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工程機械攪拌設備用稱重傳感器的選型
本文闡述了工程機械攪拌設備稱重系統(tǒng)的基本要求和特殊要求，提出了工程機械攪拌設備稱重系統(tǒng)選用傳感器時需要考慮的幾個問題，重點分析了傳感器防護結構對工程機械攪拌設備運行可靠性的影響，指出IP代碼所代表的防護等級不能涵蓋工程機械攪拌設備對傳感器的全部防護要求。建議不同類型的攪拌設備選用不同防護能力的傳感器。
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。工程機械攪拌設備的稱重系統(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，所要考慮的問題側重點有所不同罷了。
工程機械攪拌設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 準確稱量誤差對混凝土的強度影響很大，特別是水灰比計量精度，因為強度和水灰比是線性關系。相關國家標準規(guī)定，水泥、水、外加劑、摻合料的動態(tài)計量精度為±1%，砂、石料的動態(tài)計量精度為±2%。
1.2 快速滿足攪拌樓站工作循環(huán)的要求。
1.3 種類多稱量值預選的種類要多，變換要方便，以適應多種配比和不同容量的要求。
1.4 結構簡單稱量裝置要結構簡單，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用。但是，客觀地說，與機械杠桿秤相比，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行條件
與一般用于商貿計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惡劣的運行條件中，應力環(huán)境十分復雜，與一般的電子產品的運行環(huán)境相比，有更大的隨機性。
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。而不少工程建設項目是在自然條件相當惡劣的山區(qū)或邊遠地區(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過程中需要水。在水的輸送和稱量過程中也會產生不少水氣，在一定的小范圍內形成較為潮濕的環(huán)境。在溫控攪拌樓中，則有高溫工況和低溫工況的不同要求。夏天運行在低溫工況時要通入零度以下的冷風以及加冰攪拌，這時樓內會出現冷凝水，足見樓內濕度之高。
2.2 粉塵
混凝土在生產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生粉塵。即使是骨料，在輸送過程中也有粉塵產生。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
在進料過程中，砂石料會產生沖擊。傳感器應能承受5g的加速度。在攪拌過程中，會產生持續(xù)的振動，而振動會產生疲勞破壞。
2.4 人為環(huán)境
人為環(huán)境是產品可靠性設計時必須考慮的因素之一?；炷翑嚢铇且话惆惭b在施工現場。工地上大量使用臨時工，其中相當多的臨時工文化水平較低，缺少必要的技能。在設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行，是要進行一些特殊設計的。
上述基本要求和運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。
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
事實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.安全系數的選擇又與傳感器的靈敏度有密切關系．國內外常見的應變式稱重傳感器靈敏度多數為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稱重傳感器準確度的選擇
傳感器準確度的選擇以滿足稱量系統(tǒng)的準確度要求為準，不必片面追求過高的傳感器準確度等級。在多只傳感器組合使用時，其綜合誤差按下式計算
δr=δ／√n
式中，δ為單只傳感器的準確度，n為組合使用的傳感器只數。
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、重復性、靈敏度溫度影響、蠕變等主要指標絕大多數廠家均優(yōu)于0.05%，大多數廠家優(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。可以說一般稱重傳感器生產廠家的產品都能滿足要求。
以前，不少攪拌樓生產廠家規(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，單項指標為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，單項指標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，而混凝土國家標準要求的是動態(tài)精度，這是由于原材料不斷地向稱量機構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到1%和2%的動態(tài)精度還與供料系統(tǒng)的設計有關。
現在，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為水泥、水、外加劑±1%，砂、石料±2%。須知，預拌混凝土國家標準要求的是實物計量精度，而一般計量儀器在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)標準中規(guī)定的20~100%的稱量段滿足水泥、水、外加劑±1%，砂、石料±2%的計量允許偏差更為實際一些。更為合理的精度標注方式是采用衡器行業(yè)的術語來表述，即作為累計料斗秤，應采用自動稱量準確度的等級標志1.0和2.0。這類秤的檢定項目與用途相適應，既包括物料試驗（確定累計誤差）也包括靜態(tài)檢定。
