固體顆粒料質(zhì)量流量檢測方法的研究.pdf

1、流量的檢測和計(jì)量廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，是發(fā)展工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、節(jié)約能源、改善產(chǎn)品質(zhì)量、提高經(jīng)濟(jì)效益和管理水平的重要手段，與人民的日常生活息息相關(guān)，在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位。相對而言，關(guān)于流體的流量檢測技術(shù)發(fā)展較早，技術(shù)已相對完善，固體顆粒物料的質(zhì)量流量檢測方法的研究起步晚，技術(shù)相對落后，一些典型檢測方法的廣泛研究和應(yīng)用主要開始于20世紀(jì)90年代后期，目前尚存在諸如應(yīng)用條件相對苛刻、制作成本高、實(shí)時(shí)測量精度難以評價(jià)等方面的問題。隨著工

2、農(nóng)業(yè)的發(fā)展，對固體顆粒物料流量檢測技術(shù)的需求越來越多也越來越高，尤其是近些年來，精確農(nóng)業(yè)在農(nóng)作物測產(chǎn)傳感器需求方面的迅速增加對顆粒物料質(zhì)量流量檢測技術(shù)提出了新的要求和挑戰(zhàn)，開展該領(lǐng)域的相關(guān)研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和戰(zhàn)略意義。
　　 本文首先對當(dāng)前普遍應(yīng)用的失重式、皮帶秤式、科里奧利式和沖量式等四種主要固體顆粒物料質(zhì)量流量檢測技術(shù)的研究發(fā)展現(xiàn)狀作出了綜述和分析，在此基礎(chǔ)上對皮帶秤式、科里奧利式和沖量式等三種測量方法的測量特點(diǎn)和存在的

3、問題進(jìn)行了理論分析，從理論分析可以獲知：沖量式從測量原理上講要求物料打擊測量板時(shí)具有一致的運(yùn)動(dòng)速度，同時(shí)測量精度受到物料打擊速度大小和方向的影響，實(shí)際測量過程中需要物料能保持恒定的運(yùn)動(dòng)速度（包括大小和方向）以保證測量精度，對于不同的被測對象和不同的流量范圍，沖量式質(zhì)量流量傳感器的輸出信號和輸入信號之間的比列關(guān)系是不同的，對于特定的被測對象需要經(jīng)過多次標(biāo)定才能確定出輸入輸出之間合適的比例關(guān)系；皮帶秤質(zhì)量流量測量值實(shí)際上是有效測量長度范圍內(nèi)

4、的平均值，其與物料輸出口質(zhì)量流量之間的差異與物料在皮帶上方分布的均勻程度有關(guān)；科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的測量精度與物料流經(jīng)測量裝置的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無關(guān)，具有很高的理論測量精度，但一般需要在高速狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)，設(shè)備運(yùn)行要求較高.同時(shí)根據(jù)理論分析的結(jié)果，對皮帶秤和科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的實(shí)時(shí)質(zhì)量流量計(jì)算公式作出了修正，使之具有更高的測量精度?？傮w上講，該三種方法存在一個(gè)共同的特點(diǎn)：測量過程都需要維持恒定的物料運(yùn)動(dòng)速度或轉(zhuǎn)速，這就需要對測量裝置增加額外的控制設(shè)備

5、，增加了裝置的復(fù)雜程度。
　　 本文針對目前測量方法存在的一些問題，提出兩種新的間接式測量方法：基于速度檢測的沖量法和基于總質(zhì)量檢測的標(biāo)記法。該兩種測量方法均不需要被測物料具有恒定的運(yùn)動(dòng)速度，依據(jù)稱重傳感器的實(shí)時(shí)測量數(shù)據(jù)，可以同時(shí)計(jì)算出物料運(yùn)動(dòng)速度、物料質(zhì)量流量和物料總質(zhì)量等待測物理量；同時(shí)針對當(dāng)前流量測量方法普遍缺乏實(shí)時(shí)測量精度評價(jià)辦法的現(xiàn)狀，對沖量法給出了一種誤差估算方法評價(jià)其實(shí)時(shí)測量精度，該方法能用來估算實(shí)時(shí)測量值的誤差范

