CN105823534A - 皮带秤误差分解控制方法及其系统组成 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种皮带秤误差分解控制方法及其系统组成，相应技术方案的要点是：通过在通常的皮带秤系统的基本组成中增设特殊结构型式的部件或采取专门的措施，从而把总体误差分解成几个独立的基本误差项，对由承载器构造与测量电路等引起的误差和由皮带效应引起的误差分别采用不同的补偿和纠正的办法，以实现对各基本误差项参变量的控制，使皮带秤的准确度、重复性、稳定性、耐久性等各项性能都有显著的提升，尤其适用于对计量数据要求高的贸易结算等场合；其用模拟载荷替代实物的校准结果的可靠性与可信度也远远超越了公知技术，具有很高的经济实用价值。

Description

皮带秤误差分解控制方法及其系统组成

技术领域

本发明涉及一种皮带秤误差控制方法及实现该方法的皮带秤系统，具体地说，是一种在具有专门组成的皮带秤系统上，把“皮带效应”引起的误差同由承载器构造与测量电路等引起的误差分离开来，分别采用不同的纠正和补偿的办法，通过综合措施有效降低皮带秤的总体误差，从而使皮带秤性能超越公知现有技术的方法，属于自动称重技术领域。

背景技术

皮带秤自从二十世纪初问世以来，一直因其高效、便捷成为散料连续自动称重的首要设备；然而，由于皮带秤同一般非自动衡器有着以下显著相异之处：

a）作为承载器“秤台面”的输送带，是具有粘弹特性的非刚体，会使载荷在传递过程中发生失真；

b）实际使用时的称量过程呈动态，其“秤台面”同载于其上的被称物料跟承载器之间有相对运动，载荷量不恒定，会随时间发生变化；

故而，在实际使用中也存在着诸多不尽人意的问题。

一般的非自动衡器能够直接用标准砝码予以量值传递，校准比较方便；然而皮带秤在使用中会受到“皮带效应”的影响，只能用实物校验来进行量值溯源，直接用标准砝码或模拟载荷装置校准的结果常会与实际状况相差很大，置信度低。

所谓“皮带效应”是指跟皮带秤输送带状态相关联的性能对称重结果的影响。“皮带效应”与被称物料在输送带上的质量分布状态、皮带张力的分布与变化、称重托辊的非准直度、皮带使用中的刚度、皮带自重的变化，以及皮带输送机的结构性能、皮带速度等诸多因素有关。其中涉及皮带使用中的刚度的因素，现已知道的就包括皮带的弹性模量、托辊组槽型形状、相邻托辊组间距、皮带张力及其变化量、环境温度等，还有许多尚未明晰的因素。因此，皮带秤受环境、工况的影响很大，其称量误差不易控制，尤其难以胜任贸易结算和其他有高准确度计量需求的重要场所。

与一般的非自动衡器相比，皮带秤的准确度、重复性，耐久性、稳定性等性能都始终不能令人满意，需要靠频繁的调整与维护才能勉强维持正常工作，许多标榜准确度0.5级的皮带秤实际误差往往达2％～5％甚至更大，遭到了广大用户的诟病。目前，绝大多数皮带秤还做不到在规定的整个检定或校准周期之内不出故障或始终维持正常的计量性能，而且有时还不能及时发现。皮带秤的物料试验又耗时、耗财、耗工，不便于经常性的使用中检验。

在本发明产品成功投入应用，并顺利通过国际法制计量组织的认证测试之前，业界曾普遍认为，皮带秤要长期保持0.5级的水平尚属不易，想要在工业现场达到0.2级的目标简直不可企及，即使在美、德等工业发达国家持有这种观点的还大有人在。

由国际法制计量委员会(CIML)委员、曾先后担任德国物理技术研究院(PTB)力学处和科技业务处处长的ManfredKochsiek教授主编，并由德国计量部门、大学、协会及工厂等各单位的三十余位称重计量专家和衡器制造专家联合撰写的《称重手册》（1992，中国计量出版社，邹炳易施昌彦译）是一本在世界上颇有权威的称重专著。在该书中，皮带张力的法向分力被认为是干扰皮带秤载荷并形成误差的主要原因之一。

我们知道，假定作为秤台面的皮带呈刚性且处于水平位置时（相当于非自动平台秤的状态），称重传感器的受力P应等于物料重力W（见图1）。可是，实际上皮带会与运行方向存在夹角α，这时沿皮带切向的张力T的竖直方向分量与W合成后作用于称重传感器，P就不等于W，产生了误差2Tsinα（见图2和图3）。

据此理论，减小皮带秤误差的传统手段都是围绕着如何减小α角来展开的，比如：全部称重托辊组及相邻的若干组输送托辊的圆周面与皮带相切的各条母线必须要处于同一平面之内（即：准直性要好）、机架和托辊荷重时产生的下沉和挠曲要小、皮带在空载与荷重时的下垂量要小，称量台和称重传感器的应变量要小，等等。于是，全世界皮带秤控制误差的共同手段是：

