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        稱重傳感器的原理及應用選用

        添加時間:2016-04-29

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        稱重傳感器的原理及應用選用 

          隨著技術的進步,由稱重傳感器制作的電子衡器已廣泛地應用到各行各業,實現了對物料的快速、準確的稱量,特別是隨著微處理機的出現,工業生產過程自動化程度化的不斷提高,稱重傳感器已成為過程控制中的一種必需的裝置,從以前不能稱重的大型罐、料斗等重量計測以及吊車秤、汽車秤等計測控制,到混合分配多種原料的配料系統、生產工藝中的自動檢測和粉粒體進料量控制等,都應用了稱重傳感器,目前,稱重傳感器幾乎運用到了所有的稱重領域。


        1.高速定量分裝系統

          本系統由微機控制稱重傳感器的稱重和比較,并輸出控制信號,執行定值稱量,控制外部給料系統的運轉,實行自動稱量和快速分裝的任務。

          在整個定值分裝控制系統中,稱重傳感器是影響電子秤測量精度的關鍵部件,選用應變式稱重測力傳感器。四片電阻應變片構成全橋橋路,在所加橋壓U不變的情況下,傳感器輸出信號與作用在傳感器上的重力和供橋橋壓成正比,而且,供橋橋壓U的變化直接影響電子稱的測量精度,所以要求橋壓很穩定。毫伏級的傳感器輸出經放大后,變成了0-10V的電壓信號輸出,送入V/F變換器進行A/D轉換,其計數值反映了測量電壓大小即物料的重量。在顯示的同時,計算機還根據設定值與測量值進行定值判斷。測量值與給定值進行比較,取差值提供PID運算,當重量不足,則繼續送料和顯示測量值。一旦重量相等或大于給定值,控制接口輸出控制信號,控制外部給料設備停止送料,顯示測量終值,然后發出回答令,表示該袋裝料結束,可進行下袋的裝料稱重。

          自動稱重和裝料裝置的每個裝料的箱子或袋子沿傳送帶運動,直到裝有料的電子稱下面,傳送帶停止運動,電磁線圈2通電,電子稱料斗翻轉,使料全部倒入箱子或袋子中,當料倒完,傳送帶馬達再次通電,將裝滿料的箱子或袋子移出,并保護傳送帶繼續運行,直到下一次空袋或空箱切斷光電傳感器的光源,與此同時,電子稱料箱復位,電磁線圈1通電,漏斗給電子秤自動加料,重量由微機控制,當電子秤中的料與給定值相等時,電磁線圈1斷電,彈簧力使漏斗門關上。裝料系統開始下一個裝料的循環。當漏斗中的料和傳送帶上的箱子足夠多時,這個過程可以持續不斷地進行下去。必要時,工作人員可以隨時停止傳送帶,通過拔碼盤輸入不同的給定值,然后再啟動,即可改變箱或袋中的重量。

          本系統選用不同的傳感器,改變稱重范圍,則可以用到水泥、食糖、面粉加工等行業的自動包裝中。


        2.傳感器在商用電子秤中的應用

          目前,商用電子計價秤的使用非常普及,逐漸會取代傳統的桿稱和機械案秤。電子計價秤在秤臺結構上有一個顯著的特點:一個相當大的秤臺,只在中間裝置一個專門設計的傳感器來承擔物料的全部重量。常用的電子計價秤傳感器的結構為雙連橢圓孔彈性體,秤盤用懸臂梁端部上平面的兩個螺孔緊固;另一種是梅花型四連孔彈性體,秤盤用懸臂梁端部側面的三個螺孔堅固,中間支桿上粘貼補償用的應變片。這兩種形式的傳感器,在計價秤中用得最多。還有一種三梁式彎曲彈性體,采樣彎曲應力,對重量反應敏感,宜用來制作小稱量計價秤。

