一、前言
數字稱重係統通常是指由數字傳感器或數字接線盒組成的稱重係統。二十世紀八十年代開始提出數字稱重係統的概念以來, 至今數字係統已得到大家的認可, 並越來越得到廣泛運用。特別是在工業領域已逐漸形成取代傳統模擬式稱重係統的趨勢。在國內一些廠家生產的數字傳感器, 已得到用戶的認可。但對於數字稱重係統至今仍存在著觀念上的混亂和誤解。以往國內一些介紹數字傳感器的文章, 幾乎都是著重介紹數字傳感器與模擬傳感器在製作和結構方麵的不同, 評述兩者在性能補償方麵的差異, 而對由數字傳感器或數字接線盒構成的數字稱重係統所包含的新概念, 以及它的實際運用介紹極少, 以至大多數人僅知道數字傳感器在汽車衡四角偏差調整所帶來的優點, 而對其更深層次、更本質的特性和優點, 確不甚了解。
本文將闡述數字稱重係統的基本概念, 介紹數字傳感器和數字接線盒的主要特點, 最後再舉一些數字稱重係統的運用實例。
二、數字稱重係統基本特性
如果把數字傳感器簡單的理解為隻要能將稱重傳感器的模擬電信號轉變為數字信號或脈衝信號,就是數字傳感器, 那就太表麵化了。因為以往不少類型的力式稱重傳感器, 如振弦式、電容式、音叉式、諧振晶體、表麵波式傳感器就其工作原理, 均能直接輸出“ 數字”式脈衝信號, 而我們現在所謂的“ 數字傳感器”恰好不是真正的數字傳感器, 它是將由應變計因形變產生的模擬電壓經過模數轉換器轉變為數字信號, 而不是直接輸出數字脈衝信號的“ 數字傳感器”。
另外, 一方麵既使對應變式數字傳感器而言, 由表麵形式看, 國外有人認為“ 模擬稱重係統與數字秤之間的主要區別在於對這些元件的安排和布置”因為已往的電子顯示器也同樣包含有模數轉換器、微處理器, 同樣可傳出數字信號, 那麽它們之間的本質上的差別是什麽呢?
我認為可以歸納為以下幾點:
( 1) 以前的模擬秤式稱重係統, 它的最底層的溯源器是標準砝碼。而數字傳感器、數字接線盒或數字稱重係統, 通過傳感器的靈敏度( mv/v) 值, 就可得到稱重物的質量值, 即通過靈敏度的轉換, 可將力值( 或質量值) 準確的轉變為相應的電量值, 測量該電量值就可得到被測力值, 它的最底層的溯源器是標準力源, 不必通過標準砝碼溯源。而模擬式稱重係統的顯示器, 在未經標準砝碼校準之前, 輸出是一個無物理意義的量, 測量它並不能知道施加在與它相連接的傳感器的力值為何值。由於數字係統特性,它無需砝碼的標定, 就可測出所施加的力值( 或質量值) , 這就是數字係統與傳統模擬稱重係統最主要的本質上的差別。由此引入的稱重新理念, 使我們對數字稱重係統有了更深層次、更新穎的認識, 這一特性奠定了數字稱重係統無砝碼校驗的基礎, 這種性能在工業領域顯得更突出。
( 2) 數字稱重係統, 可對該係統內的每一隻傳感器單獨尋址。從而可對每隻傳感器進行監控、故障辨認, 以及可以單獨處理每隻傳感器的稱重信息, 大大提高了稱重係統的控製能力和靈活性。而不象傳統的模擬係統, 當一台由多隻傳感器組成的大型衡器, 這些傳感器是被並聯起來使用, 每一隻獨立的傳感器的特征已不能被區別, 而且在調節每一隻傳感器受力的均勻性時, 互相間會有影響, 這不僅要經過反複調整才能達到滿意的結果, 而且還破壞了各隻傳感器原有的計量特性。數字稱重係統對每隻傳感器單獨尋址的特點,對實現“ 自診斷”、監控、易於維修等都是模擬稱重係統不能相比的。
