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數字式智能稱重傳感器的發展與應用范圍

數字式智能稱重傳感器的發展與應用范圍

時間:2017-01-10 17:59 來源: 作者:廣州南創 點擊:
 一、概述
  自從20世紀40年代初,利用粘貼式電阻應變計的模擬式稱重傳感器問世以來,經過60多年的種種改進與發展,從結構設計、制造工藝到綜合性能指標、穩定性和可靠性都達到較高的水平,在各種電子衡器和稱重計量與控制系統中得到了廣泛的應用。隨著科學技術的進步,工業過程自動化水平的提高,特別是數字技術與信息技術的發展,在稱重計量與控制系統中,應用數字技術與數字系統的需求愈來愈多,對衡器行業提出了電子衡器數字化、智能化,用數字稱重系統突破模擬稱重系統的局限性等要求。眾所周知,數字稱重系統要求稱重傳感器和稱重儀表系統以數字形式輸出。目前在用的模擬式稱重傳感器,由于電阻應變轉換原理決定了無論采用何種電阻應變計進行制造,其本身都不能產生具有數字特征的輸出信號,而且存在著輸出的模擬信號小,一般為20}40mv;傳輸距離短;抗干擾能力差;稱重顯示控制儀表復雜;安裝、調試不方便等先天缺陷。根本適應不了電子衡器數字化、智能化的要求。因此,引起了人們對模擬式稱重傳感器與數字稱重系統接口和數字式智能稱重傳感器的重視,國外一些著名稱重傳感器生產廠家,對此開展了許多研究工作,并取得突破性的科技成果,開發出多種具有自主知識產權的產品。
 
 
數字式智能稱重傳感器的發展與應用范圍
  早在1983年為適應工業過程自動化的需要,美國TOLEDO(現METTLER TOLEDO)公司就引入了“數字式”(DIGITOL)概念并逐步將其應用于稱重領域。致力于研究采用微處理器技術、數字補償技術,使其與傳統的應變式稱重傳感器技術相結合,經過多年的努力,開發出搖柱型數字式智能稱重傳感器。美國STS公司也在1988年全美衡器展覽會上,推出了整體型數字式智能稱重傳感器。兩者都是以模擬式稱重傳感器的基本原理為基礎,利用現代電子技術及計算機軟件技術而開發出的新型稱重傳感器。即在模擬式稱重傳感器內部增加放大、濾波、A/D轉換、微處理器芯片和溫度敏感元件等10多個元器件,利用標度變換,數字濾波,數字調零,數字補償等技術與工藝制造完成。數字式智能稱重傳感器的制造工藝,檢測項目,試驗方法,配套的稱重儀表與模擬式稱重傳感器有很大區別。因此,數字式智能稱重傳感器是與稱重儀表等共同研制開發的一項系統工程。
  數字式智能稱重傳感器具有輸出信號大,數字信號是一組組高低電平信號,有格式、有規律的組成,一般為士SV;抗射頻電磁場輻射等干擾能力強;信號傳輸距離遠,一般可達150m,附加電源后可超過600m;安裝、調試方便;易實現智能化控制等特點,完全克服了模擬式稱重傳感器的缺點,是數字化電子衡器、自動稱重計量與控制系統、需要自動校準的稱重系統、復雜結構的各類配料秤、容積秤和超大型電子衡器的首選產品。
    從電子衡器的品種、結構、用途上看,數字式智能稱重傳感器,不可能完全取代模擬式稱重傳感器,在今后一個比較長的時期內,模擬式稱重傳感器,仍然是稱重傳感器發展與應用的主流。但我們必須重視并認真研究數字式智能化稱重傳感器及其在數字稱重系統中的應用。

二、數早化與數早式稱重傳感器的區別
  模擬式稱重傳感器的被測重量參數雖然最初是由敏感元件以模擬形式給出,但都還要轉換成模擬電壓或模擬電流。在制造工藝、電路補償與調整、信號調理、模一數轉換等方而已經積累了很多經驗,因而應用而比較廣泛。但其輸出信號小,傳輸距離短,抗干擾能力差,各補償項目交互作用,電路補償與調整工藝復雜,不但耗時費力而且補償精度較低等缺陷,決定了模擬式稱重傳感器向數字式智能化方向發展,只能寄生于應變電橋之外的數字轉換單元,變模擬信號為數字信號。因而,出現了兩種數字轉換途徑,一種是將模擬式稱重傳感器的輸出信號,通過安裝在其內部的數字變送器,變為數字信號輸出,通常稱為數字化稱重傳感器。即:
