一、前言
数字称重系统通常是指由数字传感器或数字接线盒组成的称重系统。二十世纪八十年代开始提出数字称重系统的概念以来, 至今数字系统已得到大家的认可, 并越来越得到广泛运用。特别是在工业领域已逐渐形成取代传统模拟式称重系统的趋势。在国内一些厂家生产的数字传感器, 已得到用户的认可。但对于数字称重系统至今仍存在着观念上的混乱和误解。以往国内一些介绍数字传感器的文章, 几乎都是着重介绍数字传感器与模拟传感器在制作和结构方面的不同, 评述两者在性能补偿方面的差异, 而对由数字传感器或数字接线盒构成的数字称重系统所包含的新概念, 以及它的实际运用介绍极少, 以至大多数人仅知道数字传感器在汽车衡四角偏差调整所带来的优点, 而对其更深层次、更本质的特性和优点, 确不甚了解。
本文将阐述数字称重系统的基本概念, 介绍数字传感器和数字接线盒的主要特点, 最后再举一些数字称重系统的运用实例。
二、数字称重系统基本特性
如果把数字传感器简单的理解为只要能将称重传感器的模拟电信号转变为数字信号或脉冲信号,就是数字传感器, 那就太表面化了。因为以往不少类型的力式称重传感器, 如振弦式、电容式、音叉式、谐振晶体、表面波式传感器就其工作原理, 均能直接输出“ 数字”式脉冲信号, 而我们现在所谓的“ 数字传感器”恰好不是真正的数字传感器, 它是将由应变计因形变产生的模拟电压经过模数转换器转变为数字信号, 而不是直接输出数字脉冲信号的“ 数字传感器”。
另外, 一方面既使对应变式数字传感器而言, 由表面形式看, 国外有人认为“ 模拟称重系统与数字秤之间的主要区别在于对这些元件的安排和布置”因为已往的电子显示器也同样包含有模数转换器、微处理器, 同样可传出数字信号, 那么它们之间的本质上的差别是什么呢?
我认为可以归纳为以下几点:
( 1) 以前的模拟秤式称重系统, 它的最底层的溯源器是标准砝码。而数字传感器、数字接线盒或数字称重系统, 通过传感器的灵敏度( mv/v) 值, 就可得到称重物的质量值, 即通过灵敏度的转换, 可将力值( 或质量值) 准确的转变为相应的电量值, 测量该电量值就可得到被测力值, 它的最底层的溯源器是标准力源, 不必通过标准砝码溯源。而模拟式称重系统的显示器, 在未经标准砝码校准之前, 输出是一个无物理意义的量, 测量它并不能知道施加在与它相连接的传感器的力值为何值。由于数字系统特性,它无需砝码的标定, 就可测出所施加的力值( 或质量值) , 这就是数字系统与传统模拟称重系统最主要的本质上的差别。由此引入的称重新理念, 使我们对数字称重系统有了更深层次、更新颖的认识, 这一特性奠定了数字称重系统无砝码校验的基础, 这种性能在工业领域显得更突出。
( 2) 数字称重系统, 可对该系统内的每一只传感器单独寻址。从而可对每只传感器进行监控、故障辨认, 以及可以单独处理每只传感器的称重信息, 大大提高了称重系统的控制能力和灵活性。而不象传统的模拟系统, 当一台由多只传感器组成的大型衡器, 这些传感器是被并联起来使用, 每一只独立的传感器的特征已不能被区别, 而且在调节每一只传感器受力的均匀性时, 互相间会有影响, 这不仅要经过反复调整才能达到满意的结果, 而且还破坏了各只传感器原有的计量特性。数字称重系统对每只传感器单独寻址的特点,对实现“ 自诊断”、监控、易于维修等都是模拟称重系统不能相比的。
( 3) 数字称重系统可以直接处理每一只传感器提供的原始称重数据, 每只传感器可提供高于20bit的分辨力, 相当于1, 000, 000 个计数, 四支传感器的系统就可提供4×1, 000, 000 个计数供分析, 就配料系统而言, 这样高的分辨力对添加小量物料更有利。由于数字称重系统是先对原始信号进行分析处理,这样就有可能在导致不正确的称重结果之前, 就可以发现那些传感器的输出是否超过预定范围和出现错误。
这三方面的新概念, 使得数字称重系统比起传统的模拟称重系统又上了一个新台阶, 使得数字称重系统更易与现今工业控制发展的潮流—现场总线技术和控制网络、信息网络技术相接轨。
三、数字系统的类型
基本上可分为两类: 数字传感器和数字接线盒这两类系统的主要不同点在于, 前者将模数转换器、数字电路、微处理器等装入传感器的外壳内, 而后者则是将相同功能的电路装在传感器附近的单独的壳体内。
