静态称重、动态称重及测力计量原理的差异或误区

静态称重、动态称重及测力计量原理的差异或误区

 

随着现代电子技术、计算机技术的飞速发展,称重/测力概念已经与传统概念相距甚远。

说起称重,我国目前的中学课本也依然在用“杠杆秤”做为教学演示。说起测力,还在用“度盘弹簧”做演示。与现代实际应用落后甚远,以至于,谁都对“秤”这个名词很熟悉,但,一提到“电子秤”,没几个能讲清楚是什么原理、怎么工作的。

按照“国际法制计量组织OIML”定义,称重计量分为静态称重及动态称重二种形式。产品形式,依然包含机械产品。产品形式没有好坏,但产品质量肯定存在优劣。现在,绝大多数应用场合都是电子产品、智能产品了。

因此,本文暂不包含“机械衡器”或“机械秤”,与本文的工作原理完全不同。

另外,还有一个与称重精密相关的,就是“天平”,或称之为称量更加精确的衡器。现代“高精度电子天平”也有自己的测量技术领域,也不在此文讨论范围。

本文仅讨论以“电阻应变式传感器技术”为基础的称重/测力系统。

 

一、应用案例

1-1. 称重计量案例

称重系统,随着现在机械、电子技术的发展,有我们可以清晰可辩的“秤”,也有我们看不见的“秤”。

静态称重产品,一般,作为独立可见的“秤”,即,我们日常所说的“衡器”或“秤”。常见的有:计价秤、计重秤、计数秤、台秤、平台秤、汽车衡、轨道衡、动物秤,等等。

动态称重产品:有我们稍加观察可见的,如:检重秤(或称复选秤)、皮带秤、等等。

更多的,则是我们一样无法辫出的产品,因为是应用称重原理控制的计量产品,我们仍然称之为秤,实际上是系统产品或设备,如:包装秤、灌装秤、分选秤、配合配料秤、料斗秤、散料秤、米秤、等等、等等。实在无法以“秤”命名的,冠以“称重系统”。

还有很多以称重原理制造的产品,可能就没有“衡器”或“秤”,如:轴重仪、水分仪、等。

从以上应用案例及产品或系统名称中,我们也可感知,称重技术已经渗透到每个环节。

1-2. 测力计量案例

测力系统,尽管与称重工作原理相同,见下面章节介绍。但,计量基准、计量标准、应用场合完全不同,产品形式也完全不同。

测力系统,也有二种产品形式,一种独立可见,一种无法分离。

独立可见的,基本用于材料检测,统称“材料试验机”,针对不同材料可命名相应的产品,如,拉力试验机、压力试验机、拉压二用试验机、冲力试验机、摩擦力试验机……等等。

无法独立工作的,使系统产品,是系统产品的组成部分,大多用于机械设备之中,因此,这类产品,测力部件所占的比例很小,尽管是控制核心,但,系统或设备名称基本上没有任何可见之处,如,锻压机、压装设备、拉伸机、组装线……。

从以上说明,测力设备或系统,是与称重系统完全不同的产品及领域。

 

二、称重/测力系统工作原理

虽然,称重测力产品或系统是完全不同的应用领域,但,二者的工作原理完全相同。可千万要清楚,相同工作原理的产品,可是相去甚远的,如同汽车,普通轿车和F1赛车。

从产品的性能上,测力产品的测量速度,远远高于称重系统。测量目标也完全不同。一些测量速度相对较慢的场合,从测量成本考虑,可以使用测量速度相对高一些的称重产品替代,但,只能作为参考值,不能作为计量值。不建议替代产品。

一些制造商,可能是出于理解问题,也有一些是故意欺骗客户,造成客户无法取得计量值、错误滞后值。

称重与测力的不同之处,我们将在各个章节比较说明。本文以称重为主线说明。

称重/测力系统工作原理如下:

 

