提高混凝土搅拌楼称重传感器测量精度的措施
2006-12-29 00:00
摘 要:水电站混凝土搅拌楼安装于环境恶劣的施工现场,如何保证称重传感器测量精度是混凝土搅拌楼实现自动配料的关键。简要分析了影响称重传感器测量精度的内在与外在因素,从实际使用的角度,讨论了提高称重传感器测量精度可靠性的几点措施,这些措施主要包括:合理选择称重传感器额定容量;正确设定混凝土各配料的给定值;重视称重传感器的温、湿度运行条件;对传感器采用三重保护的密封;严格称重传感器的安装工艺程序。
关键词:混凝土搅拌楼;称重传感器;测量精度
中图分类号: TV53 文献标识码:B
目前我国的大中型水电站建设方兴未艾,对建筑大坝、厂房所需要的混凝土质量要求也越来越高。因此,如何保证混凝土搅拌楼自动配料计量准确可靠,是生产出高品质混凝土的关键。称重传感器作为混凝土搅拌楼实现自动配料的重要的信号检测元件,保证传感器测量的准确度和可靠性,是提高配料精度和稳定性,提高混凝土质量的首要问题。
1 影响搅拌楼称重传感器测量精度的因素
1. 1 内在影响因素
混凝土搅拌楼称重传感器目前普遍采用电阻应变式,其工作原理是基于弹性体(弹性元件) 在外力作用下产生弹性形变,使粘贴在它表面的电阻应变片(转换元件) 也同时产生变形,从而引起应变片的阻值发生变化(增大或减小) ,再经相应的测量电路把电阻的变化转换为电信号(电压或电流) ,输出与重量成正比的电信号,从而实现测量重量的目的。因此,弹性体、电阻应变片、应变胶和测量电路的制造工艺质量是影响称重传感器测量准确度的关键。
弹性体是一个有特殊形状的结构件。它的功能有两个,首先是它承受称重传感器所受的外力,其次,它要产生一个高品质的应变区,使粘贴在此区的电阻应变完成信号的转换任务。因此可以说弹性体的金属材料材质、金属材料的锻造、机械加工、热处理和表面处理等是保证称重传感器测量精度的支持工艺,它决定了弹性体的淬透性、强度和韧性、疲劳强度等。电阻应变片是称重传感器的核心元件,其工作原理是基于材料的电阻应变效应,用粘合剂粘贴在传感器弹性元件上。其自身制造工艺、应变片粘接剂(应变胶) 是保证称重传感器测量精度的基础工艺;电阻应变片粘贴、固化、组桥、防护与密封、电路补偿与调整是保证称重传感器测量精度的核心工艺。从粘贴到电路补偿无论哪一个环节工艺不过关,即使使用最好的应变片也无济于事。
1. 2 外在影响因素
水电站建设用混凝土搅拌楼安装在施工现场,现场使用环境恶劣,环境温度、湿度、大气压力、震动、磁场、电场等诸多因素均可能引入换能误差、产生零点漂移和灵敏度的变化。在使用过程中,传感器结构、容量、技术参数选择、物料的给定、安装工艺不合理同样也会对测量结果产生误差,甚至增大传感器的损坏率。因此,称重传感器的制造检定指标与实际使用时表现的精度及其他性能指标二者不能等同。尽管传感器制造技术在不断提高,但决不能忽视称重传感器的使用技术,当使用条件发生变化时就必须采取措施对各种误差源进行限制。
2 合理选择称重传感器额定容量
额定容量是生产厂家给出的称量范围的上限值。称重时,传感器所承受的载荷由静态负荷和动态负荷组成,静态负荷主要指被测对象的重量值和附加载荷(如秤斗、附件等重量) ,动态负荷是指进、卸料时物料及机械动作冲击载荷,所以额定容量的选择要充分考虑动态冲击及附加载荷。若在选择传感器容量时预留裕度较小,虽然传感器可工作于特性曲线的线性段,测量精度高,但却可能使之经常工作于超载状况下,势必降低了使用寿命;反之,若选择传感器容量时预留裕度较大,难以达到称重系统精度的要求。所以传感器的额定荷重值(额定容量) = K(皮重+ 最大称重) / 传感器组合个数。
