大皮重小稱(chēng)量雙傳感器地磅的設(shè)計(jì)

本文通過(guò)對(duì)大皮重小稱(chēng)量地磅的基本要求分析，提出了采用雙杠桿平衡大皮重、雙數(shù)字式傳感器測(cè)量物料的方法，達(dá)到平衡或減少大皮重，提高平臺(tái)秤稱(chēng)量分辨率和準(zhǔn)確度的目的，有效的解決了大皮重小稱(chēng)量地磅的精度問(wèn)題，從而保證了大皮重小稱(chēng)量物料的計(jì)量。

一、引言

去年，我們公司接到國(guó)內(nèi)某核料企業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)需物料稱(chēng)量的項(xiàng)目，其料罐重約 300Kg，而所計(jì)量的物料僅 15Kg，要求準(zhǔn)確度 0.05%FS，靜態(tài)測(cè)量，這是典型的大皮重小稱(chēng)量案例。依據(jù)核料企業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需求，我們決定采用地磅結(jié)構(gòu)形式完成此項(xiàng)目。目前國(guó)內(nèi)外平衡皮重的有杠桿平衡法、調(diào)整差分放大器反相端電壓平衡法、改變電阻應(yīng)變式傳感器橋臂電阻平衡法三種方法，其中的調(diào)整差分放大器反相端電壓平衡法和改變電阻應(yīng)變式傳感器橋臂電阻平衡法可以簡(jiǎn)單的平衡去除皮重，而這兩種方法平衡的地磅仍需選用大量程稱(chēng)重傳感器完成測(cè)量，唯有杠桿平衡法的電子秤可選用小量程傳感器，但杠桿平衡法比另外兩種平衡法結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且杠桿本身也會(huì)引入誤差，從而影響了地磅的準(zhǔn)確度，同時(shí)這三種平衡法多用于配料和包裝等行業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)上的地磅，而用于地磅結(jié)構(gòu)形式的卻很少；既要保證平衡去除皮重，又要保證地磅的精度要求。為此，經(jīng)研究分析，我們采用雙杠桿平衡法和選用數(shù)字式小量程雙傳感器測(cè)量物料的方法，達(dá)到平衡或減少大皮重，提高地磅稱(chēng)量分辨率和準(zhǔn)確度的目的。本文通過(guò)對(duì)該地磅的秤體結(jié)構(gòu)原理、主要部件的設(shè)計(jì)特點(diǎn)以及數(shù)字式小量程傳感器和數(shù)字儀表的選擇的介紹，供同仁們參考和探討。

二、地磅的秤體結(jié)構(gòu)原理

1.秤體結(jié)構(gòu)原理

用于該地磅中杠桿平衡法是把料罐（被稱(chēng)物） 置于秤體的上臺(tái)面上，通過(guò)四個(gè)球頭支柱分別置于杠桿的一端，在杠桿的另一端放置一配重物，從而使傳感器受力適量減小。如圖 1 所示，設(shè)兩杠桿的拉式稱(chēng)重傳感器受力分別為 WC1、WC2，配重物的重量為 WP，料罐和被稱(chēng)物的重量為WZ，被稱(chēng)物重量為 M，假設(shè)被稱(chēng)物對(duì)每一杠桿一端施力分別為 m1、m2，配重物對(duì)每一杠桿另一端施力分別為p1、p2，根據(jù)杠桿和力平衡原理，則有：

該地磅秤體采用雙杠桿結(jié)構(gòu)和雙傳感器測(cè)量形式，一方面是為了保證秤體總體結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)和平衡，另一方面又對(duì)地磅秤臺(tái)四角誤差的調(diào)修更加容易，即通過(guò)傳感器先調(diào)修地磅的偏載誤差，然后調(diào)修相應(yīng)邊的角差；為保證電子秤的準(zhǔn)確度，杠桿的結(jié)構(gòu)合理性也須認(rèn)真考慮。

2.主要部件的結(jié)構(gòu)

地磅秤體結(jié)構(gòu)如圖 2 所示，秤體外形尺寸長(zhǎng)為 1200mm，寬為 1200mm，高為 189mm，其由上臺(tái)面、支撐臺(tái)面 （即下臺(tái)面）、兩套杠桿、配重塊、兩只稱(chēng)重傳感器、兩塊數(shù)字模塊、接線(xiàn)盒和數(shù)字儀表等組成，上臺(tái)面下由四個(gè)浮動(dòng)支柱浮動(dòng)支撐，四個(gè)浮動(dòng)支柱分別壓在兩套杠桿的一端，而兩只傳感器和配重塊連接掛壓在兩套杠桿的另一端，為了便于傳感器的安裝、維修和平臺(tái)秤調(diào)試，兩只傳感器和接線(xiàn)盒安裝在支撐臺(tái)面（即下臺(tái)面） 的外側(cè)，兩塊數(shù)字模塊安裝在接線(xiàn)盒內(nèi)，接線(xiàn)盒和數(shù)字儀表相連接，該地磅系統(tǒng)組成如圖 3 所示。