称重/测力系统,是由外力作用后,称重/测力传感器的金属弹性体形变,导致粘贴在弹性体上的电阻应变计电桥(惠氏登电桥)失去平衡,产生电压。

称重/测力仪表控制器测量传感器电压,经过放大滤波后,由模拟A/数字D转换器转换为数字信号,数字信号经过中央处理器CPU数据处理输出作用力数值显示。

具有输入输出接口的仪表,与外部信号输入输出成为自动控制系统的整套智能装置。

因此,传感器单元与仪表显示单元组成称重/测力计量系统,称重/测力计量系统与自动化单元组成称重/测力计量控制系统。

N个称重/测力计量系统可通过通讯方式组成称重/测力网络计量系统,N个称重/测力计量控制系统可通过总线方式组成集成控制系统。

称重系统,测量的是物体质量,经过万有引力修正指示为当地重量值,表示单位为mg、g、kg、lb、t等。

测力系统,测量的是物体与物体的作用力,与当地地球引力无关,表示单位为N、KN、MN。(1kg≈9.8N,或1kg≈10N换算)。

三、称重/测力系统单元组成及特点

3-1. 称重/测力系统单元组

(1)称重系统单元组成

 

  1. 承重机构单元:重量越大、承重面积越大,称重机构要求越高;刚性要求第一。
  2. 称重传感器单元:根据称量范围、精度要求、动态状态、皮重状态、承重时间、安装结构等选用合适的传感器及复位结构。动态称重传感器具有振动频率参数,也是判断能否在相应的动态范围或速度下精确相应载荷信号的关键参数,这个参数尤其在测力传感器特殊列出。
  3. 安装基础单元:与承重机构刚性要求相似,如有基建工程的,需要符合相关设计标准。
  4. 安全限位单元:安全限位有结构防倾覆限位及传感器防过载限位二个部分。
  5. 称重物料单元:衡器称重物料为恒定质量,与物料的物理及化学特性无关,但其物料的稳定状态,影响计量过程及计量精度。自动化称重物料是变化量。
  6. 容器单元:存储称重物料的结构,不同称重目标有不同的容器结构,对于特殊皮重的一定要结合实际称量的量程。有的容器单元与承重单元是整体设计。自动化称重容器单元往往带有自动控制结构。
  7. 仪表单元:称重传感器将载荷电信号数值显示的为称重显示器,具有外部输入输出的为称重控制器,只是将信号转换为标准模拟量或数字量的为称重变送器。动态称重仪表具有独立模拟信号滤波器,集成的数字滤波功能无法消除传感器本身的外部信号杂音,这个是普通显示器与控制器的本质硬件差异或判断依据。
  8. 计算机单元:也称上位机单元。在普通称重场合,很多需要称重数据管理功能,一般由计算机软件接受数据进行处理和管理。多单元称重系统,可由网络接口实现集中管理。
  9. 打印机单元:打印机可以直接与仪表单元连接,也可以与计算机连接。现场一般与仪表连接,尤其工业现场。打印数据可以用于贸易结算或数据存储。
  10. 远程显示单元:仪表将显示数字传输给远程显示器,便于观察者清楚看到称重信息。
  11. 物料控制单元:动态称重是物料连续变化的计量,物料的物料、化学特性决定了物料的输送设备及控制方式。传感器和仪表的信号处理了能力决定了计量速度及精度,但与物料控制单元密切相关。系统控制信号由称重控制器组成输入输出电路,控制执行器的预置动作。称重控制器目前只有unipulse的产品具有独立贝塞尔滤波器,与数字滤波协同调整,才能有效精确控制计量过程。青岛汉威可以提供这方面的技术指导。
  12. 监视报警单元:对于特殊重量值,需要警报提示或提醒功能,便于及时采取相应措施。
  13. 通信传输单元:将称重单元数据通过通信接口与其他数据处理器连接,如嵌入式组态品,或计算机网络共享,一般为选购件。这类接口主要有RS-232C、RS-485、Modbus、Ethernet等。
  14. 工业总线单元:与通信传输单元不同,主要是与其他控制器连接,如PLC,扩展控制功能。主要有西门子Siemens的Profibus、Profinet,三菱Mitsubishi的CC-Link、等等,以及欧姆龙Omron、施耐德、等各家PLC的DeviceNet、BCD等等专用专用接口。

 

一个系统,最终的使用结果,与系统中的每个单元相互联系、相互影响,再好的传感器没有适合的仪表,无法发挥优异的传感器特性;再好的仪表选择了不合适的传感器,也同样无法发挥应有的性能。总线接口,也是扩展系统能否最好融入的重要关键,不仅是速度,而且环境干扰也能大大降低。