安全系数K 的确定取决于振动、冲击、偏载等因素,应依具体称重系统的情况而定。根据经验,在冲击及偏载较小时,安全系数可取1. 2～1. 5 ,如水泥、细石料传感器;在冲击及偏载然考虑了冲击和偏载则必增大传感器容量的裕度,导致传感器使用范围精度下降,此时,其精度指标选取应相应提高。皮重指秤斗及其上面各附件的重量,皮重是在被测量为零时,传感器所承受的附加载荷。在称重测量时,它被自重调零装置抵消,若皮重过大,则导致测量系统参数匹配极不合理,使传感器使用精度范围减少,检测性能指标难以达到,故障率增高。因此,对系统精度应优于0. 5 %FS 的混凝土搅拌楼,皮重应限制在最大称重量的10 %左右,不宜超过20 % ,更不能在秤斗上现场加装校秤架等附件,以减少传感器超载的可能性。另外,选择传感器的额定容量要尽量符合生产厂家的标准产品系列中的值,否则,选用了非标准产品,不但价格贵,而且损坏后难以替换。其次,在同一称重系统中,不允许选用额定容量不同的传感器,否则,该系统没法正常工作。
3 正确设定混凝土各配料的给定值范围
在称重系统进行调试、运行时,各物料称的给定值一定要大于1/ 2 量程,才能保证实测配料精度。因为国家标准和水电部标准规定,在给定值为(0. 5～1. 0) 量程范围内,来进行配料偏差的计算。若某些物料经常按1/ 2 量程甚至1/ 3 量程以下来进行配料定值,其结果是配料超差机率大大增加,尤其是添加剂等称量范围较小的物料。
4 重视称重传感器的温、湿度运行条件
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。在选择传感器时必须考虑更大的温度范围,更高的湿度条件。环境温度的变化直接导致应变片阻值的变化,对传感器的精度、稳定性造成直接影响,因此,选择的传感器,其温度指标必须满足现场环境条件。室外温度波动大的地方,应选择温度范围宽、温漂小(即温度对零点及输出灵敏度影响较小) 的传感器。在湿度条件,测量电路任何部分因受潮绝缘下降,都会引起零点漂移,测量精度变差,甚至无法工作。较为有效的防潮办法是:传感器采用密封防潮式;插头、座、盒选用防水(潮)型;引出电缆要倒悬,防止渗水;对可能渗水处,用703 硅橡胶密封。
5 采用三重防护措施密封称重传感器
受价格竞争的影响,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。但在混凝土搅拌楼称重系统中,传感器在运行中不断地受到外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。因此,为保证测量精度的可靠性应选用有外壳且外壳要厚的传感器进行第一道防护。另外传感器焊缝质量不良引起的细微裂纹是导致潮气进入,传感器失效的重要原因,因此焊缝设计要深且要校核焊缝强度作为第二道防护。最后一道防护是要选用优质密封材料密封内部应变片。
6 严格称重传感器安装工艺程序
6. 1 电气实验及接线方面
(1) 称重传感器在安装之前必须做现场验收实验:外观及出厂资料检查要与订货要求相符;按“负荷传感器试验方法”进行绝缘电阻测量、直流电阻测试、输出灵敏度测试,并将测试结果与出厂实验记录或原始值比较,如有明显异常,反映存在问题,必须进行加以处理,达到要求后再进行安装。
(2) 严防输入、输出端交错连接,导致输出值跃变,无法进行测量。确认传感器输入、输出端方法是用万用表测量直流电阻值,输入、输出电阻值应基本相等,但在有精确补偿时,输入电阻会略大于输出电阻。
(3)传感器的信号电缆一般不能与强电电源线或控制线在同一通道内并行布置,以免引入干扰。若必须并行放置,那么,它们之间的距离应保持在50 cm以上,并把信号线用金属管套起来。
(4) 传感器输出极性应当与仪表指示对应。当荷重增大,称重指示增大;反之相反。否则,应将传感器输入(或者输出)的二线端对调。
6. 2 机械安装工艺方面
(1) 传感器安装时,要保证负荷由加荷点沿传感器加荷轴线作用,就一定要避免力的分路及力学干扰因素。多只传感器的组合使用中,为防止偏载误差,其布置应使每只传感器受力一致,如3 只传感器其应按120°均匀布置。同时,拉杆应垂直,在含温差膨胀在内的垂直度偏差不应大于3°。
(2) 传感器悬挂装置要有足够刚度,以免引起卸载不回零及称量误差。使用中注意秤斗于吊杆间不宜用缓冲橡皮垫。
