淺析快速定量裝車系統數字稱重技術的應用

李東

【摘要】為了使快速定量裝車系統實現高效、精準的裝載，本文淺略的探討了數字式稱重傳感器在快速定量裝車系統中應用的可行性和高效性，并以此為基礎分析了適合裝車系統的數字采集技術。

【關鍵詞】快速定量裝車系統;數字稱重;數字式;數字化

一、引言

隨著國內現代化生產水平的不斷提高，快速定量裝車站作為一種對大宗散裝物料進行高精度自動計量的設備，越來越受到煤礦、港口等企業的青睞。裝車系統屬于非連續累計衡器（又稱累計料斗秤），計量準確度高、性能穩定、工作可靠，是一種對散裝物料進行自動稱量的衡器。它將待稱量的一批散料自動分成若干份分立的被稱載荷，按預定程序依次稱量每份載荷的重量，累加所有稱量結果，并將被稱量的載荷卸入火車（或汽車）車廂中，稱量與裝車同步進行，達到快速定量裝車的目的。在裝車過程中，所裝物料的稱量精準性是依靠稱重傳感器實現。目前應用的模擬式稱重傳感器，是采用電阻應變轉換原理，普遍存在著輸出的模擬信號小（一般為20～40mV），傳輸距離短抗干擾能力差，稱重顯示控制儀表復雜，安裝、調試不方便等先天缺陷。開發新型的數字稱重傳感器，實現數字式稱重技術，是快速定量裝車系統的發展需要。

二、數字稱重技術簡介

1.數字稱重系統的主要特點

第一，每只傳感器具有各自的地址，可通過RS485等通信接口查詢單個傳感器的工作狀態。

第二，可以直接獲得每只傳感器的原始輸出信號，而不是得到一個由多只傳感器并聯組合在一起的無物理量相對應的未知模擬信號。正是有了這兩大特點，才使數字系統真正實現了探測、辨認、診斷等“智能化”功能。

第三，能對傳感器實現數字化的軟件補償（如溫度、線性、蠕變等）。從原理上講，只要傳感器的穩定性好，就可以經過軟件實現理想的補償。這種方法在對傳感器的補償方面早已得到證明，因此可將傳感器的制造精力主要放在穩定性上。

2.數字稱重傳感器分類

（1）數字化稱重傳感器：一種是將模擬式稱重傳感器的輸出信號，通過安裝在其內部的數字變送器，變為數字信號輸出，通常稱為數字化稱重傳感器。數字化稱重傳感器的力學和溫度性能指標，都是以模擬式稱重傳感器的制造工藝和電路補償、調整技術為基礎的。數字變送器只是將模擬輸出信號數字化，并不能提高各項性能指標。由于其受數字變送器的影響，因而其測量數據還會損失一些固有性能。

（2）數字式稱重傳感器：是在徹底脫離傳統模擬式稱重傳感器的制造工藝和電路補償、調整技術的基礎上，所開發的新型數字式智能稱重傳感器。其通過由放大、濾波轉換、微處理器芯片、溫度敏感元件等元器件組成的數字式電路，以及標度變換數字濾波、數字調零、數字補償等軟件技術，使稱重傳感器輸出的數字信號成為一組組有格式、有規律的高低電平信號，經過效率高、可靠性好的接口實現遠距離傳輸。數字式稱重傳感器的制造工藝完全不同于模擬式稱重傳感器，其主要是在應變元件組成惠斯登電路后，通過試驗、測試、建立數字補償技術與工藝要求的各補償項目的數學模型，形成便于程序化計算的公式，便于編制成補償計算軟件，如線性補償、蠕變補償、零點補償和靈敏度補償等數學模型。數字補償技術與工藝是建立在合理的物理模型和數學模型基礎上的，給出準確可靠的數學模型是保證數字補償的前提。而根據數學模型編制出的簡單、實用、有效的補償計算軟件，存儲在微處理芯片中，對各項誤差進行有效地修正和補償，為智能化數字稱重儀表提供可靠的數字信號。

圖1 稱重系統基本構成

（3）整體型數字式智能稱重傳感器：在稱重傳感器內部安裝有放大、濾波、A/D轉換，微處理器芯片和溫度敏感元件等組成的數字處理電路，利用微處理器芯片已存入的軟件，實施各項數字補償工藝，進行綜合性能測試和檢定，最后采用電子束焊或激光焊進行密封。

（4）分離型數字式智能稱重傳感器：分離型數字式智能稱重傳感器是將原先放置在稱重傳感器內部的A/D轉換數字處理電路，移至一個外部接線盒內，將具有A/D轉換模塊的接線盒稱為數字接線盒。普通的模擬式稱重傳感器接入數字接線盒后，它的輸出便以數字信號傳輸給與其配套的稱重顯示控制儀表。

目前各生產廠家的數字傳感器只能在本廠的顯示器或所提供的軟件的支持下工作，相互間沒有互換性。這是因為一些技術方面的原因，但在很大程度也取決于廠家的利益，在我國這方面的因素可能更突出一些。但此問題由另一方面來考慮，這種局限性也影響了數字傳感器的廣泛使用和推廣。另外目前數字式傳感器基本限于柱形，類型太少，也是限制廣泛使用原因。