1）提高刚度，减小载荷引起的α变化；

2）精密制造，减少制造产生的高度变化；

3）精细安装，严格控制准直性，要求各托辊共面度公差≤0.5mm，甚至更小；

4）精心维护，经常标定检查，调整秤架；

以上诸点，要做到极为困难；即使暂时做到了，也不能保证在日后的使用中仍能维持。

为此业界也作了许多努力，近年来“在线故障诊断和在线模拟校准”技术受到青睐，但已出现的林林总总实例都未能使误差控制取得实质性的改观。下面把有关典型略作分析。

（1）在线模拟校准

公告号CN87202731的实用新型(申请日1987.02.28)“皮带秤自动校正器”配有恒定质量的棒码作为参照重物，在校零后，该装置的执行机构自动地将参照重物放在托架上，求出校量系数，作为对皮带秤累计计算的校正系数。然而，由于皮带秤迥异于非自动秤的特性，棒码的性状、质量密度分布与加载位置又都与实际被称物料大相径庭，无法模拟真实的、随机变动的“皮带效应”，实际效果并不理想，该专利拥有者没过几年就主动放弃了实施；

授权公告号CN103868577B(申请日2014.02.18)的专利技术试图对上述棒码校准方法改良：先在输送机皮带上铺有物料时进行调零点，然后再将标准码叠加到物料上校准量程。但因实物校验仅用于校零，而“皮带效应”影响往往更严重的校量程时所加载的质量绝大部分还是来源于模拟载荷装置，故仍未能彻底避免上述单纯棒码校验的缺陷。

（2）多组称量信号比对

授权公告号CN201514272U和CN101922960B(申请日2009.06.12)的专利技术是在一台皮带输送机上配置至少2台皮带秤，前、后两台秤的称量台之间设置有过渡的(非称重)输送托辊作为隔离，其中一台电子皮带秤装有供校验的标准棒码装置。皮带输送机空载运行时对各皮带秤同时校零，在额定载荷运行下将各台电子皮带秤示值调整成一致；在一台电子皮带秤中加入标准载荷下计算修正值k；按K＝k×K_原修改各台电子皮带秤的校验系数K。该方案也是用模拟载荷替代实物来校验，同样无法模拟真实的、随机变动的“皮带效应”；而且处于输送机上不同位置的秤台，它们受到的“皮带效应”影响也并不一致，不宜简单地直接拿来比较；

授权公告号CN101532872B(申请日2009.04.22)和授权公告号CN101769780B(申请日2010.02.08)的两项发明都是将一台皮带秤上的悬浮式称重承载器4个称重传感器的输出信号通过不同的组合方式与位移传感器的位移信号累积组合形成3组累计量，即1组主累计量和2组辅累计量，对其中2组辅累计量数值进行实时在线比对，如2组辅累计量数值相差过大，则当输送机无物料时将各组称重传感器获得的零点值同各自初始零点值比较，系统取零点值误差小的辅累计量作为主累计量并显示该数值。该技术跟前一段所述两项专利相比，只不过以同一台的4个传感器来替代2台或更多台秤的称量台，节省了配置，但仍然存在相同的缺陷。

上列技术方案的问题在于忽视了“皮带效应”影响力在不同位置的差别，把方案的出发点建立在不当的前提之上，误认为装在同一台皮带输送机上的几台秤(或称重传感器)对所通过载荷同时进行的称重结果也应是相等的。

（3）“位置差维稳”技术

公布号CN103900676A(申请日2014.04.04)的发明申请，公布了所谓的“位置差维稳”技术方案。该方案认识到了相同物料通过安装在皮带输送机不同位置的称重承载器时检测到的物料重量并不相等，但把原因仅归结为由于输送机皮带的张力不等，而且没有具体分析就简单地断定输送机皮带的张力在从动滚筒位置最小，越沿着接近皮带输送机驱动滚筒方向的位置皮带张力越大，也没有提出有效的修正办法。该方案只是把安装在不同位置的两组称重承载器称量物料时的重量差值与校准时两者的重量差值进行实时比较，如超出一定的范围，就对皮带秤仪表的量程校准数进行及时修正，仅仅起到监测皮带秤性能是否超差的作用，没有足够精确的补偿机制，还是需要重新进行繁难的物料试验，方能确保计量准确。

此外上述诸方案还有一个共同的重大缺陷，就是都把不同称重单元在同一时刻的测量值作为对“同一载荷”的测量值了，忽视了实际工作中载荷流量的波动及同一载荷经过不同称重单元的时间差，所以其数据处理结果的准确性就大打折扣了。

由此可见，现有技术的“在线诊断或校准”措施，要么是把静态模拟校验的结果直接当作动态实物校准的结果，要么是把由承载器构造与测量电路引起的静态误差同由“皮带效应”引起的动态误差一股脑儿地绑在一起，不能予以精准有效的补偿。本发明申请人认为产生以上各种方案问题的根子在于皮带秤误差的经典分析式不够完善。

目前比较惯常采用的皮带秤误差分析式，可见诸于英国称重专家K.E.Norden所著的《工业过程用电子秤》（1991，冶金工业出版社，陆伯勤等译）：

E_R＝±2kdT/nqL²

式中：E_R—相对误差，k—皮带效应系数，d—在物料荷重的作用下称重托辊的垂直位移，

T—皮带张力，n—称重辊组数，q—单位长度皮带上的料重，L—托辊间距

由此公式可知，想要减小误差E_R，就得减小k、d、T，增加n、q、L，但却陷入了相互矛盾、进退维谷的死胡同。因为：

（1）系数k是一个与多重因素有关的复杂函数，目前还没有公认的解析式或通用的经验公式；

（2）要减小d就需使秤框、称重托辊支架、输送机纵梁、称重传感器支承梁的挠度乃至称重传感器弹性体的变形量小，因此就需加强机械构件的尺寸和刚度并降低称重传感器的灵敏度；

（3）T的减小受到限制，T太小了不仅会使皮带不能张紧而在运行时打滑，还会导致下垂量加大，容易造成撒料，并致皮带与水平方向的夹角α随之增大，皮带张力的法向分力2Tsinα也增大；