(3) 安装调试时皮重测量用标准砝码检定,系统精度要符合要求,即混凝土称量系统精度优于0. 5 %FS ;组合传感器负载一致性的测量,应符合厂家设计要求,即传感器额定输出灵敏度相互间差值不大于1. 5 %;传感器电桥电压完全一致;皮重结构偏心引起偏载不超过10 %。
(4) 在传感器组合于加载机构之后,避免电焊作业以免烧坏传感器,但在需要电焊作业时,应在传感器上下吊杆间安装短路用的多芯软铜线。
(5) 传感器使用中,必须避免强烈的热辐射,尤其是单侧的强烈热辐射。虽然传感器采用温度补偿,却常因不处于均匀温度下而难以起到应有的作用,必要时应加石棉或玻璃纤维来隔热。
7 称重传感器订货中的应注意的几个问题
(1) 针对具体搅拌楼称重系统的应用条件在订货合同中提出产品质量及技术一般性要求和特殊性要求。
(2) 所选制造厂必须按国家计量法规定,具有计量器具生产许可证,并且产品质量可靠。
(3) 订货必须提前进行。称重传感器从应变体、应变片制作到贴片、防护与密封、检测需要近百道工序。其中的每道工序,均能使应变体、应变片产生残余应力,而残余应力的存在将导致传感器的线性度、滞后、蠕变等技术指标的稳定性变差。残余应力的消除,要经过利用时效使之自然释放。一只性能良好工作稳定的传感器生产,一定要包含多次按序消除加工过程中产生的内应力的时效工序,通常为3 个月左右的时间,故传感器订货宜提前进行,以保证其制造性能。有的厂商在无储备时,应急赶制,交货迅速,导致质量问题的事例不胜枚举,应引以注意。
8 结 语
目前我国大中型水电站建设对混凝土施工机械的要求很高,采用的搅拌设备基本是大容量、高强度并能生产多品种的混凝土搅拌楼,而称重传感器的测量误差对混凝土的强度影响很大。因此,在实际使用过程中,不能仅仅依赖于选用高质量高精度的优质传感器,在此基础上,重视传感器的使用技术更是提高测量精度的可靠保证。
参考文献:
[ 1 ] 余松青,王以信,许胜男. 用比对测量仪调整称重传感器的灵敏度[J ] . 传感器技术,2003 , (7) .
[ 2 ] 李建国. 混凝土搅拌楼(站) 配料超差的探讨[J ] . 水利电力机械,2001 , (4) .
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关键词:混凝土搅拌楼;称重传感器;测量精度
中图分类号: TV53 文献标识码:B
目前我国的大中型水电站建设方兴未艾,对建筑大坝、厂房所需要的混凝土质量要求也越来越高。因此,如何保证混凝土搅拌楼自动配料计量准确可靠,是生产出高品质混凝土的关键。称重传感器作为混凝土搅拌楼实现自动配料的重要的信号检测元件,保证传感器测量的准确度和可靠性,是提高配料精度和稳定性,提高混凝土质量的首要问题。
1 影响搅拌楼称重传感器测量精度的因素
1. 1 内在影响因素
混凝土搅拌楼称重传感器目前普遍采用电阻应变式,其工作原理是基于弹性体(弹性元件) 在外力作用下产生弹性形变,使粘贴在它表面的电阻应变片(转换元件) 也同时产生变形,从而引起应变片的阻值发生变化(增大或减小) ,再经相应的测量电路把电阻的变化转换为电信号(电压或电流) ,输出与重量成正比的电信号,从而实现测量重量的目的。因此,弹性体、电阻应变片、应变胶和测量电路的制造工艺质量是影响称重传感器测量准确度的关键。
弹性体是一个有特殊形状的结构件。它的功能有两个,首先是它承受称重传感器所受的外力,其次,它要产生一个高品质的应变区,使粘贴在此区的电阻应变完成信号的转换任务。因此可以说弹性体的金属材料材质、金属材料的锻造、机械加工、热处理和表面处理等是保证称重传感器测量精度的支持工艺,它决定了弹性体的淬透性、强度和韧性、疲劳强度等。电阻应变片是称重传感器的核心元件,其工作原理是基于材料的电阻应变效应,用粘合剂粘贴在传感器弹性元件上。其自身制造工艺、应变片粘接剂(应变胶) 是保证称重传感器测量精度的基础工艺;电阻应变片粘贴、固化、组桥、防护与密封、电路补偿与调整是保证称重传感器测量精度的核心工艺。从粘贴到电路补偿无论哪一个环节工艺不过关,即使使用最好的应变片也无济于事。
