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工程機(jī)械攪拌設(shè)備用稱重傳感器的選型
本文闡述了工程機(jī)械攪拌設(shè)備稱重系統(tǒng)的基本要求和特殊要求，提出了工程機(jī)械攪拌設(shè)備稱重系統(tǒng)選用傳感器時需要考慮的幾個問題，重點(diǎn)分析了傳感器防護(hù)結(jié)構(gòu)對工程機(jī)械攪拌設(shè)備運(yùn)行可靠性的影響，指出IP代碼所代表的防護(hù)等級不能涵蓋工程機(jī)械攪拌設(shè)備對傳感器的全部防護(hù)要求。建議不同類型的攪拌設(shè)備選用不同防護(hù)能力的傳感器。
稱重系統(tǒng)中選用傳感器通常要考慮稱重系統(tǒng)的量限、準(zhǔn)確度、傳感器的安裝空間、周圍環(huán)境對傳感器的可能影響、加載的類型以及傳感器的壽命等諸方面因素。工程機(jī)械攪拌設(shè)備的稱重系統(tǒng)也不例外。只是不同的稱重系統(tǒng)由于要求不同，工作條件不同，所要考慮的問題側(cè)重點(diǎn)有所不同罷了。
工程機(jī)械攪拌設(shè)備通常包括混凝土攪拌樓（站）、瀝青攪拌站、穩(wěn)定土拌和廠以及海上混凝土攪拌船等，其中以混凝土攪拌樓（站）最為典型。下面就以混凝土攪拌樓（站）為例進(jìn)行分析。
1 混凝土攪拌樓（站）對稱重系統(tǒng)的基本要求
1.1 準(zhǔn)確稱量誤差對混凝土的強(qiáng)度影響很大，特別是水灰比計(jì)量精度，因?yàn)閺?qiáng)度和水灰比是線性關(guān)系。相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，水泥、水、外加劑、摻合料的動態(tài)計(jì)量精度為±1%，砂、石料的動態(tài)計(jì)量精度為±2%。
1.2 快速滿足攪拌樓站工作循環(huán)的要求。
1.3 種類多稱量值預(yù)選的種類要多，變換要方便，以適應(yīng)多種配比和不同容量的要求。
1.4 結(jié)構(gòu)簡單稱量裝置要結(jié)構(gòu)簡單，牢固可靠，性能穩(wěn)定，操作容易。
顯然，采用傳感器電子稱重系統(tǒng)較之機(jī)械秤更能滿足要求。因此，稱重傳感器在混凝土攪拌樓站中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。但是，客觀地說，與機(jī)械杠桿秤相比，在“牢固可靠，性能穩(wěn)定”方面，傳感器電子稱重系統(tǒng)還有很多工作要做。
2 混凝土攪拌樓站中稱重傳感器的運(yùn)行條件
與一般用于商貿(mào)計(jì)量的電子秤的一個很大的不同之處在于，混凝土攪拌樓站中稱重傳感器處于相當(dāng)惡劣的運(yùn)行條件中，應(yīng)力環(huán)境十分復(fù)雜，與一般的電子產(chǎn)品的運(yùn)行環(huán)境相比，有更大的隨機(jī)性。
2.1 環(huán)境溫度和濕度
混凝土攪拌樓站通常是露天安裝，傳感器可能遭受日曬雨淋，溫度劇烈變化。而不少工程建設(shè)項(xiàng)目是在自然條件相當(dāng)惡劣的山區(qū)或邊遠(yuǎn)地區(qū)。所以，必須考慮更大的溫度范圍，更高的濕度條件?；炷猎谏a(chǎn)過程中需要水。在水的輸送和稱量過程中也會產(chǎn)生不少水氣，在一定的小范圍內(nèi)形成較為潮濕的環(huán)境。在溫控?cái)嚢铇侵?，則有高溫工況和低溫工況的不同要求。夏天運(yùn)行在低溫工況時要通入零度以下的冷風(fēng)以及加冰攪拌，這時樓內(nèi)會出現(xiàn)冷凝水，足見樓內(nèi)濕度之高。
