混合式定量称量系统研究

　　引言

　　混合式定量是一种新型定量方式,广泛应用于工农业生产中粉粒状物料(如种子、化肥、农药等)定量包装,并能适应颗粒大小不均匀、体积质量不稳定物料[1,2]。混合式定量关键难题之一是如何实现高速度、高准确度称量。本文主要阐述设计的混合式定量称量系统结构、工作原理,通过对其动特性分析,设计称量信号调理和数据采集电路,应用数据滤波处理新方法,以提高称量速度和准确度。

　　1　系统工作原理

　　设计的混合式定量称量系统结构如图1所示[3～5]。

　　混合式定量工作过程:首先,大给料器在一定流量下和一定时间t1内快速往称盘加入目标量m0的大部分m1(简称主加料);然后稳定t2后,在时间t3内进行静态称量;其后计算确定剩余的小部分量m2=m0-m1,并将其换算成小给料器加料的时间t4 (一定流量下),控制小给料器加料(简称补加料);最后控制投料气缸,使称盘向包装机投料(时间t5),完成一次定量充填[5]。以上工作过程与传统的一边加料一边动态称量定量相比,称量时没有加料冲击和滞后的留空物料影响,准确度大大提高。

　　系统在一定空称质量的作用下,两次加料,传感器动态波形如图2所示。定量速度由大、小给料器加料时间t1和t4,稳定时间t2、称量时间t3和投料时间t5决定。若t1=500 ms,t2=200 ms,t3=300 ms,t4=500 ms,t5=100 ms,定量总时间为1 600 ms,每min可称量37.5次。定量准确度与大给料器加料稳定性和准确性有一定关系,但主要由主加料量m1的称量准确度和小给料器加料量m2准确度决定。

　　2　系统动特性分析

　　混合式定量称量系统性能主要取决于t2、t3期间系统输出特性。系统经过简化可以看成单自由度二阶系统,力学模型如图3所示[5]。图中,m1为主加料质量,mz为称量系统的空称质量,f(t)为主加料冲击力,k为称量传感器的弹性系数,c为系统等效阻尼系数,x(t)为称量传感器弹性变形量,设在主加料前弹性变形量为0,弹性系数k与弹性变形量x(t)乘积即为加料量m(t)。根据动力学分析,m(t)曲线峰值时间tp=π/[ωn(1-ξ2)1/2],调整时间ts=4/(ξωn) ,超调量mp=exp(-ξπ/(1-ξ2)1/2)。要快速准确测量出m1,必须尽可能提高系统输出动态品质,减少tp、mp和ts,即尽可能增加ωn,并使ξ达到最佳值0.707左右[5]。阻尼比ξ=c/{2[(mz+m1)k]1/2},无阻尼固有频率ωn=[k/(mz+m1)]1/2,因为mz+m1受到称量传感器的量程限制,k受到称量传感器结构限制,因此可通过增加阻尼系数c来满足ξ要求。此外,在称量期间,动载荷还包括定量称量系统底板传递的外界振动和各种随机脉冲干扰等,因此需要提高底板隔振性能和抗各种干扰性能。