多头秤在工业生产中的原理及常见问题
作者：Smartweigh多头配重器
随着工业生产全过程中原材料，特别是固体原材料的连续、精确计量验证控制规定的不断完善，20世纪90年代，一种能够满足这些规定的新型计量验证设备——多头秤（失重式称重机）应运而生。多头秤基于原材料在秤体上净重的变化，对原材料进行连续、精确的测量和验证。多头秤的出现逐渐取代了原有的电子皮带秤、螺旋秤，甚至累加秤，作为一种新型的升级计量验证方法，在冶金、矿山、化工、化工厂和化纤能源等领域得到了越来越广泛的应用。图1所示的梅特勒-托利多多头秤由称重平台（称重平台底座上固定有传感器）、进料变频电机（可额外驱动输送螺旋和水平搅拌装置）、进料仓、垂直搅拌装置和电导率装置组成。它由软连接和多头称重控制仪器（IND560CF）组成。
为完成连续测量和验证操作，现场还必须配备大型料斗、全自动闸阀（功能是连续补充多头秤的给料仓）和接收设备（功能是连续接收多头秤的给料）等。2 操作框图 3 原理 称重平台、给料仓以及称重平台上运行的所有机械设备构成整个秤体，传感器将秤体上的净重变化连续传输至多头秤控制仪表（控制仪表是多头秤的关键解决方案部分，所有操作和解决方案功能均由其执行），控制仪表根据数据信号计算单位时间内秤体的净重弹性系数作为具体的瞬时总流量，然后将其与设定的总体目标总流量进行比较，从而得到相对准确的结果。 PID 计算完成后，输出 4-50mA 的电流数据信号，改变给料电机软启动器的输出频率，进而改变电机的速比，使实际给料量尽可能接近设定的目标总流量，从而实现精确给料。为了完成多头秤的连续给料和计量精度验证，给料仓顶部必须配备一个可连续给料的大容量料斗和一个全自动闸阀来控制给料。
在控制仪表中，设置补料上限值（Refill_Stop）和补料下限值（Refill_Star）。当控制仪表称量秤上的净重达到补料下限值时，会发出开启补料限值信号。闸阀的数据信号使闸阀开启，大料斗中的原料通过导电软连接进入给料仓，秤体上的净重增加。当达到限值时，会发出关闭闸阀的数据信号，使闸阀关闭。在此过程中，给料电机一直处于运转状态，即给料是连续的。对于这些循环性差、相对较轻且较薄的原料，闸阀关闭后短时间内，部分净重将无法计入秤体。此时，如果多头秤是根据传感器传输的数据信号开发的，如果PID控制成功，因为传感器在此时间范围内感受到的净重变化会减小，这将导致数据信号丢失帧并阻止操作，因此控制仪器中还设置了进料时间（Timer2），即在刚开始计时时关闭闸阀。
在补料开始时，预计进料时间即将结束。在此期间，进料电机将保持进料前的频率，不会改变。换句话说，多头秤在整个过程中都以固定频率运行。操作——静态数据处理。当进料时间结束后，多头秤自动恢复实时控制，即根据传感器传输的数据信号控制进料电机。多头秤的整个操作过程以此方式重复进行。
为了确保多头秤的线性度，除了上述关键主要参数外，控制仪器中还有以下主要参数：SetP（比例系数 P 值）；SetI（积分时间 I 值）；SetD（差分时间）；Caltime（当前总流量采样时间）；Calcount（当前总流量采样频率）；Target-F（流量监测目标值）；Limit-E（流量监测容差范围）；Hig_Weight（高物料液位值）；Low_Weight（低物料液位值）；Load-Max（指定频率值）；Load-Min（频率最小值）；SampleFlux1（动态校准总流量值 1）；SampleFlux2（动态校准总流量值 2）；SampleFlux3（动态校准总流量值 3）；WorkMode（工作模式选择）；BatchSelect（批次号（定量分析）角色选择）；FluxFactor（总流量调整主要参数）；ProportionFactor（原料比例调整主要参数）。 4. 多头秤设计中常见的难题是提高其线性度。设计解决方案时应考虑以下几个方面：1）选择合适的应用频率，最好保持在35Hz~40Hz。频率过低会导致系统软件可靠性差；2）选择合适的传感器测量范围，使用60%~70%的测量范围，并拓宽数据信号转换范围，有利于提高线性度；3）机械系统设计方案必须保证原材料循环良好，同时保证进料时间短，且进料频率不宜过高。一般情况下，进料间隔为5~10分钟；4）配套设备的传动装置应保证运行稳定，并具有良好的线性特性。 5. 多头秤安装应用全过程中常见问题：为保证多头秤的精度，安装应用全过程中必须注意以下几点：1）称重平台必须牢固固定，传感器属于弹性变形部件，外部振动会影响其性能。应用经验表明，多头秤应用全过程中最忌讳的是自然环境中的振动危害；2）自然环境中不应有旋风状气流，因为为提高称重精度，所选传感器非常精密，任何运动都会对传感器产生影响；3）上下导电软连接件应轻巧柔软，以防止上下设备对多头秤造成冲击。
此阶段最理想的原料是光滑、柔软、丝滑的；4）大料斗与给料仓之间的连接距离越小越好，特别是对于粘附性较强的物料，当大料斗与给料仓中间的连接间距过长时，原料粘附在料仓壁上的量就越多。当原料粘附在料仓壁上达到一定程度时，一旦掉落，会对多头秤造成很大的冲击；5）尽量避免与外部物料接触，目的是更好地减少外部作用力对秤体的损害；6）给料速度要快，因此必须确保整个给料过程的开合顺畅。对于循环性差的原料，为了避免物料结块，最好的办法是在大料斗中加装机械搅拌装置。最大的禁忌是旋风分离器拱形破裂，但搅拌装置不能一直运转。最理想的情况是整个给料过程的混合和搅拌保持连续，即与给料闸阀的开合保持一致。 7）进料下限值和上限值的设定应合理，使料仓内物料的表观密度基本一致。这可以通过仔细观察软启动器的频率变化来判断。当料仓内原料的表观密度基本一致时，软启动器的频率变化通常不大。
进料量的下限值和上限值应适当提高整个进料过程的线性度。如前所述，多头秤在进料过程中处于静态数据运行状态。如果能够保持前后左右软启动器的频率基准不变，则整个进料过程的测量精度也能得到很大程度的保证。此外，在保证表观密度基本一致的前提下，应尽量避免频繁进料，即每次都尽量增加物料量。这两点相互矛盾，需要加以考虑。
这也是确保整个进料过程精度的基础；8）进料时间的设定应合理。设定原则是确保所有原料都已落到秤体上，设定时间越短越好。前面已经提到，多头秤在进料期间处于静态数据处理阶段，因此时间越短越好。这个时间也可以通过仔细观察获得。在调整阶段，可以先将时间设定得稍长一些，观察每次进料完成后秤体上的总重量在多长时间内不会波动（不易增加），趋于稳定（秤体上的总重量稳步下降）。
那么现在正是添加原料的最佳时机。6. 结果 本文详细介绍了多头秤的原理，以及在设计方案和应用过程中需要注意的一些事项，特别是应用过程中的关键点，这是一次宝贵的经验分享，我期待与大家分享。有了这些帮助，多头秤可以得到更强有力的应用。只有重视这些关键点问题，才能保证多头秤的线性度，从而生产出符合标准的产品。
作者：Smartweigh多头配重器制造商
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