( 3) 數字稱重係統可以直接處理每一隻傳感器提供的原始稱重數據, 每隻傳感器可提供高於20bit的分辨力, 相當於1, 000, 000 個計數, 四支傳感器的係統就可提供4×1, 000, 000 個計數供分析, 就配料係統而言, 這樣高的分辨力對添加小量物料更有利。由於數字稱重係統是先對原始信號進行分析處理,這樣就有可能在導致不正確的稱重結果之前, 就可以發現那些傳感器的輸出是否超過預定範圍和出現錯誤。
這三方麵的新概念, 使得數字稱重係統比起傳統的模擬稱重係統又上了一個新台階, 使得數字稱重係統更易與現今工業控製發展的潮流—現場總線技術和控製網絡、信息網絡技術相接軌。
三、數字係統的類型
基本上可分為兩類: 數字傳感器和數字接線盒這兩類係統的主要不同點在於, 前者將模數轉換器、數字電路、微處理器等裝入傳感器的外殼內, 而後者則是將相同功能的電路裝在傳感器附近的單獨的殼體內。
( 1) 數字傳感器: 它通常包括“ 簡單”的數字傳感器和“ 聰明或靈巧”的數字傳感器。
簡單的數字傳感器是指將數模轉換器和電子線路裝在傳感器的外殼內, 有的還對傳感器的線性做修正, 能將模擬信號轉換為數字信號輸出。這種傳感器現已很少有廠家生產。聰明或靈巧的數字傳感器, 雖然同樣是將數模轉換器、數字電路和微處理等裝入傳感器外殼內, 但它能對傳感器的線性、滯後、蠕變、零點和量程的溫度效應進行所謂數字化補償。並可儲存傳感器的有關數據和參數, 能通過專用的顯示器輸入指令; 輸出用數字ASCⅡ編碼的數字信號; 能提供RS485 或RS488 接口, 這就是目前廣為使用的數字傳感器。這
類數字傳感器近年來之所以得到大家的認可, 主要是由於傳感器的長期穩定性和可靠性越來越高, 另一方麵是因為數字電路的價格大幅度下降, 所以使數字傳感器在一般場合的使用中能對傳統的模擬式傳感器形成明顯的競爭力。使用戶在增加不多的費用情況下, 也能使用高技術的產品。
( 2) 數字接線盒: 它分為有顯示功能和無顯示功能兩種, 表麵上看它們與傳統的模擬顯示器毫無區別, 但本質上確有根本的不同。傳統的顯示器加上傳感器, 如果不經標準砝碼校準, 是不能用來測量質量的量值。而數字接線盒, 隻要由鍵盤輸入與之相連接的傳感器的靈敏度值就可用來測量質量的量值。較早的數字接線盒隻有一個輸入通道, 而近來廠家提供的數字接線盒, 一般有四個輸入通道, 有的甚至更多。它與傳統的顯示器之間還有一個明顯的差別, 就是它具有對所接傳感器單獨尋址的功能, 並能存儲有關的參數。與數字傳感器一樣, 可通過專用的顯示器或PC 機對其監控, 構成所需的稱重儀。它與數字傳感器的差別是不能對傳感器的計量特性( 除線性
外) 進行補償。
四、數字傳感器與數字接線盒的比較
首先介紹一下最早研製數字傳感器和數字接線盒的目的。1980 年某公司提出了數字( DigitalTM) 傳感器的概念, 試圖用來克服大型衡器, 如罐秤、汽車衡在現場校準和調整四角偏差時的困難。某公司也基於相似
的考慮, 開始進行這方麵的研製工作。而某公司和某公司則是為了配料、包裝等稱重係統,也提出了數字係統的概念, 並開發了相應的產品。
某 公司和某 公司開發的係統, 是可以使用傳統的標準傳感器, 作為敏感元件的所謂數字接線盒, 雖然某公司也研製過數字傳感器, 但根據他們的經驗認為, 在大型衡器和汽車衡方麵使用數字接線盒更有利。