（4）对于常规有框架的悬浮式或杠杆式称量台，增加称重托辊组n也就意味着需要同时增加秤框的长度和钢材的截面积；而秤体自重的增加，又会使挠度加大；

（5）增加q会使输送机及称量台等机械构件的变形量增加，就需进一步加大机械构件的强度与刚度；

（6）L带有平方指数，增加L似乎能明显带来好处，然而并不能过于加长，因为L大了也会使皮带的下垂量加大，并导致α也增大。

正因为皮带秤误差理论的不完善，皮带秤的误差始终不能得到有的放矢地控制，皮带秤的性能无法在技术上取得实质性的突破。

发明内容

本发明通过创立一种皮带秤误差分析式，拓建了控制皮带秤误差的新方法，提供了实现该种误差控制方法的实用皮带秤系统，克服了现有技术的不足，取得了显著的成效。

由于皮带既不是完全范性体，也不是绝对刚体，而是一种兼具刚性和可塑性的“粘弹性”材料；皮带在张力作用下成为有一定刚度的弹性体，因此皮带效应是十分复杂多变的，想要消除它们的影响往往难以下手。故而，如何消除皮带效应对于称重的影响、提高皮带秤的性能，一直是摆在业界人士面前难以解决的一大课题。

本专利申请案的发明人认为，现有技术的皮带秤误差控制方法之所以不能取得明显的成效，是因为皮带秤的总体误差不仅包含类似非自动衡器那种主要由承载器构造与测量电路引起的误差(以下暂且简称静态误差)，还涵含其特有的由于“皮带效应”引起的误差(以下暂且简称动态误差)，两者性质迥异，却又交叉重叠在一起，不把它们厘清，控制起来就难免顾此失彼；只有把两类不同的误差分离开来，以“分割包围、各个击破”的解决思路，分别采取针对性的办法，方能有效控制皮带秤的总体误差。据此创立了下列皮带秤误差分析式作为本发明技术方案的理论基础：

Δ=Δ_A+Δ_B（式1）

式中：

Δ－皮带秤的总体误差

Δ_A－承载器构造与测量电路引起的误差（该误差与一般的非自动衡器类似）

Δ_B－皮带效应引起的误差（该误差是皮带秤所特有的）。

倘将不同位置的多个称重单元及其相连的测量电路通道都予以校准，在没有皮带的状态下施加标准载荷，把它们的输入-输出曲线调整得基本一致(所存在的少许不一致程度就是静态误差。)。要是不存在“皮带效应”，那么在皮带秤运行之后，各个称重单元的相应通道应当输出相等的“理想值”，此时可测得各单元通道与“理想值”的偏差Δ_A；实际上不同位置的称重单元的检测结果往往并不相同，此时测量结果与经用Δ_A修正之后“理想值”的差值则可认为是“皮带效应”的影响量，从而也可得知相应单元的Δ_B。(在现有技术中，要是皮带秤配备标码校准装置，只装在一个称重单元处。因为传统皮带秤大多数只具有一个称重单元，即便有多个称重单元的，也只对其中的一个称重单元配备挂码，不能方便地对每一称重单元进行静态校准。因而在现有技术中，即便装有多个称重单元的，它们的输入-输出曲线也无法调整得一致。)由于对不同来源的误差作了有效甄别，有助于误差分析，实现“各个击破”。

我们知道，无论是承载器构造与测量电路的性能，还是“皮带效应”，都跟环境因素有很大关系，尤其温度对于称重传感器的输出和皮带使用中的刚度和松紧度的影响特别明显。实践经验还告诉我们，温度补偿系数不具有普适性，每一套皮带秤系统都有其特殊的曲线，用统一的所谓“校正系数”对多个称重传感器实行同样的温度补偿往往并不能奏效，甚至越“补偿”结果越差。要是预先对所有称重单元的每个称重传感器温度特性曲线逐一测试、记录，求出各别称重传感器独自对应的温度补偿系数，并且在现场长期监视“皮带效应”的影响量与环境温度的对应关系，而且将这两种关系函数用于数据处理，对不同温度下的测量值予以补偿修正；那么就能使皮带秤总体误差的成分，无论是来源于承载器构造与测量电路的，还是来源于“皮带效应”的，都将受到有效的控制。

然而不通过长期的摸索，是难以取得对于“皮带效应”的温度影响的最佳补偿效果的。倘若我们把用户的皮带秤系统跟具有强大数据处理能力的专用服务器联结起来，就能长期积累其在各种环境状态中的信息，寻找到适合该套系统的补偿系数，并逐步修正到最佳。

另外，经过理论推导和大量的实验验证，本专利申请案发明人发现：当一台输送机的称量段内具有3组以上连续不间断排布的称重托辊时，称重托辊可以按其所处位置的不同分为两类：一类是其前后相邻托辊也都是称重托辊，另一类是与其某一侧相邻的托辊不是装在称量台上的称重托辊，而是直接装在输送机架纵梁上的输送托辊(即秤端托辊)。当由于称重托辊与皮带相切母线的共面度即准直性不佳、引起皮带张力的竖直分力对于被称物料重力的叠加干扰时，这种干扰对于这两类称重托辊的影响是不同的。

下面通过几种常见状态对上述发现作一简要说明：

设某皮带秤有4个称重单元，每个称重单元有1组称重托辊，相邻称重托辊之间以及称重托辊与秤端托辊之间的距离均为L，称重单元A、B、C、D的受力分别为P_A、P_B、P_C、P_D，如图4所示。若前后秤端托辊之间均匀分布了总共5W的载荷(即称量长度L_W内的载荷为4W)，且假定该段内的皮带张力处处相等，一致为T。则：当所有托辊与皮带的相切面都在同一平面上(皮带暂且看作为刚体)时，各称重单元的受力应有：

