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电子衡器基础知识

电子衡器基础

培训教材

梅特勒－托利多工业业务市场部

客户培训中心

电子衡器基础知识

一、电子衡器概论

1、衡器、秤及天平的概念

（1）衡器

是利用作用于物体上的重力等各种称量原理，确定物体的质量或作为质量函数的其他量值、数值、参数或特性的一种计量仪器，又称衡量仪器、称量仪器或称重仪器。

当用于贸易结算、安全防护、环境监测和医疗卫生领域时，在我国属接受强制检定的计量器具之一。

（2）秤

是普通准确度级和（或）中准确度级的非自动衡器，以及具有相应静态准确度级的自动衡器的总称。

（3）天平

天平是高准确度级和（或）特种准确度级的衡器。

2、电子衡器概念

装有电子装置的衡器。

电子装置是指将电信号转换成数字信号的机电装置。

3、衡器术语

（1）非自动衡器：

称量过程中需要人员操作（例如向承载器加放或卸去载荷或取得称量结果）的秤。

（2）自动衡器：

称量过程中不需要操作都参与，并按照预定的程序自动工作的衡器。

（3）最大称量（Max）：

不计算添加皮重在内的最大称重能力。

（4）分度值：

实际分度值（d）：

以质量单位表示的下述数值。

　　　　　　对模拟示值，系指相邻两个刻线对应值之差

　　　　　　对数字示值，系相邻两个示值之差。

检定分度值（e）：

用于对秤分级和检定时使用的、以质量单位表示的值。

（5）检定分度数（n）：

最大秤量与检定分度值之商。

（6）最小秤量（Min）：

载荷小于该值时，称量结果可能产生过大的相对误差。

（7）称量范围：

最小秤量与最大秤量之间的范围。

二、电子衡器组成

全电子衡器按组成部分可分为以下四部分：

1、称重传感器：

将加到称台上的重量信号转变为成比例的电信号输出。

2、称重显示仪表：

将传感器输出的模拟信号经放大、滤波、A/D转换、数字处理后在显示屏上显示。

3、秤体部分：

承重部分，机械结构上还可分为秤台、位移限位、卸荷锣栓；电气上有接线盒、信号电缆等。

接线盒作用：

在多传感器系统中平衡传感器输出信号

信号电缆作用：

将传感器信号送至显示仪表

4、外部设备：

指连接在显示仪表的信号输出端口，接收仪表输出信号的设备；常见的外部设备有打印机、大屏幕显示器、计算机管理系统；另外还有模拟量输出、光纤输出、固态继电器输出等。

三、应变式称重传感器

１、传感器工作原理

弹性体在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在它表面的电阻应变片也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化，再经相应的测量电路把这一电阻值变化转换为电信号输出，从而完成将外力转变为电信号的过程。

（１）电阻应变片：

是把一根电阻丝机械地布置在一块有机材料制成的基底上，即成为一片应变片。

　　　　　　　　　箔式单轴片、箔式双轴片

（２）弹性体：

承受外力，产生反作用力，达到相对静平衡。

产生高品质的应变场。

（３）检测电路：

把电阻应变片的电阻变化转变为电压信号输出。

因为惠斯登电桥具有很多优点，如可以抑制温度变化的影响，可以抑制侧向力干扰，可以比较方便地觧决称重传感器的补偿问题等，所以惠斯登电桥在称重传感器中得到了广泛应用。

因为全桥式等臂电桥的灵敏度最高，各臂参数一致，各种干扰的影响容易互相抵消，所以称重传感器均采用全桥等比电桥，参看下图。

从图中，流经R1，R2的电流为：

I1=Ui÷（R1+R2）UAB=R1×I1=UiR1÷（R1+R2）

流经R3，R4的电流为

I2=Ui÷（R3+R4）UAD=R4×I2=UiR4÷（R3+R4）

UBD=UAD—UAB

=UiR4÷（R3+R4）—UiR1÷（R1+R2）

=Ui×（R2R4—R1R3）÷[（R1+R2）×（R3+R4）]