數字傳感器與數字接線盒各有優缺點, 以下就它們之間的主要差異作一分析。兩者間的最主要差別在於: 數字傳感器能對傳感器的溫度性能、線性、滯後和蠕變進行數字補償, 用微處理器對應變計的這些特性進行補償, 從理論上講, 要比傳統的模擬補償方法更為精確、有效。我認為這種補償方法隨著數字傳感器生產量的增大, 補償設備的改進, 成本會越來越低, 不僅可以避免手工操作和人為因
素, 還可提高效率。因為隻需將每隻傳感器性能試驗的測量數據, 經計算後, 就可將補償參數下載到數字傳感器的存儲器內, EP 可完成補償。另一方麵,由於整個電子線路是安裝在傳感器的外殼內, 與應變計是“ 零距離”這樣可以大幅度降低噪聲和幹擾,使數字傳感器獲得極高的分辨力, 一般可達20bit以上。有的廠家認為經數字補償後可提高傳感器的精度級別。但也有廠家不同意這樣的觀點, 認為數字補償並不能提高傳感器的基本性能。有一種觀點認為, 模擬傳感器僅包含11 個左右元件和30 個焊點, 而數字傳感器包含有近60 個電子元、器件和多達350 個焊點, 這樣數字傳感器的可靠性要比模擬式傳感器差得多。
我認為這種觀點, 雖然有一定理論依據, 但過於片麵, 因為模擬稱重係統的顯示器中仍包含有模數轉換器、放大器、微處理器, 這樣模
擬稱重係統的顯示器要比數字稱重係統的顯示器的可靠性差。就整個係統而言, 從可靠性方麵考慮應差不多, 實際運用中也證明了這點。但在抗衝擊、振動等方麵, 數字傳感器的可靠性要稍差一點。數字式傳感器主要有三個缺點: 第一, 數字傳感器有
損壞, 不易修複, 特別是一般廠家更沒有這樣的條件。而模擬傳感器, 隻要彈性體沒有損壞, 一般廠家均有能力修複。目前數字傳感器價格要比模擬傳感器貴很多, 因此它損壞帶來的經濟損失也要大得多。第二, 除柱式傳感器外, 切變梁式、S 型等傳感器不易實現數字化, 因為它們沒有足夠的空間來安置所需的電子線路。這對普及數字傳感器也是一個有待解決的問題。第三, 由於數字傳感器的外殼內安裝有電子線路, 因此在極低和極高溫度下使用不如模擬傳感器。而現在的模擬傳感器使用溫度, 高溫可達300℃, 低溫達- 40℃。
數字接線盒的最大優點在於, 可以不更換傳統的模擬傳感器就可把原有的模擬係統改為數字係統, 並且所需費用也不太多, 對大型衡器而言, 節省下來的使用砝碼的校準費用, 就夠買一台數字接線盒。數字接線盒可以與各種類型、不同廠家的傳感器連接使用, 更有利於對老係統的改造。這在近期更為適用國內的用戶, 具有廣闊的市場。但由於傳感器與數字接線盒之間仍有一段傳送小電壓的電纜, 還會受到幹擾和引入噪聲, 使得數字接線盒的高分辨力打了折扣。另外當傳感器的引線受到損壞需要更換時, 往往需重新進行溫度補償和校準。而數字傳感器與顯示器之間的引線, 隻起通訊傳輸作用, 對它的更換不影響傳感器的計量性能。
兩種數字係統都有很大的市場和技術發展空間, 從發展前景而言, 數字式傳感器應更有潛力, 而就近期而言, 特別是對國內用戶, 數字接線盒更易被接受。
目前我國數字係統主要用於汽車衡, 並且毫無例外是使用柱式數字傳感器而在其它方麵運用數字係統的還不太多, 我想主要是某公司對數字傳感器用於汽車衡的宣傳力度大, 它的四角偏差調節和不易作弊的優點, 已得到用戶的認可。而數字稱重係統在其它方麵運用的優點, 還不太為人所知, 特別是在工業領域, 使用數字稱重係統, 不需用砝碼標定帶來的好處, 還未受到衡器廠家和用戶的認識, 對數字稱重係統在稱重技術發展帶來的新理念了解不夠, 因此阻礙了數字稱重係統在我國的廣泛應用。