1. 2 外在影响因素
水电站建设用混凝土搅拌楼安装在施工现场,现场使用环境恶劣,环境温度、湿度、大气压力、震动、磁场、电场等诸多因素均可能引入换能误差、产生零点漂移和灵敏度的变化。在使用过程中,传感器结构、容量、技术参数选择、物料的给定、安装工艺不合理同样也会对测量结果产生误差,甚至增大传感器的损坏率。因此,称重传感器的制造检定指标与实际使用时表现的精度及其他性能指标二者不能等同。尽管传感器制造技术在不断提高,但决不能忽视称重传感器的使用技术,当使用条件发生变化时就必须采取措施对各种误差源进行限制。
2 合理选择称重传感器额定容量
额定容量是生产厂家给出的称量范围的上限值。称重时,传感器所承受的载荷由静态负荷和动态负荷组成,静态负荷主要指被测对象的重量值和附加载荷(如秤斗、附件等重量) ,动态负荷是指进、卸料时物料及机械动作冲击载荷,所以额定容量的选择要充分考虑动态冲击及附加载荷。若在选择传感器容量时预留裕度较小,虽然传感器可工作于特性曲线的线性段,测量精度高,但却可能使之经常工作于超载状况下,势必降低了使用寿命;反之,若选择传感器容量时预留裕度较大,难以达到称重系统精度的要求。所以传感器的额定荷重值(额定容量) = K(皮重+ 最大称重) / 传感器组合个数。
安全系数K 的确定取决于振动、冲击、偏载等因素,应依具体称重系统的情况而定。根据经验,在冲击及偏载较小时,安全系数可取1. 2～1. 5 ,如水泥、细石料传感器;在冲击及偏载然考虑了冲击和偏载则必增大传感器容量的裕度,导致传感器使用范围精度下降,此时,其精度指标选取应相应提高。皮重指秤斗及其上面各附件的重量,皮重是在被测量为零时,传感器所承受的附加载荷。在称重测量时,它被自重调零装置抵消,若皮重过大,则导致测量系统参数匹配极不合理,使传感器使用精度范围减少,检测性能指标难以达到,故障率增高。因此,对系统精度应优于0. 5 %FS 的混凝土搅拌楼,皮重应限制在最大称重量的10 %左右,不宜超过20 % ,更不能在秤斗上现场加装校秤架等附件,以减少传感器超载的可能性。另外,选择传感器的额定容量要尽量符合生产厂家的标准产品系列中的值,否则,选用了非标准产品,不但价格贵,而且损坏后难以替换。其次,在同一称重系统中,不允许选用额定容量不同的传感器,否则,该系统没法正常工作。
3 正确设定混凝土各配料的给定值范围
在称重系统进行调试、运行时,各物料称的给定值一定要大于1/ 2 量程,才能保证实测配料精度。因为国家标准和水电部标准规定,在给定值为(0. 5～1. 0) 量程范围内,来进行配料偏差的计算。若某些物料经常按1/ 2 量程甚至1/ 3 量程以下来进行配料定值,其结果是配料超差机率大大增加,尤其是添加剂等称量范围较小的物料。
4 重视称重传感器的温、湿度运行条件
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。在选择传感器时必须考虑更大的温度范围,更高的湿度条件。环境温度的变化直接导致应变片阻值的变化,对传感器的精度、稳定性造成直接影响,因此,选择的传感器,其温度指标必须满足现场环境条件。室外温度波动大的地方,应选择温度范围宽、温漂小(即温度对零点及输出灵敏度影响较小) 的传感器。在湿度条件,测量电路任何部分因受潮绝缘下降,都会引起零点漂移,测量精度变差,甚至无法工作。较为有效的防潮办法是:传感器采用密封防潮式;插头、座、盒选用防水(潮)型;引出电缆要倒悬,防止渗水;对可能渗水处,用703 硅橡胶密封。
5 采用三重防护措施密封称重传感器
受价格竞争的影响,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。但在混凝土搅拌楼称重系统中,传感器在运行中不断地受到外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。因此,为保证测量精度的可靠性应选用有外壳且外壳要厚的传感器进行第一道防护。另外传感器焊缝质量不良引起的细微裂纹是导致潮气进入,传感器失效的重要原因,因此焊缝设计要深且要校核焊缝强度作为第二道防护。最后一道防护是要选用优质密封材料密封内部应变片。