2.2 粉塵
混凝土在生產(chǎn)過程中需要大量的水泥、煤粉灰以及適量的外加劑。這些粉狀物在輸送和稱量過程中會產(chǎn)生粉塵。即使是骨料，在輸送過程中也有粉塵產(chǎn)生。這些粉塵有一部分會附著在傳感器表面。在粉塵和水氣的共同作用下，傳感器將受到較為嚴(yán)重的腐蝕。所以，粉料秤傳感器的損壞通常要比其他秤的傳感器更頻繁一些。
2.3 沖擊與振動
在進(jìn)料過程中，砂石料會產(chǎn)生沖擊。傳感器應(yīng)能承受5g的加速度。在攪拌過程中，會產(chǎn)生持續(xù)的振動，而振動會產(chǎn)生疲勞破壞。
2.4 人為環(huán)境
人為環(huán)境是產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)時必須考慮的因素之一?；炷翑嚢铇且话惆惭b在施工現(xiàn)場。工地上大量使用臨時工，其中相當(dāng)多的臨時工文化水平較低，缺少必要的技能。在設(shè)備的維修和清洗等工作中，很有可能發(fā)生傳感器受到高壓水的濺射，誤操作引起過載等情況。顯然，傳感器要在這樣的環(huán)境條件下長期可靠的運(yùn)行，是要進(jìn)行一些特殊設(shè)計(jì)的。
上述基本要求和運(yùn)行條件可以作為混凝土攪拌樓（站）用稱重傳感器的選型的依據(jù)。
3 混凝土攪拌樓（站）用稱重傳感器選型時需要考慮的幾個問題
3.1稱重傳感器載荷容量的確定
稱重傳感器載荷容量通常按下式計(jì)算
傳感器額定載荷=料斗自重＋額定稱重量
（0.6~0.7）×傳感器只數(shù)
事實(shí)上人們在選擇傳感器容量時往往還要綜合考慮沖擊載荷的大小以及選定安全系數(shù).安全系數(shù)的選擇又與傳感器的靈敏度有密切關(guān)系．國內(nèi)外常見的應(yīng)變式稱重傳感器靈敏度多數(shù)為2mV/V，但是也有1mV/V的，如柱式傳感器；也有3mV/V的，如部分懸臂梁式傳感器和板環(huán)式傳感器；扭環(huán)式傳感器則通常是2.85mV/V。目前在攪拌樓上使用的傳感器基本上都是2mV/V的。
3.2稱重傳感器準(zhǔn)確度的選擇
傳感器準(zhǔn)確度的選擇以滿足稱量系統(tǒng)的準(zhǔn)確度要求為準(zhǔn)，不必片面追求過高的傳感器準(zhǔn)確度等級。在多只傳感器組合使用時，其綜合誤差按下式計(jì)算
δr=δ／√n
式中，δ為單只傳感器的準(zhǔn)確度，n為組合使用的傳感器只數(shù)。
目前攪拌樓上常用的S型傳感器、懸臂梁式傳感器、板環(huán)式傳感器，其線性、滯后、重復(fù)性、靈敏度溫度影響、蠕變等主要指標(biāo)絕大多數(shù)廠家均優(yōu)于0.05%，大多數(shù)廠家優(yōu)于0.03%，部分廠家優(yōu)于0.02%。其單只傳感器的綜合誤差都接近或優(yōu)于0.1%。多只傳感器組合后其綜合誤差就更小了?？梢哉f一般稱重傳感器生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品都能滿足要求。
以前，不少攪拌樓生產(chǎn)廠家規(guī)定其稱重系統(tǒng)的靜態(tài)精度分別為0.1%和0.3%。這樣，對于使用單只傳感器的秤而言，單項(xiàng)指標(biāo)為0.05%的傳感器就可以滿足0.3%精度的秤的要求。對于使用三只以上傳感器的秤而言，單項(xiàng)指標(biāo)0.05%的傳感器也能滿足0.1%精度的要求。
