带式动态输棉称重系统试验台与称重方法

本发明涉及一种动态称重设施，尤其是一种计量动态输送过程中棉花重量的带式动态称重系统，涉及动态计量称重。

背景技术：

1、随着我国棉花种植规模的增加，电子技术、计算机技术和传感器技术的不断发展，对棉花储存、运输、加工过程中的智能称重技术提出了更高的要求。在棉花计量过程中，棉花输送过程向机械化、自动化方向发展。尽管目前已经有多种形式的电子皮带秤装置，但是输送带对称重单元的影响、称重结构的复杂和称重单元无法调节等问题存在。

2、目前，散状物料的动态称重的主要秤架结构有单托辊秤架、双托辊秤架、多托辊秤架、悬浮式秤架、全悬浮式秤架。电子皮带秤的累积重量计算是通过带式输送机的皮带速度和承载器的称重托辊长度上所称量物料重量的乘积。通常带式输送机的皮带速度，可以准确地测量，也可以有效的控制。由于皮带和承载器作为传递物料重量的媒介，皮带刚性很差，物料在皮带的输送的过程中，皮带会不断的在各托辊之间反复产生弯曲变形。根据受力分析，电子皮带秤的上的压力传感器所接受的力，实际是称重单元的物料总重量与皮带张力在竖直方向上的分力差，一部分物料重力和皮带张力相抵消，一部分物料重力通过称重单元传递到称重传感器上。但输送机皮带刚性差，在受到物料后下沉是不可避免的，所以物料的重量无法真实的通过称重单元传递到称重传感器上，产生的误差值是一个稳定值，一般在校检时可以通过调整流量校准系数的方式来消除误差。

3、现有散状物料重量的皮带称重阵列系统和电子皮带秤，这两个的称重单元都无法调节，称重阵列系统能够把皮带的张力影响可以转化为了“内力”，但无法防止皮带的下垂。电子皮带秤缺少输送带张力的调节，托辊支架与称重传感器的连接为定式，安装时不便调节，称重托辊和过渡托辊结构简单，称重托辊的动态响应不足，不适用于多种物料特性的需求。这两种计量方式的累积器显示的称重信息较为单一、不利于实时观测数据的变化、缺乏动态数据显示和变化趋势分析，使得无法有效监控称重传感器的运行状态及无法进行硬件模块的初步故障诊断。

4、综上所述，如何使棉花重量能够完全、准确的通过称重单元传递到称重传感器上，要求带式动态输棉称重系统试验台的称重精度高、稳定性好，并且承载器的称重单元机构简单、能够灵活调节,有效监控到称重传感器响应和信号通道传输，这成为提高带式动态输棉称重系统试验台灵活性和精确度的关键。

技术实现思路

1、本发明目的是提供一种带式动态输棉称重系统试验台与称重方法；该试验台结构简单、称量准确、安装调试容易、经济实用。该方法简化了带式动态输棉称重系统的称重单元结构，可调节承载器高度，布置规律的托辊组，适应于棉花加工、运输时输棉过程；还能够为机采籽棉产量在线监测试验台提供籽棉输入量的实时监测，为测产试验相关试验台性能提供验证的基础。

2、为了实现上述目标，本发明提供如下技术方案：

3、本发明涉及一种带式动态输棉称重系统试验台与称重方法，所述的带式动态输棉称重系统试验台，包括：铝合金型材组装的输送台机架(1)；承载器(2)，称重托辊(21)嵌于所述托辊支架(22)；述托辊支架(22)固定在铝合金组装的h形状的称重单元支架(23)；述称重单元支架底部(23)两端通过连接件(24)与所述称重传感器(3)顶端相连；所述称重传感器(3)固定在所述的输送台的机架(1)上；所述测速传感器(4)固定在所述的输送台机架尾部(1)上；所述过渡托辊(5)嵌入所述输送台机架上的固定托辊支架；所述输送带(8)安装输送台机架(1)；所述计算机(6)置于所述输送台机架前；所述数据采集模块(7)输入端连接所述的称重传感器(3)和测速传感器(4)，输出端连接所述计算机(6)；所述数据采集模块(7)由硬件部分(71)和软件部分(72)组成；所述硬件部分(71)由稳压电源(711)、信号转换电路(712)、单片机(713)组成；所述信号转换电路(712)具有模拟信号转换数值信号和信号放大功能；所述单片机(713)采集、处理和计算数字信号。

4、基于带式动态输棉称重系统试验台的信号处理和计算方法，所述方法主要包括以下步骤：

5、s1、重量信号采集：所述称重传感器(3)受到输棉重力产生压力信号，压力信号通过所述信号转换带电路(712)转成数字信号，数字信号通过所述单片机(713)采集；

6、s2、重量信号处理：数字信号通过所述单片机(713)内部编写的卡尔曼滤波算法程序进行处理；

7、s3、重量信号计算：处理的数字信号将和所述测速传感器(4)产生信号通过所述单片机(713)内部编写积分算法的程序，得到所述输送带(8)的速度、所述称重传感器(3)的实时流量、输棉的瞬时流量和累积重量。

