1  動態測量

人們常常希望稱重測力在正常作業中同時完成, 即盡量不占用( 零停機) 或少占用時間。例如:軋鋼廠中從坯料加熱到軋製成材是一個連續的作業, 為掌握加熱過程中的燒損率及產品的成材率,要求在不幹擾正常生產的同時對鋼材進行快速或短時稱量。

在港口吞吐貨物的計量中, 為不影響裝卸速度, 常常要求貨物在輸送或吊運過程中同時完成稱量。此時, 無論是皮帶秤上流經的散料或是吊秤下懸掛的貨物, 均處在運動狀態。有時要對高速公路上行駛的汽車或鐵道上運行的火車進行稱量; 有時要對活的動物, 諸如牛、 醫用小兔等進行稱量; 有時要在運動的或振動的環境中, 諸如在遠洋輪船、 飛機或貨車上對物體進行稱量[ 1]。

在機加工行業中, 與加工中心相結合的柔性製造係統( FMS) , 大大提高了機床的加工適應性和加工效率。但刀具破損已經成為係統正常運行的主要故障, 常常需要用動態測力儀來連續地監測回轉刀具的運行狀況。安裝在機器人手臂與手爪之間的/ 關節0多分量傳感器或腕力傳感器, 在機械手操作時能提供三維的力和力矩, 它也是在運動條件下進行測量的[ 2]。

所有上述情況形成了動態稱重測力狀態, 它們的主要特征可以歸納為:

(1) 被測對象處於非靜止狀態, 即被稱重或測力的物體在運動;

(2) 測量環境處於非靜止狀態, 即稱重測力計量儀器置於其中的測量床身、 台麵或支架等在運動;

(3) 在短時內進行快速測量, 即測量時間短於稱重測力計量儀器的調定時間。

為了進行快速、 連續、 準確的測量, 求得被測量的穩態示值, 就要求對稱重測力傳感器、 信號適調、 處理、 顯示、 記錄及由此而組成的動態稱重測力係統 進行正確的描述和分析, 還要求減小動態測量的不確定度、 提高動態響應速度、 解除多分量間的耦合, 以進行動態補償。比如: 對動態吊秤, 有人提出為削弱縱向振動所致的高頻幹擾, 可進行橋式動態補償與閥值動態補償; 為削弱橫向擺動所致的低頻幹擾, 可進行三點式補償等。又如: 為提高腕力傳感器的動態品質, 可按主分量通道的特性要求設計動態補償器, 再按多分量解耦要求設計解耦環節, 以便既能快速跟蹤輸入信號、 提高動態響應速度, 又能去除耦合信號、 減小測量不確定度。

傳感器部分是測量係統的輸入端, 它與被測的重量或力、 過程或係統相連接, 並給出一個取決於被測量的輸出信號。信號適調部分將傳感器的輸出信號進行加工, 例如將電阻變換為電壓或電流、 信號放大或衰減、 濾波、 調製與解調、 阻抗變換、 線性化及轉換成數字編碼信號等, 以便成為適宜於進一步處理的形式。信號處理部分接受適調部分輸出的信號, 並對其進行必要的運算, 轉換成適宜於顯示或記錄的信號。顯示、 記錄部分是測量係統的輸出端或終端, 以觀測者便於認識的形式來顯示、 記錄重量或力值。

稱重測力係統的上述四個組成部分的劃分是相對的, 有時甚至可以不存在中間部分或某部分不止一次出現; 但是對被測對象進行稱重、 測力並給出具體量值的基本功能必須予以保證, 也包括保證靜態與動態計量特性、 安全性能及消費者利益的專用功能在內。一個稱重測力係統, 可以由若幹台儀器組成; 也可將全套測量係統組裝成一台整機。

眾所周知, 動態測量是指為確定量的瞬時值及( 或) 其隨時間變化所進行的測量, 即被測量是隨時間而變化的; 而靜態測量則是指測量期間其值可認為是恒定的量的測量。顯然, 在動態測量中必須考慮信號的響應時間, 即考慮激勵受到規定突變的瞬間, 及響應達到並保持其最終穩定值在規定極限內的瞬間, 這兩者之間的時間間隔。而在靜態測量中, 通常並不考慮信號的響應時間,隻關注測量結果的不確定度和隨時間的穩定性或可靠性。