P_A=P_B=P_C=P_D=W，P_A+P_B+P_C+P_D=4W，称重附加误差δ=0

实际上，若当邻近秤端托辊的称重托辊因某种原因升高(如图5)或降低(如图6)时，各称重单元的受力总和会有所改变：

在图5中，P_A+P_B+P_C+P_D=(W+2Tsinα)+(W-Tsinα)+W+W=4W+Tsinα，

称重附加误差δ=+Tsinα

在图6中，P_A+P_B+P_C+P_D=W+W+(W+Tsinα)+(W-2Tsinα)=4W-Tsinα，

称重附加误差δ=-Tsinα。

然而，当高度改变的称重托辊两旁也是称重托辊，而不在紧邻秤端托辊处时(如图7、图8)，虽然各个称重单元的受力状况也会随称重托辊的高低状态发生变化，但各称重单 元的受力总和仍保持不变：

在图7中，P_A+P_B+P_C+P_D=W+(W-Tsinα)+(W+2Tsinα)+(W-Tsinα)=4W，

称重附加误差δ=0

在图8中，P_A+P_B+P_C+P_D=(W+Tsinα)+(W-2Tsinα)+(W+Tsinα)+W=4W，

称重附加误差δ=0。

可见，当一台皮带秤有多个连续不间断排布的称重单元阵列时，不仅可以通过多点称重观察称量段内载荷的分布和各称重点的重量变化状况，还可用来还可以减少误差，而且对于称重托辊安装高度的准直性要求的严格程度也可有所降低。因而由皮带张力引起的误差基本上就以紧邻秤端托辊处的误差为主了，这样就可集中聚焦便于补偿。显然，当一台皮带秤的称重阵列含有的单元数越多，紧邻秤端托辊处的误差所占的比例越小，准确度就有可能越高。不过，称重单元数越多，皮带秤系统的造价也会越高，而且其误差减小的程度并不与称重单元个数的增加成正比，误差减小速率会逐步下降。实验证明，当称重单元数为8个时，其自动称量误差可以在较长时期内控制在±0.2%以内。而在其他公知技术中，即使配置了多个称重单元的，在相邻称重单元之间都设置了所谓的“隔离段”，即装有不能用来称重的输送托辊，便不具有上述误差抵消自补偿机制。

因此，当皮带秤系统具有n个(n≥3，n∈N)连续不间断排布的称重单元，每个称重单元装有m个(m∈N)称重传感器时，对应于式1的Δ_A和Δ_B分别为：

Δ_A=（k₁₁δ₁₁+……+k_1mδ_1m）+（k₂₁δ₂₁+……+k_2mδ_2m）+……+（k_n1δ_n1+……+k_nmδ_nm）

=（式1A）

式中：δ_Aij－第i个称重单元的第j个称重传感器及其通道在参考条件下的静态误差；

k_Aij－第i个称重单元的第j个称重传感器及其通道的静态误差温度特性参数。

Δ_B=k_B（δ_B1+δ_B2）（式1B）

式中：δ_B1－参考条件下发生于各称重托辊之间的皮带效应误差；

δ_B2－参考条件下发生于称重托辊与秤端托辊之间的皮带效应误差；

k_B－对于皮带效应误差的环境和工况影响参数。

因为：每个称重传感器的温度系数k_Aij已预先测得，其静态误差δ_Aij在多单元共同校准后，可得到有效控制，故而有：Δ_A≈0；

又因为：多称重单元阵列具有自补偿机制，使得发生于各称重托辊之间的皮带效应误差

k_Bδ_B1≈0，故而有：Δ_B≈k_Bδ_B2；

所以：式1可简化为：

Δ≈k_Bδ_B2（式2）

由是误差控制的关键在于找到k_B和δ_B2。我们可以把同一载荷在通过靠近前、后秤端托辊的两组称重单元时的实际值分别跟它们在静态校准后不存在“皮带效应”时应当输出的“理想值”进行比较，从而得到“皮带效应”影响的量值。

皮带秤在工作状态中，物料的运行速度决定了该物料的任意一个指定质点通过相邻称重托辊的时间差。如果把这一时间差测出来，就能按此记录和比较各个称重传感器对同一物料的测量值。这时分别找出位于称重单元阵列前后两端出入口的首尾两组称重托辊所对应的称重传感器测量值x₁和x_n，再找出除此之外位于阵列中部的全部称重托辊所对应的称重传感器测量值x₂、x₃……x_n-1，并求出它们的平均值。由于连续无间隔的称重单元阵列内部的皮带张力影响能相互抵消，因此可以认为与无“皮带效应”影响时的静态校正值相等，从而可由x₁或x_n跟的差值求得“皮带效应”的影响量k_Bδ_B2；同时再通过对运行中不断测到的包括称重和环境数据在内的信息长期积累和统计分析处理找到k_B，并随数据量的不断积累，对k_B验证和逐步修正以趋向最佳。从而使皮带秤的总体误差处于可控状态。

物联网技术在本发明方案中占有相当关键的一环，其核心就是对皮带秤的所有变化数据予以采集和统计分析。为了能实现数据库容量和数据处理能力的低成本提升，管理服务器还可借助公共云计算平台进一步优化大数据的分析，实现数据的高效处理。

