失重秤的概述、運行參數(shù)的設(shè)計、計算以及應(yīng)用實例

1 概述

失重秤（Loss-in-weightfeeder）是一種定量稱重給料設(shè)備，從用途上講，失重秤用于動態(tài)連續(xù)稱重過程，可以對需要連續(xù)給料的物料進行稱重和定量控制，并有物料瞬時流量和累計流量顯示。從原理上講，它是一種靜態(tài)稱重設(shè)備，采用的是靜態(tài)料倉秤的稱重技術(shù)，用稱重傳感器對料倉進行稱重。但在失重秤的控制器里，要對料倉秤單位時間失去的重量運算，以得到物料的瞬時流量。

圖1是失重秤工作原理示意圖。

圖1 失重秤工作原理示意圖

圖1左是一種失重秤的結(jié)構(gòu)示意圖，當(dāng)稱重料倉料空需要加料時，可打開裝料閥裝料，當(dāng)?shù)竭_最高料位時，裝料閥關(guān)閉，稱重料倉由失重秤支承。為使稱量準(zhǔn)確，稱重料倉的上部和下部都是通過柔性入口或出口連接，以使前后設(shè)備及其中物料的重量不加在稱重料倉上。

圖1右是連續(xù)給料過程示意圖，連續(xù)給料過程有無數(shù)次循環(huán)（圖中示意了3次循環(huán)）。每次循環(huán)由2個周期組成：當(dāng)稱重料倉為空料倉時，打開裝料閥裝料，稱重料倉物料重量不斷增加，當(dāng)t1時刻到達最高料位時，裝料閥關(guān)閉，螺旋輸送機開始卸料，此時失重秤開始工作；一段時間后，當(dāng)稱重料倉物料重量不斷減少并在t2時刻到達最低料位時，裝料閥重新打開，t1~t2這段時間為重力式給料周期；一段時間后，當(dāng)稱重料倉物料重量不斷增加并在t3時刻再一次到達最高料位時，裝料閥關(guān)閉，t2~t3這段時間為重新裝料周期，如此周而復(fù)始。

在重力式給料周期，按瞬時流量控制螺旋輸送機轉(zhuǎn)速以達到穩(wěn)定給料；在重新裝料周期，螺旋輸送機轉(zhuǎn)速維持本周期開始前一刻的轉(zhuǎn)速不變，以恒體積流量控制方式給料。

由于失重秤將動態(tài)稱重和靜態(tài)稱重結(jié)合，將間斷給料和連續(xù)出料結(jié)合，結(jié)構(gòu)易于密封，適用于水泥、石灰粉、煤粉、食品、藥劑等微細(xì)物料的稱重和配料控制，可達到較高的稱重精度和控制精度。

2失重秤運行參數(shù)設(shè)計的重要性

在設(shè)計失重秤時，需要考慮裝料頻率、重新裝料體積、稱重料倉容積、重新裝料速度等運行參數(shù)，否則失重秤無法正常工作。

以某用戶現(xiàn)場設(shè)備改造向制造廠訂購失重秤為例，訂購時僅采購100kg稱重傳感器3臺，待投運后，發(fā)現(xiàn)零點不穩(wěn)定，流量有時候無顯示等故障。制造廠家派人到現(xiàn)場后才了解到用戶物料為硼酸，密度1510kg/m3，最大流量僅為36kg/h，常用流量為21~24kg/h。流量這樣小，料倉選用了3臺100kg稱重傳感器支撐，分析料倉容量很大，這是選型不合理的問題，另一個問題是安裝時料倉與有震動源的設(shè)備相連。

我們可按下文中推薦的經(jīng)驗法則“在最大給料量時的重新裝料頻率選擇為15至20次/h”來核算，則每次重新裝料重量為36/15~36/20，即1.8kg~2.4kg，每個稱重傳感器承受的物料重量不足1kg，有效量程大致在0.5~1%。一般稱重傳感器的有效量程至少應(yīng)該在10~30%或更大一點，才能保證較為準(zhǔn)確的稱重。按物料重2.4kg加上料倉和出料設(shè)備（如螺旋輸送機）的重量，總重大約在10kg左右，如使用3個稱重傳感器，則每個稱重傳感器的量程可選5kg~10kg。即原來訂貨的100kg傳感器量程大了10~20倍，由此造成失重秤的穩(wěn)定性差，稱量精度低。

這一個例子說明，失重秤的設(shè)計也需要遵循設(shè)計規(guī)則，不能不經(jīng)計算就決定失重秤的設(shè)備和運行參數(shù)。

3失重秤運行參數(shù)的設(shè)計計算

3.1 裝料頻率計算

圖1介紹了失重秤運行時每次循環(huán)包括了一次裝料過程，那么裝料頻率多少合適呢？

對失重秤來說，每次循環(huán)中重力式給料周期時間占比（時間占比=重力式給料周期時間/重新裝料周期時間）越大越好，通常應(yīng)大于10：1。這是因為重力式給料周期的精度要遠(yuǎn)高于重新裝料周期，重力式給料周期時間占比越大，失重秤的整體精度越高。

失重秤單位時間的循環(huán)次數(shù)通常以最大給料量時每小時的循環(huán)次數(shù)表示，即次/h。由于前提是以每小時最大給料量為基準(zhǔn)，那么單位時間（例如每秒）的給料量時一個定值。循環(huán)次數(shù)越少，每次裝料量就越多，稱重料倉的容積和重量就越大，使用大量程的稱重傳感器作失重運算的精度就越低；循環(huán)次數(shù)越多，每次裝料量就越少，稱重料倉的容積和重量就越小，使用小量程的稱重傳感器作失重運算的精度就越高。但循環(huán)次數(shù)過多，裝料設(shè)備啟停頻繁，失重秤的控制器在重力式給料周期和重新裝料周期之間頻繁切換也不好。