在研究動態稱重測力時, 通常的方法是同時或單獨測出對象的加速度、 位移與速度, 然後用數值積分方法或直接方法求解稱重測力過程的微分方程, 以求得重量或力值。另一種方法則是把動態測量作為一個參數估計和預測問題來處理, 即首先根據有關稱重測力係統的先驗知識, 推導出一個含有未知參數的模型, 然後用該模型去擬合稱重測力過渡過程信號, 從而獲得最小平方誤差意義上的參數估計[ 3]。由於被測重量或力值可以看成是稱重測力過程的終值, 它們可以用模型參數加以估計或預測出來。

在動態稱重測力技術方麵, 盡管傳感器的最新硬件技術起著重要的作用, 但是基於動力學係統模型的軟件技術, 對於設計動態測量的算法來說, 卻是更為本質和更為重要的。這也就是說, 應當利用測量係統的數學模型, 把解決問題的主要精力放在軟件方麵; 誠然, 硬件和軟件這兩條途徑, 對於研究動態稱重測力技術都是必要的。

 2  自動在線測量

在1958 年自動在線的連續稱重裝置問世之前, 生產線上產品的稱重或重量控製都是人工進行的, 即: 定時取出, 分別稱量。這種/ 抽樣檢查0方法, 顯然已不適應當前高速生產、 質量管理和切實保護消費者權益的要求。

為了不觸犯有關法規, 例如在美國不觸犯NIST( 國家標準和技術研究院) 第 44 號手冊5稱重和測量裝置的規範、 允差及其它技術要求6[ 4]和130號手冊《法製計量和發動機燃料質量統一法律和法規》[5]規定的有關要求, 製造商們對直接銷售的產品已開始采用 100% 重量檢驗的原則。如果不能進行在線自動稱重, 製造商寧可采用稍微超重裝料的原則, 以防份量不足而丟失信譽。

實際上, 在生產過程中需要快速而簡易地在線采集和校驗統計數據, 如果連續出現一組次品,生產者即應關閉生產線並立即檢查原由。因此,傳統的抽查方式已不再適用, 有逐漸被在線檢測取而代之的趨勢。七十年代末微機引入稱重計量儀表, 給稱重技術的發展注入了活力。當前, 用於在線測量的自動秤, 已不僅僅是為了剔除重量不足的產品, 更是為了進行重量控製、 統計分析與處理。

稱重計量儀表與計算機相聯後可以編製出生產者想要的書麵報告, 例如: 實時計數的直方圖,重量的標準[ 偏] 差, 運行的平均值, 相關的參數報告、 統計報告以及按時間、 數量或重量分類的間隔報告等。因此, 生產者可以在遠離計量站的質量控製室裏, 通過遙控麵板來改變參數, 而不必再在生產線上來回走動, 甚至還可以同時看管幾條生產線。對於食品、 化妝品、 藥品以及化工等行業而言, 這種在線測量的自動秤無疑將使生產管理者的工作變得簡煉、 準確、 安全而高效。

用於重量在線測量的自動秤主要有以下 5種[ 6]:

(1) 重力式裝料自動秤。根據 OIML( 國際法製計量組織) 第 R61 號國際建議, 它是通過自動稱量程序, 把物料分成預定的、 重量恒定的散狀物品( 載荷) 裝入容器的自動秤, 通常包括選擇組合秤、 多鬥組合秤及減量裝料秤三種。它們主要由一個或多個自動給料器或者與一個或多個稱量單元相關的裝置, 以及適當的控製裝置與卸料裝置組成。