综上所述，本发明是在新创立的皮带秤误差分析式指导下，综合采用了以下措施：

对称重单元所使用的每一个称重传感器的温度特性预先测试，取得k_A；

利用每一套称重单元分别用自带的校验装置在静态称重状态下予以校准，减少δ_A，并尽量使得δ_A≈0；

采用连续不间断排布的多称重单元阵列来减少δ_B1，并尽量使得δ_B1≈0；

记录、分析各同一载荷依次通过各称重托辊处时的动态测量值，求得阵列首尾两托辊处的皮带张力影响量k_Bδ_B2；

利用物联网技术以及对运行数据的积累和分析找到k_B，使长期以来一直难以捉摸的“皮带效应”影响得以量化，并逐步逼近最佳值。

通过以上误差分解技术，使皮带秤的总体误差Δ≈k_Bδ_B2，且能处于可控状态，并不断减小。

换言之，为了解决现有技术存在的问题，本发明设计了以下技术方案。

（一）采用一种从未见诸于世的皮带秤误差分解控制方法：

该方法对于皮带秤总体误差的控制，是通过对不同成因的误差剥离分解成：温度等环境因素对称重传感器和输送带性能变化的影响、由承载器构造与测量电路引起的误差、发生于称量段内全部托辊中首尾称重托辊之间的“皮带效应”影响、发生于首尾称重托辊与前后秤端托辊之间的“皮带效应”影响等几个互不重叠的部分，然后采用不同的针对性措施加以消除或补偿修正的；

该方法至少包含下列步骤：

预先对所用称重单元的每个称重传感器温度特性曲线逐一测试、记录，求出各称重传感器对应的温度特性参数，并将该参数预置于系统测量端的远程终端单元的积算模块和/或管理端服务器的数据处理系统数据库；

在现场配置温度传感器和相应的测量电路，在测量载荷质量的同时还测量称重传感器和输送机皮带所处环境的温度，建立载荷质量与温度的对应关系，对不同温度下测得的载荷质量予以补偿修正；

配置不少于3套的称重单元，排布成连续不间断的阵列，以消减阵列内部的皮带张力影响；

对每个称重单元单独配置静态称重校验装置，测试各称重单元在没有“皮带效应”影响时的载荷特性，调整各称重单元与数据采集单元中所对应的通道，使尽量保持一致的输入-输出关系，记录各通道在同等载荷下的些微不一致程度，作为测试时环境温度下的静态误差予以存储；

测定皮带秤在工作状态中，被称物料的任意一个指定质点通过相邻称重托辊的时间差，记录和比较各个称重传感器对同一物料的测量值；

在皮带秤实际工作时，对动静两状态下的数据对比分析，将同一载荷下各称重单元对应通道动态测量时的输出值在不同位置的分布状况与不一致程度，跟静态校准时的输出值在不同位置的分布状况与不一致程度进行比较，得到“皮带效应”对于各称重单元的影响量参数；

配置管理服务器，建立保存长期运行信息的海量数据库以及对实时和历史数据的处理分析系统，随着信息样本量的扩充，不断修正由上一步骤获得的影响量参数，从而逐步完善对“皮带效应”误差的调控。

（二）为了能实现所述的误差控制方法，相应的皮带秤系统除了具有一般皮带秤必需的基本组成之外，还应至少包含下列特需部分：

可实现误差分解控制方法的皮带秤系统包括测量端和管理端，以及联结测量端和管理端的通信网络；

所述测量端的基本组成至少包含称重单元W1～Wn、静态称重校验装置C1～Cn、位移传感器ds、温度传感器ts、数据采集单元DAU、远程终端单元RTU、操作终端OT₁、数据传输单元DTU₁，所述静态称重校验装置C1～Cn与所述称重单元W1～Wn相连，所述称重单元W1～Wn的称重传感器以及所述位移传感器ds和所述温度传感器ts的输出端与所述数据采集单元DAU的相对应的各通道输入端相连，所述数据采集单元DAU的输出端与所述远程终端单元RTU的输入端相连，所述远程终端单元RTU的输出端与所述数据传输单元DTU₁的输入端相连，所述数据传输单元DTU₁与通信网络联结；

所述管理端的基本组成至少包含数据传输单元DTU₂、服务器Sv和操作终端OT₂，所述数据传输单元DTU₂与网络联结，所述数据传输单元DTU₂的输出端与所述服务器Sv相连，所述服务器Sv装有防火墙FW、数据处理系统DPS和人机交互接口HMI，所述操作终端OT₂与所述人机交互接口HMI与相连；

所述测量端的数据传输单元DTU₁和管理端的数据传输单元DTU₂之间通过所述通信网络联结，以实现数据收发和交换；

所述皮带秤系统还采取了以下特殊措施：

所述温度传感器的安装位置设在称量段区域内；

所述称重单元每套配有（1～4）个称重传感器，每个称重传感器逐一经过温度特性测试，其个性化校正参数被存储于系统内，随时对相应的实时采集数据予以校正；

每一台皮带秤配置了3套或3套以上相同的所述称重单元，所有称重单元的称量台以连续不间断的方式沿输送带运行方向依次成串排列在同一台皮带输送机上，相邻称量台之间没有非称重托辊隔开，各套称重单元的机械结构相互独立分离且具有单独的电气通道，并且每一套称重单元均单独配带（1～4）套所述的静态称重校验装置。