  模擬式稱重傳感器+數字變送器、數字化稱重傳感器
   數字變送器可以作得很小,稱為數字變送模塊,一般都將它固定在模擬式稱重傳感器的接線盒內,即方便調試又有利于密封。數字化稱重傳感器的力學和溫度性能指標,都是以模擬式稱重傳感器的制造工藝和電路補償與調整技術為基礎的,數字變送器只是將模擬輸出信號數字化,并不能提高各項性能指標。相反,如果數字變送器質量不佳,還會損失一些固有的性能,因而生產廠家通常挑選那些電路補償精度高,綜合性能好的模擬式稱重傳感器進行數字化處理。
  另一種是徹底脫離模擬式稱重傳感器的制造工藝和傳統的電路補償與調整技術,開發新型的數字式智能稱重傳感器。它是在彈性元件貼片、固化、后固化和布線組橋后,就脫離模擬式稱重傳感器的制造工藝。通過由放大,濾波,A/D轉換,微處理器芯片,溫度敏感元件等元器件組成的數字式電路,以及標度變換,數字濾波,數字調零,數字補償等軟件技術,使稱重傳感器輸出的數字信號成為一組組有格式、有規律的高低電平信號,經過效率高、可靠性好的接口實現遠距離傳輸。即:
  彈性元件電橋電路+數字式智能化電路+數字補償技術與工藝、數字式智能稱重傳感器
  典型的模擬式稱重傳感器系統的模一數變換器只有16-bit(比特),即有50000個可用計數,而數字稱重系統中的每一個數字式智能稱重傳感器的分辨率為20-bit,即有1000000個可用計數。所以,一個由4只數字式智能稱重傳感器組成的數字式稱重系統,可以提供4000000個可用計數的分辨率。這種高分辨率對數字稱重系統,特別是對那些大的死載,小的活載的稱重系統是至關重要的。這在傳統的模擬式稱重傳感器組成的稱重系統中是很難實現的。
  模擬式稱重傳感器,基本上是手工化生產,人為的因素對產品質量影響較大。零點溫度,靈敏度溫度,線性、滯后、蠕變等補償方法和補償工藝還不夠完善,各項補償之間交互作用,不可避免的產生殘余誤差,限制了準確度和穩定性的進一步提高。  數字式智能稱重傳感器,基本上是自動化生產,人為的因素對產品質量影響很小。其數字調零,標度變換,溫度補償,線性、滯后、蠕變補償等,都是通過內部的微處理器收集、處理并存儲各種數據。由于采用“數據庫”技術,使得微處理器能不斷的對數據進行識別和校正,使其具有更多的智能,發揮更大的作用?梢姅底痔幚黼娐泛蛙浖O計是實現數字補償技術與工藝的重要環節。

三、數字式智能稱重傳感器
   數字式智能稱重傳感器有兩種實現方法或者說有兩種結構形式,即整體型和分離型。
  1.整體型數字式智能稱重傳感器
  如前所述,在稱重傳感器內部安裝有放大、濾波、A/D轉換,微處理器芯片和溫度敏感元件等組成的數字處理電路.利用微處理器芯片已存入的軟件.實施各項數字補償工藝,進行綜合性能測試和檢定,最后采用電子束焊或激光焊進行密封。因數字變換與補償電路和稱重傳感器為一整體,故稱為整體型數字式智能稱重傳感器。
  數字式智能稱重傳感器的制造工藝完全不同于模擬式稱重傳感器。主要是兩個環節,其一是在彈J哇元件組成惠斯登電橋電路后,通過試驗、測試、建立數字補償技術與工藝要求的各補償項目的數學模型,形成便于程序化計算的公式,便于編制成補償計算軟件。主要是線性補償,蠕變補償,零點和靈敏度溫度補償等數學模型。因為,數字補償技術與工藝是建立在合理的物理模型和數學模型基礎上,給出準確、可靠的數學模型是保證數字補償精度的前提。其二是根據數學模型編制出簡單、實用、有效的補償計算軟件,存儲在微處理器芯片中進行各項誤差修正與補償。軟件技術主要有:數字濾波技術一稱重傳感器的模擬輸出信號,經A/D變換后進入微處理器時,;爝M尖脈沖之類的隨機噪聲干擾,必須予以削弱和濾除;標度變換技術一稱重傳感器的模擬信號,經A/D變換后得到一系列的數碼,必須將其換算成帶有量鋼的數后才能運算、顯示;數字調零技術一采用各種程序來實現零點漂移、增益漂移等偏差校準;溫度補償技術一建立表達溫度的數學模型(如多項式等),用差值等數學處理方法,便可有效的實現溫度補償;非線性補償技術一根據測得的特性曲線,進行分段插值,只要插值點數取得合理和足夠多,就可獲得優良的線形。