五、數字稱重係統的實際運用
1. 無砝碼全數字式標定。可以說隻有在數字稱重係統出現之後, 無砝碼標定衡器才得以重視。對於工業領域使用的大量非法製強製管理的衡器, 以及在某些場合或邊遠地區, 礦井下等, 砝碼數量不能滿足檢定要求的, 都可使用全數字無砝碼標定方法, 使衡器得到足夠精度的標定。這樣即省力、省時又可節約經費。我們曾在某鋼廠, 僅花兩天時間就完成了包括鋼包秤在內的七台大型衡器的標定。我們曾使用數字接線盒, 進行研究和實驗, 證明隻要秤體設計合理, 對鬥秤、罐秤等衡器, 使用數字式無砝碼校準, 達到0.1%( n=2000 分度) 的精度是不成問題, 如果衡器的機械結構合理, 精度能達到n=3000 分度。使用數字稱重係統, 在標定方麵節省的費用, 差不多夠補償使用數字稱重係統所增加的費用。另外對有些衡器現場標定很不方便, 甚至有危險, 例如對20t 軸載秤, 在滿量程現場標定時, 由於秤台很小,要堆20t 砝碼不僅困難, 而且危險。若是使用數字係統, 這種工作隻需對該產品由計量部門進行型式批準( 包含了滿載荷20t 的試驗) 。這樣衡器在現場就不需再經過靜態滿量程校準, 隻需用參考車輛進行動態或靜態的實物標定即可。對於大型衡器, 用不及滿量程五分之一的砝碼標定, 還不如使用全數字無砝碼標定, 更精確。
2. 提高配料係統的精度和靈活性。由於數字稱重係統具有模擬係統不可達到的高分辨率( 1, 000, 000計數以上) , 數字係統是對傳感器輸出的原始信號事先進行處理, 這樣就可以在這些信號有問題時, 事先發出警告, 在最終稱重結果出現之前就可以查找差錯和問題, 具有很好的自診斷能力。對多隻傳感器支承的稱重係統, 當有一隻傳感器出現故障時, 可以先中斷該傳感器的工作, 根據先前的經驗和數據, 在保證一定精度的條件下完成該次稱重過程, 這樣就可避免原料的浪費, 並節約時間。可以快速、甚至是實時改變稱重的分度數, 改變配料比例, 加之極高分辨力可提高小量配料的精度, 這些都使配料係統具有更大的靈活性。
3. 易於實現一機控製多台稱重設備並具備與其它控製係統兼容的能力。這是由於可對單隻數字傳感器或數字接線盒相連的傳感器獨立尋址, 例如某公司的FT- 03 顯示器就可與12 隻數字傳感器連接, 早年某公司開發的ALCP ( Ad-vanced Load Cell Protect) 係統, 可對32 台設備, 256個地址進行監控, 實現對30 個罐秤( 每台有三隻傳感器) 的現場每秒一次的掃描監控。另外由於數字係統易於實現信號的“ 光隔離”, 具有耐不可預料的電湧或雷擊造成災難性損壞的能力。
4. 運用實例
某公司的數字係統是使用該公司的專利FIT( Fast Intelligent Transducer) 數模轉換。FIT( 快速智能轉換) 具有很好的性能, 與FFT( 快速傅利葉變換) 可供動態測量, 過程控製、圖象顯示用。近年該司為家禽產業設計的雞肉包裝係統( 4000X) , 由於使用了具有FIT 的數字傳感器, 不僅使包裝稱重具有更高的速度( 90 包/分鍾) 和更精確的計價, 而