            采樣中間敏感梁的剪切應力,宜用來制作幾百公斤稱量范圍計價秤。用這些復梁型高精度傳感器來支承一個大的稱重平臺,被稱重物又可能放置在任何稱臺的任意位置上,必然會產生四角示值誤差,可以通過銼磨輔助梁的柔性部位來調整傳感器的靈敏系數和四角誤差。

         

          稱重傳感器是一種高精度的傳感器,必須按規定的規格使用。若不按規定的規格使用,不僅不能發揮稱重的作用,而且容易損壞,尤其是絕對不準超過負荷安全值使用。

          對于因溫度變化對橋接零點和輸出,靈敏度的影響,即使采用同一批應變片,也會因應變片之間稍有溫度特性之差而引起誤差,所以對要求精度較高的傳感器,必須進行溫度補償,解決的方法是在被粘貼的基片上采用適當溫度系數的自動補償片,并從外部對它加以適當的補償。

        非線性誤差是傳感器特性中最重要的一點。產生非線性誤差的原因很多,一般來說主要是由結構設計決定,通過線性補償,也可得到改善。

          滯后和蠕變是關于應變片及粘合劑的誤差。由于粘合劑為高分子材料,其特性隨溫度變化較大,所以稱重傳感器必須在規定的溫度范圍內使用。

          在露天下使用傳感器,還應考慮陽光直射產生的溫度影響和風壓的影響。


          環境給傳感器造成的影響主要有以下幾個方面:

            (1)高溫環境對傳感器造成涂覆材料熔化、焊點開化、彈性體內應力發生結構變化等問題。對于高溫環境下工作的傳感器常采用耐高溫傳感器;另外,必須加有隔熱、水冷或氣冷等裝置。

            (2)粉塵、潮濕對傳感器造成短路的影響。在此環境條件下應選用密閉性很高的傳感器。不同的傳感器其密封的方式是不同的,其密閉性存在著很大差異。

            常見的密封有密封膠充填或涂覆;橡膠墊機械緊固密封;焊接(氬弧焊、等離子束焊)和抽真空充氮密封。

            從密封效果來看,焊接密封為最佳,充填涂覆密封膠為最差。對于室內干凈、干燥環境下工作的傳感器,可選擇涂膠密封的傳感器,而對于一些在潮濕、粉塵性較高的環境下工作的傳感器,應選擇膜片熱套密封或膜片焊接密封、抽真空充氮的傳感器。

            (3)在腐蝕性較高的環境下,如潮濕、酸性對傳感器造成彈性體受損或產生短路等影響,應選擇外表面進行過噴塑或不銹鋼外罩,抗腐蝕性能好且密閉性好的傳感器。

            (4)電磁場對傳感器輸出紊亂信號的影響。在此情況下,應對傳感器的屏蔽性進行嚴格檢查,看其是否具有良好的抗電磁能力。

            (5)易燃、易爆不僅對傳感器造成徹底性的損害,而且還給其它設備和人身安全造成很大的威脅。因此,在易燃、易爆環境下工作的傳感器對防爆性能提出了更高的要求:在易燃、易爆環境下必須選用防爆傳感器,這種傳感器的密封外罩不僅要考慮其密閉性,還要考慮到防爆強度,以及電纜線引出頭的防水、防潮、防爆性等。


        對傳感器數量和量程的選擇:


            傳感器數量的選擇是根據電子衡器的用途、秤體需要支撐的點數(支撐點數應根據使秤體幾何重心和實際重心重合的原則而確定)而定。一般來說,秤體有幾個支撐點就選用幾只傳感器,但是對于一些特殊的秤體如電子吊鉤秤就只能采用一個傳感器,一些機電結合秤就應根據實際情況來確定選用傳感器的個數。

            傳感器量程的選擇可依據秤的最大稱量值、選用傳感器的個數、秤體的自重、可能產生的最大偏載及動載等因素綜合評價來確定。一般來說,傳感器的量程越接近分配到每個傳感器的載荷,其稱量的準確度就越高。但在實際使用時,由于加在傳感器上的載荷除被稱物體外,還存在秤體自重、皮重、偏載及振動沖擊等載荷,因此選用傳感器量程時,要考慮諸多方面的因素,保證傳感器的安全和壽命。