  美國TOLEDO公司、STS公司、CARDINAL公司和德國HBM公司研制的數字式智能稱重傳感器,都有自己獨特的數字補償技術和工藝。在數字輸出消除電噪聲;數字電路實現自動溫度補償;解決抗射頻干擾(RF1)和電磁干擾(EMI);實現自適應、自校準、自診斷功能和內置過壓保護板以應付閃電引起的電瞬變等方而的技術與工藝均處于領先地位。整體型數字式智能稱重傳感器的特點是:
  (1)產生、處理和存儲數字信號容易,輸出信號大,輸出信號是一組組高低電平信號,一般為士SV;
  (2)具有很高的分辨率,一般為20-bit,可用計數高達1000000,且準確度高,穩定性好;
  (3)高電平數字信號抗外部射頻干擾和電磁干擾能力強;
  (4)強信號輸出,傳輸距離遠,通?蛇_150m ,附加電源后可超過600m ;
  (5)可采用軟件運算方法調整四角誤差,利用數
  字系統實現“自校準”,因此,安裝、調試、檢定非常方便,僅為傳統方法的1 /4 ;
  (6)對大量程的電子衡器和無法加掛祛碼的稱重裝置,可進行無祛碼標定。利用數字稱重系統軟件,輸入各稱重傳感器的標定參數,即可保證電子衡器的稱量準確度和工作可靠性。
  整體型數字式智能稱重傳感器存在的問題也比較突出,主要是:
  (1)由于在內部增加了A/D轉換的前級放大器和后級微處理器,溫度敏感元件等60多個電子元件和350個焊點,大大超過內部只有11個電子元件和30個焊點的模擬式稱重傳感器。而稱重傳感器的平均無故障時間與其含有的電子元件和焊點數成反比,因此,穩定性和可靠性必然有所下降;
  (2)內部的電子元件決定了工作溫度范圍小,一般為一10400C。如需在一10℃以下的環境工作時,應選用的低溫元器件,其成本將呈幾倍甚至10倍上升;
  (3)將數字電路置于稱重傳感器內部后,除按常規檢測、標定外,還應按稱重儀表的要求進行靜電放電抗擾度、射頻電磁場輻射抗擾度和電快速瞬變脈沖群抗擾度等試驗;
  (4)數字式智能化電路置于稱重傳感器內部,降低了防爆等級,若滿足防爆要求,必須采用較昂貴的防爆和隔爆措施;
  (5)制造和維修成本較高,無論是電阻應變計電橋電路部分還是數字式智能化電路部分出現故障,均需整體更換一個新的數字式智能稱重傳感器。
  2.分離型模塊化數字稱重傳感器系統
  在分析了整體型數字式智能稱重傳感器的存在問題、應用經驗和市場要求的基礎上,美國STS公司于1992年推出分離型2200系列數字式稱重傳感器模塊。它是將原先放置在稱重傳感器內部的A/D轉換數字處理電路,移至一個外部接線盒內。將具有A/D轉換模塊的接線盒稱為數字接線盒。將普通的模擬式稱重傳感器接入數字接線盒后,它的輸出便以數字信號傳輸給與其配套的稱重顯示控制儀表。通常將模擬式稱重傳感器加數字接線盒的模式,稱為模塊化數字稱重傳感器系統。它即保留了模擬式稱重傳感器的綜合性能指標,又具備整體型數字式智能化稱重傳感器的所有特點和功能。同時最大限度的改善了A/D轉換電路的工作環境。模塊化數字稱重傳感器系統的特點是:
  (1)在模擬式稱重傳感器無任何改變的條件下,經數字接線盒(稱重接線盒正確使用方法),變模擬信號輸出為數字信號輸出,使其具有整體型數字式智能稱重傳感器的特點和功育旨;
  (2)采用模塊化數字稱重傳感器系統,可在不改變原有電子衡器結構的基礎上,實現電子衡器數字化;
  (3)模擬式稱重傳感器可在一4070℃環境條件下正常工作,配以數字接線盒可以使模塊化數字稱重傳感器系統在較寬的溫度范圍內工作;
   (4)與整體型相比,分離型模塊化數字稱重傳感器系統的穩定性和可靠性都有較大提高:
  (5)安裝布線非常簡單,從數字接線盒到數字式稱重儀表只有一根電纜線;