( 2) 檢重自動秤。根據 OIML 第 R51 號國際建議, 它是對預包裝的分離載荷進行稱量或對非包裝物的載荷進行分類的自動秤, 國外直接稱為抓料自動秤。其中 X( x ) 級秤用於按照 OIML 第87 號國際建議對包裝品淨含量的稱重; Y( y) 級秤則用於按照重量對物品進行分類( 例如: 檢驗秤、分選秤等) , 也可以用於按重量對單個物品進行計價並打上標簽( 例如: 價格標簽秤等) 。

( 3) 連續累計自動秤。根據 OIML 第 50 號國際建議, 它是安裝在皮帶輸送機的適當位置上, 對散狀物料進行連續、 累計稱量的自動秤, 簡稱皮帶秤。

(4) 非連續累計自動秤。根據 OIML 第 107號國際建議, 它是把一批散料分成若幹份分離的、不連續的載荷, 按預定程序依次稱量每一份載荷後分別進行累計, 以求得該批物料總量的自動秤,簡稱累計料鬥秤。

(5) 自動軌道衡。根據 OIML 第 106 號國際建議, 它是在鐵路線上稱量運行中貨車重量的一種自動秤。其稱量台麵( 秤台) 有足夠的工作長度, 以保證列車通過台麵時有足夠的時間進行有效的采樣。按其計量方式可分為軸計量、 轉向架計量以及整車計量 3 種。

總之, 檢驗秤是將不同重量的物品, 按其重量與標稱設定值之差, 細分為兩組或多組的檢重自動秤。分選秤則是按給定的重量範圍, 細分為若幹組的檢重自動秤。皮帶秤無需對物料按重量進行細分, 輸送機的皮帶可按單一速度或多種速度運轉。料鬥秤在逐次稱量時物料的重量通常各不相等, 在確定每鬥的實際重量後即進行累計, 我國糧食行業( 例如: 儲備糧庫等) 也稱它為散糧自動秤。

另外, 帶有包裝機構與相關控製裝置的選擇組合秤通常包括一個或多個稱重單元, 並可計算出各稱重單元的相應載荷及由它們組合而成的灌裝載荷, 因而在我國通常稱它們為定量包裝秤或灌袋秤。而自動軌道衡已經發展成為軌道載荷、車輛狀態安全監測係統, 能在較快速度下( 40~ 80kmP h) 測量車輛的輪重、 軸重、 超載、 偏載、 車輪扁疤, 以及識別車輪嚴重減載可能危及的行車安全,從而為列車提速、 保障安全提供了檢測手段[ 7]。

以上不同種類的自動秤, 在重量、 力值、 載荷的自動在線測量中各具特色, 發揮著不同的作用。

 3  模型化測量

稱重測力儀器作為一種常用的計量測試設備, 可以認為近百年來經曆了 4 個階段: 首先是延續了半個多世紀的機械式的模擬儀器時代; 接著是機電式的電氣儀器和電子儀器時代; 然後於二十世紀七十年代末跨入近期的數字式儀器和微機化儀器時代; 隨之而來的便是九十年代開始進入的模型化測量( MBM) 儀器的新時代。

這是因為人們不僅要求得到測量結果, 還要求對測量結果進行綜合評價, 即對被測的重量和力值進行狀態估計、 診斷或趨勢分析。人們實際麵對的, 常常是需要實時測量的、 多變量的動態過程或係統。所以, 僅僅采用傳統的測量方法及數值處理手段是不夠的, 而需要借助於模型建立和參數估計, 以實現智能化測量。

智能稱重測力儀器與微機化稱重測力儀器的顯著區別, 就在於智能儀器中無論是K8凯发大酒店天生赢家、 推理、判斷或自適應等功能, 均需要各種數學模型構成，智能儀表與微機化儀表的區別示意圖的知識層。 在這個層麵上, 需要K8凯发大酒店天生赢家經驗, 獲取與記憶知識, 推理、 判斷與解決問題。例如: 需要進行自動補償、 自動校準、 自選量程、 自尋故障、 雙向通信以及適應外界環境等。具有這樣能力的測量, 方可稱作是智能化測量。 