需要指出的是，上述精度是稱重系統(tǒng)的靜態(tài)精度，而混凝土國家標(biāo)準(zhǔn)要求的是動態(tài)精度，這是由于原材料不斷地向稱量機(jī)構(gòu)供料在重力的沖擊下稱量誤差明顯增加。上述0.1%和0.3%的靜態(tài)精度能否保證分別達(dá)到1%和2%的動態(tài)精度還與供料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有關(guān)。
現(xiàn)在，不少廠家規(guī)定其稱重系統(tǒng)的精度在0~額定稱量值的整個稱量范圍內(nèi)為水泥、水、外加劑±1%，砂、石料±2%。須知，預(yù)拌混凝土國家標(biāo)準(zhǔn)要求的是實(shí)物計(jì)量精度，而一般計(jì)量儀器在0~20%范圍相對誤差較大，因此，還是混凝土攪拌樓（站）的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的20~100%的稱量段滿足水泥、水、外加劑±1%，砂、石料±2%的計(jì)量允許偏差更為實(shí)際一些。更為合理的精度標(biāo)注方式是采用衡器行業(yè)的術(shù)語來表述，即作為累計(jì)料斗秤，應(yīng)采用自動稱量準(zhǔn)確度的等級標(biāo)志1.0和2.0。這類秤的檢定項(xiàng)目與用途相適應(yīng)，既包括物料試驗(yàn)（確定累計(jì)誤差）也包括靜態(tài)檢定。
其自動稱量時的最大允許誤差見表一。
在用標(biāo)準(zhǔn)載荷進(jìn)行靜態(tài)檢定和進(jìn)行非自動稱量時，應(yīng)滿足表二的規(guī)定。
通常將1.0級秤設(shè)計(jì)為1000分度，2.0級秤設(shè)計(jì)為500分度?？梢钥闯?，在高量程端1.0級秤的誤差為0.15%，2.0級秤的誤差為0.3%，并不比以前廠家規(guī)定的0.1%和0.3%靜態(tài)精度高。但是在低量程段精度要求確實(shí)是提高了。在這種情況下需要確認(rèn)所選用的傳感器在低量程段能否也滿足要求。
按秤的分度數(shù)選擇傳感器最簡單的方法就是1000分度的秤選用1000分度的傳感器，500分度的秤選用500分度的傳感器。稱重傳感器國家標(biāo)準(zhǔn)中準(zhǔn)確度就是用分度數(shù)來表示的，但是由于多方面的原因，目前大多數(shù)生產(chǎn)廠仍用單項(xiàng)指標(biāo)表示傳感器的精度。用戶再根據(jù)單項(xiàng)精度指標(biāo)算出綜合誤差。選用起來麻煩一點(diǎn)。
國外發(fā)達(dá)國家的混凝土攪拌樓稱重系統(tǒng)精度一般用分度數(shù)來表示，規(guī)定為１000分度。可能與他們使用高性能混凝土所占比例高有關(guān)。
隨著經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的不斷發(fā)展，超高層建筑、超長橋梁、大型水利工程以及其他暴露在嚴(yán)酷環(huán)境中的建筑對混凝土的性能提出了越來越高的要求，混凝土技術(shù)也進(jìn)入了高科技時代，高性能混凝土的應(yīng)用比例不斷提升。生產(chǎn)高性能混凝土除了要正確選用原材料、確定合理的工藝參數(shù)外，施工工藝的控制也是十分重要的?；炷翑嚢铇侵信淞舷到y(tǒng)的準(zhǔn)確度是其中重要的一環(huán)。
