1  动态测量

人们常常希望称重测力在正常作业中同时完成, 即尽量不占用( 零停机) 或少占用时间。例如:轧钢厂中从坯料加热到轧制成材是一个连续的作业, 为掌握加热过程中的烧损率及产品的成材率,要求在不干扰正常生产的同时对钢材进行快速或短时称量。

在港口吞吐货物的计量中, 为不影响装卸速度, 常常要求货物在输送或吊运过程中同时完成称量。此时, 无论是皮带秤上流经的散料或是吊秤下悬挂的货物, 均处在运动状态。有时要对高速公路上行驶的汽车或铁道上运行的火车进行称量; 有时要对活的动物, 诸如牛、 医用小兔等进行称量; 有时要在运动的或振动的环境中, 诸如在远洋轮船、 飞机或货车上对物体进行称量[ 1]。

在机加工行业中, 与加工中心相结合的柔性制造系统( FMS) , 大大提高了机床的加工适应性和加工效率。但刀具破损已经成为系统正常运行的主要故障, 常常需要用动态测力仪来连续地监测回转刀具的运行状况。安装在机器人手臂与手爪之间的/ 关节0多分量传感器或腕力传感器, 在机械手操作时能提供三维的力和力矩, 它也是在运动条件下进行测量的[ 2]。

所有上述情况形成了动态称重测力状态, 它们的主要特征可以归纳为:

(1) 被测对象处于非静止状态, 即被称重或测力的物体在运动;

(2) 测量环境处于非静止状态, 即称重测力计量仪器置于其中的测量床身、 台面或支架等在运动;

(3) 在短时内进行快速测量, 即测量时间短于称重测力计量仪器的调定时间。

为了进行快速、 连续、 准确的测量, 求得被测量的稳态示值, 就要求对称重测力传感器、 信号适调、 处理、 显示、 记录及由此而组成的动态称重测力系统 进行正确的描述和分析, 还要求减小动态测量的不确定度、 提高动态响应速度、 解除多分量间的耦合, 以进行动态补偿。比如: 对动态吊秤, 有人提出为削弱纵向振动所致的高频干扰, 可进行桥式动态补偿与阀值动态补偿; 为削弱横向摆动所致的低频干扰, 可进行三点式补偿等。又如: 为提高腕力传感器的动态品质, 可按主分量通道的特性要求设计动态补偿器, 再按多分量解耦要求设计解耦环节, 以便既能快速跟踪输入信号、 提高动态响应速度, 又能去除耦合信号、 减小测量不确定度。

传感器部分是测量系统的输入端, 它与被测的重量或力、 过程或系统相连接, 并给出一个取决于被测量的输出信号。信号适调部分将传感器的输出信号进行加工, 例如将电阻变换为电压或电流、 信号放大或衰减、 滤波、 调制与解调、 阻抗变换、 线性化及转换成数字编码信号等, 以便成为适宜于进一步处理的形式。信号处理部分接受适调部分输出的信号, 并对其进行必要的运算, 转换成适宜于显示或记录的信号。显示、 记录部分是测量系统的输出端或终端, 以观测者便于认识的形式来显示、 记录重量或力值。

称重测力系统的上述四个组成部分的划分是相对的, 有时甚至可以不存在中间部分或某部分不止一次出现; 但是对被测对象进行称重、 测力并给出具体量值的基本功能必须予以保证, 也包括保证静态与动态计量特性、 安全性能及消费者利益的专用功能在内。一个称重测力系统, 可以由若干台仪器组成; 也可将全套测量系统组装成一台整机。

众所周知, 动态测量是指为确定量的瞬时值及( 或) 其随时间变化所进行的测量, 即被测量是随时间而变化的; 而静态测量则是指测量期间其值可认为是恒定的量的测量。显然, 在动态测量中必须考虑信号的响应时间, 即考虑激励受到规定突变的瞬间, 及响应达到并保持其最终稳定值在规定极限内的瞬间, 这两者之间的时间间隔。而在静态测量中, 通常并不考虑信号的响应时间,只关注测量结果的不确定度和随时间的稳定性或可靠性。

在研究动态称重测力时, 通常的方法是同时或单独测出对象的加速度、 位移与速度, 然后用数值积分方法或直接方法求解称重测力过程的微分方程, 以求得重量或力值。另一种方法则是把动态测量作为一个参数估计和预测问题来处理, 即首先根据有关称重测力系统的先验知识, 推导出一个含有未知参数的模型, 然后用该模型去拟合称重测力过渡过程信号, 从而获得最小平方误差意义上的参数估计[ 3]。由于被测重量或力值可以看成是称重测力过程的终值, 它们可以用模型参数加以估计或预测出来。