表1

廠 家 HBM HBM FLINTEC

型 號 C16A C3 C16i C3 RC 3D

精度等級 C3（0.0170%） C3（0.018%）

3000 C3

C4

最大檢定分度（nl）（Vm） 3000 0.0100%Emax 3000

4000

靈敏度 2mv/v 1000000 200000

靈敏度誤差（Cn） ±0.5% ±0.03% ≤±0.020%

≤±0.018%

溫度對靈敏度影響（TKc） ±0.080%cn/10k ±0.0080%cn/10k ≤±0.0010%cn/℃

≤±0.0008%cn/℃

溫度對零點影響（TKO） ±0./140%cn/10k ±0.0140%cn/10k ≤±0.0009%cn/℃

滯后誤差（dny） ±0.0170%cn ±0.0170%cn ——

非線性誤差（din） ±0.0180%cn ±0.0180%cn ——

蠕變及蠕變恢復（dcr）30min ±0.0167%cn ±0.0167%cn ≤±0.016%cn

額定溫度范圍（BT） -10℃……+40℃ -10℃……+40℃ -10℃……+40℃

工作溫度（Btu） -30℃……+70℃ -30℃……+70℃ -40℃……+40℃

存儲溫度（Btl） -50℃……+85℃ -50℃……+85℃ ——

在表1中我們把HBM公司和FLINTEC公司的數字傳感器和技術指標相近的模擬傳感器作比較。由表中有兩點是非常顯著的，首先由于C16ic3和RD3型為數字傳感器，它們的輸出為數字信號，即脈沖數列，而C16AC3型為模擬傳感器的輸出為模擬電壓信號，所以它們靈敏度的表示是顯然不同，前者為脈沖數，后者為2mv/v的電壓信號。而且數字傳感器是近期才出現的產品，在靈敏度的表示上各廠家并不統一，在HBM公司靈敏度、延用Sensitivity一詞，而FLINTEC公司是用Rated Output，即額定輸出。另外還用內分辨率（Internal resolution），來表征輸出的特征。對RC3D型、額定輸出為200000，內分辨率為550000。使用者要特別留意不要將其與傳感器的最大檢定分度相混淆。由表1讀者還可以看出在HBM公司對數字傳感器技術指標的表示，也與OIMLR60國際建議的表示不一致。第二點，由表1中可明顯看出、數字傳感器和模擬傳感器其它計量性能指標如：蠕變、溫度性能等。幾乎沒有差別，這表明就目前的技術水平，對傳感器的數字補償和模擬補償的結果無明顯的差異。

三、數字稱重技術在快速定量裝車系統中的應用

在快速定量裝車系統的裝車過程控制中，由于生產的連續性，對于設備的可靠性就有著較高的要求，在設計上采用了很多冗余技術來保證測量和控制的可靠性，除了DCS系統的冗余外，對現場的稱重傳感器也提出了冗余的要求。DCS系統希望能實時了解各個稱重傳感器的工作狀態，并及時發現故障。而傳統的稱重方式是多個模擬傳感器的信號經過接線盒并接后成為一路信號，那么每個傳感器的信號就不再是可獨立辨別的，儀表無法針對某一支點在線發現問題，進行故障定位。這樣很難滿足在連續生產中高可靠性的要求。

如在快速定量裝車系統中使用數字稱重傳感器，相比而言，數字稱重傳感器在其內部有微處理器，有其獨立的地址。不僅能夠對自身進行診斷，而且方便儀表在線監測各個傳感器的輸出并進行智能處理。這樣，不但大大提高了稱重系統的可靠性，而且可以輕松解決一些傳統模擬傳感器很難實現的技術，如大皮重小秤量、偏載檢測等。

圖2 有無砝碼校準和砝碼校準的流程圖

在實際應用中，裝車現場進行標定是一件及其繁瑣的事情。目前諸多快速定量裝車系統均采用提升砝碼進行標定，標定時還需另加砝碼（如20Kg砝碼）進行校準。使用數字稱重傳感器就可以實現免標定（如圖2所示）。這是因為數字稱重傳感器在生產中，已用標準測力機對傳感器輸出進行了標定，其輸出的數字量與標準力值是一一對應的，儀表讀取到的就是數字傳感器實際測量到的重量值，中間沒有任何損耗，因此可以實現免標定。而模擬稱重傳感器和稱重儀表是分別生產分別標定的，在組成模擬稱重系統時連線的各個環節都會有信號的損耗，儀表最后測量的信號并不完全等于傳感器的輸出信號，因此在應用時或一定周期內必須進行系統的現場標定。 （下轉第130頁）（上接第127頁）

另模擬式稱重傳感器的mV級信號太小，易受射頻干擾和電磁干擾，在傳輸中由于電纜電阻的影響會有所損失，所以信號傳輸距離較短。模擬式稱重作弊也極其容易，很難控制，難以避免的會出現實際裝車量與客戶需求量不一致的現象。而數字式稱重傳感器輸出數字信號，不但電平要高出模擬式百倍，不易受到干擾，而且是按照Bifbus現場總線通信協議傳輸，通信速度是普通RS485的十倍，高速且具通信糾錯能力，保證了數據快速可靠。由于協議的保密裝車現場無法進行作弊，保障了供求雙方的信譽度。

實現快速的、定量的裝車，裝車速度和裝車精度是核心所在。在快速定量裝車系統中采用數字稱重傳感技術，不僅加快了速度，提高了裝車系統生產效率，且裝車精度也會大大提高，而這些正是目前快速定量裝車系統所追求的可持續發展的未來目標！

四、結束語

在快速定量裝車系統中采用數字稱重傳感器，可以很好的解決裝車系統對計量準確度要求高、穩定性要求高、工作可靠性要求高及故障定位等需求。針對于數字稱重傳感器的特性，根據實際裝車需要對其載波和雙通道技術、回卷和數字濾波技術，做進一步的詳細研究。在模擬式稱重傳感器的傳統稱重模塊的基礎上，研制采用數字式稱重傳感器的新式稱重模塊，其特點是組件化設計，具有“即插即用”功能，減少由于偏重、熱效應影響，偶然超載等引起的稱重誤差，并可承受由于振動、沖擊、攪拌或其它外力引起的偏重，滿足快速定量裝車系統的發展需要。

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