且增加了包裝台的尺寸, 由18 增大到20 , 並具有12磅( 最高可達35 磅) 的能力, 改進了自動操作過程, 減少生產過程中的故障時間。b) Toledo 的數字傳感器和某 公司的數字接線盒用於汽車衡, 都是成功的事例。不僅可自動調節四角偏載誤差, 還可最大限度的避免人為作弊和幹擾, 在計量部門的認證許可下, 可在沒有校準條件的場合, 使用全數字無砝碼標定。並易於實現對多台汽車衡, 直到每一隻傳感器的監控和維護。在美國就有對多達800 台汽車衡的使用數字係統管理的實例。
c) 某 公司是早年提出數字接線盒概念的廠家之一, 它推出的ALCP 係統, 是將模擬傳感器與數字接線盒結合在一起的混合式數字稱重係統。其價格隻比傳統的模擬稱重係統高出10%左右。曾用ALCP 係統對某機場的貨運係統進行改造, 取得了顯著的效果, 得到了用戶的讚賞。ALCP 係統對大型衡器、複雜鬥秤、配料係統、多傳感器係統均適用。
六、結束語
數字式稱重係統是稱重技術發展的必然趨勢,否則難以與現今控製技術發展的潮流現場總線、控製網絡、信息網絡的概念相適應。數字稱重概念的引入, 使得衡器在使用傳感器時與以往有很大差別, 例如在使用已經標定過的溫度或壓力傳感器時, 不再需要在實際運用時再進行其它標定, 而過去衡器使用的傳感器, 雖然已經過標定, 具有精確的靈敏度值, 但衡器使用時, 不經砝碼標定就不能使用。隻有在數字式稱重係統概念引入之後, 才可以實現通過直接使用傳感器靈敏度值, 無砝碼校準/標定衡器。這是稱重技術觀念上的重大改變。
第二, 在前麵已指出, 數字稱重係統能夠廣泛認可, 是基於應變式傳感器長期穩定性和可靠性的大幅度提高和數字電路價格大幅度下降, 使得數字係統與模擬稱重係統的價格越來越接近。因此, 我們要發展數字稱重係統, 首先要在應變式傳感器的穩定性和可靠性上下功夫。
由於數字傳感器使用了有效的數字補償技術,使得我們在設計新型傳感器時, 可以把重點放在它的力學性能合理性方麵, 而對溫度、滯後、蠕變、特別是非線性的影響放在次要地位。另外, 不少廠家近年都推出稱重組件, 將傳力係統與傳感器結合在一起,使得秤體的設計更為簡單和規範。因為稱重組件或稱重模塊的使用, 大大降低了機械係統引入的誤差,從而也大大提高了數字係統在無砝碼校準時的精度。例如使用稱重組件的汽車衡, 就有獲得專利的Self- checking mounting system( 自製動底座係統) 。可使秤台在加載後即時恢複到原來的位置, 而不再需要汽車衡原有的限位裝置, 提高了衡器的性能, 更利於使用數字係統。所以數字係統引入後, 如何減少
機械傳力係統的誤差, 也是今後設計衡器的重點, 在最新OIML R76 號國際建議的修改稿中, 就規定稱重模塊的誤差分配係數Pi 可以為1。即在一稱重係統中可以不考慮機械和顯示器誤差。第三, 國內已有一些廠家能夠生產數字傳感器,但對數字接線盒的關注確不夠。
我認為, 目前在國內數字接線盒的使用應當具有更大的市場, 更容易為用戶接受。這是因為目前隻有少數型式的傳感器才能將數字電路裝入傳感器的外殼內。絕大多數型式的傳感器還不能構成數字傳感器。而數字接線盒可對幾乎所有傳統模擬式的傳感器實現數字化, 在不更換原傳感器和機械結構的情況下, 就可對原有模擬係統改造, 而且費用也不太多。最後要指出, 即使是非強製性管理的稱重係統,仍屬法製管理的計量器件, 仍需通過有關部門的型式批準。數字係統有很多優點, 現在才是初步運用, 有廣闊的發展空間, 隻有通過更多的運用和實踐才能更深層次的發現數字稱重技術的優點。

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