称重自动控制系统,不同物料、不同料性、不同环境,就会有不同的机械结构、电气设备、传感器及仪表选型、外部选购件接口、通信模式。

原理很简单,实施很复杂。衡器产品与自动称重系统产品,甚至是二个行业的产品。

 

        (2)测力系统单元组成

  1. 上连接件单元:由于存在拉力及压力的测量区别,一般在拉力测力系统,不仅上连接件不可或缺,下连接件也同样同样重要。
  2. 下连接件单元:所谓上下连接件,也是相对于传感器安装方向的,在压力计量场合,无论传感器向上还是向下,受力部件就叫上连接件,底部连接部分就是下连接件。
  3. 测力传感器单元:关于称重/测力传感器的内容,本人有独立章节介绍138 0895 7418顾工。测力传感器重点在动态响应速度,而称重传感器重点在静态计量精度。测力应用,一定要分析力值运行作用点。绝大部分都是单轴受力,传感器受力最好选用轴线受力型传感器。因此,大多是轮轴(轮辐)、立柱、圆板等形式的传感器,一些场合也可以使用S型传感器,尽量避免使用悬臂梁。测力传感器是作用力计量,因此,使用牛顿力N单位,不要使用制造商按照当地重力加速度校正的公斤力kgf,否则,测力场合很难有适合kg砝码二次标定加载的可能。液态气态压力计量,实际上是单位面积物理力的计量,是压强计量,因此往往用于流量计量。经常有人把液态气态压强传感器与压力传感器混淆,压强传感器是液态或气态一个面受力的计量,压力传感器是固态一个点受力的计量。扭力计量,也是作用力计量,是作用力的力臂计量,又有另外计量方法。
  4. 位移传感器单元:与称重计量最大区别,称重的高精度主要是有足够的计量时间和稳定环境;而测力计量的高精度,不仅计量时间极短,而且还需要同时测量力点位移变化。Unipulse测力仪表F381(A)可以测量的位移传感器信号输出有:电压型(0~±5V或0~±10V)、脉冲计数型(TTL)、RS422(LDI)。
  5. 作用力单元:有拉力、压力、拉压力三种测量。大多传感器只支持一个方向的力值测量,即使支持二个方向力值信号输出,也是以一个方向为基准的。这个作用力不是称重质量的重力,是物体运动产生的作用力,因此,还可以利用拉压力的测量,间接测量其他物理力,如,摩擦力、等。
  6. 仪表单元:与称重系统不同,测力只有动态过程,只是运动速度快慢而己。测力仪表大多按测量目的不同分为测力显示器和测力控制器,测力显示器主要用于材料测试,测力控制器主要用于装配工艺。材料试验注重变化过程一个突变点的计量,大多为峰值保持,如unipulse的F331、F320、F325等数显测力仪表,也叫测力计,或表头。工作原理如上节介绍,但F340A的工作原理不同。压装过程测力控制关注整个过程的力值变化以及多种突变点的判断,其要求要比材料测力高的多,如F381(A)、F370、F372等,可以显示整个力值变化波形及特殊点。压强力仪表,主要是压强传感器输出信号形式不同,有F371、F377等仪表显示器。扭矩力有F388、TM500等配套仪表显示器。
  7. 计算机单元:也称上位机单元。用途与称重系统相同,即,数据管理功能,一般由计算机软件接受数据进行处理和管理。多单元测力系统,可由网络接口实现集中管理。
  8. 打印机单元:打印机可以直接与仪表单元连接,也可以与计算机连接。与称重系统打印数据用于贸易结算或数据存储不同,测力系统主要是用于力值分析。
  9. 远程显示单元:仪表将显示数字传输给远程显示器,便于观察者清楚看到显示信息。测力系统相对称重系统,这种应用很少。
  10. 控制单元:与称重控制单元控制目的不同,测力系统控制信号由测力控制器组成输入输出电路,控制执行器的预置动作,以便监控装配质量。测力控制器目前只有unipulse的产品是专业级产品,具有独立贝塞尔滤波器,与数字滤波协同调整,以及位移传感器计量,才能有效精确控制计量过程。最新FS2000测力控制器的AD转换达到25000次/秒,是目前世界最高速度的测力仪表,没有第二家。青岛汉威可以提供这方面的技术指导。
  11. 监视报警单元:对于装配异常NG产品,需要警报提示或提醒功能,便于及时采取相应措施,避免并阻止非合格产品进入合格产品中。
  12. 通信传输单元:将测力单元数据通过通信接口与其他数据处理器连接,如嵌入式组态品,或计算机网络共享,一般为选购件。这类接口主要有RS-232C、RS-485、Modbus、Ethernet等。
  13. 工业总线单元:与通信传输单元不同,主要是用与其他控制器连接,如PLC,扩展控制功能。主要有三菱Mitsubishi的CC-Link、等等,以及欧姆龙Omron、等各家PLC的DeviceNet、BCD等等专用专用接口。