( 1) 数字传感器: 它通常包括“ 简单”的数字传感器和“ 聪明或灵巧”的数字传感器。
简单的数字传感器是指将数模转换器和电子线路装在传感器的外壳内, 有的还对传感器的线性做修正, 能将模拟信号转换为数字信号输出。这种传感器现已很少有厂家生产。聪明或灵巧的数字传感器, 虽然同样是将数模转换器、数字电路和微处理等装入传感器外壳内, 但它能对传感器的线性、滞后、蠕变、零点和量程的温度效应进行所谓数字化补偿。并可储存传感器的有关数据和参数, 能通过专用的显示器输入指令; 输出用数字ASCⅡ编码的数字信号; 能提供RS485 或RS488 接口, 这就是目前广为使用的数字传感器。这
类数字传感器近年来之所以得到大家的认可, 主要是由于传感器的长期稳定性和可靠性越来越高, 另一方面是因为数字电路的价格大幅度下降, 所以使数字传感器在一般场合的使用中能对传统的模拟式传感器形成明显的竞争力。使用户在增加不多的费用情况下, 也能使用高技术的产品。
( 2) 数字接线盒: 它分为有显示功能和无显示功能两种, 表面上看它们与传统的模拟显示器毫无区别, 但本质上确有根本的不同。传统的显示器加上传感器, 如果不经标准砝码校准, 是不能用来测量质量的量值。而数字接线盒, 只要由键盘输入与之相连接的传感器的灵敏度值就可用来测量质量的量值。较早的数字接线盒只有一个输入通道, 而近来厂家提供的数字接线盒, 一般有四个输入通道, 有的甚至更多。它与传统的显示器之间还有一个明显的差别, 就是它具有对所接传感器单独寻址的功能, 并能存储有关的参数。与数字传感器一样, 可通过专用的显示器或PC 机对其监控, 构成所需的称重仪。它与数字传感器的差别是不能对传感器的计量特性( 除线性
外) 进行补偿。
四、数字传感器与数字接线盒的比较
首先介绍一下最早研制数字传感器和数字接线盒的目的。1980 年某公司提出了数字( DigitalTM) 传感器的概念, 试图用来克服大型衡器, 如罐秤、汽车衡在现场校准和调整四角偏差时的困难。某公司也基于相似
的考虑, 开始进行这方面的研制工作。而某公司和某公司则是为了配料、包装等称重系统,也提出了数字系统的概念, 并开发了相应的产品。
某 公司和某 公司开发的系统, 是可以使用传统的标准传感器, 作为敏感元件的所谓数字接线盒, 虽然某公司也研制过数字传感器, 但根据他们的经验认为, 在大型衡器和汽车衡方面使用数字接线盒更有利。
数字传感器与数字接线盒各有优缺点, 以下就它们之间的主要差异作一分析。两者间的最主要差别在于: 数字传感器能对传感器的温度性能、线性、滞后和蠕变进行数字补偿, 用微处理器对应变计的这些特性进行补偿, 从理论上讲, 要比传统的模拟补偿方法更为精确、有效。我认为这种补偿方法随着数字传感器生产量的增大, 补偿设备的改进, 成本会越来越低, 不仅可以避免手工操作和人为因
素, 还可提高效率。因为只需将每只传感器性能试验的测量数据, 经计算后, 就可将补偿参数下载到数字传感器的存储器内, EP 可完成补偿。另一方面,由于整个电子线路是安装在传感器的外壳内, 与应变计是“ 零距离”这样可以大幅度降低噪声和干扰,使数字传感器获得极高的分辨力, 一般可达20bit以上。有的厂家认为经数字补偿后可提高传感器的精度级别。但也有厂家不同意这样的观点, 认为数字补偿并不能提高传感器的基本性能。有一种观点认为, 模拟传感器仅包含11 个左右元件和30 个焊点, 而数字传感器包含有近60 个电子元、器件和多达350 个焊点, 这样数字传感器的可靠性要比模拟式传感器差得多。
我认为这种观点, 虽然有一定理论依据, 但过于片面, 因为模拟称重系统的显示器中仍包含有模数转换器、放大器、微处理器, 这样模
拟称重系统的显示器要比数字称重系统的显示器的可靠性差。就整个系统而言, 从可靠性方面考虑应差不多, 实际运用中也证明了这点。但在抗冲击、振动等方面, 数字传感器的可靠性要稍差一点。数字式传感器主要有三个缺点: 第一, 数字传感器有