在动态称重测力技术方面, 尽管传感器的最新硬件技术起着重要的作用, 但是基于动力学系统模型的软件技术, 对于设计动态测量的算法来说, 却是更为本质和更为重要的。这也就是说, 应当利用测量系统的数学模型, 把解决问题的主要精力放在软件方面; 诚然, 硬件和软件这两条途径, 对于研究动态称重测力技术都是必要的。

 2  自动在线测量

在1958 年自动在线的连续称重装置问世之前, 生产线上产品的称重或重量控制都是人工进行的, 即: 定时取出, 分别称量。这种/ 抽样检查0方法, 显然已不适应当前高速生产、 质量管理和切实保护消费者权益的要求。

为了不触犯有关法规, 例如在美国不触犯NIST( 国家标准和技术研究院) 第 44 号手册5称重和测量装置的规范、 允差及其它技术要求6[ 4]和130号手册《法制计量和发动机燃料质量统一法律和法规》[5]规定的有关要求, 制造商们对直接销售的产品已开始采用 100% 重量检验的原则。如果不能进行在线自动称重, 制造商宁可采用稍微超重装料的原则, 以防份量不足而丢失信誉。

实际上, 在生产过程中需要快速而简易地在线采集和校验统计数据, 如果连续出现一组次品,生产者即应关闭生产线并立即检查原由。因此,传统的抽查方式已不再适用, 有逐渐被在线检测取而代之的趋势。七十年代末微机引入称重计量仪表, 给称重技术的发展注入了活力。当前, 用于在线测量的自动秤, 已不仅仅是为了剔除重量不足的产品, 更是为了进行重量控制、 统计分析与处理。

称重计量仪表与计算机相联后可以编制出生产者想要的书面报告, 例如: 实时计数的直方图,重量的标准[ 偏] 差, 运行的平均值, 相关的参数报告、 统计报告以及按时间、 数量或重量分类的间隔报告等。因此, 生产者可以在远离计量站的质量控制室里, 通过遥控面板来改变参数, 而不必再在生产线上来回走动, 甚至还可以同时看管几条生产线。对于食品、 化妆品、 药品以及化工等行业而言, 这种在线测量的自动秤无疑将使生产管理者的工作变得简炼、 准确、 安全而高效。

用于重量在线测量的自动秤主要有以下 5种[ 6]:

(1) 重力式装料自动秤。根据 OIML( 国际法制计量组织) 第 R61 号国际建议, 它是通过自动称量程序, 把物料分成预定的、 重量恒定的散状物品( 载荷) 装入容器的自动秤, 通常包括选择组合秤、 多斗组合秤及减量装料秤三种。它们主要由一个或多个自动给料器或者与一个或多个称量单元相关的装置, 以及适当的控制装置与卸料装置组成。

( 2) 检重自动秤。根据 OIML 第 R51 号国际建议, 它是对预包装的分离载荷进行称量或对非包装物的载荷进行分类的自动秤, 国外直接称为抓料自动秤。其中 X( x ) 级秤用于按照 OIML 第87 号国际建议对包装品净含量的称重; Y( y) 级秤则用于按照重量对物品进行分类( 例如: 检验秤、分选秤等) , 也可以用于按重量对单个物品进行计价并打上标签( 例如: 价格标签秤等) 。

( 3) 连续累计自动秤。根据 OIML 第 50 号国际建议, 它是安装在皮带输送机的适当位置上, 对散状物料进行连续、 累计称量的自动秤, 简称皮带秤。

(4) 非连续累计自动秤。根据 OIML 第 107号国际建议, 它是把一批散料分成若干份分离的、不连续的载荷, 按预定程序依次称量每一份载荷后分别进行累计, 以求得该批物料总量的自动秤,简称累计料斗秤。

(5) 自动轨道衡。根据 OIML 第 106 号国际建议, 它是在铁路线上称量运行中货车重量的一种自动秤。其称量台面( 秤台) 有足够的工作长度, 以保证列车通过台面时有足够的时间进行有效的采样。按其计量方式可分为轴计量、 转向架计量以及整车计量 3 种。

总之, 检验秤是将不同重量的物品, 按其重量与标称设定值之差, 细分为两组或多组的检重自动秤。分选秤则是按给定的重量范围, 细分为若干组的检重自动秤。皮带秤无需对物料按重量进行细分, 输送机的皮带可按单一速度或多种速度运转。料斗秤在逐次称量时物料的重量通常各不相等, 在确定每斗的实际重量后即进行累计, 我国粮食行业( 例如: 储备粮库等) 也称它为散粮自动秤。