8、所述的重量信号处理和计累积重量算方法分别为卡尔曼滤波算法和积分法，具体算法为：

9、s21、带式动态输棉称重系统的状态方程和观测方程为：

10、xk＝akxk-1+bkuk+wk

11、zk＝hkxk+vk

12、式中xk-系统k时刻状态向量，

13、uk-系统控制输入量，

14、zk-系统k时刻观测向量，

15、wk-系统过程噪声，

16、vk-系统观测噪声，

17、ak,bk，hk-系统状态系数矩阵；

18、s22、状态向量最优预测值：

19、

20、s23、预测误差协方差阵方程：

21、

22、s24、与状态变量xk相类似，预测的观测值及误差协方差阵为：

23、

24、s25、结合现在状态观测值和预测值，得出目前状态的最优估计值：

25、

26、s26、其中，残差εk＝zk-hkxk/k-1，kg为卡尔曼增益矩阵，为：

27、

28、s27、卡尔曼滤波继续循环运行下去，更新k状态下估计误差协方差阵：

29、pk＝(i-kghk)pk/k-1

30、确定初始状态值x0和p0，根据k状态观测值可推出k时刻的状态估计值

31、s31、输棉重力连续不断的作用在称重托辊上，称重托辊测量时刻t瞬时输棉重量为q(t)，同一时刻测得瞬时带速为v(t)则他时刻的瞬时流量q(t)为：

32、q(t)＝q(t)v(t)

33、s32、一段时间t内，输棉的物料分布不均匀且输送带线速度随时间发生变化，将时间t分成无数个时刻t，k是流量校准系数，则时间t内输送机运输累积物料量w为：

34、

35、所述软件部分(72)由程序框图(721)和前面板(722)组成；所述程序框图包括数据采集程序和数据存储程序，数据采集程序(721)功能包括通道选择和采样频率设置，数据存储程序功能包括信号读取、显示与保存；所述前面板(722)功能包括：串口连接、采样时钟控制、重量数值的显示与保存。

36、基于带式动态输棉称重系统试验台的称重方法是通过以下技术方案实现的。带式动态输棉称重系统试验台，其承载器(2)包括称重传感器(3)通过连接件(24)固定h形状的称重单元支架(23)，称重托辊(21)嵌于称重单元上的托辊支架(23)，承载器(2)位于输送带(8)皮带下面，称重托辊(21)并与输送带皮带(8)相贴，承载器(2)整体通过称重传感(3)器底部固定在输送台机架，承载器(2)上的称重单元也可以放置两个或两个以上的称重托辊(21)，过渡托辊(5)组和称重托辊(21)组成有规律布置的托辊。通过调节承载器支架连接称重传感器的连接件(24)，承载器的支架(23)高度可以做出调整；图7所示，通过合理布置托辊，确保托辊间距适中，避免输送带过度松弛或紧绷，利用多个称重托辊同时承载，确保负载均匀分布，减少称重单元的局部张力；参考图6所示，fs为输送带(8)在称重单元的张力，fw为称重传感器(3)所受作用力为皮带、称重托辊、物料的重力，连接件(24)可以调整承载器支架(23)的高度，通过这种方式，可以改变托辊(21)与输送带(8)之间的接触角α，从而有效降低称重单元的张力，从也减少输送带(8)的总体张力，输送带(8)的张力的分力作用在力fw方向的上减少，称重传感器(3)受到的力将更加真实地反映输送带(8)上的物料的实际重量，从而实现更加精准称重。

37、与现有技术相比，本发明具有以下特点：

38、1.带式动态输棉称重系统试验台在物料输送过程中，承载器上设置称重托辊组，并可以灵活调整托辊的数量和间距，过渡托辊组的设置与称重托辊组形成有规律的托辊，可以有效支撑输送带，减少震动和皮带变形，提高物料重力通过称重托辊组传递到称重传感器过程的稳定性；同时多个托辊组的设计也提升了称重系统对不同大小、形状物料的适应性，有效抑制了皮带张力波动对测量的干扰，可以更均匀地分散物料重量，使得输送带与称重托辊充分接触，提高称重精度。

39、2.有效的改善带式动态输棉称重系统试验台的可靠性、稳定性。称重托辊组间距的均匀布置，物料在通过称重单元时时间边长，称重传感器感应物料重力的时间变长。物料相对运动所长产生的误差被均匀化，避免数据不稳定、突变对称重精度的影响，在称重托辊组托辊数量最大时，托辊与输送带接触最充分，能最大减少输送带运行时产生的托辊震动。承载器支架高度通过连接件可以微调，方便安装和维护过程中的调整，可以减少输送带的张力，适应不同厚度和弹性的输送带；还可以调整输送带局部的垂度，使得称重托辊充分受力。

40、3.带式动态输棉称重系统试验台硬件采用模块化设计，数据采集通过两路称重信号和速度信号获取，各硬件单元可以独立安装和维护，有效降低多通道称重信号的电磁干扰影响，有效监控到称重传感器响应和信号通道传输，使得整体系统结构紧凑，占用空间小，方便调试，整体提高带式动态输棉称重系统试验台灵活性。

41、4.上位机界面简洁直观、易于操作和维护人员上手，可以将称重传感器的数值、瞬时流量、累积流量和速度值直观地展现出来，可以储存历史数据，还可以提供数据分析功能，方便用户进行生产统计和质量追溯。两个传感器的数据同步显示在一个界面上，方便用户直接观察数据之间的差异、关联性和趋势，可以直观地比较两个称重传感器的读数差异，判断系统是否正常运行，还可以提高故障诊断效率。如果一个称重传感器的读数出现异常波动，波形会发生明显变化，与另一个称重传感器的波形、趋势和数值产生明显变化，可以初步判断是该传感器或是连接线路出现故障。总而言之，上位机面板能帮助用户更直观，高效地进行数据分析、故障诊断和系统监控。