损坏, 不易修复, 特别是一般厂家更没有这样的条件。而模拟传感器, 只要弹性体没有损坏, 一般厂家均有能力修复。目前数字传感器价格要比模拟传感器贵很多, 因此它损坏带来的经济损失也要大得多。第二, 除柱式传感器外, 切变梁式、S 型等传感器不易实现数字化, 因为它们没有足够的空间来安置所需的电子线路。这对普及数字传感器也是一个有待解决的问题。第三, 由于数字传感器的外壳内安装有电子线路, 因此在极低和极高温度下使用不如模拟传感器。而现在的模拟传感器使用温度, 高温可达300℃, 低温达- 40℃。
数字接线盒的最大优点在于, 可以不更换传统的模拟传感器就可把原有的模拟系统改为数字系统, 并且所需费用也不太多, 对大型衡器而言, 节省下来的使用砝码的校准费用, 就够买一台数字接线盒。数字接线盒可以与各种类型、不同厂家的传感器连接使用, 更有利于对老系统的改造。这在近期更为适用国内的用户, 具有广阔的市场。但由于传感器与数字接线盒之间仍有一段传送小电压的电缆, 还会受到干扰和引入噪声, 使得数字接线盒的高分辨力打了折扣。另外当传感器的引线受到损坏需要更换时, 往往需重新进行温度补偿和校准。而数字传感器与显示器之间的引线, 只起通讯传输作用, 对它的更换不影响传感器的计量性能。
两种数字系统都有很大的市场和技术发展空间, 从发展前景而言, 数字式传感器应更有潜力, 而就近期而言, 特别是对国内用户, 数字接线盒更易被接受。
目前我国数字系统主要用于汽车衡, 并且毫无例外是使用柱式数字传感器而在其它方面运用数字系统的还不太多, 我想主要是某公司对数字传感器用于汽车衡的宣传力度大, 它的四角偏差调节和不易作弊的优点, 已得到用户的认可。而数字称重系统在其它方面运用的优点, 还不太为人所知, 特别是在工业领域, 使用数字称重系统, 不需用砝码标定带来的好处, 还未受到衡器厂家和用户的认识, 对数字称重系统在称重技术发展带来的新理念了解不够, 因此阻碍了数字称重系统在我国的广泛应用。
五、数字称重系统的实际运用
1. 无砝码全数字式标定。可以说只有在数字称重系统出现之后, 无砝码标定衡器才得以重视。对于工业领域使用的大量非法制强制管理的衡器, 以及在某些场合或边远地区, 矿井下等, 砝码数量不能满足检定要求的, 都可使用全数字无砝码标定方法, 使衡器得到足够精度的标定。这样即省力、省时又可节约经费。我们曾在某钢厂, 仅花两天时间就完成了包括钢包秤在内的七台大型衡器的标定。我们曾使用数字接线盒, 进行研究和实验, 证明只要秤体设计合理, 对斗秤、罐秤等衡器, 使用数字式无砝码校准, 达到0.1%( n=2000 分度) 的精度是不成问题, 如果衡器的机械结构合理, 精度能达到n=3000 分度。使用数字称重系统, 在标定方面节省的费用, 差不多够补偿使用数字称重系统所增加的费用。另外对有些衡器现场标定很不方便, 甚至有危险, 例如对20t 轴载秤, 在满量程现场标定时, 由于秤台很小,要堆20t 砝码不仅困难, 而且危险。若是使用数字系统, 这种工作只需对该产品由计量部门进行型式批准( 包含了满载荷20t 的试验) 。这样衡器在现场就不需再经过静态满量程校准, 只需用参考车辆进行动态或静态的实物标定即可。对于大型衡器, 用不及满量程五分之一的砝码标定, 还不如使用全数字无砝码标定, 更精确。
2. 提高配料系统的精度和灵活性。由于数字称重系统具有模拟系统不可达到的高分辨率( 1, 000, 000计数以上) , 数字系统是对传感器输出的原始信号事先进行处理, 这样就可以在这些信号有问题时, 事先发出警告, 在最终称重结果出现之前就可以查找差错和问题, 具有很好的自诊断能力。对多只传感器支承的称重系统, 当有一只传感器出现故障时, 可以先中断该传感器的工作, 根据先前的经验和数据, 在保证一定精度的条件下完成该次称重过程, 这样就可避免原料的浪费, 并节约时间。可以快速、甚至是实时改变称重的分度数, 改变配料比例, 加之极高分辨力可提高小量配料的精度, 这些都使配料系统具有更大的灵活性。
3. 易于实现一机控制多台称重设备并具备与其它控制系统兼容的能力。这是由于可对单只数字传感器或数字接线盒相连的传感器独立寻址, 例如某公司的FT- 03 显示器就可与12 只数字传感器连接, 早年某公司开发的ALCP ( Ad-vanced Load Cell Protect) 系统, 可对32 台设备, 256个地址进行监控, 实现对30 个罐秤( 每台有三只传感器) 的现场每秒一次的扫描监控。另外由于数字系统易于实现信号的“ 光隔离”, 具有耐不可预料的电涌或雷击造成灾难性损坏的能力。