3.3傳感器結(jié)構(gòu)形式的選擇
常用的拉式傳感器有Ｓ形，板環(huán)式以及中心十字筋板環(huán)式等。中心十字筋板環(huán)式傳感器精度高、抗偏載性能優(yōu)異，但是價(jià)格較高，通常只在高精度測量場合使用。攪拌樓上常用的是Ｓ型傳感器和板環(huán)式傳感器。其中Ｓ型傳感器因其精度高、抗偏載能力強(qiáng)、同時可以帶過載保護(hù)、量程范圍寬等優(yōu)點(diǎn)用得最多。
常用的壓式傳感器有懸臂梁式、輪輻式、柱式、橋式、扭環(huán)式等。綜合考慮精度、量程范圍、安裝方式、價(jià)格等因素，絕大多數(shù)攪拌樓生產(chǎn)廠選擇了懸臂梁式。
3.4載荷類型的考慮
混凝土生產(chǎn)主要使用砂、石子、水泥以及水、外加劑、摻合料。幾種材料中數(shù)石子秤的沖擊為最大。在電子秤大家族中，這類沖擊不算最大，一般傳感器均能承受過載情況。
從筆者調(diào)查的情況來看，傳感器因過載而損壞的情況時有發(fā)生。比如控制系統(tǒng)出故障，造成大量物料傾瀉而下，造成過載。也有使用過程中人為因素造成的過載，特別是小量程傳感器因操作者踩踏秤架而過載損壞的事時有發(fā)生。因此傳感器的過載能力、傳感器有無過載保護(hù)對稱重系統(tǒng)的可靠運(yùn)行還是有一定影響的。
傳感器的性能指標(biāo)中有兩項(xiàng)與此有關(guān)，一是允許過負(fù)荷，一是極限過負(fù)荷。
允許過負(fù)荷是指卸去這一負(fù)荷后，傳感器的性能指標(biāo)不變。極限過負(fù)荷是指在這一負(fù)荷下傳感器不會產(chǎn)生有害的永久性機(jī)械變形。
一般傳感器的允許過負(fù)荷為150%，極限過負(fù)荷在200%~300%之間。有些帶過載保護(hù)的傳感器則可能超過著一范圍。如莆田傳感器廠的CFCKN-1型傳感器因其特殊設(shè)計(jì)，允許過負(fù)荷高達(dá)500%。此類傳感器在頻繁過載的情況下也能可靠地工作。
3.5傳感器的防護(hù)等級
傳感器的防護(hù)等級通常用IP表示。一般傳感器廠家均稱自己的產(chǎn)品達(dá)到IP67水平，少數(shù)廠家的部分產(chǎn)品達(dá)到IP68水平。
我們知道，IP代碼所表示的是電壓不超過72.5kV電氣產(chǎn)品的外殼防護(hù)等級。國家標(biāo)準(zhǔn)《GB4208-93外殼防護(hù)等級》中規(guī)定，IP67是指產(chǎn)品能防塵、防短時間浸水影響；IP68是指產(chǎn)品能防塵、防持續(xù)潛水影響。需要指出的是，這樣的防護(hù)中未包括機(jī)械損壞、銹蝕、潮濕等外部影響或環(huán)境條件。涉及這類保護(hù)通常由有關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。稱重傳感器與一般的電器產(chǎn)品和二次儀表產(chǎn)品不同的是，它同時還是一個受力構(gòu)件，在運(yùn)行中不斷地受到力的作用并產(chǎn)生變形。此外還有可能受到震動、沖擊或撞擊這樣的機(jī)械損傷，粉塵和水氣共同作用下的較為嚴(yán)重的腐蝕以及在非常潮濕的環(huán)境條件下運(yùn)行。這與GB4208-93規(guī)定的試驗(yàn)條件有很大的不同。
