提高称重系统中硬件及机械承载部分精度的研究

2022-09-11

1 关于传感器与称量精度

提高系统计量精度的首要环节是选用高精度的传感器, 即非线性误差、重复性误差、滞后误差都是越小越好。上述三个误差一般都要求达到万分之几的范围, 才能算是高精度的传感器。没有高精度的传感器, 要取得计量的高精度是根本无从谈起的。由于计量系统总的误差为:

σTΣ—称重传感器的总误差;

σAΣ—电测仪表的误差;

σJΣ—沉重误差;

σDΣ—动态称重引起的误差。

若称重精度要求达到0.5‰, 则传感器的误差。σTΣ应在万分之几的范围内。目前国内生产的高精度电阻应变片传感器的误差在万分之二左右, 已能满足要求。

在选用传感器时, 除了考虑高精度这一因素以外, 还要考虑组成同一称重电子秤的传感器的灵敏度具有一致性。因为传感器承受重量时其输出电压由下式确定:

S一传感器的灵敏度, mV/V;

V1—传感器的电桥工作电压, V;

P一传感器的量程, Kg;

F一传感器所承受的压力或拉力, Kg;

U0—传感器承受压力为F时的输出电压, m V。

从式 (2) 中不难推出:

通过实验验证及计算我们发现, 若系统采用两个传感器对称相连组成一个秤时, 一定要保证两个传感器灵敏度基本一致。

例如:当灵敏度基本一致的两个传感器构成一个计量秤时, 负荷为100kg时的输出电压几乎是负荷为50kg时的输出电压的二倍 (仅差0.02mV) ;而灵敏度相差较大的两个传感器构成一个计量秤在负荷为100kg时的输出电压与负荷为50kg时输出电压的二倍相差较大, 达到0.552mV。这么大的输出误差电压经过电压放大电路、A/D转换、计算机计算处理等过程, 在显示器上显示的重量就

会有较大的误差, 使称重精度明显受到影响。因而在投产前的调试或维修中更换传感器时, 一定要用灵敏度基本一致的传感器组成一个计量秤。

从式 (2) 中还可以看出, 传感器的输出电压与它的供桥电压V1有关。在加载时若V1不够稳定, 则直接影响传感器的输出电压, 从而影响称重精度。所以设计稳定的稳压电路非常重要。

传感器将它所受的力转化为电信号 (通常为电压) , 正常情况下, 传感器所受的力同它的电压输出应呈线性关系。进行校验, 如果传感器受力与电信号输出的线性相关系数过小, 说明传感器的质量存在问题。此外, 传感器的容量选择过小或过大, 也易引起上述线性关系的变化从而引起称量误差。同时随着使用周期的增大, 元器件的老化, 温度的变化, 传感器的输出也会出现漂移。

传感器受力不均衡, 也会造成称量误差。主要是由于传感器支承点分布不均。一般计量秤采用2只传感器对称分布, 在安装传感器时要使传感器的受力沿着传感器的轴线方向。若传感器是受压的, 则最好实现点接触。

电阻应变式称重传感器本身是一种坚固、可靠、耐用的机电产品。但为了保证精度, 使用中仍有许多要注意的问题, 下面是传感器输出连接的一些基本要求:

a) 传感器的信号电缆, 不和强电电源线或控制线并行布置 (例如不要把传感器信号线和强电电源线及控制线置于同一管道内) 。若它们必须并行放置, 那么, 它们之间的距离应保持在50cm以上, 并把信号线用金属管套起来。

b) 不管在何种情况下, 电源线和控制线均应绞合起来, 绞合程度50转/米。

c) 若传感器信号线需要延长, 则应采用特制的密封电缆接线盒。若不用此种接线盒, 而采用电缆与电缆直接对接 (锡焊端头) , 则应对密封防潮特别予以注意, 接好后应检验绝缘电阻, 且需达到标准 (2000~5000M) , 必要时, 应重新标定传感器。

d) 若信号电缆线很长, 又要保证较高的测量精度, 应采用带有中继放大器的电缆补偿电路。

e) 所有通向显示电路或从电路引出的导线, 均应采用屏蔽电缆。屏蔽线的联接及接地点应合理。

f) 传感器输出信号读出电路不与能产生强烈干扰的设备 (如可控硅, 接触器等) 及产生可观热量的设备放在同一箱体中。若不能保证这一点, 则应考虑在它们之间设置隔离板, 并在箱体内安置风扇。

g) 用以测量传感器输出信号的电子线路, 应尽可能配置独立的供电变压器, 不和接触器等设备共用同一主电源。

2 从机械谐振分析称量精度

机械谐振 (或机构谐振) 是由传动装置 (或传动系统) 和机械装置的弹性变形而产生的振动。为了控制计量系统的精度并满足响应速度要求, 必须提高控制系统的频率宽度, 避免结构谐振频率接近控制系统的带宽或落在带宽内, 否则系统会产生自激振荡而无法工作或使机构损坏。因此, 结构设计时必须兼顾它的结构、尺寸、材料性能及受力状况等。本系统使用环境比较复杂, 在实际生产过程中, 生产线各个机器、现场各运转设备都有各自机械谐振频带宽度, 这些机械谐振频带宽度叠加后的频带宽度可能与控制系统的带宽相重叠, 必须避免。所以在结构设计时必须兼顾机械结构、形状尺寸、材料性能及受力状况, 并采取一系列有效、可行、实用的减震措施。本计量系统中的机械谐振与控制系统的带宽完全相离, 经过滤波电路将机械谐振产生的干扰信号完全过滤掉, 消除了机械谐振对计量精度的影响。