同。
　　笔者曾碰到这样的情况：某矿山的矿石秤上选用了进口传感器，某大型钢厂的钢包秤上选用了一种国际知名品牌的传感器，均是焊接密封，非常漂亮，达到了IP68级。但是在现场实际使用寿命都很短。在不得已的情况下，试用了莆田传感器厂的产品。结果出乎他们的意外，使用寿命都超过了进口传感器。其中在某大型钢厂钢包秤上的传感器已运行了7年，至今还在运行中。
　　在这两个例子中，说穿了主要是防护上的区别。一是有外壳还是没有外壳；二是焊缝设计。三是密封材料。
一般说来，有外壳的设计优于无外壳的设计；在焊缝设计方面则要尽可能避免焊缝受力。在无法避免的情况下，则要校核焊缝强度，特别是疲劳强度。疲劳引起的细微裂纹是导致潮气进入，传感器失效的重要原因。前面提到的某国际知名品牌焊接密封传感器在现场使用寿命短的原因就是过分依赖焊接密封，内部应变片仅薄薄一层面胶密封，一旦焊缝裂纹，传感器就在潮气的作用下迅速失效。在密封材料方面需要提醒的是，能通过IP67半小时浸水试验的传感器未必能通得过传感器标准中的12周期湿热试验。应该说传感器标准中规定的湿热试验更符合传感器的使用环境要求，其严酷程度并不低于IP67。
　　受价格竞争的影响，不少传感器厂取消了保护外壳，拉式传感器尤甚。目前国内生产的S型传感器、板环式传感器几乎都取消了外壳。确实，在很多场合这样做没有什么问题。但是在混凝土搅拌楼这样的环境条件下，未必是最好的选择。我厂为三峡工程搅拌楼设计生产的CFCKN-1型外壳焊封传感器使用寿命长达十年。我们所看到的美日欧混凝土搅拌楼上用的拉式传感器多数也是带保护外壳的。他们认为传感器应是半永久性器件，使用寿命应不低于10６次。
　　多年来的实践证明，CFCKN-1型传感器与普通S型传感器相比，至少有以下几个优点：
　　①外壳厚，防机械损伤，特别是防以外撞击能力强；
　　②焊缝深，耐蚀穿时间长；
　　③过载保护间隙也在外壳内，不会因粉尘积聚或杂物受堵；
　　称重传感器合理的外壳设计是称重装置“牢固可靠、性能稳定”的重要保证，选型时不可不认真考虑。
3.6 不同类型搅拌楼对称重传感器选型的细分
　　大中型水利工程的混凝土搅拌楼、城市商品混凝土搅拌楼、小型水利工程和县级公路建设中使用的混凝土搅拌楼在规格大小、使用连续时间、安装地点的环境条件都有很大的不同，所生产的混凝土性能要求也有很大差别。因此，对传感器的可靠性、防护等级等性能事实上也有不同的要求，应区别对待。对连续运行时间长、环境条件恶劣以及生产高性能混凝土的搅拌楼应选择可靠性、防护等级高的传感器。其余的则可适当降低要求。对于运行在海上的混凝土搅拌船，则还需要考虑防盐雾的要求，这里就不再一一细说了。

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