 

如同衡器与自动称重系统设备除了基础工作原理相同,产品、设计、应用、检测标准、等等都完全不同,甚至是二个制造行业。

测力系统也有相似的情况。称重/测力基础工作原理相同,但,测量的标的不同,称重是物体质量的计量,而测力是物体内部或物体之间作用力的测量。用于测量物体本身内部作用力的,称之材料试验机,如钢筋强度测量、混泥土压力测量、材料粘合力测量、等等。测量物体之间作用力的,大多在设备自动系统之中,为设备系统系统的组成单元,主要作为监控参数或数据,作为生产质量的判断依据。

 

3-2. 称重/测力系统单元主要特点:

        (1)测量目标

称重测量,目的在于物体物质质量m,但质量直接测量方法很复杂,因此,通过物体与承重物的万有引力作用与反作用力的测量,G=mg(g≈9.8N/kg),间接以物体重量表示恒定的质量。尽管重力加速度是变化的,但是,一个物体在一个定点位置是相对固定的,不同的地点,一个物体的质量相同,重量却不同。因此,通过重量间接表示的质量计量,必须在使用地点进行重力加速度修正,这个过程就叫“标定”,通过法定计量机构的标定叫“检定”,计量产品通过相关检定过程获得销售许可的过程叫“鉴定”。

标准重力砝码或kg千克砝码,是衡器计量比较标准,砝码是质量量值传递的标准量具。中国自从秦始皇统一中国,就将度量衡统一管理。现代质量量值是以保存在法国国际计量局的铂铱合金千克原器实物为唯一基准器。各国均将砝码分为国家千克基准、国家千克副基准、千克工作基准,以及由千克的倍量和分量构成的工作基准组和各等工作标准砝码。

国家千克基准各国均只有一个。中国的国家千克基准是1965年由国际计量局检定、编号为60的铂铱合金千克基准砝码。省市县逐级量值传递。因此,计量产品作为衡器,必须经过产品使用地法定计量机构检定才具有法定性质。

因此,现代质量计量即电子称重计量(不含机械称重计量),与物体的地理位置有关,方向永远垂直水平面向下,是特定状态下的一种作用力与反作用的计量。而,机械称重计量,是应用共点力平衡原理进行的计量。二者的区别,可参考初高中物理学内容。

测力计量,目的在于测量物体内部应力与外力或物体之间外力的作用力或反作用力,遵循牛顿运动力学定律F=ma。与重力不同,测力可测量任意方向力值,标准比对力值砝码是N牛顿力,与物理的地理位置无关。犹如,一个拳王在陆地的体重称重与在珠穆朗玛峰称重的称重值不会相同(衡器及砝码不经过二次校正标定),但,他的一拳在陆地一击与在珠穆朗玛峰上一击的力值是相同的。因此,测力传感器采用N砝码检测值在任何地理位置都是一样的,因此,不建议称重传感器kg检定产品用于测力场合,消除计量固有误差。

(2)测量状态

测量精度在测量仪表和传感器一定的条件下,与测量状态精密相关。一般,测量状态越稳定,测量精度越高。测量技术也以测量精度和速度的处理能力来判断其能力。

由于称重测力随传感器安装方式机械结构不同,测量状态有很多的区别。

单传感器结构时,基本上是固定状态,相对稳定。测力传感器大多采用点接触式,需要注意作用力力线与传感器受力力线重合,并要注意受力构件的受力均匀,因此,传感器作用点部分的连接件设计是个看起来简单,实际上非常关键的环节。称重单传感器大多采用面接触式,但由于称重物体的体积,往往需要较大的承重面,一定要注意传感器厂家标注的最大承载受力面积,否则,偏载误差难以消除。称重传感器的偏载纠正,没有相当的实践经验,千万不要轻易尝试,会有损坏传感器的危险。