事實上, 利用數學模型或模型化測量的稱重測力方法是很有前途的。它把測量視為一個過程, 把計量儀器視為一個係統。根據事先掌握的信息即先驗知識, 以及實驗獲得的數據即後驗知識, 利用係統辨識來建立計量儀器的數學模型, 並通過相應的算法來處理數據和全麵地描述儀器,從而對其性能進行狀態估計, 或通過軟件來改善計量儀器的硬件環境。

模型化測量為解決日趨複雜的動態測量問題開辟了一條新路。例如: 稱重係統采用二階係統的自回歸滑動平均模型, 借助於這個模型和遞推的最小二乘法( RLS) , 即可由極短的稱重階躍響應估計出模型參數和被稱的重量。仿真計算表明, 在輸入端有白噪聲幹擾時, 可用 RLS 估計出重量。該法要求的測量時間很短, 通常不超過一個振蕩周期即可得到良好的結果。

在微機化測力稱重儀器中, 目前也有引入知識模型而構成專家係統, 即把優秀的稱重測力專家的思維過程固化到測量程序的軟件中, 與計算機修正程序結合起來, 進而提高計量儀器的測試能力和故障檢測能力。由此可見, 測量軟件對於稱重測力技術未來發展的意義不可低估。

 4  數字化測量

為了適應動態測量的需要, 在稱重測力係統中作為係統輸入端的傳感器至關重要。特別在需要智能化的場合, 傳感器的直接或間接數字化已必不可少, 此時測量不確定度和測量速度往往是一對矛盾, 兩者很難兼得, 而須根據實際情況作折衷選擇。在稱重測力領域, 我國目前大量生產和應用的都是傳統的模擬式傳感器。模擬信號的輸出較小, 以生產量最大、 采用電阻應變原理的稱重測力傳感器為例, 一般最大輸出為 30~ 40 mV, 故其信號易受射頻幹擾和電磁幹擾, 電纜傳輸距離也短, 通常在 10m 以內。

而同樣是電阻應變式的數字化傳感器, 其輸出信號可達 4V, 是模擬式傳感器的 100 倍。強信號的電纜傳輸距離可達 150 m, 附加電源後則可超過 600m。

人們一直在為改善模擬式稱重測力傳感器性能所需的各種補償而耗時耗力, 特別是在尋求廉價的靈敏度溫度補償、 零點溫度補償、 非線性補償、 滯後補償、 蠕變補償, 以及它們之間可能存在的交互( 耦合) 作用的補償機理和補償辦法。而數字補償技術卻為此提供了新的解決途徑, 因為即使是基於微處理器的數字化傳感器, 也能通過線路設計和軟件設計實現數字補償[ 8~ 10]。

在使用多個傳感器並聯的容器稱重係統( 料鬥秤或配料秤) 、 平台稱重係統或秤橋( 汽車衡或軌道衡) 中, 利用數字係統可實現/ 自校準0。這是因為多通道的數字傳感器係統, 不存在阻抗匹配問題; 用戶輸入各傳感器的地址、 秤量和靈敏度,即可自動進行秤的/ 四角0或/ 邊角0平衡, 不必一次次地反複調整。而在模擬係統中多個傳感器並聯接線後, 每個傳感器的特性就不再是可辨別的了, 校準時需在每一個傳感器上施加砝碼並利用接線盒中的分壓器進行調整; 由於調整時存在著交互作用, 因而需反複多次。在數字係統中, 則允許分別複核作為單體的每一個傳感器。實際上,校準裝有數字傳感器係統的秤所花費的時間, 僅為模擬係統的 1 /4。

利用數字係統可以實現“自診斷”, 即診斷程序會連續地檢查各傳感器信號是否中斷、 輸出是否明顯超出範圍等。若有問題, 在儀表或控製器麵板上會自動顯示或報警, 用戶利用麵板上的鍵即可尋找各個傳感器, 獨立地確定問題原因並進行故障排除。這種直覺診斷和故障排除能力, 對用戶顯然是一種重要優點; 而在模擬傳感器係統中則是很難以低成本實現的。