  (6)因接配普通模擬式稱重傳感器,便于維護、修理,維護成本也比整體型低。
  美國STS公司模塊化數字稱重傳感器系統,主要技術指標如下:
  (1) A/D通道:四個互相獨立20-bit ,叉-0A/D轉換通道。
  (2)轉換數率:100取樣/秒。
  (3)內分辨率:1048000
  (4)分度數分辨率200000
  (5)信號靈敏度:0.1 }.,v/分度。
  (6)信號范圍:O.Smv/v到6mv/v
  (7)激勵電壓:10士O.SVDC
  (8)校準:常規/數字(不需要祛碼)。
  (9)串行口1:雙向RS232或20MA電流環。
  (10)串行口2:雙向RS232或RE485或20MA電流環。
  (11)數字口:6輸入,7輸出;TTL低電壓有效。
  四、整體型和分離型數字式稱重傳感器的應用
   整體型數字式智能稱重傳感器主要應用于實現工業過程自動化的數字稱重系統和數字化電子衡器。應用較多的是結構比較復雜的電子料斗秤,電子配料秤,電子液罐秤,大量程的電子平臺秤、電子汽
車衡、動態軌道衡和具有大的死載,小的活載的特殊電子秤。前者主要是看重數字式稱重傳感器系統,可利用軟件輸入數字式智能稱重傳感器各標定參數實施無祛碼標定,后者則是利用數字式智能稱重傳
感器提供的1000000個可用計數的高分辨率,這都是,模擬式稱重傳感器根本不能實現的。
  分離型數字式稱重傳感器具有配置靈活,應用范圍廣泛,安裝調試方便,檢定方法簡單,環境適應能力強等特點,市場占有率不斷增加。美國STS公司開發的2200系列中的2203,2204和2224數字式稱重傳感器模塊,就可以組成各種數字稱重系統。2203,2204和2224數字式稱重傳感器模塊,只是內分辨率,分度數分辨率等有所不同,其它基本相同,都能連接3mv/v的模擬式稱重傳感器,最多可達12只。各稱重傳感器的模擬輸出信號通過帶有高速、高分辨的A/D變換器和微處理器的模塊,轉換為高電平數字信號,經串行通信接口,傳輸到“數字過程稱重控制器”,經此控制器可將數字和模擬數據通過網絡傳輸給集散控制系統、可編程控制器和個人計算機,這就組成了一個典型的數字稱重系統。由此不難看出,這種方案的突出特點是可以在對原有稱重系統不作任何改變,又不更換稱重傳感器的前提下,通過數字式稱重傳感器模塊,變模擬稱重系統為數字稱重系統?梢哉f這是對傳統的稱重系統進行數字化改造的一條捷徑,一定會有很好的發展前景。
 
廣州南創稱重傳感器的應用范圍主要體現在一下方面:
一、紡織與造紙
  制造秤、稱重傳感器、PC/PLC 控制的重量變送器及重量顯示器、并將它們整合到紡織及造紙業的自動化過程中,以便對原材料進行稱重和配料,使用更多的磅秤來混合大小成分,測量并定期調整輥子上織物的張力。廣州南創技術的另一個有效用途體現在制革行業,該行業要求使用 AISI 304 或 17-4 Ph 不銹鋼來制造設備的零部件,以使系統可靠而耐久。
二、畜牧
  從歷史的角度看,畜牧業是廣州南創最重要的業務之一。稱重傳感器最早的使用要回溯到上世紀八十年代:自動喂豬系統。它是一套供飼料廠使用的稱重和配料設備,是為貯料筒和攪拌器配備的稱重系統,F在廣州南創生產的產品包括稱重傳感器、稱重模塊、PC 和 PLC 控制的重量變送器、重量顯示器以及專為農業和畜牧業設計的稱重與配料系統,以確保最佳效率及性能。
三、汽車
  技術在汽車試驗臺及測試設備中也得到應用。 廣州南創可定制稱重傳感器,以滿足客戶機械方面的要求。廣州南創也提供一系列重量顯示器和重量變送器,它們可以通過市場上現有的主要現場總線或通訊協議 (Modbus RTU、Modbus TCP、 PROFIBUS DP、PROFINET IO、Ethernet IP、Ethernet TCP/IP、EtherCAT、DeviceNet、CANopen、POWERLINK、CC-Link、IO Link、Sercos III)連接到PC/PLC或專用控制板上。