另外, 带有包装机构与相关控制装置的选择组合秤通常包括一个或多个称重单元, 并可计算出各称重单元的相应载荷及由它们组合而成的灌装载荷, 因而在我国通常称它们为定量包装秤或灌袋秤。而自动轨道衡已经发展成为轨道载荷、车辆状态安全监测系统, 能在较快速度下( 40~ 80kmP h) 测量车辆的轮重、 轴重、 超载、 偏载、 车轮扁疤, 以及识别车轮严重减载可能危及的行车安全,从而为列车提速、 保障安全提供了检测手段[ 7]。

以上不同种类的自动秤, 在重量、 力值、 载荷的自动在线测量中各具特色, 发挥着不同的作用。

 3  模型化测量

称重测力仪器作为一种常用的计量测试设备, 可以认为近百年来经历了 4 个阶段: 首先是延续了半个多世纪的机械式的模拟仪器时代; 接着是机电式的电气仪器和电子仪器时代; 然后于二十世纪七十年代末跨入近期的数字式仪器和微机化仪器时代; 随之而来的便是九十年代开始进入的模型化测量( MBM) 仪器的新时代。

这是因为人们不仅要求得到测量结果, 还要求对测量结果进行综合评价, 即对被测的重量和力值进行状态估计、 诊断或趋势分析。人们实际面对的, 常常是需要实时测量的、 多变量的动态过程或系统。所以, 仅仅采用传统的测量方法及数值处理手段是不够的, 而需要借助于模型建立和参数估计, 以实现智能化测量。

智能称重测力仪器与微机化称重测力仪器的显著区别, 就在于智能仪器中无论是学习、 推理、判断或自适应等功能, 均需要各种数学模型构成，智能仪表与微机化仪表的区别示意图的知识层。 在这个层面上, 需要学习经验, 获取与记忆知识, 推理、 判断与解决问题。例如: 需要进行自动补偿、 自动校准、 自选量程、 自寻故障、 双向通信以及适应外界环境等。具有这样能力的测量, 方可称作是智能化测量。 

事实上, 利用数学模型或模型化测量的称重测力方法是很有前途的。它把测量视为一个过程, 把计量仪器视为一个系统。根据事先掌握的信息即先验知识, 以及实验获得的数据即后验知识, 利用系统辨识来建立计量仪器的数学模型, 并通过相应的算法来处理数据和全面地描述仪器,从而对其性能进行状态估计, 或通过软件来改善计量仪器的硬件环境。

模型化测量为解决日趋复杂的动态测量问题开辟了一条新路。例如: 称重系统采用二阶系统的自回归滑动平均模型, 借助于这个模型和递推的最小二乘法( RLS) , 即可由极短的称重阶跃响应估计出模型参数和被称的重量。仿真计算表明, 在输入端有白噪声干扰时, 可用 RLS 估计出重量。该法要求的测量时间很短, 通常不超过一个振荡周期即可得到良好的结果。

在微机化测力称重仪器中, 目前也有引入知识模型而构成专家系统, 即把优秀的称重测力专家的思维过程固化到测量程序的软件中, 与计算机修正程序结合起来, 进而提高计量仪器的测试能力和故障检测能力。由此可见, 测量软件对于称重测力技术未来发展的意义不可低估。

 

 4  数字化测量

为了适应动态测量的需要, 在称重测力系统中作为系统输入端的传感器至关重要。特别在需要智能化的场合, 传感器的直接或间接数字化已必不可少, 此时测量不确定度和测量速度往往是一对矛盾, 两者很难兼得, 而须根据实际情况作折衷选择。在称重测力领域, 我国目前大量生产和应用的都是传统的模拟式传感器。模拟信号的输出较小, 以生产量最大、 采用电阻应变原理的称重测力传感器为例, 一般最大输出为 30~ 40 mV, 故其信号易受射频干扰和电磁干扰, 电缆传输距离也短, 通常在 10m 以内。

而同样是电阻应变式的数字化传感器, 其输出信号可达 4V, 是模拟式传感器的 100 倍。强信号的电缆传输距离可达 150 m, 附加电源后则可超过 600m。

人们一直在为改善模拟式称重测力传感器性能所需的各种补偿而耗时耗力, 特别是在寻求廉价的灵敏度温度补偿、 零点温度补偿、 非线性补偿、 滞后补偿、 蠕变补偿, 以及它们之间可能存在的交互( 耦合) 作用的补偿机理和补偿办法。而数字补偿技术却为此提供了新的解决途径, 因为即使是基于微处理器的数字化传感器, 也能通过线路设计和软件设计实现数字补偿[ 8~ 10]。

