昆山市拓恒機電有限公司
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1 引言
去年,我們公司接到國內某核料企業生產線需物料稱量的項目,其料罐重約300Kg,而所計量的物料僅15Kg,要求準確度0.05%FS,靜態測量,這是典型的大皮重小稱量案例。依據核料企業生產線現場的實際需求,我們決定采用電子平臺秤結構形式完成此項目。目前國內外平衡皮重的有杠桿平衡法、調整差分放大器反相端電壓平衡法、改變電阻應變式傳感器橋臂電阻平衡法三種方法,其中的調整差分放大器反相端電壓平衡法和改變電阻應變式傳感器橋臂電阻平衡法可以簡單的平衡去除皮重,而這兩種方法平衡的電子秤仍需選用大量程稱重傳感器完成測量,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構復雜,并且杠桿本身也會引入誤差,從而影響了電子秤的準確度,同時這三種平衡法多用于配料和包裝等行業的工業生產線上的電子秤,而用于電子平臺秤結構形式的卻很少;既要保證平衡去除皮重,又要保證電子平臺秤的精度要求。為此,經研究分析,我們采用雙杠桿平衡法和選用數字式小量程雙傳感器測量物料的方法,達到平衡或減少大皮重,提高電子平臺秤稱量分辨率和準確度的目的。本文通過對該電子平臺秤的秤體結構原理、主要部件的設計特點以及數字式小量程傳感器和數字儀表的選擇的介紹,供同仁們參考和探討。
2 電子平臺秤的秤體結構原理
2.1 秤體結構原理
用于該電子平臺秤中杠桿平衡法是把料罐(被稱物)置于秤體的上臺面上,通過四個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,設兩杠桿的拉式稱重傳感器受力分別為WC1、WC2,配重物的重量為WP,料罐和被稱物的重量為WZ,被稱物重量為M,假設被稱物對每一杠桿一端施力分別為m1、m2,配重物對每一杠桿另一端施力分別為p1、p2,根據杠桿和力平衡原理,則有:
在秤體設計時,L1=L2=L=130mm,LC1=LC2=LC=130mm,LP1=LP2=LP=776mm,WC1+WC2=M則有(4)、(5)式為:
(6)、(7)式相加得:(m1+m2)·L=(WC1+WC2)·LC+(p1+p2)·Lp則有:
WZ·L=M·LC+WP·LP
因此,配重物選擇為:
WP=[WZ-M]·130/776=0.167[WZ-M]
可見,適當選取配重物,稱重傳感器受力就與稱量物品重量成正比,而選擇適當的杠桿比例,可以很容易的平衡掉適量的皮重,從而克服了大皮重占去大部分傳感器信號的A/D轉換有效位數而降低電子秤分辨率的弊病。
圖1 平臺秤秤體結構原理示意圖 下載原圖
該電子平臺秤秤體采用雙杠桿結構和雙傳感器測量形式,一方面是為了保證秤體總體結構對稱和平衡,另一方面又對電子平臺秤秤臺四角誤差的調修更加容易,即通過傳感器先調修平臺秤的偏載誤差,然后調修相應邊的角差;為保證電子秤的準確度,杠桿的結構合理性也須認真考慮。
2.2 主要部件的結構
圖2 電子平臺秤秤體結構圖 下載原圖
電子平臺秤秤體結構如圖2所示,秤體外形尺寸長為1200mm,寬為1200mm,高為189mm,其由上臺面、支撐臺面(即下臺面)、兩套杠桿、配重塊、兩只稱重傳感器、兩塊數字模塊、接線盒和數字儀表等組成,上臺面下由四個浮動支柱浮動支撐,四個浮動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、維修和平臺秤調試,兩只傳感器和接線盒安裝在支撐臺面(即下臺面)的外側,兩塊數字模塊安裝在接線盒內,接線盒和數字儀表相連接,該電子平臺秤系統組成如圖3所示。
圖3 電子平臺秤系統組成圖 下載原圖
平臺秤結構中,將傳感器和數字接線盒安裝于平臺秤支撐臺面(即下臺面)的外側,除保證傳感器、接線盒的方便安裝和調校外,最主要的是保證了該平臺秤的維修性。
2.2.1 雙杠桿的結構