四、Atex
  廣州南創生產各式各樣的ATEX稱量系統產品,適用于食品、化工、制藥、海洋及石油化工等領域。其中包括ATEX稱重傳感器、ATEX地上衡、ATEX 接線盒、ATEX稱重顯示器、ATEX 重量變送器等:這些產品每種都有基于94/9/CE–ATEX指令(區域0-1-2氣體20-21-22粉塵)的認證證書,允許在可能有爆炸風險的環境中使用。
五、環境
  通過與其它著名公司合作,廣州南創技術也應用到了環保領域。例如,在原材料回收利用,煙氣治理,可再生能源生產及廢品處理等設備中都使用了廣州南創產品。廣州南創可確保精確稱重,且使其具有可追溯性,這在垃圾處理中轉站得到應用。該種垃圾站旨在回收利用原材料,提高人們分類收集垃圾的環保意識。
六、起吊
  在起吊行業,廣州南創提供眾多解決方案:包括在吊車、橋式起重機、高空作業平臺、電梯及升降機中加裝稱重系統及載荷限制裝置。 載荷限制器,由稱重傳感器及有線或無線重量變送器組成,能很容易地安裝到任何種類的起吊系統上,作為單一裝置或冗余型控制裝置使用,具體取決于起吊涉及的人或物 (高空作業平臺)。此外,還可為橋式起重機或便攜式起重機提供范圍廣泛的數字吊秤。
七、包裝
  廣州南創是工業稱重及配料領域的一流公司,為包裝行業提供廣泛的解決方案。其稱重傳感器、秤、地上衡通過 PC/PLC 與其富有創意的純“意大利制造”的重量顯示器及重量變送器相連接。廣州南創產品在多頭組合秤、立式包裝機、填充機、自動及半自動裝袋機、稱重系統、封裝機、貼標機及打包機中得到廣泛推薦和應用。
八、運輸和搬運
  廣州南創經常與工業運輸及搬運系統制造商合作。稱重技術已實現了計算機化及可編程控制器化(PC/PLC ),其稱重傳感器、重量變送器和重量顯示器已在粉末及散裝產品的運輸、碾磨、篩分及混合過程中得到了廣泛應用。其它應用還包括自動化倉庫的稱重系統,以及可對重量損失批次配料或輸送帶進行連續的流量調節的動態稱重系統。此外,我們也開發了用于運輸帶或運輸輥的在線重量控制系統。
九、建筑
  廣州南創產品可用于建筑機械設備,例如,混凝土攪拌站、瀝青生產系統、混凝土攪拌車、噴射灌漿設備、建筑吊車等。廣州南創為這一領域提供重量傳感器、重量變送器、稱重終端及其它專用產品:例如,混凝土配料系統,能按現行標準自動管理生產系統,對混凝土配方中的成分(骨料、水泥、水和添加劑)進行追蹤。
十、食品
  廣州南創是食品機械設備著名制造企業的國際一流供應商。生產高防護等級(達到 IP69K 級)的不銹鋼稱重傳感器、平臺秤、稱重顯示器和重量變送器。不銹鋼材料制造的產品容易清洗和消毒,故常用于食品行業設備。此外,銳廣州南創也為料倉和容器的稱重提供各式各樣的專用稱重傳感器稱重模塊。
十一、化工制藥
  很自然地,LAUMAS 稱重產品在化工制藥領域也得到廣泛應用:稱重傳感器、地上衡、重量變送器和稱重傳感器全都可采用不銹鋼材料(IP68 或 IP69K 防護等級)而用于惡劣環境及為適用工廠需要而改變空氣環境的場合。從化工反應器到制藥行業粉末微量配料系統,我們產品的應用可謂多種多樣。
十二、工業自動化
  廣州南創為過程自動化提供創新性解決方案:稱重傳感器、地上衡、重量變送器和稱重顯示器可集成到任何一種工業設備之中,并且通過市場上現有的主要現場總線與知名國際品牌的PLC(可編程控制器)連接。這些現場總線或通訊協議包括 Modbus RTU、Modbus TCP、PROFIBUS DP、 PROFINET IO、Ethernet IP、 Ethernet TCP/IP、 EtherCAT、DeviceNet、 CANopen、POWERLINK、CC-Link、 IO Link、 Sercos III等。
 

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