6 严格称重传感器安装工艺程序
6. 1 电气实验及接线方面
(1) 称重传感器在安装之前必须做现场验收实验:外观及出厂资料检查要与订货要求相符;按“负荷传感器试验方法”进行绝缘电阻测量、直流电阻测试、输出灵敏度测试,并将测试结果与出厂实验记录或原始值比较,如有明显异常,反映存在问题,必须进行加以处理,达到要求后再进行安装。
(2) 严防输入、输出端交错连接,导致输出值跃变,无法进行测量。确认传感器输入、输出端方法是用万用表测量直流电阻值,输入、输出电阻值应基本相等,但在有精确补偿时,输入电阻会略大于输出电阻。
(3)传感器的信号电缆一般不能与强电电源线或控制线在同一通道内并行布置,以免引入干扰。若必须并行放置,那么,它们之间的距离应保持在50 cm以上,并把信号线用金属管套起来。
(4) 传感器输出极性应当与仪表指示对应。当荷重增大,称重指示增大;反之相反。否则,应将传感器输入(或者输出)的二线端对调。
6. 2 机械安装工艺方面
(1) 传感器安装时,要保证负荷由加荷点沿传感器加荷轴线作用,就一定要避免力的分路及力学干扰因素。多只传感器的组合使用中,为防止偏载误差,其布置应使每只传感器受力一致,如3 只传感器其应按120°均匀布置。同时,拉杆应垂直,在含温差膨胀在内的垂直度偏差不应大于3°。
(2) 传感器悬挂装置要有足够刚度,以免引起卸载不回零及称量误差。使用中注意秤斗于吊杆间不宜用缓冲橡皮垫。
(3) 安装调试时皮重测量用标准砝码检定,系统精度要符合要求,即混凝土称量系统精度优于0. 5 %FS ;组合传感器负载一致性的测量,应符合厂家设计要求,即传感器额定输出灵敏度相互间差值不大于1. 5 %;传感器电桥电压完全一致;皮重结构偏心引起偏载不超过10 %。
(4) 在传感器组合于加载机构之后,避免电焊作业以免烧坏传感器,但在需要电焊作业时,应在传感器上下吊杆间安装短路用的多芯软铜线。
(5) 传感器使用中,必须避免强烈的热辐射,尤其是单侧的强烈热辐射。虽然传感器采用温度补偿,却常因不处于均匀温度下而难以起到应有的作用,必要时应加石棉或玻璃纤维来隔热。
7 称重传感器订货中的应注意的几个问题
(1) 针对具体搅拌楼称重系统的应用条件在订货合同中提出产品质量及技术一般性要求和特殊性要求。
(2) 所选制造厂必须按国家计量法规定,具有计量器具生产许可证,并且产品质量可靠。
(3) 订货必须提前进行。称重传感器从应变体、应变片制作到贴片、防护与密封、检测需要近百道工序。其中的每道工序,均能使应变体、应变片产生残余应力,而残余应力的存在将导致传感器的线性度、滞后、蠕变等技术指标的稳定性变差。残余应力的消除,要经过利用时效使之自然释放。一只性能良好工作稳定的传感器生产,一定要包含多次按序消除加工过程中产生的内应力的时效工序,通常为3 个月左右的时间,故传感器订货宜提前进行,以保证其制造性能。有的厂商在无储备时,应急赶制,交货迅速,导致质量问题的事例不胜枚举,应引以注意。
8 结 语
目前我国大中型水电站建设对混凝土施工机械的要求很高,采用的搅拌设备基本是大容量、高强度并能生产多品种的混凝土搅拌楼,而称重传感器的测量误差对混凝土的强度影响很大。因此,在实际使用过程中,不能仅仅依赖于选用高质量高精度的优质传感器,在此基础上,重视传感器的使用技术更是提高测量精度的可靠保证。
参考文献:
[ 1 ] 余松青,王以信,许胜男. 用比对测量仪调整称重传感器的灵敏度[J ] . 传感器技术,2003 , (7) .
[ 2 ] 李建国. 混凝土搅拌楼(站) 配料超差的探讨[J ] . 水利电力机械,2001 , (4) .
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