在使用多个传感器并联的容器称重系统( 料斗秤或配料秤) 、 平台称重系统或秤桥( 汽车衡或轨道衡) 中, 利用数字系统可实现/ 自校准0。这是因为多通道的数字传感器系统, 不存在阻抗匹配问题; 用户输入各传感器的地址、 秤量和灵敏度,即可自动进行秤的/ 四角0或/ 边角0平衡, 不必一次次地反复调整。而在模拟系统中多个传感器并联接线后, 每个传感器的特性就不再是可辨别的了, 校准时需在每一个传感器上施加砝码并利用接线盒中的分压器进行调整; 由于调整时存在着交互作用, 因而需反复多次。在数字系统中, 则允许分别复核作为单体的每一个传感器。实际上,校准装有数字传感器系统的秤所花费的时间, 仅为模拟系统的 1 /4。

利用数字系统可以实现“自诊断”, 即诊断程序会连续地检查各传感器信号是否中断、 输出是否明显超出范围等。若有问题, 在仪表或控制器面板上会自动显示或报警, 用户利用面板上的键即可寻找各个传感器, 独立地确定问题原因并进行故障排除。这种直觉诊断和故障排除能力, 对用户显然是一种重要优点; 而在模拟传感器系统中则是很难以低成本实现的。

在称重测力领域中, 典型模拟传感器系统的模数变换器的分辨力为 16比特, 即有 50000 个可用计数; 而数字系统中每一个传感器的分辨率为20 比特, 即有 1 000 000 个可用计数。所以, 一个装有 4 个数字传感器的系统即可提供 4 000 000个计数的分辨率。这种高分辨率的优点, 特别适用于秤架自重大而被称物重量小的场合。例如:在配料称重系统中, 有时其中某配方的物料仅占很小比例, 但准确度要求却仍然很高。这在传统的模拟系统中同样是很难实现的。

目前, 传感器数字化的方式通常有两种。一种是将AP D变换器连同前级的放大器、 滤波器以及后级的微处理器芯片、 温度敏感元件等一起, 放在传感器壳体的内部, 形成一个整体。由于传感器的输出已经是数字信号, 所以称重仪表中的模拟信号处理单元可以取消, 其结构得以简化。另一种方式是传感器本身一切照旧, 而只是将 AP D变换器等放到附近的接线盒( 也称模块) 中。前者称为整体型, 后者称为分离型。

一台普通的双剪切梁传感器大约包括 11 个电子元件, 共有 30 个焊点。变成整体的数字式传感器后, 目前包括约 60 个电子元件和 350 个以上焊点。传感器的平均无故障时间( MTBF) 是与其包含的电子元件数和焊点数成反比的, 因而整体型数字称重传感器的可靠性显然有所下降。

分散型数字称重传感器, 或确切地说数字称重系统, 用基于微处理器的数字传感器模块替代了通常的接线盒。每个传感器信号的高速和高分辨率的 AP D 变换, 就是在此模块中完成的, 最多可以接12 只传感器。数据或资料被数字化后, 通过串行通信接口, 传输到/ 数字过程称重控制器0。这种光耦合式的数字数据或资料的连结, 可传输高电平数字信号而不受射频干扰和电磁干扰等电噪声的任何影响。
 

显然, 分散型方式更适宜于在原有模拟称重系统的基础上, 不必更换传感器就可以向数字称重系统发展, 不失为对传统技术改造的一条捷径。可以预见, 数字传感器和数字称重测力系统在我国的发展将会是很快的。

 

参 考 文 献

[ 1]  Ono T. Recent Topics in Dynamic Mass Measurement)-A System Theoretic Approach[ A] . Acta ISMFM[ C], Be- ijing, CSM and SICE, 1992: 16- 23.

[ 2]  徐科军, 殷  铭. 腕力传感器动态补偿与解耦方法的研究[J] . 计量学报, 1998, 19(4) : 275- 280.

[ 3]  殳伟群. 基于参数估计的动态称重新方法[ J]. 计量学报, 1993, 14(2) : 149- 153.

[ 4]  Specifications, Tolerances, and Other Technical Require -ments for Weighing and Measuring Devices[ S]. NIST Handbook 44, 2000.

[5]  Uniform Laws and Regulations in the Areas of Legal Me -trology and Engine FuelQuality[ S] . NIST Handbook 130,2000.

[6]  OIML R50, R51, R61, R76, R87, R106, R107[S]. Interna -tional Recommendation published by the International Or -ganization of Legal Metrology, 1995- 2000.

[7]  李家林等. 轨道负荷、 车辆状态安全监测系统[ R].铁道科学研究院研究报告, 1999.

[8]  施昌彦. 数字传感器和数字称重系统[J] . 现代计量测试, 1997, 5(3): 3- 5.

[9]  Fahy J. Weighing in Process Automation -Digital Load Cell Technology[A] . Proceedings of the Asia -Pacific Sympos -ium on Mass and Force[C], Beijing, 1996: 94- 99.

[10]  刘  云. 数字化智能称重传感器的实现[A]. 全国第二届测力与称重技术讨论会论文集[ C], 常州,1993: 47- 52.

 

 

 

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