平臺(tái)秤結(jié)構(gòu)中，將傳感器和數(shù)字接線(xiàn)盒安裝于平臺(tái)秤支撐臺(tái)面 （即下臺(tái)面） 的外側(cè)，除保證傳感器、接線(xiàn)盒的方便安裝和調(diào)校外，最主要的是保證了該平臺(tái)秤的維修性。

（1)雙杠桿的結(jié)構(gòu)

該地磅秤體雙杠桿結(jié)構(gòu)示意圖如圖 2所示，從圖中可以看出，每一杠桿的支點(diǎn) （如圖 1中的支點(diǎn) 1和支點(diǎn) 2） 根據(jù)平臺(tái)秤秤體結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定的需要一分二，即每一杠桿采用雙臂梁結(jié)構(gòu)；在垂直杠桿臂方向上懸掛于平臺(tái)秤秤體支撐臺(tái)面（即下臺(tái)面） 四字形結(jié)構(gòu)的其中一中梁上，兩杠桿分別從相對(duì)杠桿的支點(diǎn)中梁下通過(guò)，相互交錯(cuò)，保證配重桿臂盡可能的長(zhǎng)，使得配重盡可能的輕；四個(gè)浮動(dòng)支柱分別壓在兩杠桿短臂的連接懸吊梁上 （懸吊點(diǎn)與支點(diǎn)的結(jié)構(gòu)形式同），配重梁則懸吊在兩杠桿的長(zhǎng)臂上，這種結(jié)構(gòu)保證了配重和料罐橫向力對(duì)杠桿和平臺(tái)秤準(zhǔn)確度影響較小。

（2）浮動(dòng)支柱的結(jié)構(gòu)

浮動(dòng)支柱的結(jié)構(gòu)組成如圖 4 所示，由橡膠體、球頭支柱和球頭頂尖組成，球頭頂尖分別固定安裝于兩杠桿短臂端的連接懸吊梁上，球頭支柱裝于球頭頂尖上，橡膠體與球頭支柱為一體；一臺(tái)平臺(tái)秤需要四套浮動(dòng)支撐，四個(gè)橡膠體分別支撐于平臺(tái)秤的上臺(tái)面的下部的四個(gè)平底窩中，因此，平臺(tái)秤的上臺(tái)面通過(guò)四套浮動(dòng)支撐與兩杠桿為浮動(dòng)連接，這與四個(gè)傳感器的球頭壓頭或“不倒翁”壓頭支撐一臺(tái)面的普通平臺(tái)秤的結(jié)構(gòu)相類(lèi)似，以確保因平臺(tái)秤上臺(tái)面變形以及料罐的沖擊等因素不會(huì)影響平臺(tái)秤的精度。

（3）杠桿各支點(diǎn)的結(jié)構(gòu)

該平臺(tái)秤除支撐臺(tái)面 （即下臺(tái)面） 四角的四個(gè)支腳和上臺(tái)面下的四個(gè)浮動(dòng)支柱外，其他支點(diǎn)、支撐或者浮動(dòng)連接點(diǎn)等均采用杠桿支點(diǎn)的結(jié)構(gòu)形式，杠桿支點(diǎn)結(jié)構(gòu)組成如圖 5 所示，其由調(diào)節(jié)墊片、平墊片、螺栓、彈簧墊片和薄金屬鋼帶等組成，杠桿支點(diǎn)采用懸吊式結(jié)構(gòu)，無(wú)通常刀子、刀承組成的支點(diǎn)結(jié)構(gòu)易磨損、擺動(dòng)、微位移、不易微調(diào)杠桿臂比等缺點(diǎn)，這種懸吊式結(jié)構(gòu)可以很好的保證支點(diǎn)的準(zhǔn)確定位和穩(wěn)定，同時(shí)也能減小或消除因橫向力或者力矩對(duì)杠桿和傳感器的影響，在調(diào)校平臺(tái)秤偏載時(shí)，也可方便的通過(guò)調(diào)節(jié)墊片的厚度，調(diào)節(jié)杠桿臂長(zhǎng)的微長(zhǎng)，保證平臺(tái)秤的偏載誤差在標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍內(nèi)。