在稱重測力領域中, 典型模擬傳感器係統的模數變換器的分辨力為 16比特, 即有 50000 個可用計數; 而數字係統中每一個傳感器的分辨率為20 比特, 即有 1 000 000 個可用計數。所以, 一個裝有 4 個數字傳感器的係統即可提供 4 000 000個計數的分辨率。這種高分辨率的優點, 特別適用於秤架自重大而被稱物重量小的場合。例如:在配料稱重係統中, 有時其中某配方的物料僅占很小比例, 但準確度要求卻仍然很高。這在傳統的模擬係統中同樣是很難實現的。

目前, 傳感器數字化的方式通常有兩種。一種是將AP D變換器連同前級的放大器、 濾波器以及後級的微處理器芯片、 溫度敏感元件等一起, 放在傳感器殼體的內部, 形成一個整體。由於傳感器的輸出已經是數字信號, 所以稱重儀表中的模擬信號處理單元可以取消, 其結構得以簡化。另一種方式是傳感器本身一切照舊, 而隻是將 AP D變換器等放到附近的接線盒( 也稱模塊) 中。前者稱為整體型, 後者稱為分離型。

一台普通的雙剪切梁傳感器大約包括 11 個電子元件, 共有 30 個焊點。變成整體的數字式傳感器後, 目前包括約 60 個電子元件和 350 個以上焊點。傳感器的平均無故障時間( MTBF) 是與其包含的電子元件數和焊點數成反比的, 因而整體型數字稱重傳感器的可靠性顯然有所下降。

分散型數字稱重傳感器, 或確切地說數字稱重係統, 用基於微處理器的數字傳感器模塊替代了通常的接線盒。每個傳感器信號的高速和高分辨率的 AP D 變換, 就是在此模塊中完成的, 最多可以接12 隻傳感器。數據或資料被數字化後, 通過串行通信接口, 傳輸到/ 數字過程稱重控製器0。這種光耦合式的數字數據或資料的連結, 可傳輸高電平數字信號而不受射頻幹擾和電磁幹擾等電噪聲的任何影響。
 

顯然, 分散型方式更適宜於在原有模擬稱重係統的基礎上, 不必更換傳感器就可以向數字稱重係統發展, 不失為對傳統技術改造的一條捷徑。可以預見, 數字傳感器和數字稱重測力係統在我國的發展將會是很快的。

參 考 文 獻

[ 1]  Ono T. Recent Topics in Dynamic Mass Measurement)-A System Theoretic Approach[ A] . Acta ISMFM[ C], Be- ijing, CSM and SICE, 1992: 16- 23.

[ 2]  徐科軍, 殷  銘. 腕力傳感器動態補償與解耦方法的研究[J] . 計量學報, 1998, 19(4) : 275- 280.

[ 3]  殳偉群. 基於參數估計的動態稱重新方法[ J]. 計量學報, 1993, 14(2) : 149- 153.

[ 4]  Specifications, Tolerances, and Other Technical Require -ments for Weighing and Measuring Devices[ S]. NIST Handbook 44, 2000.

[5]  Uniform Laws and Regulations in the Areas of Legal Me -trology and Engine FuelQuality[ S] . NIST Handbook 130,2000.

[6]  OIML R50, R51, R61, R76, R87, R106, R107[S]. Interna -tional Recommendation published by the International Or -ganization of Legal Metrology, 1995- 2000.

[7]  李家林等. 軌道負荷、 車輛狀態安全監測係統[ R].鐵道科學研究院研究報告, 1999.

[8]  施昌彥. 數字傳感器和數字稱重係統[J] . 現代計量測試, 1997, 5(3): 3- 5.

[9]  Fahy J. Weighing in Process Automation -Digital Load Cell Technology[A] . Proceedings of the Asia -Pacific Sympos -ium on Mass and Force[C], Beijing, 1996: 94- 99.

[10]  劉  雲. 數字化智能稱重傳感器的實現[A]. 全國第二屆測力與稱重技術討論會論文集[ C], 常州,1993: 47- 52.

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