其自動稱量時的最大允許誤差見表一。
在用標準載荷進行靜態(tài)檢定和進行非自動稱量時，應滿足表二的規(guī)定。
通常將1.0級秤設計為1000分度，2.0級秤設計為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是提高了。在這種情況下需要確認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。稱重傳感器國家標準中準確度就是用分度數來表示的，但是由于多方面的原因，目前大多數生產廠仍用單項指標表示傳感器的精度。用戶再根據單項精度指標算出綜合誤差。選用起來麻煩一點。
國外發(fā)達國家的混凝土攪拌樓稱重系統(tǒng)精度一般用分度數來表示，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。
隨著經濟和技術的不斷發(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，混凝土技術也進入了高科技時代，高性能混凝土的應用比例不斷提升。生產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)的準確度是其中重要的一環(huán)。
3.3傳感器結構形式的選擇
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、同時可以帶過載保護、量程范圍寬等優(yōu)點用得最多。
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、價格等因素，絕大多數攪拌樓生產廠選擇了懸臂梁式。
3.4載荷類型的考慮
混凝土生產主要使用砂、石子、水泥以及水、外加劑、摻合料。幾種材料中數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對稱重系統(tǒng)的可靠運行還是有一定影響的。
傳感器的性能指標中有兩項與此有關，一是允許過負荷，一是極限過負荷。
允許過負荷是指卸去這一負荷后，傳感器的性能指標不變。極限過負荷是指在這一負荷下傳感器不會產生有害的永久性機械變形。
一般傳感器的允許過負荷為150%，極限過負荷在200%~300%之間。有些帶過載保護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計，允許過負荷高達500%。此類傳感器在頻繁過載的情況下也能可靠地工作。
3.5傳感器的防護等級
傳感器的防護等級通常用IP表示。一般傳感器廠家均稱自己的產品達到IP67水平，少數廠家的部分產品達到IP68水平。
我們知道，IP代碼所表示的是電壓不超過72.5kV電氣產品的外殼防護等級。國家標準《GB4208-93外殼防護等級》中規(guī)定，IP67是指產品能防塵、防短時間浸水影響；IP68是指產品能防塵、防持續(xù)潛水影響。需要指出的是，這樣的防護中未包括機械損壞、銹蝕、潮濕等外部影響或環(huán)境條件。涉及這類保護通常由有關產品標準規(guī)定。稱重傳感器與一般的電器產品和二次儀表產品不同的是，它同時還是一個受力構件，在運行中不斷地受到力的作用并產生變形。此外還有可能受到震動、沖擊或撞擊這樣的機械損傷，粉塵和水氣共同作用下的較為嚴重的腐蝕以及在非常潮濕的環(huán)境條件下運行。這與GB4208-93規(guī)定的試驗條件有很大的不同。
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，達到了IP68級。但是在現場實際使用壽命都很短。在不得已的情況下，試用了莆田傳感器廠的產品。結果出乎他們的意外，使用壽命都超過了進口傳感器。其中在某大型鋼廠鋼包秤上的傳感器已運行了7年，至今還在運行中。
在這兩個例子中，說穿了主要是防護上的區(qū)別。一是有外殼還是沒有外殼；二是焊縫設計。三是密封材料。
一般說來，有外殼的設計優(yōu)于無外殼的設計；在焊縫設計方面則要盡可能避免焊縫受力。在無法避免的情況下，則要校核焊縫強度，特別是疲勞強度。疲勞引起的細微裂紋是導致潮氣進入，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場使用壽命短的原因就是過分依賴焊接密封，內部應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半小時浸水試驗的傳感器未必能通得過傳感器標準中的12周期濕熱試驗。應該說傳感器標準中規(guī)定的濕熱試驗更符合傳感器的使用環(huán)境要求，其嚴酷程度并不低于IP67。
受價格競爭的影響，不少傳感器廠取消了保護外殼，拉式傳感器尤甚。目前國內生產的S型傳感器、板環(huán)式傳感器幾乎都取消了外殼。
確實，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計生產的CFCKN-1型外殼焊封傳感器使用壽命長達十年。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也是帶保護外殼的。他們認為傳感器應是半永久性器件，使用壽命應不低于10６次。
多年來的實踐證明，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：
①外殼厚，防機械損傷，特別是防以外撞擊能力強；
②焊縫深，耐蝕穿時間長；
③過載保護間隙也在外殼內，不會因粉塵積聚或雜物受堵；
稱重傳感器合理的外殼設計是稱重裝置“牢固可靠、性能穩(wěn)定”的重要保證，選型時不可不認真考慮。
3.6不同類型攪拌樓對稱重傳感器選型的細分
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、安裝地點的環(huán)境條件都有很大的不同，所生產的混凝土性能要求也有很大差別。因此，對傳感器的可靠性、防護等級等性能事實上也有不同的要求，應區(qū)別對待。對連續(xù)運行時間長、環(huán)境條件惡劣以及生產高性能混凝土的攪拌樓應選擇可靠性、防護等級高的傳感器。其余的則可適當降低要求。對于運行在海上的混凝土攪拌船，則還需要考慮防鹽霧的要求，這里就不再一一細說了。