单传感器受力为运动状态的,最好采用刚性传感器,铝质传感器有较大的共振问题,尽管承重结构刚性很好,也无法消除传感器材质共振带来的计量误差。

多传感器测量状态,大多是测量大体积的称重计量场合。测量体积越大,需要的传感器支撑个数越多,安装稳定性越难。最佳建议3个传感器支撑称重载体,结构最为稳定,也最好安装。多传感器安装一定要在受力面上,否则,不仅稳定性差,计量也不精度,或造成其他传感器超载损坏。多传感器的安装,往往稳定性与受力自由度是一对矛盾,往往采用机械限位复位装置进行改善。

完全稳定计量的称重装置,一般是电子衡器或电子秤、电子天平。也称之为静态衡器。

相对稳定状态的称重测力计量装置,即,运动变化速度相对较慢。大多按照其特点命名相关设备,称重设备有动物秤、婴儿秤、检重秤(复检秤)等;测力系统设备有各种测量结构的材料试验机,如混泥土强度试验机、粘合剂粘接强度试验机、等等。这种测力装置,测量过程与称重过程一样相对较慢,一些测力过程的变化速度也基本保持平稳,如液压机的受力测量、弹簧压力受力测量等,这种情况,可以用称重测量手段替代测力计量。但材料测力计量的最后瞬间的变化速度非常快,这种情况,属于高速动态计量状态,根本无法用称重方式获取瞬间力值。

高速动态计量装置,无论机械安装多么稳定、牢固,在长期的运动状态下都很难确保其长期稳定状态。尤其一些特殊测力场合,如汽车撞击试验装置、车辆刹车装置、车窗关闭夹紧测力装置、电梯关门夹紧测力装置、枪弹接触物体的瞬间作用力、爆炸物冲击试验装置、等等,需要每次检测其装置的稳定性及可靠性。

(3)计量时间

静态或相对静态计量时间相对较长,称重及大多数材料计量场合,基本上一个过程在10秒以上,甚至更长。动态计量基本上一个计量过程都是在10秒以内,甚至毫秒、微秒。

因此,以其计量过程完成时间,传感器的响应速度以及仪表的信号处理速度完全不同。铝制传感器由于模量问题,不适合高速称重系统,由于刚性问题,不适合具有瞬间冲击或释放的材料试验测力场合。

静态无时间限制衡器计量场合,信号处理显示器的内部A/D转换速度只需10次/秒即可满足要求,也不需要特殊的信号滤波,因此,普通的集成单片机即可满足要求,价格相对较低,适合民用或商用衡器称重仪表。

相对动态的计量场合,如动物秤、液态槽罐运输车辆称重等,则需要相对处理速度快一些的信号处理器,以便获取更多有效信息,便于平均处理计算给出称重结果。一般A/D转换速度需要50次/秒以上,并有一定的滤波插入。

测力动态计量,即使前期运动较慢的材料试验机,在瞬间加载或卸载的时间点,其速度非常快,一般需要1000次/秒以上A/D转换处理速度,并有硬件模拟滤波器去除杂音,才能获得精确的同步测量值。但,unipulse的F340A采用特殊信号电路处理方法,即使100次/秒A/D处理器,比仅仅单纯A/D处理原理的1000次/秒仪表,力值保持的速度及精度还要好。但这种方式,无法使用在波形显示的仪表上。

动态称重计量系统,不仅有测量物的质量变化,而且还有控制物料的机械电气振动、电磁信号干扰变化,不仅要求其具有一定的信号处理速度,unipulse的F820称重控制器具有1200次/秒(可500次/秒)处理并数据输出能力(不是仅仅内部运算速率,一些仪表制造商以此速率来混淆输出速度),而且,还有信号模拟滤波及A/D转换数字信号滤波,获得高速度高精度称重结果。

