随着技术的进步,由称重模块为核心的电子称重系统已广泛地应用到各行各业,实现了对设备物料的快速、 准确的称量,特别是随着微处理机的出现,工业生产过程自动化程度化的不断提高,称重系统已成为过程控制中的一种必需的装置,从以前不能称重的大型罐、 料斗等重量计测到混合分配多种原料的配料系统、 生产工艺中的自动检测和粉粒体进料量控制等,都应用了称重系统,目前,称重系统几乎运用到了所有的称重领域。 本文就常用的电阻应变式称重模块构成的称重系统进行探讨。

1 称重原理

1.1 称重模块

根据称重模块在实际应用中受力特点,称重模块分为两种,静载称重模块与动载称重模块。 静载称重模块适用于只受垂直作用力的场合。 如槽罐、 储料斗的重量检测。 动载模块适用于作用力较明显的场合。如平台、 生产线、 传送带的重量检测。

称重模块是一种新型的称重元件,它将称重传感器、 负荷传递装置和安装连接件等部件组合在一起,可以非常方便地和各种形状的机械装置相连接,如滚道、 平台、 立罐、 槽罐、 料斗等。 以称重模块为核心的电子称重系统既可以保证称重的精度高,长期稳定性好的特点,又解决了因安装不当而造成的称重误差。 使用称重模块的系统在理论通常上能达到优于万分之五的测重精度。

1.2 电子称重系统组成

电阻应变式称重模块是基于这样一个原理:弹性体(弹性元件,敏感梁)在外力作用下产生弹性变形, 使粘贴在他表面的电阻应变片(转换元件)也随同产生变形,电阻应变片变形后,它的阻值将发生变化(增大或减小),再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号(电压或电流),从而完成了将外力变换为电信号的过程。 由此可见,电阻应变片、 弹性体和检测电路是电阻应变式称重模块中不可缺少的几个主要部分。

以一个典型的化工料罐为例,安装在料罐底部的称重模块将料罐的重量信号传至接线盒。 接线盒中并联各路称重模块信号,并可根据各称重模块受载情况调节角差,经过汇集后的重量信号送至重量变送器。 重量变送器将重量信号处理成相应的重量数据输出至控制系统。

检测电路的功能是把电阻应变片的电阻变化转变为电压输出。 在所加桥压U不变的情况下,传感器输出信号与作用在传感器上的重力和供桥桥压成正比, 而且, 供桥桥压U 的变化直接影响电子称的测量精度, 所以要求桥压很稳定。 因为惠斯登电桥具有很多优点,如可以抑制温度变化的影响, 可以抑制侧向力干扰, 可以比较方便的解决称重模块的补偿问题等, 所以惠斯登电桥在称重模块中得到了广泛的应用。 因为全桥式等臂电桥的灵敏度最高,各臂参数一致, 各种干扰的影响容易相互抵销, 所以称重模块均采用全桥式等臂电桥。

2 称重系统的工程应用
2.1 工艺简述
在安庆石化的SHELL煤气化装置中,粉煤灰的进料与放料都有一套复杂的自动顺序控制系统,用于定时完成对介质的进料和放料。 循环顺序控制基本分为减压、 放料、充压、 进料等部分,锁斗罐充压后与上部高压设备均压连通进料,进料完成之后与上部高压设备隔离,减压至接近常压,再与下部放料罐均压连通放料,最后放料罐常压放料。 运行中在进料和放料时锁斗罐收集的灰量是作为循环顺序控制中的判别条件,这个重量达到设定值则程序向下进行,锁斗罐与上下两台设备间的高低压隔离以及均压后连通和放料,否则程序保持,继续收集煤灰。 因此不难理解对锁斗罐收集的灰进行称量是保证在不中断气化炉运行的情况下定期对灰进行收集和放料。

2.2 设备配置
锁斗罐V1504A/B和V1505是煤气化工艺装置中需要称重控制进出的设备,设备称重仪系统采用了分度数高、 综合性能好、抗干扰能力强、 长期稳定性和工作可靠性好的梅特勒-托利多的高温数字称重模块,其内部有称重传感器和微处理器芯片,可以对自身进行诊断,每个传感器都有自己的地址,采用高精度高速A/D转换技术、 全面的传感器数字补偿技术以及远程高速防爆通信能力,稳定性和过载性能超越了常规称重模块的极限,称重变送器采用的是菲利普的PR1710系列仪表,能够在线监测各个传感器输出并进行智能处理,达到了OIML C6的精度。

安装在底部的四个压式称重模块将罐体的重量信号传至接线盒。 接线盒并联各路称重模块信号,并可根据各称重模块受载情况调节角差,经过汇集后的重量信号送至称重量变送器。 重量变送器将重量信号处理成相应的重量数据传输到DCS控制系统。

3 应用中出现的问题及分析

3.1 问题的提出

设计对V1504A/B和V1505的灰量是采用静态称重方式,在静态调试时,所有的标定工作都很正常。 但装置运行后设备在工作中内部压力是交变的,温度也有变化,发现 设 备 V 1 5 0 4 A / B 和 V 1 5 0 5 的 称 重 仪15WT0001/0051/0002测量显示重量随压力升高而增大,并与温度变化也有一定的关联,这样一来就影响了工艺过程测量和控制,导致进料与放料的自动顺序控制系统无法正常运行。

