固体颗粒料质量流量检测方法的研究

摘要

流量的检测和计量广泛应用于国民经济的各个领域，是发展工农业生产、节约能源、改善产品质量、提高经济效益和管理水平的重要手段，与人民的日常生活息息相关，在国民经济中占有重要的地位。相对而言，关于流体的流量检测技术发展较早，技术已相对完善，固体颗粒物料的质量流量检测方法的研究起步晚，技术相对落后，一些典型检测方法的广泛研究和应用主要开始于20世纪90年代后期，目前尚存在诸如应用条件相对苛刻、制作成本高、实时测量精度难以评价等方面的问题。随着工农业的发展，对固体颗粒物料流量检测技术的需求越来越多也越来越高，尤其是近些年来，精确农业在农作物测产传感器需求方面的迅速增加对颗粒物料质量流量检测技术提出了新的要求和挑战，开展该领域的相关研究具有重要的现实意义和战略意义。
　　 本文首先对当前普遍应用的失重式、皮带秤式、科里奥利式和冲量式等四种主要固体颗粒物料质量流量检测技术的研究发展现状作出了综述和分析，在此基础上对皮带秤式、科里奥利式和冲量式等三种测量方法的测量特点和存在的问题进行了理论分析，从理论分析可以获知：冲量式从测量原理上讲要求物料打击测量板时具有一致的运动速度，同时测量精度受到物料打击速度大小和方向的影响，实际测量过程中需要物料能保持恒定的运动速度（包括大小和方向）以保证测量精度，对于不同的被测对象和不同的流量范围，冲量式质量流量传感器的输出信号和输入信号之间的比列关系是不同的，对于特定的被测对象需要经过多次标定才能确定出输入输出之间合适的比例关系；皮带秤质量流量测量值实际上是有效测量长度范围内的平均值，其与物料输出口质量流量之间的差异与物料在皮带上方分布的均匀程度有关；科里奥利质量流量计的测量精度与物料流经测量装置的运动状态无关，具有很高的理论测量精度，但一般需要在高速状态下运转，设备运行要求较高.同时根据理论分析的结果，对皮带秤和科里奥利质量流量计的实时质量流量计算公式作出了修正，使之具有更高的测量精度。总体上讲，该三种方法存在一个共同的特点：测量过程都需要维持恒定的物料运动速度或转速，这就需要对测量装置增加额外的控制设备，增加了装置的复杂程度。
　　 本文针对目前测量方法存在的一些问题，提出两种新的间接式测量方法：基于速度检测的冲量法和基于总质量检测的标记法。该两种测量方法均不需要被测物料具有恒定的运动速度，依据称重传感器的实时测量数据，可以同时计算出物料运动速度、物料质量流量和物料总质量等待测物理量；同时针对当前流量测量方法普遍缺乏实时测量精度评价办法的现状，对冲量法给出了一种误差估算方法评价其实时测量精度，该方法能用来估算实时测量值的误差范围。为了提高实验效率，所设计的实验装置在单次实验中可以同时完成两种测量方法的验证实验。文中对每种测量方法在理论推导和分析的基础上，从仿真实验和实际实验验证两个方面对测量精度和影响测量精度的因素给出了详细的分析。
　　 冲量法的理论分析表明影响冲量法测量精度的主要因素是测量板的宽度，测量板宽度越窄测量精度越高，而质量流量的测量精度要高于速度的测量精度。
　　 冲量法的仿真针对1.5cm、3cm和6cm三种测量板宽度进行了仿真实验，仿真实验结果表明：影响测量精度的主要因素是测量板的宽度，随着测量板宽度的增加，平均速度偏差、速度标准差和速度偏差的最大值均在增大，测量板越宽速度偏差越大，偏差的波动幅度也越大，质量流量的相关指标也表现出同样的趋势，说明测量板宽度越窄，速度和质量流量的测量精度越高；当测量板宽度相同时，速度相对误差的平均值、标准差和最大值均大于质量流量相对误差的各项指标值，这表明在相同测量条件下，质量流量的测量精度要高于速度的测量精度，和理论分析的结果一致；三种不同宽度测量板仿真测量所得的总质量测量精度差异不明显，总质量的测量精度对测量板宽度和测量的持续时间长度不敏感，总体上来讲冲量法具有较高的总质量计量精度。