三、 傳感器與數(shù)字儀表的選擇

該地磅作為數(shù)字式稱(chēng)重系統(tǒng)與常見(jiàn)的稱(chēng)重系統(tǒng)一樣，其數(shù)字傳感器也是在稱(chēng)重傳感器內(nèi)部或者接線(xiàn)盒內(nèi)采用高集成化和高智能化的處理單元，將模擬信號(hào)進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換、濾波等預(yù)處理并進(jìn)行數(shù)字化補(bǔ)償后，輸出數(shù)字信號(hào)。數(shù)字式稱(chēng)重儀表或所用電腦實(shí)時(shí)采集各傳感器輸出數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理后，進(jìn)行顯示；其主要特點(diǎn)是：（1） 數(shù)字式稱(chēng)重系統(tǒng)，可對(duì)該系統(tǒng)內(nèi)的每一只傳感器單獨(dú)尋址，從而可對(duì)每只傳感器進(jìn)行監(jiān)控、故障辨認(rèn)，以及可以單獨(dú)處理每只傳感器的稱(chēng)重信息，大大提高了稱(chēng)重系統(tǒng)的控制能力、靈活性和更加智能，該特點(diǎn)為該平臺(tái)秤內(nèi)的兩傳感器進(jìn)行調(diào)整、調(diào)校平臺(tái)秤的偏載創(chuàng)造了條件；（2） 秤臺(tái)標(biāo)定后，每個(gè)傳感器的零點(diǎn)值和滿(mǎn)載 （凈輸出） 值存儲(chǔ)在儀表或電腦軟件中，對(duì)秤臺(tái)進(jìn)行再次校正時(shí)，可與前次標(biāo)定的數(shù)值進(jìn)行比較，這個(gè)特點(diǎn)使該稱(chēng)重系統(tǒng)中傳感器的穩(wěn)定性監(jiān)控變的簡(jiǎn)單；（3） 數(shù)字稱(chēng)重系統(tǒng)可以直接處理每一只傳感器經(jīng)數(shù)字處理單元處理提供的原始稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)，使得每只傳感器相當(dāng)于可提供高于 20bit 的分辨力，即相當(dāng)于 1,000,000 個(gè)計(jì)數(shù)，兩只傳感器的系統(tǒng)就可提供 2×1,000,000 個(gè)計(jì)數(shù)供分析，就該稱(chēng)重系統(tǒng)而言，這樣高的分辨力的傳感器再結(jié)合對(duì)傳感器高精度的補(bǔ)償 （如：溫度補(bǔ)償、線(xiàn)性補(bǔ)償?shù)龋耆珴M(mǎn)足該平臺(tái)秤的高分辨率要求。

該地磅選擇的是中航電測(cè)新研發(fā)的數(shù)字模塊，其非線(xiàn)性高達(dá) 0.001%，內(nèi)部精度為±1050000（A/D20bit），使用溫度范圍為 -10℃~+50℃，采集速度優(yōu)于 100 次 /s。稱(chēng)重傳感器選用上海鷹衡生產(chǎn)的兩只滿(mǎn)量程 15Kg 的平行梁結(jié)構(gòu)的鋁質(zhì)傳感器；數(shù)字式儀表選擇的是可以很方便與數(shù)字模塊兼容的XK3190-DS7 稱(chēng)重儀表，其基本功能有：可以自動(dòng) / 半自動(dòng) / 手動(dòng)角差修正、數(shù)字傳感器通訊地址修改功能、單個(gè)傳感器數(shù)據(jù)查看功能、非線(xiàn)性修正功能和標(biāo)定誤差修正功能、定時(shí)關(guān)機(jī)功能、稱(chēng)重記錄貯存 / 檢查 / 刪除 / 斷電保護(hù)、配備 RS-232C 通訊口、配備電流環(huán)大屏幕通訊口、配備標(biāo)準(zhǔn)并行打印接口、可存儲(chǔ) 1000 組車(chē)輛牌號(hào)和皮重，201 組貨號(hào)，可存儲(chǔ) 1001 組稱(chēng)重記錄、可備份和恢復(fù)儀表內(nèi)各種參數(shù)等功能，可靠實(shí)用，完全可滿(mǎn)足該平臺(tái)秤的要求。

根據(jù)對(duì)稱(chēng)重系統(tǒng)的要求，我們對(duì)該儀表、數(shù)字模塊等元器件逐個(gè)進(jìn)行了溫度性能試驗(yàn)和篩選，以保證平臺(tái)秤的長(zhǎng)期穩(wěn)定性好。

四、結(jié)語(yǔ)

隨著現(xiàn)代制造業(yè)的高速發(fā)展，產(chǎn)品自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)需求不斷增加，作為控制和計(jì)量用電子秤將越來(lái)越多，類(lèi)似這種大皮重小稱(chēng)量的地磅也常會(huì)用到。本次該地磅交付用戶(hù)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和使用，達(dá)到了其生產(chǎn)線(xiàn)稱(chēng)重計(jì)量的要求，用戶(hù)滿(mǎn)意。