所述系统组成的特需部分中连续不间断排布的称重单元阵列，每一台皮带秤一般由（3～12）套的称重单元组成；其中由（5～9）套称重单元组成的较为常用。

所述静态称重校验装置可以为配带有恒定质量块作为校验标准的装置，还可以将该装置制成与称重传感器具有一体化构造的遥控挂码装置。

所述管理端的服务器可设置在任何合适的地点，但通常为设置在制造方的专用服务器，并可借助云计算平台拓展服务器能力，以及采用大数据分析工具求解与修正环境和工况补偿系数、“皮带效应”补偿系数，并随实时数据的不断积累逼近最佳值。

所述联结测量端和管理端的通信网络可以是专设局域网，也可采用公众互联网，测量—管理两端之间的数据传输可采用GPRS无线传输方式。

与现有技术相比，本发明对误差控制的效果有了显著的提高，尤其对由于“皮带效应”影响造成的误差实现了有效管控。

本发明的优点是：以创新的皮带秤误差分析式指导误差的控制方式，通过连续排布的称重单元阵列掌握称量段内载荷的分布状况，并区分出不同来源的误差，从而能有针对性地采取最为适用、有效的措施，找到消除“皮带效应”影响的突破口。

本发明的有益效果是：解决了业界长期渴望解决而又未能有效解决的皮带秤误差控制的技术问题，使得皮带秤的准确度、重复性、稳定性、耐久性等各项性能得到了明显的提升，克服了“皮带秤的准确度等级做不到0.2级”的技术偏见；还由于本方案采用了物联网和大数据分析技术，从而可以实现皮带秤状态的远程诊断和维修指导；皮带秤采用模拟载荷标定虽然便捷，却一直因为“皮带效应”影响巨大使其校准结果的置信度不高而难以替代实物标定，本发明技术则通过对各种成因误差的有效管控，已初步成为能在准确性上足以匹敌实物标定的实用校准技术，具有很高的经济价值。

附图说明

图1～图8为分析不同状态下托辊存在高度差时皮带张力影响的解说性示意图，其中：

图1是托辊不存在高度差且皮带假定为刚体时的受力分析示意图；

图2、图3是托辊存在高度差时皮带张力影响分析示意图；

图5、图6是存在高度差的托辊位于称重单元阵列出入口邻近输送托辊的秤端时皮带张力影响分析示意图；

图7、图8是存在高度差的托辊位于称重单元阵列中间不靠近秤端、前后相邻的托辊也均为称重托辊时皮带张力影响分析示意图；

图中：1-称重托辊；2-秤端输送托辊；3-称重传感器。

图9、图10为本发明技术方案所述方法和系统组成的框图，其中：

图9是皮带秤误差分解控制方法的原理框图；

图10是能实现误差分解控制方法的皮带秤典型系统框图。

具体实施方式

下面结合附图对所述“误差分解控制方法”及用以实现该方法的皮带秤系统实例予以具体描述。

为实现本发明的技术方案，申请人有机组合了包括多项自有专利在内的公知技术，并在此基础上作了多处改进、革新和突破，收到了“1+1>2”的效果。

各种环境因素对测量结果是有相当大影响的，其中最主要的是温度对称重传感器工作特性的影响，必需严格控制予以消除。实测验证的结果告诉我们，称重传感器的温度特性的离散性相当严重，即使同一品牌、同一型号规格、同一生产批次的几个传感器，它们的实际温度系数与称重传感器生产厂所标称的统一的补偿系数之间存在着较大的差别，然而传感器生产厂家并不对每一件产品进行测试，无法向衡器制造商和用户提供每一件产品的实际温度系数，因此就无法适用于高准确度的衡器产品。为了实现图9所示C项参变量的控制，采取了相应的措施1），对每个称重传感器都预先用自制的“称重传感器温度性能自动测试系统(CN102346067B)”测定过温度特性参数，该参数值按称重传感器编号一一对应地预置到了图10所示的远程终端单元RTU中的积算模块以及管理服务器Sv所装数据处理系统的数据库内。图10所示的ts在实施例中选用Pt100铂电阻温度传感器，并按图9所示措施C的2）安装在称量段靠近称重传感器和输送机皮带的位置，从而可以对不同环境温度下的称重数据进行实时修正。

图9所示的措施A之目的是减小皮带张力的影响，尤其是可以抵消称重托辊阵列中除了首尾两组托辊之外的中间段诸托辊处的皮带张力影响，还可为求得首尾两组托辊的皮带张力影响创造条件。利用图10所示的称重单元阵列可以对相邻称重托辊由于存在安装精度、皮带或托辊沾料、托辊偏心或跳动等原因形成的高度差所引起的皮带张力竖直分量影响具有内部自补偿机制，使皮带张力竖直分量影响仅残剩于阵列出入口邻近秤端输送托辊处。在本发明的优选实施例中采用了8套“低外形单点悬浮平台称重装置(CN202350886U)”，各套称重单元的机械结构相互独立分离且具有单独的电气通道，所有称重单元W₁～W₈的称量台以连续不间断的方式沿输送带运行方向依次成串排列在同一台皮带输送机上，相邻称量台之间不再设置只能起到缓冲隔离作用而不能把载荷传递给称重传感器的输送托辊。

实施例的每套称重单元使用1个“多维约束称重传感器(CN201514264U)”、配置2组称重托辊。

图10所示的ds在实施例中用了“称量段皮带位移传感器(CN201382767)”，还采用了“皮带秤物料速度检测和分段整体去皮方法(CN102322924B)”，不仅为皮带秤连续累计称重提供必要参量，还可使图9所示措施D中所要求测定的同一载荷经过各称重托辊的时间差得以实现。