該電子平臺秤秤體雙杠桿結構示意圖如圖2所示,從圖中可以看出,每一杠桿的支點(如圖1中的支點1和支點2)根據平臺秤秤體結構和穩定的需要一分二,即每一杠桿采用雙臂梁結構;在垂直杠桿臂方向上懸掛于平臺秤秤體支撐臺面(即下臺面)四字形結構的其中一中梁上,兩杠桿分別從相對杠桿的支點中梁下通過,相互交錯,保證配重桿臂盡可能的長,使得配重盡可能的輕;四個浮動支柱分別壓在兩杠桿短臂的連接懸吊梁上(懸吊點與支點的結構形式同),配重梁則懸吊在兩杠桿的長臂上,這種結構保證了配重和料罐橫向力對杠桿和平臺秤準確度影響較小。
圖4 浮動支柱結構組成圖 下載原圖
2.2.2 浮動支柱的結構
浮動支柱的結構組成如圖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;一臺平臺秤需要四套浮動支撐,四個橡膠體分別支撐于平臺秤的上臺面的下部的四個平底窩中,因此,平臺秤的上臺面通過四套浮動支撐與兩杠桿為浮動連接,這與四個傳感器的球頭壓頭或“不倒翁”壓頭支撐一臺面的普通平臺秤的結構相類似,以確保因平臺秤上臺面變形以及料罐的沖擊等因素不會影響平臺秤的精度。
2.2.3 杠桿各支點的結構
該平臺秤除支撐臺面(即下臺面)四角的四個支腳和上臺面下的四個浮動支柱外,其他支點、支撐或者浮動連接點等均采用杠桿支點的結構形式,杠桿支點結構組成如圖5所示,其由調節墊片、平墊片、螺栓、彈簧墊片和薄金屬鋼帶等組成,杠桿支點采用懸吊式結構,無通常刀子、刀承組成的支點結構易磨損、擺動、微位移、不易微調杠桿臂比等缺點,這種懸吊式結構可以很好的保證支點的準確定位和穩定,同時也能減小或消除因橫向力或者力矩對杠桿和傳感器的影響,在調校平臺秤偏載時,也可方便的通過調節墊片的厚度,調節杠桿臂長的微長,保證平臺秤的偏載誤差在標準要求的范圍內。
圖5 杠桿支點結構組成圖 下載原圖
3 傳感器與數字儀表的選擇
該平臺秤作為數字式稱重系統與常見的稱重系統一樣,其數字傳感器也是在稱重傳感器內部或者接線盒內采用高集成化和高智能化的處理單元,將模擬信號進行A/D轉換、濾波等預處理并進行數字化補償后,輸出數字信號。數字式稱重儀表或所用電腦實時采集各傳感器輸出數據并進行處理后,進行顯示;其主要特點是:(1)數字式稱重系統,可對該系統內的每一只傳感器單獨尋址,從而可對每只傳感器進行監控、故障辨認,以及可以單獨處理每只傳感器的稱重信息,大大提高了稱重系統的控制能力、靈活性和更加智能,該特點為該平臺秤內的兩傳感器進行調整、調校平臺秤的偏載創造了條件;(2)秤臺標定后,每個傳感器的零點值和滿載(凈輸出)值存儲在儀表或電腦軟件中,對秤臺進行再次校正時,可與前次標定的數值進行比較,這個特點使該稱重系統中傳感器的穩定性監控變的簡單;(3)數字稱重系統可以直接處理每一只傳感器經數字處理單元處理提供的原始稱重數據,使得每只傳感器相當于可提供高于20bit的分辨力,即相當于1,000,000個計數,兩只傳感器的系統就可提供2×1,000,000個計數供分析,就該稱重系統而言,這樣高的分辨力的傳感器再結合對傳感器高精度的補償(如:溫度補償、線性補償等),完全滿足該平臺秤的高分辨率要求。
該平臺秤選擇的是中航電測新研發的數字模塊,其非線性高達0.001%,內部精度為±1050000(A/D20bit),使用溫度范圍為-10℃~+50℃,采集速度優于100次/s。稱重傳感器選用中航電測生產的兩只滿量程15Kg的平行梁結構的鋁質傳感器;數字式儀表選擇的是可以很方便與中航電測數字模塊兼容的上海耀華研制的XK3190-DS7稱重儀表,其基本功能有:可以自動/半自動/手動角差修正、數字傳感器通訊地址修改功能、單個傳感器數據查看功能、非線性修正功能和標定誤差修正功能、定時關機功能、稱重記錄貯存/檢查/刪除/斷電保護、配備RS-232C通訊口、配備電流環大屏幕通訊口、配備標準并行打印接口、可存儲1000組車輛牌號和皮重,201組貨號,可存儲1001組稱重記錄、可備份和恢復儀表內各種參數等功能,可靠實用,完全可滿足該平臺秤的要求。根據軍工對稱重系統的要求,我們對該儀表、數字模塊等元器件逐個進行了溫度性能試驗和篩選,以保證平臺秤的長期穩定性好。
4 結語
隨著現代制造業的高速發展,產品自動生產線需求不斷增加,作為控制和計量用電子秤將越來越多,類似這種大皮重小稱量的平臺秤也常會用到。本次該平臺秤交付用戶,經現場調試和使用,達到了其生產線稱重計量的要求,用戶滿意。