而且,称重结果是绝对精度,因此,传感器零点及仪表的动态跟踪要求也是必须处理的关键,这也极大影响称重速度及精度。

而运动设备测力过程极快,而且运动速度也极快,因此,传感器的高速响应能力及仪表的信号处理速度要求极高,往往要有振动频率参数参考,unipulse最新测力仪表的处理速度已经达到25000次/秒,才能获得同步的测量数据。如果,用示波仪观察其动态处理要求,甚至只有间隔极小的方型波,FS2000测力控制器具有10Hz的滤波能力。unipulse的信号转换器,也可以选购100Hz以上任意滤波速度速度的LC240信号转换。目前,除了unipulse测力仪表,还没有第二家有这样的真实信号滤波能力,而不是数字算法截止滤除。

随着AD数字处理能力的极大提高,尽管数据处理的能力极强,但外界杂音信号的滤波是无法从根源滤除的。如同MP3的无损高品质音质技术,无法替代磁带磁盘的全息音质技术。因为,不仅仅是数字计算的分辨和处理,而且是模拟全息的记录及处理。

(4)传感器、仪表及系统精度

传感器、仪表、系统精度将在专门章节说明。这里的精度,主要是指线性精度。

衡器的测量是恒定质量的计量,其精度主要是系统精度,即测量结果与标准砝码值的误差。因此,系统精度可以通过仪表的测量点与仪表标准线性对应的测量点修正。因此,注重传感器的要求较低。

 

四、静态称重与动态称重几种典型力学特点

由于测力过程力学模式比较多,过程更为复杂,测量目的也完全不同,因此,本章节仅分析几个典型称重力学特点。测力部分单独分析。可联系13808957418顾工.

 

(1)静态称重:质量恒定、称重环境稳定、有足够的时间静止测量并数据处理,获取绝对精准称重计量值。

衡器、天平内称重计量器具,都是这种类型,产品随着精度要求越高,品质要求越高。

(2)相对静态称重:质量恒定、称重环境有波动、但有足够的时间测量并数据处理,获取相对精准称重计量值。

这种属于特殊衡器类产品,针对不同称重环境,仪表采用不同的信号处理及数据处理方式,还是可以获取相对精准的称重计量值的。如,牲畜秤、婴儿秤,以及水产品、肉食加工环境的计重秤,工业液罐车称重,等等。

(3)相对动态称重:质量恒定、称重处于运动状态并伴有自动化机械动作、没有有充足的时间测量并数据处理,但要求获取相对精准称重计量值。

这类设备与第二种(2)的区别是,计量系统运动,并且速度较快,仪表不仅仅要求精确计量,而且要求精度判断。属于自动化计量设备,不是静态衡器器具。计量停留时间一般都在一秒s内完成过程,而第(2)种可以延续到分钟min计时称重。

因此,第(3)类信号处理控制器仪表可以轻松完成第(2)类称重场合,但,反过来却无法有效应用。如,托利多的IND560的处理能力,属于第(2)类仪表,用于检重秤的时候,明显感觉吃力。Unipulse的F850,尽管是20多年前的仪表,还是动态检重秤的经典。F805(AT)-CK及F650-CK,其处理速度、计量精度都有了极大提高。

但近年来,随着医药行业等原本计量精度要求就很高的行业,随着人力成本及生产效率的压力,提出了测量速度及精度更高的要求,其运动称重的时间在150ms以内,称重精度超过1/50000(500g量程,0.01g分度值),实际要求的传感器精度更高。原先那些自己做个单板机加个触摸屏,靠PLC控制系统的自动化精英们束手无策了。PLC是逻辑控制器,这么多称重信号滤波、放大、转换、运算、输入输出,简单单片机的数字电路很难处理如此高要求的高速检重的。传感器的精度,尤其是动态精度,更难找到合适的传感器,以保证长期可靠性。有人试图采用高精度天平传感器,那是绝对绝对超静态称重计量,而且,传感器原理(内置电磁位置平衡检测装置)根本不适合动态称重。

(4)高速动态称重:称重物料质量重量值变化、称重过程伴有各种机电自动化动作、计量时间短,但要求获取相对精准称重计量值。

这类产品,目前可谓鱼龙混杂,从传感器、仪表控制器、电器执行器、……等等,以及控制方式,各行其道。重要因素,消费者不懂产品,制造商也是很多只是模仿抄袭。

本人拟写“称重测力技术及应用”,希望各位专业人员合作,给予市场相对应用指导。本文暂以unipulse、Baykon专业称重控制器(无需PLC)介绍一些典型应用:

(一)、非连续自动计量

4-4-1. 储料槽罐秤:这是动态称重最简单的一种模式,尽管计量物料运动变化,但相对称重装置稳定可靠,因此极大多数称重控制器、变送器均可以应用。托利多的最初GL01仪表可以说是托利多控制仪表鼻祖,Panther是二代产品,以后的IND331是托利多敢于否定自己的产品,这方面,托利多的产品换代是其他品牌难以做到的。这类产品基本只有很少的输入输出控制点(panther是TTL电平输出),仪表内部只有逻辑控制,使用简单。Baykon的BX10、BX11基本和IND331功能相同,但仪表实际更加理性,各种PLC接口独立装置,而不是一个主板插接组合,稳定性、可靠性大大提高,也极大的提高了性价比。接口除了RS232/485,Modbus、Profibus、Profinet、CANbus、Ethernet均可选购。

4-4-2. 反应釜罐秤:这个比4-4-1的储料槽罐秤不同的地方,就是这类设备大多有搅拌电机,增加了振动干扰及电磁干扰,很多品牌的仪表基本上都没有消除这个干扰的硬件或软件,因此,很难精确计量。Unipulse的F750(或F741M)、F741C、F701P具有独立贝塞尔滤波器,因此可以有效的消除现场振动干扰,获取精确的称重计量值,而且,仪表具有称重模式程序,更加有效的目标控制。Baykon的BX11具有更多的PLC接口选择,可以更加方便的互动扩展应用,液体灌装秤是典型的应用。

4-4-3. 物料包装秤:包装秤比4-4-2类型的不同之处,就是物料变化及机械动作更快、更频繁,因此,需要系统具有更高的响应速度。F701是这个产品的经典应用,有着非常高的认同口碑。随着,精度要求的越来越高,伺服系统的应用越来越多,电磁干扰问题成为特出问题,unipulse的F701+不仅接近了原有问题,而且融合了F701C的数据统计功能,并且扩展的IO的输入输出PNP、NPN客户特点,以及PLC数字通讯Modbus-RTU的特点,特别推荐这个型号。如果需要双秤控制,推荐F701S,具有主从控制互锁功能,无需PLC编程。Baykon的BX510、BX520是性价比较高的包装秤专用控制仪表,最适合普通型包装秤的选型应用.

 

 

      4-4-3 包装秤                               4-4-4 检重(分选)秤

 

4-4-4. 物料检重秤:也称复检秤,即,验证动态称重计量结果的称重计量装置,一般采用皮带输送,合格的通过,不合格的自动剔除。如果,检重的物料超过2个,这种检重秤称之检重分拣秤,或分选秤。现代仓储物流行业,不仅需要重量检重、分选、计数,而且需要检测物品体积,并有自动识别物品商品信息(条码、二维码)、数据交换功能等,往往是工业4.0或物联网不可或缺的一个单元。这方面应用,有着非常广阔的前景。Unipulse的F850、F805(AT)-CK,F650-CK、F741C等,Baykon的BX3、BX13等,都具有检重功能,但都没有分选功能。BX11CK具有8级分选功能,超过8级分选的需要扩展输入输出,并配合触摸屏操作比较方便一些。

 

4-4-5. 散料累加秤:这是料罐计量的特殊应用,是将一个目标计量按分段方式多次计量完成的特殊处理,分段几次时不追求均一等值,只是在最后一次计量时比较目标总值的计量精度。在纤维工业上,往往因为体积蓬松,需要多次计量挤压捆包,也因此称为打包秤。Unipulse的F805(AT)-MD、Baykon的BX14都具有累加秤功能。

 

 

 

4-4-6. 多物料配方配料秤:这类配方配料有二种控制方式,一种是N个储料系统的PLC组合方式,我们说了,PLC控制方式,暂时不在我们称重测力技术讨论,我们只介绍称重测力仪表控制器。Unipulse的F805(AT)-FB控制器,支持100个物料的料号存储,200组30个物料配比的配方。即,仪表可以有30个物料料门单速控制的开关量输出,基本型仪表只有4个物料料门控制开关量。Baykon的BX510-FB基本型支持8个物料料门开关量输出。但,这种方式,仅适用于配方配比差异不太悬殊的情况,特殊配比的物料,需要独立单元的组合。甚至一些特殊加料工艺的物料,也需要独立单元组合,如,化学反应中的某个物料配比是一个反应过程滴加完成。

