固體顆粒料質(zhì)量流量檢測(cè)方法的研究.pdf

1、流量的檢測(cè)和計(jì)量廣泛應(yīng)用于國(guó)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(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位。相對(duì)而言，關(guān)于流體的流量檢測(cè)技術(shù)發(fā)展較早，技術(shù)已相對(duì)完善，固體顆粒物料的質(zhì)量流量檢測(cè)方法的研究起步晚，技術(shù)相對(duì)落后，一些典型檢測(cè)方法的廣泛研究和應(yīng)用主要開(kāi)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(duì)苛刻、制作成本高、實(shí)時(shí)測(cè)量精度難以評(píng)價(jià)等方面的問(wèn)題。隨著工

2、農(nóng)業(yè)的發(fā)展，對(duì)固體顆粒物料流量檢測(cè)技術(shù)的需求越來(lái)越多也越來(lái)越高，尤其是近些年來(lái)，精確農(nóng)業(yè)在農(nóng)作物測(cè)產(chǎn)傳感器需求方面的迅速增加對(duì)顆粒物料質(zhì)量流量檢測(cè)技術(shù)提出了新的要求和挑戰(zhàn)，開(kāi)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(duì)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(cè)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(duì)皮帶秤式、科里奧利式和沖量式等三種測(cè)量方法的測(cè)量特點(diǎn)和存在的

3、問(wèn)題進(jìn)行了理論分析，從理論分析可以獲知：沖量式從測(cè)量原理上講要求物料打擊測(cè)量板時(shí)具有一致的運(yùn)動(dòng)速度，同時(shí)測(cè)量精度受到物料打擊速度大小和方向的影響，實(shí)際測(cè)量過(guò)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(cè)量精度，對(duì)于不同的被測(cè)對(duì)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(hào)和輸入信號(hào)之間的比列關(guān)系是不同的，對(duì)于特定的被測(cè)對(duì)象需要經(jīng)過(guò)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(cè)量值實(shí)際上是有效測(cè)量長(zhǎng)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(cè)量精度與物料流經(jīng)測(cè)量裝置的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)，具有很高的理論測(cè)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(duì)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(cè)量精度?？傮w上講，該三種方法存在一個(gè)共同的特點(diǎn)：測(cè)量過(guò)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(duì)測(cè)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(duì)目前測(cè)量方法存在的一些問(wèn)題，提出兩種新的間接式測(cè)量方法：基于速度檢測(cè)的沖量法和基于總質(zhì)量檢測(cè)的標(biāo)記法。該兩種測(cè)量方法均不需要被測(cè)物料具有恒定的運(yùn)動(dòng)速度，依據(jù)稱(chēng)重傳感器的實(shí)時(shí)測(cè)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(cè)物理量；同時(shí)針對(duì)當(dāng)前流量測(cè)量方法普遍缺乏實(shí)時(shí)測(cè)量精度評(píng)價(jià)辦法的現(xiàn)狀，對(duì)沖量法給出了一種誤差估算方法評(píng)價(jià)其實(shí)時(shí)測(cè)量精度，該方法能用來(lái)估算實(shí)時(shí)測(cè)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(cè)量方法的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。文中對(duì)每種測(cè)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(duì)測(cè)量精度和影響測(cè)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(cè)量精度的主要因素是測(cè)量板的寬度，測(cè)量板寬度越窄測(cè)量精度越高，而質(zhì)量流量的測(cè)量精度要高于速度的測(cè)量精度。
　　 沖量法的仿真針對(duì)1.5cm、3cm和6cm三種測(cè)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(cè)量精度的主要因素是測(cè)量板的寬度，隨著測(cè)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(cè)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(shì)，說(shuō)明測(cè)量板寬度越窄，速度和質(zhì)量流量的測(cè)量精度越高；當(dāng)測(cè)量板寬度相同時(shí)，速度相對(duì)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(duì)誤差的各項(xiàng)指標(biāo)值，這表明在相同測(cè)量條件下，質(zhì)量流量的測(cè)量精度要高于速度的測(cè)量精度，和理論分析的

8、結(jié)果一致；三種不同寬度測(cè)量板仿真測(cè)量所得的總質(zhì)量測(cè)量精度差異不明顯，總質(zhì)量的測(cè)量精度對(duì)測(cè)量板寬度和測(cè)量的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)度不敏感，總體上來(lái)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(duì)3cm和6cm兩種不同寬度的測(cè)量板進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，由于實(shí)驗(yàn)裝置中沒(méi)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(kāi)度為1/3ˉ2/3時(shí)能形成比較穩(wěn)定物料流，下料口開(kāi)度大于2/3時(shí)容易造成物料堵塞，而開(kāi)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(cè)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(cè)量板測(cè)得的總質(zhì)量平均相對(duì)測(cè)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(cè)量精度對(duì)測(cè)量板寬度不敏感的結(jié)論有差異，其原因是實(shí)際過(guò)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(cè)量板測(cè)得的總質(zhì)量值波動(dòng)較3cm測(cè)量板大，而3.0cm和6.0cm寬度測(cè)量板測(cè)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(méi)有顯著差異。這說(shuō)明在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，測(cè)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(cè)的測(cè)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(cè)量精度對(duì)測(cè)量板的寬度不敏感.在置信度為95％的誤差估算中，3cm測(cè)量板估算的質(zhì)量流量相對(duì)誤差最大值為4.00％，平均相對(duì)誤差為1.44％；估算的速度相對(duì)誤差最大值為9.69％，平均相對(duì)誤差為5.03％.估算的質(zhì)量流量相對(duì)誤差較估算的速度相

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

12、度、質(zhì)量流量和總質(zhì)量的測(cè)量精度越高。實(shí)際實(shí)驗(yàn)中雖然無(wú)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(cè)量板越窄時(shí)測(cè)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(cè)量精度。另外，通過(guò)對(duì)實(shí)際測(cè)量信號(hào)的頻譜分析表明，稱(chēng)重傳感器測(cè)得的信號(hào)是緩變信號(hào)，其有用信息可以通過(guò)低通濾波后有效提取。
　　 和沖量法仿真實(shí)驗(yàn)相類(lèi)似，標(biāo)記法仿真也針對(duì)1.5cm、3cm和6cm三種不同寬度的測(cè)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(duì)真值而言體現(xiàn)出一致的趨勢(shì)，但在真值上下有較大的波動(dòng)，通過(guò)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(duì)物料總質(zhì)量的測(cè)量值沒(méi)有影響。1.5cm、3.0cm和6.0cm測(cè)量板測(cè)量時(shí)所對(duì)應(yīng)的總質(zhì)量相對(duì)測(cè)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(cè)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(cè)量板測(cè)量時(shí)所對(duì)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(cè)量結(jié)果趨勢(shì)相同，即測(cè)量板越窄，加權(quán)速度和質(zhì)量流量的測(cè)量精度越高。
　　 采用3cm測(cè)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(duì)測(cè)量誤差為4.83％，最大相對(duì)測(cè)量誤差為7.97％，總質(zhì)量具有較高的測(cè)量精度；將測(cè)得的加權(quán)速度和沖量法測(cè)得的加權(quán)速度相比較，發(fā)現(xiàn)有大概相似的走勢(shì)，但相對(duì)沖量法測(cè)得的數(shù)據(jù)有較大的波動(dòng)；總體上講，標(biāo)記法測(cè)量物料累積總質(zhì)量是可行的，具有較高測(cè)量精度。但速度和質(zhì)量流量的實(shí)時(shí)測(cè)量精度容易受到測(cè)量過(guò)程中物料飛濺碰撞、物料間的相對(duì)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