　　 冲量法的实际验证实验采用40kg大豆作为实验材料，针对3cm和6cm两种不同宽度的测量板进行了实验，由于实验装置中没有设计物料在滑道中的助流装置，实际实验时下料口开度为1/3ˉ2/3时能形成比较稳定物料流，下料口开度大于2/3时容易造成物料堵塞，而开度小于1/3时物料反弹碰撞和飞溅现象比较严重，明显影响测量精度。形成稳定物料流的实验结果表明：3.0cm和6.0cm的测量板测得的总质量平均相对测量误差分别为3.18％和6.19％，这与仿真实验得出的关于总质量测量精度对测量板宽度不敏感的结论有差异，其原因是实际过程中物料反弹碰撞和飞溅、物料不是完全作整体运动等因素所造成。在各次实验中，6.0cm宽度测量板测得的总质量值波动较3cm测量板大，而3.0cm和6.0cm宽度测量板测得的平均总质量分别为39.79kg和39.87kg，两数值是比较接近的，没有显著差异。这说明在实际实验中，测量板越宽受到的随机干扰可能性越大。因此，就总质量测的测量精度而言，实际实验和仿真实验的结果是一致的，即总质量的测量精度对测量板的宽度不敏感.在置信度为95％的误差估算中，3cm测量板估算的质量流量相对误差最大值为4.00％，平均相对误差为1.44％；估算的速度相对误差最大值为9.69％，平均相对误差为5.03％.估算的质量流量相对误差较估算的速度相对误差小，说明质量流量具有更高的测量精度，这与理论分析和仿真分析的结果是一致的.通过对3cm测量板测得的速度和质量流量进行误差估算的结果表明：总质量测量精度与速度和质量流量测量精度之间存在因果关系，速度和质量流量的相对测量误差越小，总质量的测量精度就越高，而根据实际测量结果表明，3cm测量板的总质量测量精度较6cm测量板高，由此可以推断3cm测量板速度和质量流量的测量精度也较6cm测量板高。结合理论分析的结果可以获知：测量板宽度越窄，速度、质量流量和总质量的测量精度越高。实际实验中虽然无法获知速度和质量流量的真值，但根据理论分析、仿真实验和误差估算结果，测量板越窄时测量所得的实时速度和实时质量流量具有更高的测量精度。另外，通过对实际测量信号的频谱分析表明，称重传感器测得的信号是缓变信号，其有用信息可以通过低通滤波后有效提取。
　　 和冲量法仿真实验相类似，标记法仿真也针对1.5cm、3cm和6cm三种不同宽度的测量板进行了仿真实验，仿真实验结果表明：直接应用标记法获得的速度曲线和质量流量曲线相对真值而言体现出一致的趋势，但在真值上下有较大的波动，通过加权处理可以获得与真值吻合较好的速度曲线和质量流量曲线。加权处理与否对物料总质量的测量值没有影响。1.5cm、3.0cm和6.0cm测量板测量时所对应的总质量相对测量误差分别为：0.19％，2.35％和2.48％。速度和质量流量与各自相应真值之间的拟合程度与参与加权组合点个数有关，组合点个数越多，所得的结果平滑性越好，但实时性差；组合点个数越少，实时性越好，但测量值波动幅度偏大，瞬时误差增加。在文中所进行的仿真实验条件下，当加权组合个数取为20时，1.5cm、3.0cm和6.0cm测量板测量时所对应的速度拟合度分别为：97.2％，96.67％和93.85％;质量流量拟合度分别为：96.09％,95.49％和91.24％。加权组合个数变化时，加权速度和加权质量流量的拟合度有变化，但相应测量结果趋势相同，即测量板越窄，加权速度和质量流量的测量精度越高。
　　 采用3cm测量板进行了标记法的实际实验验证，实验结果表明：总质量的平均相对测量误差为4.83％，最大相对测量误差为7.97％，总质量具有较高的测量精度；将测得的加权速度和冲量法测得的加权速度相比较，发现有大概相似的走势，但相对冲量法测得的数据有较大的波动；总体上讲，标记法测量物料累积总质量是可行的，具有较高测量精度。但速度和质量流量的实时测量精度容易受到测量过程中物料飞溅碰撞、物料间的相对运动、传感器的静、动态特性差异等因素的影响，导致速度和质量流量等瞬时测量值存在较大的测量误差。
　　 通过理论分析和实验验证，冲量法在仿真实验和实际实验中均达到了较好的测量效果，具有实际应用价值；标记法仿真的仿真结果比较理想，实际实验结果中总质量具有较高测量精度，但速度和质量流量等实时值有较大误差，实际应用尚需进一步研究改进.本文最后指出了论文的不足之处和今后的改进方向.