6、圍。為了提高實(shí)驗(yàn)效率，所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置在單次實(shí)驗(yàn)中可以同時(shí)完成兩種測量方法的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。文中對每種測量方法在理論推導(dǎo)和分析的基礎(chǔ)上，從仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)際實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證兩個(gè)方面對測量精度和影響測量精度的因素給出了詳細(xì)的分析。
　　 沖量法的理論分析表明影響沖量法測量精度的主要因素是測量板的寬度，測量板寬度越窄測量精度越高，而質(zhì)量流量的測量精度要高于速度的測量精度。
　　 沖量法的仿真針對1.5cm、3cm和6cm三種測量板寬度進(jìn)行了仿

7、真實(shí)驗(yàn)，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：影響測量精度的主要因素是測量板的寬度，隨著測量板寬度的增加，平均速度偏差、速度標(biāo)準(zhǔn)差和速度偏差的最大值均在增大，測量板越寬速度偏差越大，偏差的波動(dòng)幅度也越大，質(zhì)量流量的相關(guān)指標(biāo)也表現(xiàn)出同樣的趨勢，說明測量板寬度越窄，速度和質(zhì)量流量的測量精度越高；當(dāng)測量板寬度相同時(shí)，速度相對誤差的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和最大值均大于質(zhì)量流量相對誤差的各項(xiàng)指標(biāo)值，這表明在相同測量條件下，質(zhì)量流量的測量精度要高于速度的測量精度，和理論分析的

8、結(jié)果一致；三種不同寬度測量板仿真測量所得的總質(zhì)量測量精度差異不明顯，總質(zhì)量的測量精度對測量板寬度和測量的持續(xù)時(shí)間長度不敏感，總體上來講沖量法具有較高的總質(zhì)量計(jì)量精度。
　　 沖量法的實(shí)際驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)采用40kg大豆作為實(shí)驗(yàn)材料，針對3cm和6cm兩種不同寬度的測量板進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，由于實(shí)驗(yàn)裝置中沒有設(shè)計(jì)物料在滑道中的助流裝置，實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)下料口開度為1/3ˉ2/3時(shí)能形成比較穩(wěn)定物料流，下料口開度大于2/3時(shí)容易造成物料堵塞，而開度小于1

9、/3時(shí)物料反彈碰撞和飛濺現(xiàn)象比較嚴(yán)重，明顯影響測量精度。形成穩(wěn)定物料流的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：3.0cm和6.0cm的測量板測得的總質(zhì)量平均相對測量誤差分別為3.18％和6.19％，這與仿真實(shí)驗(yàn)得出的關(guān)于總質(zhì)量測量精度對測量板寬度不敏感的結(jié)論有差異，其原因是實(shí)際過程中物料反彈碰撞和飛濺、物料不是完全作整體運(yùn)動(dòng)等因素所造成。在各次實(shí)驗(yàn)中，6.0cm寬度測量板測得的總質(zhì)量值波動(dòng)較3cm測量板大，而3.0cm和6.0cm寬度測量板測得的平均總質(zhì)量分別

10、為39.79kg和39.87kg，兩數(shù)值是比較接近的，沒有顯著差異。這說明在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，測量板越寬受到的隨機(jī)干擾可能性越大。因此，就總質(zhì)量測的測量精度而言，實(shí)際實(shí)驗(yàn)和仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是一致的，即總質(zhì)量的測量精度對測量板的寬度不敏感.在置信度為95％的誤差估算中，3cm測量板估算的質(zhì)量流量相對誤差最大值為4.00％，平均相對誤差為1.44％；估算的速度相對誤差最大值為9.69％，平均相對誤差為5.03％.估算的質(zhì)量流量相對誤差較估算的速度相