(二)、连续自动计量

4-4-7. 连续加料喂料秤:即,失重秤。如F805(AT)-CF。Unipulse的F805系列高清彩色触摸屏仪表控制器,将组态、计量、信号处理、输入输出、PLC及通信接口。仪表内置强大的优秀控制程序,免去技术人员的大量的编程时间、现场调试时间、组态及调试时间等。尤其对于经验不足初入门的,可以说,犹如师傅领进门。F805(AT)-CF还支持仪表之间的主从机通讯,可以几个单元PID组合配比控制,由于适合液体物料的流量配比控制。

 

 

4-4-8. 恒量给料秤:F805(AT)-BC衡量给料秤控制器,与F805(AT)-CF的区别在于,F805(AT)-CF的流量控制是物流阀门的开合度,而,F805(AT)-BC的流量控制是物料的皮带或螺旋推进速度。其他控制原理二者相同。因此,F805(AT)-CF更适合固态物料的PID流量配比控制。二种仪表都具有自学习功能,即,仪表通过工艺过程,记录物料的力学运动模式,实现主动智能调整所需物料的输送流量。这是PLC控制方式很难将同时进出计量装置动态重量变化与预定额定总量成为全动态时间流量精准控制的,巨大的计算不适合PLC型逻辑顺序控制器的编程及高速动态即时响应。同样,对于高速检重或分选系统,也是同样道理。因此,PLC控制或组态控制,无法取代全动态专业称重测力控制器,只是一些PLC工程师或一些产品对于相对力值变化速度较慢场合的商业竞争,本质上,是对用户的不负责任。

 

五、动态称重加量法及减量法的间隙过程力学特点

各种称重设备,命名各异,特别是动态称重,是因为不知道称重的比较点是什么。例如,料斗秤,如果观察储料斗,物料重量是在减量状态,因此,也有人说料斗秤是失重秤。又例如,同样是皮带传输物料,皮带秤,是指通过流量测量累计量的皮带称重装置;而衡量给料秤,是根据预定称重值通过流量检测控制皮带速度达到一个恒定给料量的皮带称重装置。二者的计量目标完全不同。

因此,Unipulse的F805(AT)系列,不仅是便于操作方便,显示直观,同时,还具有称重过程力学波形观测作用,便于动态过程的变化状态,分析系统的误差原因。

     如图,加量法,是计量部分,重量值不断增加的称重控制过程;反之,减量法,就是计量重量值不断减少的称重控制过程。

无论加量法还是减量法,加减速度的控制,一般为双速控制,即快速、慢速,但,控制仪表是给出快、中、慢三个控制点的,不要把减量法的空中飞料(也叫提前量)CPS值,误解为一个速度控制量。空中飞料的控制,目前,只有Unipulse的仪表有补偿修正。其他的仪表都是假参数,这个CPS参数需要仪表编程的真实数据统计特殊运算并反馈给仪表目标参数修正的,因此需要硬件及软件支持才能实现,这是需要成本的,普通仪表的硬件决定了不可能实现这个变量动态反馈。因为,储料仓的料位随时变化,产生自然下料速度的变化。在对某个料位状态标定的飞料称重控制,在另外的料位状态,称重结果就误差很大,这也是中低端质量仪表普遍存在的现场问题。

 

六、称重系统与测力系统单元传感器信号及校正特点

    称重测力传感器应用的典型特点,第一,称重受力测量方向永远垂直向下(注意,不是指向地心),只有一个受力方向。而测力应用,不仅受力方向任意,而且,有的需要测量正负二个方向,甚至三个维度分力、或N个维度分力。第二,称重测量各个传感器力值的合力,测力测量每个传感器的受力状态。第三,称重传感器受力缓慢持久,测力传感器受力快速变化

 

 

  因此,称重场合,一般计量速度变化慢或者静止不动,大多可以通过加载后,选取传感器信号相对线性的区段,仪表二次软件校正标定,与理想线性标准值比对修正计量。线性偏离越大的,可以增加校正的点数或区段。测力动态场合,大多没有预置载荷,不具备加载标定条件,因此,对于零点要求相对较高,快速回零的速度要求更高,其测量精度对传感器输出信号线性要求也因此很高。

 

 

 

 

传感器满量程:FC

秤的满量程:FS

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


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