为了实现图9所示的措施B，配有图10所示的静态称重校验装置8套C₁～C₈，对所配恒定质量块的加卸载可远程控制的标码校验装置，一一对应于W₁～W₈，从而能方便地实现对每个称重单元分别单独校验。

图10所示的数据采集单元DAU具有铸铝密闭式防护外壳，适于安装在露天或多尘的现场，用以向各类传感器提供激励电源，采集传感器的输出信号并对这些信号予以放大和模数转换，为数据的运算进行预处理。它的前置级设了10路独立通道，其输入端分别与各称重传感器、位移传感器、温度传感器相连；每个通道都经过无皮带状态下的静态校验，并将各称重单元在同等的载荷下相应通道的输出值尽量调整成一致，从而可最大限度地消除承载器与测量电路带来的误差，实现图9所示措施B对基本误差项δ_A的控制，同时也为后面求解基本误差项δ_B2创造条件。

图10所示的远传终端单元RTU在实施例中实质上是一台上位工业计算机，它通过RS485总线接入DAU的输出信号，作进一步的数据处理；一方面它可实现测量数据运算并当场显示称量结果，还可以通过图10所示的操作终端OT₁来完成设备参数置入、校验过程启停、校准系数修改等普通皮带秤仪表具有的全部功能，另一方面还可以经RS485总线接入图10所示的数据传输单元DTU₁，再采用GPRS无线传输方式通过Internet网络同管理端的数据传输单元DTU₂联结，从而实现测量端与管理端两边的数据远程收发和交换。

图10所示的管理服务器Sv在实施例中设置在本申请人企业所在地，以便于日常管理与维护。DTU₂通过总线与Sv相连。Sv装有防火墙FW、数据处理系统DPS和人机交互接口HMI，所述DPS为申请人自行研制的“皮带秤远程支持系统(CN103200232B)”，该支持系统采集日常运行数据、储存状态信息，建立当前信息和历史档案数据库，以及调用、分析数据和诊断状态的功能集成了模型库、知识库、数据库及相应的库管理系统，既能以通过HMI接入图10所示的操作终端OT₂用人机对话的方式输入专家指令，传达基于人工判断和推理的决策方案，也能用内设的智能推理机模块对相关信息自动处置。Sv具有海量的存储功能，能对联网的任意一台皮带秤运行中传来的信息分门别类地建立历史档案，并随运行时间的推移不断扩充信息量，为科学采用统计方法储备了巨大的样本量，对逐步提升信息的自动化处理能力与数据处理结果的准确有效性打下了坚实的基础；使皮带秤远程支持系统具有从众多庞杂因素中找到解决问题头绪的能力，不仅可对皮带秤进行状态监视、故障诊断、判别是否存在操作失误或人为作弊等，还为寻求适用的“皮带效应”系数这一难题找到了前途，实现图9所示措施D对基本误差项k_Bδ_B2的修正和可控，朝解决如何有效消除“皮带效应”对皮带秤准确度的干扰这一历史性难题的正确方向迈出了第一步。倘若在上述实施例的基础上，再将管理服务器经互联网与大数据云计算平台联结，将使数据库的容量和数据处理的能力进一步提高，误差分析管控更为高效、可靠。

实践证明，如同上述实施例制造的产品，在实验室中模拟的恶劣工况和用户现场的严酷条件下都能够全面满足0.2级准确度等级皮带秤的性能要求，并得以长期稳定地保持。由于本发明技术对各种成因的误差尤其是对“皮带效应”实现了有效管控，用挂码标定就能获得足够准确可靠的校准结果。例如，本案申请人在山东日照港的一台带宽2.2m、头尾滚筒中心距1350m、带速4.83m/s、最大流量11000t/h、皮带运行一整圈时间约560s的带式输送机上安装了本专利技术皮带秤。由于按产品标准和检定规程的要求，所需的试验物料至少要1711t，还需配备秤量和准确度都能满足要求的非自动衡器来传递试验物料的量值，竣工时现场不具备实物标定条件。于是我们先用挂码标定，调整后皮带秤示值与理论值相差不大于0.025%。之后皮带秤未再做任何调整。当过了一段时期后用户能提供所需条件了再用实物验证，验证结果显示，皮带秤的示值5026.26t，控制衡器的示值为5023.68t，两者相差仅0.051%。这表明了按本技术制造的皮带秤用模拟载荷试验方法校准的结果完全可以达到物料试验的效果。

本发明系申请人在前所未有的皮带秤误差新理论的指导下，通过对皮带秤系统配置特殊部件和采取专门措施，有机组合了多项已授权专利，并在此基础上革新和改进而形成的新技术。由于这项新技术的被发明，使得皮带秤能够全面满足0.2级准确度等级的性能要求，并得以长期稳定地保持，取得了以往任何单一公知技术无法收得的成效，让原先无法企及的梦想成为现实，取得了显著的实效。本专利申请人据此制造的产品也因此荣获了国际法制计量组织OIML颁发的全球第一张0.2级皮带秤认证证书（扫描件见本申请附加文档中的“其他证明文件”），并受到了广大高端用户的欢迎，取得了商业上的成功，收到了预想不到的技术效果。

上面结合附图对本发明优选的实施方式和实施例作了详细说明，当然，本发明并不限于上述实施方式和实施例，此装置还可以在本技术领域技术人员所具备的知识范围内，在不脱离本发明构思的前提下作出各种变换。例如在对环境因素的监控方面，除了设置现场温度检测和实时补偿之外，还可监测皮带的跑偏量、相邻托辊间的皮带垂度、输送机机架可移动时的三维姿态等等，类似这样的变换均落在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种皮带秤误差分解控制方法，所述方法至少包含下列步骤：