=U0------------------

（1）-

2、零点补偿

虽然电阻应变计经过精心挑选使其阻值尽量相等，但很难绝对一致。

另外，即使能挑选出电阻相等的应变计，经过贴片过程，电阻值还会发生变化。

所以其桥路不平衡是绝对的。

使传感器在不承重时的输出为U0等于零所进行的调整称为零点补偿。

零点补偿有桥臂中串联电阻法，并联电阻法和外加电压法三种。

本公司采用串联法零点补偿。

零点补偿方法

从图中，R1、R2、R3、R4为四个桥臂电阻，Ui为桥路激励电压电源。

由

（1）式可知，若U0＞0，则R2R4—R1R3＞0，此时可在桥臂1或桥臂3中串一个电阻（铜丝或镍铜片）R0，使R2R4=（R1+R0）R3达到零点补偿的目的。

零点补偿的任务首先是决定零点补偿电阻应串入哪一个桥臂，其次是决定这个电阻值是多大，最后决定铜丝有多长，补偿前必须测U0并规定桥路电压的正方向，使它与桥路的正方向相同。

如图所示，供桥电压的正端接A点，负端接C点。

桥路输出端B点的电位高于D点，则U0为正，反之U0为负。

根据测出U0的正负，用图很容易决定R0应串入哪一个桥臂。

串入R0后，则产生一个电压降IR0，如果这个电压降与U0大小相等，则抵消掉U0，考虑到串入的电阻R0远小于桥臂电阻R，因此支路电流

I=Ui÷（R1+R2+R0）=Ui÷（2R+R0）≈Ui÷2R----------------

（2）

U0=IR0=Ui÷2R×R0----------------------（3）

R0=2R×U0Ui------------------------（4）

如果铜丝单位长度的电阻为r0,设零点补偿所需铜丝长度为L

L=R0÷r0=2R×U0÷Ui÷r0=2R÷r0×U0÷Ui-----------------（5）

根据（4），（5）计算出的零点补偿电阻，用特殊方法绕好后，经老化处理再接入传感器电桥由实验作精细调整。

当然传感器还有零点温度补偿，弹性模量温度补偿，蠕变补偿等，我们就不逐个描述，如有兴趣，这方面的书籍较多，读者可以作进一步研究.

3、传感器常用技术参数

额定容量：

生产厂家给出的称量范围的上限值。

（t、kg、g）

额定输出（灵敏度）：

加额定载荷时和无载荷时，传感器输出信号的差值。

（mv/v）

灵敏度允差：

传感器的实际额定输出与对应的标准额定输出之差对该标准额定输出的百分比。

非线性：

由空载荷的输出值和额定载荷时的输出值所决定的直线和增加负荷之实测曲线之间最大偏差对额定输出值的百分比。

重复性误差：

在相同的环境条件下，对传感器反复加荷到额定载荷并卸载。

加荷过程中同一负荷点上输出值的最大差值对额定输出的百分比。

蠕变：

在负荷不变（一般取为额定载荷），其它测试条件也保持不变的情形下，称重传感器输出随时间的变化量对额定输出的百分比。

零点输出：

在推荐电压激励下，未加载荷时传感器的输出值对额定输出的百分比。

绝缘阻抗：

传感器的电路和弹性体之间的直流阻抗值。

输入阻抗：

电源激励输入端短路，传感器未加载荷时，从信号输出端测得的阻抗。

温度补偿范围：

在此温度范围内，传感器的额定输出和零平衡均经过严密补偿，从而不会超出规定的范围。

零点温度影响：

环境温度变化引起的零平衡变化。

一般以温度第化10K时，引起的零平衡变化量对额定输出的百分比来表示。

额定输出温度影响：

环境温度的变化引起的额定输出变化。

一般以温度每变化10K引起额定输出的变化量对额定输出的百分比来表示。

使用温度范围：

传感器在此温度范围内使用其任何性能参数均不会产生永久性有害变化。

4、称重传感器选用的一般规则

1）结构、型式的选择

主要看衡器的结构和使用的环境条件，还有一个要考虑的因素是，维修的方便与否及所需费用。

2）量程的选择

称重系统的称量值越接近传感器的额定容量，则其称量准确度就越高，但在实际使用时，由于存在秤体自重、皮重及振动、冲击、偏载等，因而不同称量系统选用传感器的量限的原则有很大差别。