11、對誤差小，說明質(zhì)量流量具有更高的測量精度，這與理論分析和仿真分析的結(jié)果是一致的.通過對3cm測量板測得的速度和質(zhì)量流量進(jìn)行誤差估算的結(jié)果表明：總質(zhì)量測量精度與速度和質(zhì)量流量測量精度之間存在因果關(guān)系，速度和質(zhì)量流量的相對測量誤差越小，總質(zhì)量的測量精度就越高，而根據(jù)實(shí)際測量結(jié)果表明，3cm測量板的總質(zhì)量測量精度較6cm測量板高，由此可以推斷3cm測量板速度和質(zhì)量流量的測量精度也較6cm測量板高。結(jié)合理論分析的結(jié)果可以獲知：測量板寬度越窄，速

12、度、質(zhì)量流量和總質(zhì)量的測量精度越高。實(shí)際實(shí)驗(yàn)中雖然無法獲知速度和質(zhì)量流量的真值，但根據(jù)理論分析、仿真實(shí)驗(yàn)和誤差估算結(jié)果，測量板越窄時(shí)測量所得的實(shí)時(shí)速度和實(shí)時(shí)質(zhì)量流量具有更高的測量精度。另外，通過對實(shí)際測量信號的頻譜分析表明，稱重傳感器測得的信號是緩變信號，其有用信息可以通過低通濾波后有效提取。
　　 和沖量法仿真實(shí)驗(yàn)相類似，標(biāo)記法仿真也針對1.5cm、3cm和6cm三種不同寬度的測量板進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：直接應(yīng)用標(biāo)

13、記法獲得的速度曲線和質(zhì)量流量曲線相對真值而言體現(xiàn)出一致的趨勢，但在真值上下有較大的波動(dòng)，通過加權(quán)處理可以獲得與真值吻合較好的速度曲線和質(zhì)量流量曲線。加權(quán)處理與否對物料總質(zhì)量的測量值沒有影響。1.5cm、3.0cm和6.0cm測量板測量時(shí)所對應(yīng)的總質(zhì)量相對測量誤差分別為：0.19％，2.35％和2.48％。速度和質(zhì)量流量與各自相應(yīng)真值之間的擬合程度與參與加權(quán)組合點(diǎn)個(gè)數(shù)有關(guān)，組合點(diǎn)個(gè)數(shù)越多，所得的結(jié)果平滑性越好，但實(shí)時(shí)性差；組合點(diǎn)個(gè)數(shù)越少，

14、實(shí)時(shí)性越好，但測量值波動(dòng)幅度偏大，瞬時(shí)誤差增加。在文中所進(jìn)行的仿真實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)加權(quán)組合個(gè)數(shù)取為20時(shí)，1.5cm、3.0cm和6.0cm測量板測量時(shí)所對應(yīng)的速度擬合度分別為：97.2％，96.67％和93.85％;質(zhì)量流量擬合度分別為：96.09％,95.49％和91.24％。加權(quán)組合個(gè)數(shù)變化時(shí)，加權(quán)速度和加權(quán)質(zhì)量流量的擬合度有變化，但相應(yīng)測量結(jié)果趨勢相同，即測量板越窄，加權(quán)速度和質(zhì)量流量的測量精度越高。
　　 采用3cm測量

15、板進(jìn)行了標(biāo)記法的實(shí)際實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：總質(zhì)量的平均相對測量誤差為4.83％，最大相對測量誤差為7.97％，總質(zhì)量具有較高的測量精度；將測得的加權(quán)速度和沖量法測得的加權(quán)速度相比較，發(fā)現(xiàn)有大概相似的走勢，但相對沖量法測得的數(shù)據(jù)有較大的波動(dòng)；總體上講，標(biāo)記法測量物料累積總質(zhì)量是可行的，具有較高測量精度。但速度和質(zhì)量流量的實(shí)時(shí)測量精度容易受到測量過程中物料飛濺碰撞、物料間的相對運(yùn)動(dòng)、傳感器的靜、動(dòng)態(tài)特性差異等因素的影響，導(dǎo)致速度和質(zhì)量流量