目录

文摘

英文文摘

图表目录

1 绪论

1.1 流量测量的对象和表征

1.2 课题的研究背景和意义

1.3 国内外研究现状

1.3.1 失重式质量流量检测技术

1.3.2 皮带秤质量流量检测技术

1.3.3 科里奥利质量流量检测技术

1.3.4 冲量式质量流量检测技术

1.3.5 其它固体颗粒物料质量流量检测方法

1.3.6 实时质量流量测量精度评价方法

1.4 本文的研究目标和内容

1.4.1 本文研究目标

1.4.2 本文的研究内容

2 常用固体颗粒物料质量流量检测方法的理论分析

2.1 研究内容和意义

2.2 冲量式质量流量检测方法性能分析

2.2.1 冲量式测量方法的测量原理

2.2.2 冲量式测量方法的性能分析

2.3 科里奥利质量流量检测方法性能分析

2.3.1 科里奥利质量流量计的结构

2.3.2 科里奥利质量流量测量方法理论推导

2.3.3 科里奥利质量流量计算公式的修正

2.3.4 科里奥利质量流量测量方法性能总结

2.4 皮带秤法的性能分析

2.4.1 皮带秤测量原理

2.4.2 皮带秤质量流量计算公式的误差分析

2.4.3 皮带秤测量方法的性能总结

2.4.4 应用皮带秤测量原理引申的一种理论设想

2.5 总结

3 基于速度检测的冲量式质量流量检测方法的理论及仿真

3.1 研究的目的和意义

3.2 检测方法的理论分析

3.2.1 测量结构和测量原理

3.2.2 理论推导

3.2.3 测量精度的定性分析

3.3 检测方法的仿真实验

3.3.1 仿真实验内容及仿真条件

3.3.2 仿真实验结果

3.4 仿真实验结果分析

3.4.1 速度和质量流量精度分析

3.4.2 速度和质量流量拟合度分析

3.4.3 物料总质量测量精度分析

3.5 仿真实验结论

4 实验装置的设计

4.1 研究内容和意义

4.2 实验装置

4.2.1 实验装置的整体结构

4.2.2 放料装置

4.2.3 滑道

4.2.4 测量装置

4.3 测量装置的制造与安装要求

4.4 测量装置的静态标定和动态性能测定

4.4.1 静态标定

4.4.2 动态性能测定

4.5 测量装置动态测量数据的改善措施

4.5.1 引入速度负反馈改善系统的响应性能

4.5.2 测试装置滤波器设计

5 基于速度检测的冲量式质量流量检测方法的实验

5.1 研究内容和意义

5.2 实验条件

5.2.1 硬件条件

5.2.2 软件条件

5.3 预备实验

5.3.1 预备实验Simulink实时模型

5.3.2 传感器空载输出响应分析

5.3.3 传感器实际测量条件下的输出响应分析

5.3.4 实际测量条件下的振动分析

5.4 Butterworth低通数字滤波器的设计

5.5 实验系统组成

5.5.1 系统硬件结构

5.5.2 测试系统Simulink模型

5.6 实验结果

5.6.1 实验基本情况

5.6.2 下料口开度对实验结果的影响

5.6.3 6cm测量板实验结果

5.6.4 3cm测量板实验结果

5.6.5 总质量实验结果统计分析

5.7 速度和质量流量测量误差估计

5.7.1 估算思路

5.7.2 误差估算方法

5.7.3 估算结果

5.8 总结

6 基于总质量检测的速度和质量流量检测方法的理论与实验

6.1 研究内容和意义

6.2 测量方法理论分析

6.2.1 测量系统结构

6.2.2 测量方法思路描述

6.2.3 测量方法理论推导

6.3 仿真实验及结果

6.3.1 仿真实验条件

6.3.2 仿真实验结果

6.3.3 仿真结果加权处理

6.4 仿真实验结果分析

6.4.1 仿真结果统计

6.4.2 仿真结论

6.5 实验验证

6.5.1 实验基本情况

6.5.2 两传感器输出数据的关系

6.5.3 实验结果

6.5.4 实验结果分析

6.6 标记法的相关结论

6.7 标记法和冲量法之间的差异分析

6.7.1 理论基础的差异

6.7.2 适用范围的差异

7 结论与建议

7.1 相关结论

7.1.1 常用测量方法的理论修正

7.1.2 基于速度测量的冲量法

7.1.3 基于总质量测量的标记法

7.2 主要创新点

7.3 存在的问题

7.4 对进一步研究的建议

参考文献

致谢

博士研究生期间发表的相关论文