一般原则有：

a单传感器静态称重系统

固定负荷（秤台、容器等）＋变动负荷（需称量的载荷）≤所选用传感器的额定载荷×70%

b多传感器静态称重系统

固定负荷（秤台、容器等）＋变动负荷（需称量的载荷）≤所选用传感器的额定载荷×所配传感器个数×70%

其中70%的系数即是考虑振动、冲击、偏载等因素而加的。

四、接线盒

接线盒在多传感器称重系统中，传感器采用全并联方式联接。

模拟接线盒：

接线盒分7孔与5孔。

前者用于6线制传感器，后者用于4线制传感器。

接线盒相当于一个无源电阻网络，它为每个传感器准备了一个低温度系数精密可调电阻，与传感器的输出端并联。

当调节盒内某个可调电阻时，相当于改变了这只传感器的输出阻抗。

这样，就使得称重系统所使用的每只传感器的输出阻抗在一个小范围内可以调整。

接线方法：

传感器色标及名称：

AJB－005与AJB－007接线示意图

AJB－015型接线盒示意图

3、调整电阻

调整四角误差，调整电阻向顺时针方向值加大，调整电阻向逆时针方向值减小，调整时向最小值靠拢，例如四角值如下：

第一角10T9.9T

第二角9.95T9.9T

第三角9.9T

第四角10.1T9.9T

我们把所有角的值均调到9.9T，然后加50%满量程砝码校正。

数字接线盒

五、显示仪原理

1、显示仪组成

2、放大器

传感器输出信号一般为毫伏级的信号，进入仪表后经由放大器放大为伏级的信号。

3、滤波器

是为了获得稳定和精确的直流电压所必须的电路。

4、仪表的A/D转换

将模拟信号转换为数字信号供微处理器处理

在秤进行标定时，设砝码值为F1=30000Kg,传感器信号经放大，滤波后输入A/D转换器时为Vx，此时,k1接通,则Vx对电容C进行充电，时间为定值T1，充电量为Vc.接着k2接通,然后用一个极性与Vx相反的电压Vref对电容C进行放电，直至把电容C中的电量放光，时间为T2。

在放电的同时，计数器开始计数，若计数器值为K1=300000,则仪表将（K1=30000KgK2=300000）自动存入内存.当任一重量F2加至秤台，电容C放电时间为T3`，放电结束后计数器值为K2=250000则:

F2/F1=T2/T3=K2/K1

则F2/F1=K2/K1

F1=30000KGK1=300000K2=250000

F2=30000Kg×（250000÷300000）=25000Kg

5、微处理器

是称重仪表进行数据处理的核心部件。

根据仪表性能和功能的不同要求可选择不同档次。

6、显示器和键盘

显示器和键盘为称重仪表的人机界面。

7、接口

称重仪表的接口主要供连接外部设备用。

1）串口的几种形式：

RS232（最远传输距离为15m，用于计算机或打印机）

RS485/RS422（最远传输距离为600m，用于大屏幕或计算机。

）

20mA电流环（最远传输距离为300m,用于大屏幕）

2）并口

一般直接用于打印机

8、电源

给称重仪表的电路提供电源和给传感器提供激励电压。

电源供电方式有直流和交流两种。

直流供电可采用交流适配器供电，也可采用电池供电。

交流供电的仪表一般内部有电源变压器，其输入电压范围比较窄。

检定规程

一：

名词解释

检定：

为评定秤的计量性能，确定其是否符合法定要求所做的全部工作。

首次检定：

对从未检定的秤进行的检定

a新制造、新安装的秤

b进口秤的检定

随后检定：

秤首次检定后的检定

a周期检定

b修理后的检定

c新投入使用的强制检定的秤，使用前申请的检定

d周期检定周期未到前的检定

使用中检定

检验使用中的秤是否符合计量检定规程的要求，是否处于良好的工作条件，使用是否正确、可靠。

OIML：

国际法制计量组织（OrganisationInternationaledeMetrologieLegaleOIML）是一个从事法制计量工作的政府间组织。

1955年10月12日根据美国、联邦德国等24个国家在巴黎签署的《国际法制计量组织公约》成立。

它的最高权利结构是国际法制计量大会（CGML），一般每四年召开一次。

领导和咨询结构是法制计量委员会（CIML），每两年召开一次。

常设结构是国际法制计量局（BIML），局址设在法国巴黎。

　　CIML由每个成员国的一名代表组成。

这些代表由其本国政府指定，必须是主管计量器具部门的在职官员，或者是在法制计量部门担任正式职务者。

　　OIML的主要任务是：

搜集各国法制计量机构及法制计量器具的文献和情报，确定法制计量的一般原则，制定并推荐国际性计量技术法规，组织新检定方法和国际交流，协调国际间制造、使用和检定计量器具中出现的技术和管理问题，推动国际计量立法的一致和促进国际贸易，促进成员国主管法制计量部门的联系。