3.2 问题分析

经过我们对现场安装情况的详细检查,首先拆除设备上部膨胀节的保温层。 逐个检查膨胀节螺栓的紧固状态;松解紧固的螺栓,同时观察设备称重仪显示状况,显示向误差减小的方向恢复,说明是该原因造成误差的因素之一。 设备称重仪称重数据是否受压力影响取决于设备的开口位置、 大小、 管道连接方式、 安装水平等确定,关键是否存在刚性连接。 出现称重数据受压力影响,表明存在刚性连接。 在设备关联的膨胀节中,有压力平衡式,对设备的受力状态影响很小;也有采用通用型的,就存在盲板力,盲板力由设备和上方的固定点承受,盲板力与工作压力有关,工作压力(内压)越大,盲板力越大。 原因分析清楚了,但是短期内改变设备的开口位置、 大小、 管道连接方式都是非常困难,甚至是不可能的。

4 解决方案

4.1 设备安装上的整改

原称重传感器的限位机构布置情况限位效果较差,间隙不在8～11mm以内;我们进行了重新调整。 工作时罐体温度升高比较多,限位机构与罐体裙边的间隙过小容易发生摩擦卡死出现附加误差现象,整改后消除了这一现象。

4.2 建立数学模型进行软件补偿

通过长时间跟踪工艺操作数据我们发现,称重显示重量随压力升高而增大是有规律的,重量和压力曲线基本上是线性,这样为修正提供了可能。 我们尝试建立数学模型,用软件方法在DCS中完成压力修正补偿。

根据掌握的情况,在压力和温度两个因素中,目前表现出压力影响大,温度影响小,故应该首先进行压力修正工作,而操作记录数据表明,称重显示重量受压力影响基本是线性关系,因此整个修正补偿建模工作大体上分为三步。

第一步,根据要求,在修正中需要一并考虑压力和温度的影响。 故将数学模型暂以下式表示:物料重量(G)=显示重量(Gx )－K1 ×压力(P)－K2 ×温度(T)即G=Gx －K1 ×P－ K2 × T

第二步,如果进行操作压力下的温度影响修正,应该首先在常温下完成压力修正工作。 在不改变温度的条件下,压力修正公式为:压力修正重量(G YX )=G x －K 1 ×P

第三步,完成压力影响修正工作后,在操作压力下读取温度影响数据,按照以下关系计算出温度修正系数。

G=G YX － K2 × T 公 式 中 K 1 和 K 2 是 修 正系数,由设备的开口位置、 大小、 管道连接方式决定。 每个罐的修正系数K 1 和K 2 不相同,其差值由膨胀节制造差异性和罐体开口、 管道施工等差异性造成。 另外,个别阀门的开启和关闭会影响罐体在垂直方向的受力面积,由此造成修正系数K 1 的变化。 因此需要根据工艺过程、 阀两端压力差、 受力状态等因素,验证修正系数K 1 的适用条件。

4.3  K 1 和 K 2 的实际计算

K 1 和K 2 的理论计算较繁,在目前的情况下,实际测量比较容易,各读取3个状态(常压、 操作压力、 中间压力和常温、 操作温度、 中间温度)下的设备称重仪显示数据得出 “加载-响应情况” ,即可以计算得出K 1 和K 2 ,基本可以满足工艺控制精度。

我们对压力影响数据的测量方法为,在常压条件下,待称重显示数据稳定5min后以固定的时间间隔(2～5min)读取数据,数据数量以5～7个为宜,以该组数据的算术平均值为计算依据。 常压下的数据作为物料重量使用压力影响的数据记录在数据记录表中。 操作压力和中间压力条件下测量数据的方法和上面相同,中间压力条件下测量数据作为参考,用于检查修正系数K 1的线性。 

4.3.1 压力修正系数K 1 的计算

K 1 =(操作压力下显示重量－常压下显示重量)/(操作压力—常压)式中,重量单位——吨(T),压力单位——兆帕(MPa),K 1 =(18.648－1.814)/(0.59－0.012)=16.834/0.578=29.1246。

4.3.2 温度修正系数K 2 的计算

完成压力影响修正工作后,进行温度影响数据测量工作。 在操作压力、 常温条件下,待设备称重仪显示数据稳定5分钟后以固定的时间间隔(2～5min)读取数据,数据数量以5～7个为宜,以该组数据的算术平均值为计算依据。 操作压力、 常温条件下的数据作为压力修正重量(G YX )使用,其后续计算方法基本同K 1 。 实测表明,温度影响的偏差很小,基本可以忽略,这里温度影响的数据记录及计算不再赘述。

4.4 修正后的验证

装置运行后和运行期间,随着装置负荷的变化和运行时间的推移,设备框架、 设备管道应力状态都会持续发生变化,从而影响K 1 和K 2 的修正效果。 应该注意观察,及时调整,K 1 和K 2 经过几次调整后会稳定。修正后原称重仪的量程需要同步修改,我们考虑装置操作人员的需要,在DCS显示屏保留现在的设备称重仪显示数据,增加修正后的重量数据参考显示。

5 结语

电子称重系统在过程控制中的应用已越来越广泛,但如何提高应用水平,使之达到应有的测量精度,设备安装中一定要重视安装质量,特别注意膨胀节制造差异性和罐体开口、 管道施工、 管道连接方式、 是否存在刚性连接等关键问题,将压力和温度两个因素对设备称重仪系统造成的影响降到最低。 如果称重仪系统受到变化的压力和温度两个因素的影响,通过找出影响规律建立修正数学模型后,完全能够满足过程工业控制的需要。

 

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