            傳感器量程的計算公式是在充分考慮到影響秤體的各個因素后,經過大量的實驗而確定的。

            公式如下:


            C=K-0K-1K-2K-3(Wmax+W)/N


             C—單個傳感器的額定量程

             W—秤體自重

             Wmax—被稱物體凈重的最大值

             N—秤體所采用支撐點的數量

             K-0—保險系數,一般取值在1.2~1.3之間

             K-1—沖擊系數

             K-2—秤體的重心偏移系數

             K-3—風壓系數


            例如:一臺30t電子汽車衡,最大稱量是30t,秤體自重為1.9t,采用四只傳感器,根據當時的實際情況,選取保險系數K-0=1.25,沖擊系數K-1=1.18,重心偏移系數K-2—=1.03,風壓系數K-3=1.02,試確定傳感器的噸位。

            解:根據傳感器量程計算公式:

            C=K-0K-1K-2K-3(Wmax+W)/N

            可知:

            C=1.25×1.18×1.03×1.02×(30+1.9)/4

             =12.36t

            因此,可選用量程為15t的傳感器(傳感器的噸位一般只有10T、15T、20t、25t、30t、40t、50t等,除非特殊訂做)。

            根據經驗,一般應使傳感器工作在其30%~70%量程內,但對于一些在使用過程中存在較大沖擊力的衡器,如動態軌道衡、動態汽車衡、鋼材秤等,在選用傳感器時,一般要擴大其量程,使傳感器工作在其量程的20%~30%之內,使傳感器的稱量儲備量增大,以保證傳感器的使用安全和壽命。


        要考慮各種類型傳感器的適用范圍:


            傳感器的準確度等級包括傳感器的非線形、蠕變、蠕變恢復、滯后、重復性、靈敏度等技術指標。在選用傳感器的時候,不要單純追求高等級的傳感器,而既要考慮滿足電子秤的準確度要求,又要考慮其成本。

            對傳感器等級的選擇必須滿足下列兩個條件:

            1. 滿足儀表輸入的要求。稱重顯示儀表是對傳感器的輸出信號經過放大、A/D轉換等處理之后顯示稱量結果的。因此,傳感器的輸出信號必須大于或等于儀表要求的輸入信號大小,即將傳感器的輸出靈敏度代人傳感器和儀表的匹配公式,計算結果須大于或等于儀表要求的輸入靈敏度。

            傳感器和儀表的匹配公式:

            傳感器輸出靈敏度*激勵電源電壓*秤的最大稱量

            秤的分度數*傳感器的個數*傳感器量程

            例如:一稱量為25kg的定量包裝秤,最大分度數為1000個分度;秤體采用3只L—BE—25型傳感器,量程為25kg,靈敏度為2.0±0.008mV/V,拱橋電壓力12V;秤采用AD4325儀表。問采用的傳感器能否與儀表匹配。

            解:經查閱,AD4325儀表的輸入靈敏度為0.6μV/d,因此根據傳感器和儀表的匹配公式可得儀表的實際輸入信號為:2×12×25/1000×3×25=8μV/d>0.6μv/d,所以,采用的傳感器滿足儀表輸入靈敏度的要求,能夠與所選儀表匹配。

            2. 滿足整臺電子秤準確度的要求。一臺電子秤主要是由秤體、傳感器、儀表三部分組成,在對傳感器準確度選擇的時候,應使傳感器的準確度略高于理論計算值,因為理論往往受到客觀條件的限制,如秤體的強度差一點,儀表的性能不是很好、秤的工作環境比較惡劣等因素都直接影響到秤的準確度要求,因此要從各方面提高要求,又要考慮經濟效益,確保達到目的。

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