⑴预先对所用称重单元的每个称重传感器温度特性曲线逐一测试、记录，求出各称重传感器对应的温度特性参数，并将该参数预置于系统测量端远程终端单元的积算模块和/或管理端服务器的数据处理系统数据库；

⑵在现场配置温度传感器和相应的测量电路，在测量载荷质量的同时还测量称重传感器和输送机皮带所处环境的温度，建立载荷质量与温度的对应关系，对不同温度下测得的载荷质量予以补偿修正；

⑶配置不少于3套的称重单元，排布成连续不间断的阵列，以消减阵列内部的皮带张力影响；

⑷对每个称重单元单独配置静态称重校验装置，测试各称重单元在没有“皮带效应”影响时的载荷特性，调整各称重单元与数据采集单元中所对应的通道，使尽量保持一致的输入-输出关系，记录各通道在同等载荷下的些微不一致程度，作为测试时环境温度下的静态误差予以存储；

⑸测定皮带秤在工作状态中，被称物料的任意一个指定质点通过相邻称重托辊的时间差，记录和比较各个称重传感器对同一物料的测量值；

⑹在皮带秤实际工作时，对动静两状态下的数据对比分析，将同一载荷下各称重单元对应通道动态测量时的输出值在不同位置的分布状况与不一致程度，跟静态校准时的输出值在不同位置的分布状况与不一致程度进行比较，得到“皮带效应”对于各称重单元的影响量参数；

⑺配置管理服务器，建立保存长期运行信息的海量数据库以及对实时和历史数据的处理分析系统，随着信息样本量的扩充，不断修正由上一步骤获得的影响量参数，从而逐步完善对“皮带效应”误差的调控；

其特征在于：把不同成因的几种误差——温度等环境因素对称重传感器和输送带性能变化的影响、由承载器构造与测量电路引起的误差、发生于称量段内全部托辊中首尾称重托辊之间的“皮带效应”影响、发生于首尾称重托辊与前后秤端托辊之间的“皮带效应”影响等分解成几个独立的部分，然后采用不同的针对性措施加以消除或补偿修正，以控制皮带秤的总体误差。

2.一种可实现误差分解控制方法的皮带秤系统，所述皮带秤系统包括测量端和管理端，以及联结测量端和管理端的通信网络；

所述测量端的基本组成至少包含称重单元[W1~Wn]、静态称重校验装置[C1~Cn]、位移传感器[ds]、温度传感器[ts]、数据采集单元[DAU]、远程终端单元[RTU]、操作终端[OT₁]、数据传输单元[DTU₁]，所述静态称重校验装置[C1~Cn]与所述称重单元[W1~Wn]相连，所述称重单元[W1~Wn]的称重传感器以及所述位移传感器[ds]和所述温度传感器[ts]的输出端与所述数据采集单元[DAU]的相对应的各通道输入端相连，所述数据采集单元[DAU]的输出端与所述远程终端单元[RTU]的输入端相连，所述远程终端单元[RTU]的输出端与所述数据传输单元[DTU₁]的输入端相连，所述数据传输单元[DTU₁]与通信网络联结；

所述管理端的基本组成至少包含数据传输单元[DTU₂]、服务器[Sv]和操作终端[OT₂]，所述数据传输单元[DTU₂]与网络联结，所述数据传输单元[DTU₂]的输出端与所述服务器[Sv]相连，所述服务器[Sv]装有防火墙[FW]、数据处理系统[DPS]和人机交互接口[HMI]，所述操作终端[OT₂]与所述人机交互接口[HMI]与相连；

所述测量端的数据传输单元[DTU₁]和管理端的数据传输单元[DTU₂]之间通过所述通信网络联结，以实现数据收发和交换；

其特征是：所述皮带秤系统除了具备普通电子皮带秤必需的基本组成之外，还在于采取了以下特殊措施：

所述温度传感器的安装位置设在称量段区域内；

所述称重单元每套配有（1～4）个称重传感器，每个称重传感器逐一经过温度特性测试，其个性化校正参数被存储于系统内，随时对相应的实时采集数据予以校正；

每一台皮带秤配置了3套或3套以上相同的所述称重单元，所有称重单元的称量台以连续不间断的方式沿输送带运行方向依次成串排列在同一台皮带输送机上，相邻称量台之间没有非称重托辊隔开，各套称重单元的机械结构相互独立分离且具有单独的电气通道，并且每一套称重单元均单独配带（1～4）套所述的静态称重校验装置。

3.根据权利要求2所述的一种可实现误差分解控制方法的皮带秤系统，其特征在于：所述称重单元有结构相同的（3~12）套组成阵列，每套称重单元具有（1~4）组称重托辊，所述静态称重校验装置为配带标准质量块的校验装置。

4.根据权利要求3所述的一种可实现误差分解控制方法的皮带秤系统，其特征在于：所述称重单元有结构相同的（5~9）套组成阵列，每套称重单元具有（1~2）组称重托辊，所述配带标准质量块的校验装置为与称重传感器有一体化构造的遥控挂码装置。

5.根据权利要求2所述的一种可实现误差分解控制方法的皮带秤系统，其特征在于：所述管理端的服务器设置在制造方，所述联结测量端和管理端的通信网络为公众互联网，测量—管理两端之间的数据传输采用GPRS无线传输方式。

6.根据权利要求2所述的一种可实现误差分解控制方法的皮带秤系统，其特征在于：所述服务器[Sv]经互联网与公共云计算平台联结，采用大数据云计算技术进行数据分析处理。