推薦的重新裝料頻率如表1，但重點推薦的是中間的3個裝料頻率。

表1 推薦的重新裝料頻率

作為一個經(jīng)驗法則，大部分的失重式給料系統(tǒng)，特別是對粉末料和流動性差的的顆粒料，在最大給料量時的重新裝料頻率選擇為15至20次/小時。給料量小于最大給料量時，重新裝料頻率減低，這樣在重力式給料周期時間占比就更大，更有利于提高精度。

作為經(jīng)驗法則的例外，一些給料流量特別低的應(yīng)用，雖然料倉容積非常小，但仍然可以儲存供一個小時或更長時間加料的物料，重新裝料的時間超過1h。如下例：

最大給料流量2kg/h

物料堆比重803kg/m3

最大體積給料流量2/803=0.0025m3/h

如果料倉容積為0.01m3（大體相當(dāng)于250mm×250mm×250mm這樣一個立方體料倉的大小），足夠2h~3h的物料用量，每次加料量又在10kg以下，因此不需要自動裝料，人工裝料即可滿足生產(chǎn)要求，但其流量控制精度稍低。

3.2 重新裝料體積計算

選擇了重新裝料頻率，就可以計算重新裝料的體積和總的給料體積。以某失重秤為例：

最大給料流量270kg/h

物料體積密度480kg/m3

最大體積給料流量270/480 =0.562m3/h

在最大給料速度下，重新裝料的頻率選擇為15次/h

重新裝料體積計算公式：

重新裝料體積=最大給料量（kg/h）÷容重（kg/m3）÷重新裝料頻率（重新裝料次數(shù)/h）

在本例中，重新裝料體積=270÷480÷15 = 0.0375m3

3.3 稱重料倉容積計算

設(shè)計的稱重料倉容積肯定要大于計算出來的重新裝料體積，這是因為要考慮開始重新裝料時稱重料倉不可避免會有一些“殘余物料”和料倉頂部存在不可能裝滿的“自由空間”，如果各占20%，則將重新裝料體積除以0.6，就可以得到需要的料倉容積了，而最終選用的稱重料倉容量還應(yīng)根據(jù)定型的料倉容量圓整。

重新裝料體積計算公式：

稱重料倉容積=重新裝料體積÷k

式中：k是料倉計算余量系數(shù)，可取0.4~0.7，推薦取0.6。

在本例中，稱重料倉容積=0.0375÷0.6 =0.0625m3

如果定型料倉容量有0.6 m3、0.8 m3、1.0 m3等規(guī)格，應(yīng)向上圓整到0.08m3，稱重料倉容積就選擇0.08m3。

3.4 重新裝料速度計算

由于失重秤在重新裝料周期采用的是低精度的定容積方式給料，所以要求給料機重新裝料速度快（一般應(yīng)控制在5s~20s）。

重新裝料速度計算公式：

重新裝料速度=[重新裝料體積（m3）÷重新裝料時間（s）×60（s/min）]+[最大體積給料流量（m3/h）÷60（min/h）]

式2中重新裝料速度由2項組成，第一項是按重新裝料體積所需裝料速度，第二項則常常被很多人忽略，它表示的是在裝料同一時間的卸料速度，它需要在重新裝料時多補充這一部分物料。

在本例中，

重新裝料體積：0.0375m3

重新裝料時間選為：8s

最大體積給料流量：0.562m3/h

則：重新裝料速度=（0.0375÷8× 60）+（0.562÷60）=0.281+0.009=0.289m3/min

重新裝料速度也可以根據(jù)以往經(jīng)驗直接由最大給料速度計算：

最大體積給料流量：270/0.48=0.562m3/h

重新裝料速度換算成小時流量：0.289×60=17.34m3/h

重新裝料速度=17.34/0.562=30.85

計算結(jié)果表示，重新裝料速度約等于30倍最大給料速度，也就是說，可參照這一計算結(jié)果，在其他失重秤重新裝料速度計算時按25~40倍最大給料速度反算出來。

4 幾個應(yīng)用例

4.1 德國食品公司失重秤

德國貝爾（Bel）食品公司生產(chǎn)各種食品原料和配料，用于烘焙食品、糖果、乳制品等。生產(chǎn)過程中，提供準(zhǔn)確的和連續(xù)的面粉配料是至關(guān)重要的，配料量1t/h~4t/h，稱量容器容量為200kg物料，每3min~12min重新裝料一次（裝料頻率為5~20次/h）。

4.2 馬鋼新區(qū)燒結(jié)機失重秤

馬鋼新區(qū)2×360m3燒結(jié)機生石灰失重秤，給料流量20t/h~50t/h，采用3臺2.5t稱重傳感器支撐，每5min~10min重新裝料一次（裝料頻率為6~12次/h）。根據(jù)最大給料流量和重新裝料間隔的數(shù)據(jù)分析，每次重新裝料重量約400kg，料倉容量約為1t~2t。

5 結(jié)束語

作為一種較新型的定量稱重給料設(shè)備，失重秤近年來在食品、制藥、化工、冶金等行業(yè)的應(yīng)用越來越多，但在設(shè)計選用時如何確定運行參數(shù)卻很少有資料介紹，作者將國外的資料與國內(nèi)的應(yīng)用經(jīng)驗結(jié)合，列出了一個完整的計算實例，可供制造廠家和用戶設(shè)計失重秤時參考。