臺秤式螺旋失重秤

### 臺秤式螺旋失重秤：精準連續給料的工業計量解決方案

臺秤式螺旋失重秤是一種結合靜態稱重平臺與動態螺旋輸送技術的連續計量設備，通過**失重法（Loss-in-Weight）**實現高精度物料輸送控制，廣泛應用于粉體、顆粒物料的連續配料、包裝和生產流程。其核心設計將傳統靜態臺秤的穩定性和螺旋輸送的動態連續性深度融合，在食品、制藥、化工等領域展現獨特優勢。

#### 一、系統架構與工作原理

1. **機械結構組成**  

  - **稱重平臺**：高剛度不銹鋼臺面（IP65防護），集成4點懸臂梁式稱重傳感器（精度0.02%FS）  

  - **螺旋輸送機**：雙頭變螺距設計（螺距誤差±0.1mm），可選304不銹鋼/聚氨酯涂層  

  - **驅動單元**：伺服電機+行星減速機（調速比1:100，啟停時間＜50ms）  

  - **料倉組件**：錐形料斗（傾角≥60°）+流化裝置（氣壓0.2-0.5MPa防架橋）  

2. **控制邏輯**  

  - **階段1（靜態標定）**：空載時自動歸零，加載標準砝碼校準（符合JJG 564-2019）  

  - **階段2（動態補料）**：  

    $$ \dot{m} = \frac{\Delta W}{\Delta t} + \rho \cdot Q_{\text{spiral}} $$  

    （\(\Delta W\)：單位時間重量變化，\(Q_{\text{spiral}}\)：螺旋理論輸送量）  

  - **階段3（PID調節）**：通過質量流量反饋實時調整螺旋轉速（調節周期≤100ms）  

3. **核心算法**  

  - **滑模變結構控制**：抑制物料流動性變化引起的超調（超調量＜1%）  

  - **卡爾曼濾波**：融合稱重信號與電機編碼器數據，提升動態精度（±0.5%）  

#### 二、關鍵技術參數對比

| 參數                  | 普通失重秤            | 臺秤式螺旋失重秤      |

|-----------------------|-----------------------|-----------------------|

| **稱量精度**          | 0.5%-1%               | 0.2%-0.5%             |

| **流量范圍**          | 10kg/h-2t/h           | 5kg/h-5t/h（擴展型）  |

| **適應物料**          | 流動性良好顆粒        | 粘性粉體/纖維物料     |

| **抗干擾能力**        | 振動敏感（誤差±2%）   | 主動振動補償（誤差±0.8%） |

| **清潔便捷性**        | 需拆卸清洗            | CIP在位清洗（符合GMP） |

#### 三、工程**設計

1. **防偏載螺旋結構**  

  - **雙螺旋交錯設計**：消除中心落料導致的偏載誤差（偏心距補償精度±1mm）  

  - **柔性聯軸器**：允許0.5°軸向偏差，降低安裝對精度影響  

2. **智能補償系統**  

  - **溫漂補償**：內置PT1000溫度傳感器，實時修正彈性體楊氏模量變化  

  - **氣壓平衡**：料倉頂部連通氣壓平衡閥（波動＜10Pa），避免負壓干擾  

3. **模塊化快拆結構**  

  - 螺旋軸-電機法蘭接口：ISO 5211標準，更換時間＜5分鐘  

  - 稱重平臺快裝卡扣：重復安裝定位精度±0.01mm  

#### 四、典型行業應用

1. **食品添加劑配料**  

  - 案例：維生素預混料生產線  

  - 配置：6臺并聯，流量20-200kg/h，配料誤差＜±3g/批次  

  - 特殊設計：氮氣保護（氧含量＜0.1%）  

2. **鋰電池材料生產**  

  - 應用：石墨烯漿料連續計量  

  - 參數：粘度5000cP，密度1.8g/cm3，流量穩定性±1%  

  - 防爆認證：ATEX Zone 21  

3. **制藥造粒工序**  

  - 需求：濕法制粒機連續供料  

  - 技術：衛生級拋光（Ra≤0.4μm），在線稱重精度0.1%  

  - 合規性：符合FDA 21 CFR Part 11數據追溯  

#### 五、選型決策矩陣

1. **物料特性維度**  

  | 屬性                | 選型建議                          |

  |---------------------|-----------------------------------|

  | 流動性差（安息角＞50°） | 選擇帶振動流化床+螺旋強制喂料    |

  | 易吸濕結塊          | 配置熱風干燥系統（露點＜-40℃）   |

  | 腐蝕性（pH 2-12）    | 哈氏合金螺旋+PTFE涂層稱重平臺    |

2. **精度需求匹配**  

  - **經濟型**：0.5%精度，變頻電機控制（成本降低30%）  

  - **精密型**：0.2%精度，伺服電機+稱重分辨率0.01g  

3. **產能適配**  

  - 小批量（＜100kg/h）：Φ80mm螺旋，功率0.75kW  

  - 中批量（100-1000kg/h）：Φ150mm螺旋，功率3kW  

  - 大批量（＞1t/h）：雙螺旋并聯，功率7.5kW  

#### 六、智能升級方案

1. **數字孿生系統**  

  - 建立螺旋-物料DEM仿真模型，預測堵料風險（準確率＞90%）  

  - 虛擬傳感器：通過電機電流反推物料密度（誤差＜2%）  

2. **AI優化控制**  

  - 深度學習預測物料流動性變化（訓練數據集＞10^6組）  

  - 動態調整PID參數，適應不同生產階段（換料適應時間縮短70%）  

3. **物聯網集成**  

  - 支持OPC UA/Modbus TCP協議，接入MES系統  

  - 邊緣計算節點：本地存儲30天生產數據，異常模式自動識別  

#### 七、維護與故障樹分析

1. **常見故障診斷**  

  - **流量波動大**：  

    - 檢查氣壓平衡閥（正常開度30%-50%）  

    - 校準螺旋間隙（標準0.3-0.5mm）  

  - **零點漂移**：  

    - 清潔傳感器安裝面（殘留物＜0.1g）  

    - 檢查電纜屏蔽層阻抗（應＜0.1Ω/m）  

2. **預防性維護**  

  - 每日：檢查螺旋葉片磨損（厚度減少＞0.2mm需更換）  

  - 每月：校準稱重傳感器（使用F2級標準砝碼）  

  - 每年：更換減速機潤滑油（ISO VG 320合成油）  

#### 八、技術演進方向

1. **超低流量控制**  

  - 微型螺旋（Φ20mm）+音圈電機驅動，*小流量0.1kg/h  

  - 納米級涂層：氮化鈦鍍層降低摩擦系數（μ＜0.05）  

2. **多物理場融合**  

  - 集成近紅外（NIR）傳感器，同步檢測物料水分含量（精度±0.3%）  

  - 微波密度計在線修正體積流量  

3. **綠色節能設計**  

  - 能量回收系統：制動能量回饋電網（效率＞85%）  

  - 輕量化碳纖維螺旋軸（減重60%，剛度提升25%）  

臺秤式螺旋失重秤通過機電一體化的**設計，在傳統失重法基礎上實現了**精度躍升**與**復雜物料適應性突破**。選型時需重點考量物料特性、工藝節拍與清潔需求，建議優先選擇支持**自適應控制算法**與**模塊化擴展**的型號。隨著數字孿生與AI技術的深度應用，未來將向**自主優化**與**預測性維護**的智能階段快速演進。