4. 运用实例
某公司的数字系统是使用该公司的专利FIT( Fast Intelligent Transducer) 数模转换。FIT( 快速智能转换) 具有很好的性能, 与FFT( 快速傅利叶变换) 可供动态测量, 过程控制、图象显示用。近年该司为家禽产业设计的鸡肉包装系统( 4000X) , 由于使用了具有FIT 的数字传感器, 不仅使包装称重具有更高的速度( 90 包/分钟) 和更精确的计价, 而
且增加了包装台的尺寸, 由18 增大到20 , 并具有12磅( 最高可达35 磅) 的能力, 改进了自动操作过程, 减少生产过程中的故障时间。b) Toledo 的数字传感器和某 公司的数字接线盒用于汽车衡, 都是成功的事例。不仅可自动调节四角偏载误差, 还可最大限度的避免人为作弊和干扰, 在计量部门的认证许可下, 可在没有校准条件的场合, 使用全数字无砝码标定。并易于实现对多台汽车衡, 直到每一只传感器的监控和维护。在美国就有对多达800 台汽车衡的使用数字系统管理的实例。
c) 某 公司是早年提出数字接线盒概念的厂家之一, 它推出的ALCP 系统, 是将模拟传感器与数字接线盒结合在一起的混合式数字称重系统。其价格只比传统的模拟称重系统高出10%左右。曾用ALCP 系统对某机场的货运系统进行改造, 取得了显著的效果, 得到了用户的赞赏。ALCP 系统对大型衡器、复杂斗秤、配料系统、多传感器系统均适用。
六、结束语
数字式称重系统是称重技术发展的必然趋势,否则难以与现今控制技术发展的潮流现场总线、控制网络、信息网络的概念相适应。数字称重概念的引入, 使得衡器在使用传感器时与以往有很大差别, 例如在使用已经标定过的温度或压力传感器时, 不再需要在实际运用时再进行其它标定, 而过去衡器使用的传感器, 虽然已经过标定, 具有精确的灵敏度值, 但衡器使用时, 不经砝码标定就不能使用。只有在数字式称重系统概念引入之后, 才可以实现通过直接使用传感器灵敏度值, 无砝码校准/标定衡器。这是称重技术观念上的重大改变。
第二, 在前面已指出, 数字称重系统能够广泛认可, 是基于应变式传感器长期稳定性和可靠性的大幅度提高和数字电路价格大幅度下降, 使得数字系统与模拟称重系统的价格越来越接近。因此, 我们要发展数字称重系统, 首先要在应变式传感器的稳定性和可靠性上下功夫。
由于数字传感器使用了有效的数字补偿技术,使得我们在设计新型传感器时, 可以把重点放在它的力学性能合理性方面, 而对温度、滞后、蠕变、特别是非线性的影响放在次要地位。另外, 不少厂家近年都推出称重组件, 将传力系统与传感器结合在一起,使得秤体的设计更为简单和规范。因为称重组件或称重模块的使用, 大大降低了机械系统引入的误差,从而也大大提高了数字系统在无砝码校准时的精度。例如使用称重组件的汽车衡, 就有获得专利的Self- checking mounting system( 自制动底座系统) 。可使秤台在加载后即时恢复到原来的位置, 而不再需要汽车衡原有的限位装置, 提高了衡器的性能, 更利于使用数字系统。所以数字系统引入后, 如何减少
机械传力系统的误差, 也是今后设计衡器的重点, 在最新OIML R76 号国际建议的修改稿中, 就规定称重模块的误差分配系数Pi 可以为1。即在一称重系统中可以不考虑机械和显示器误差。第三, 国内已有一些厂家能够生产数字传感器,但对数字接线盒的关注确不够。
我认为, 目前在国内数字接线盒的使用应当具有更大的市场, 更容易为用户接受。这是因为目前只有少数型式的传感器才能将数字电路装入传感器的外壳内。绝大多数型式的传感器还不能构成数字传感器。而数字接线盒可对几乎所有传统模拟式的传感器实现数字化, 在不更换原传感器和机械结构的情况下, 就可对原有模拟系统改造, 而且费用也不太多。最后要指出, 即使是非强制性管理的称重系统,仍属法制管理的计量器件, 仍需通过有关部门的型式批准。数字系统有很多优点, 现在才是初步运用, 有广阔的发展空间, 只有通过更多的运用和实践才能更深层次的发现数字称重技术的优点。

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