　　OIML向成员国推进的技术法规有两种：

国际建议和国际文件。

截至1998年1月已制定国际建议126个、国际文件26个。

　　截至1998年1月，OIML共有55个正式成员，46个通讯成员

　　经国务院批准，我国已参加OIML，1985年4月25日起成为正式成员国。

R文件：

国际建议，确立规程的样板、计量特征

D文件：

国际文件，确立资料、改进方法

R76号文件：

《非自动衡器国际建议》

NTEP：

美国NTEP（NATIONALTYPEEVALUATIONPROGRAM）认证

二、计量原则

计量单位

克（g）、千克或公斤（kg）、吨（t）

计量要求的原则

适用于所有的秤，与秤的称量原理无关

划分秤的准确度等级的依据是：

A检定分度值e，表示绝对准确度e=d

B检定分度数n，表示相对准确度

三、非自动衡器分级

准确度级别

检定分度值

检定分度数n

n=Max/e

最小称量Min

（下限）

最小

最大

特种准确度　I

0.001g≤e

50000

－

100e

高准确度　　II

0.001g≤e≤0.05g

100

10000

20e

0.1g≤e

5000

10000

50e

中准确度　　III

0.1g≤e≤2g

100

10000

20e

5g≤e

500

10000

20e

普通准确度　IIII

5g≤e

100

1000

10e

四、误差

非自动衡器的最大允许误差

首次检定最大允许误差

MPE

使用中误差

准确度级别

中准确度　III

普通准确度IIII

±0.5e

±1.0e

０≤m≤500e

０≤m≤50e

±1.0e

±2.0e

500＜m≤2000e

50＜m≤200e

±1.5e

±3.0e

2000＜m≤10000e

200＜m≤1000e

自动衡器的最大允许误差

准确度级别

称量值的相对误差％

首次检定

使用中

0.2

0.1

0.2

0.5

0.25

0.5

1.0

0.5

1.0

2.0

1.0

2.0

自动衡器的静态准确度，是它按非自动衡器检定方法检定时应达到的准确度。

对于0.2级与0.5级自动衡器，其静态准确度通常应符合非自动衡器的中准确度要求。

而对于1.0级与2.0级自动衡器，其静态准确度等级通常应符合非自动衡器的普通准确度要求。

贸易结算用秤：

国家规定，用于贸易结算的秤，其最小检定分度数对于三级秤，n1000

误差计算方法

E=I+0.5e-m-m

其中：

E为误差

I为加载后的示值

m所加的感量砝码

m标准砝码

例1：

一台d=5g的秤，加放1Kg砝码，示值为1000g，然后加0.5g的小砝码，直至示值由

1000g变成1005g，此时小砝码之和为1.5g，求这一点的实际误差？

超不超差？

E=（I-m）+0.5d–∆m=（1000g-1000g）+0.5×5g–1.5g=1g

1000/5＝200即误差范围为０≤m≤500e，即误差范围为±0.5e＝±2.5g

答：

1、该秤在1Kg的重量下实际误差为1g，误差范围为±2.5g，不超差。

例2：

30T秤，将15T的汽车开上秤台，任选3次，看示值变化情况，d=10Kg

a15000Kg

b15010Kg

c15000Kg

a–b=15000–15010=10Kg，我们查表认为符合要求。

如果发生下列情况：

a15000Kg

b14990Kg

c15010Kg

b–c=14990–15010=20Kg，查表示值之差超过允差范围。

五、检定项目

1.零点测试

先将仪表置零，加一个重量，然后加感量砝码直至仪表显示变为后一个显示，然后计算零点误差。

2.偏载测试

在每个传感器位置上加Max/n-1的重量测试误差。

3.加载测试

从零点开始按从小到大的顺序加砝码至最大秤量，用相同的方法卸载至零位，测试点至少选定以下5个点：

最小秤量、500d、50%秤量点、2000d、最大秤量

4.重复性测试

在秤的相同位置、相同条件下用相同的载荷反复加卸三次，允差应在误差范围内

分别在50%及最大秤量进行两组测试

5.鉴别力测试

在秤台上加某一定量的砝码及10个0.1d的小砝码，然后逐渐取下小砝码直至仪表变为下一个示值，加0.1d的小砝码然后加1.4d的砝码，应看到仪表变为上一个示值。