曾碰到這樣的情況：某礦山的礦石秤上選用了進(jìn)口傳感器，某大型鋼廠的鋼包秤上選用了一種國際知名品牌的傳感器，均是焊接密封，非常漂亮，達(dá)到了IP68級。但是在現(xiàn)場實(shí)際使用壽命都很短。在不得已的情況下，試用了莆田傳感器廠的產(chǎn)品。結(jié)果出乎他們的意外，使用壽命都超過了進(jìn)口傳感器。其中在某大型鋼廠鋼包秤上的傳感器已運(yùn)行了7年，至今還在運(yùn)行中。
在這兩個例子中，說穿了主要是防護(hù)上的區(qū)別。一是有外殼還是沒有外殼；二是焊縫設(shè)計(jì)。三是密封材料。
一般說來，有外殼的設(shè)計(jì)優(yōu)于無外殼的設(shè)計(jì)；在焊縫設(shè)計(jì)方面則要盡可能避免焊縫受力。在無法避免的情況下，則要校核焊縫強(qiáng)度，特別是疲勞強(qiáng)度。疲勞引起的細(xì)微裂紋是導(dǎo)致潮氣進(jìn)入，傳感器失效的重要原因。前面提到的某國際知名品牌焊接密封傳感器在現(xiàn)場使用壽命短的原因就是過分依賴焊接密封，內(nèi)部應(yīng)變片僅薄薄一層面膠密封，一旦焊縫裂紋，傳感器就在潮氣的作用下迅速失效。在密封材料方面需要提醒的是，能通過IP67半小時浸水試驗(yàn)的傳感器未必能通得過傳感器標(biāo)準(zhǔn)中的12周期濕熱試驗(yàn)。應(yīng)該說傳感器標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的濕熱試驗(yàn)更符合傳感器的使用環(huán)境要求，其嚴(yán)酷程度并不低于IP67。
受價(jià)格競爭的影響，不少傳感器廠取消了保護(hù)外殼，拉式傳感器尤甚。目前國內(nèi)生產(chǎn)的S型傳感器、板環(huán)式傳感器幾乎都取消了外殼。
確實(shí)，在很多場合這樣做沒有什么問題。但是在混凝土攪拌樓這樣的環(huán)境條件下，未必是最好的選擇。我廠為三峽工程攪拌樓設(shè)計(jì)生產(chǎn)的CFCKN-1型外殼焊封傳感器使用壽命長達(dá)十年。我們所看到的美日歐混凝土攪拌樓上用的拉式傳感器多數(shù)也是帶保護(hù)外殼的。他們認(rèn)為傳感器應(yīng)是半永久性器件，使用壽命應(yīng)不低于10６次。
多年來的實(shí)踐證明，CFCKN-1型傳感器與普通S型傳感器相比，至少有以下幾個優(yōu)點(diǎn)：
①外殼厚，防機(jī)械損傷，特別是防以外撞擊能力強(qiáng)；
②焊縫深，耐蝕穿時間長；
③過載保護(hù)間隙也在外殼內(nèi)，不會因粉塵積聚或雜物受堵；
稱重傳感器合理的外殼設(shè)計(jì)是稱重裝置“牢固可靠、性能穩(wěn)定”的重要保證，選型時不可不認(rèn)真考慮。
3.6不同類型攪拌樓對稱重傳感器選型的細(xì)分
大中型水利工程的混凝土攪拌樓、城市商品混凝土攪拌樓、小型水利工程和縣級公路建設(shè)中使用的混凝土攪拌樓在規(guī)格大小、使用連續(xù)時間、安裝地點(diǎn)的環(huán)境條件都有很大的不同，所生產(chǎn)的混凝土性能要求也有很大差別。因此，對傳感器的可靠性、防護(hù)等級等性能事實(shí)上也有不同的要求，應(yīng)區(qū)別對待。對連續(xù)運(yùn)行時間長、環(huán)境條件惡劣以及生產(chǎn)高性能混凝土的攪拌樓應(yīng)選擇可靠性、防護(hù)等級高的傳感器。其余的則可適當(dāng)降低要求。對于運(yùn)行在海上的混凝土攪拌船，則還需要考慮防鹽霧的要求，這里就不再一一細(xì)說了。