唐文博 陈俊钢
摘 要：本文简要介绍了电子称重检测系统在钢铁行业中的应用，并对使用过程中秤体的故障及传感器的选择进行了深入分析，以供同行交流和参考。
关键词：称重传感器；电阻应变片；标定
称重检测在现代钢铁工业生产中有着十分重要的地位，它被广泛用于检斤计量、配料控制、物流运输、物位（液位）检测等方面。提高称量系统的稳定性和测量精度对控制企业成本、提高产品质量具有非常重要的意义。
钢铁行业中，现场使用最广泛的电子衡器通常有电子台秤（如炼钢系统的合金秤）、料斗（仓）秤、汽车衡、轨道衡（静态、动态）、煤塔秤、称重式铁水液位计、配料秤、皮带秤、螺旋秤、核子秤等。
一般来说，一套称重系统是由秤体、称重传感器、重量变送器三部分组成。秤体是用来承受被称量物体的重力，并将该力传递给称重传感器的设备，它可以是容器（仓、罐、料斗）自身；称重传感器是将重量信号转换为成正比的电信号；重量变送器是对来自传感器的弱电信号进行放大，A/D转换及处理，并进行显示，标定以及通过各种接口（如串行口/模拟量/开关量/现场总线等）与其他设备进行通讯和控制。
而在称重检测系统中，最易发生故障的是秤体及称重传感器。首先我们对秤体常见故障如何排除进行介绍。
1 秤体常见故障的排除：
如前所述，秤体是用来承受被称量物体的重力，并将该力传递给称重传感器的设备。所以它的形状及重心直接影响着传感器所受的压力。在使用中，由于各传感器受力不同，经过长期的使用后，传感器易损坏（线性度变差），造成称量误差。
1.秤体严重变形，空载时，承载秤体的传感器受力严重不平衡，可通过空载时，测量各个传感器的信号输出，如有信号过大，或过小都可认为是称体的原因造成。
2.重量的检测实质是对传感器所受垂直压力的检测。任何附加在传感器上的其他力都会影响称量的准确度。因此在当称量呈现较大误差时，可观察传感器是否受到了其他方向的压力，如秤体四周积料对传感器的侧向压力，总之称量时，传感器只能收到被称量物的垂直向下的压力和地基对其垂直向上的力，二力平衡，任何其他方向的力都会对其称量产生影响。一般情况下可通过清理秤体四周积料可解决此问题。
3.零漂、称重值忽高忽低，原因：振动产生的加速度对称量产生附加影响。采取措施：秤架基础尽量与振动源分开（落地生根）或加减振措施隔离。
2 称重传感器数量及量程的选择
2.1 量程选择
称重系统中，传感器的选择是最为关键的，最核心的设备，从目前称重传感器的发展来看，电阻应变片式传感器因其精度较高、稳定性好、技术成熟、性价比较高已经成为现场应用中的主流选择。
称重传感器数量的确定一般根据秤体的支撑点数确定，原则是尽可能使秤体重心与多个传感器（支撑点）的几何中心相重合。现场选择传感器的时候，有些人出于安全考虑，总喜欢将量程尽可能地选大，这是很不合适的。事实上，一般传感器的过载能力都达到150%F.S（短期甚至可达300%F.S）。而且我们知道，对于同等精度的传感器来说，量程选择过大的话，对正常测量所造成的误差也会随之增大。这对于一些添加精度要求较高的配料环节，是极为不利的。
传感器量程的选择应依据秤的最大称量值、选用传感器的个数、秤体的自重、可能产生的最大偏载及振动、冲击等因素综合评价来确定，以保证传感器的安全和寿命。
上图为国际法制计量组织（OIML）R60《称重传感器》国际建议对称量系统量程选择的要求。在日常应用中，笔者建议可按下式考虑：
2.2 称重传感器特性选择
钢铁行业生产环境比较复杂，因此称量装置的安装环境也各不相同，我们必须根据现场实际选择具有相应特性并满足需求的特殊称重传感器。
对于钢坯秤、辊道秤等用于高温环境下的称量装置，为了避免高温对传感器造成焊点开化、弹性体内应力发生结构变化、温度补偿范围不够等问题，必须采用耐高温传感器，并须加有隔热、水冷或气冷等装置。
对于原料场以及石灰秤等高粉尘、潮湿环境，为避免绝缘下降造成传感器零飘甚至短路损伤传感器，应选择膜片热套密封或膜片焊接密封、抽真空充氮的传感器，坚决不能使用充填涂覆密封胶形式的传感器。
对于化产区域的称重传感器，考虑到腐蚀性环境对传感器的损害，应选择不锈钢材质，抗腐蚀性能及密封性好的传感器。
对于喷煤、焦化区域的喷吹罐秤、粉仓秤、煤塔秤等，因其所在区域为易燃易爆环境，所以必须选用满足相应防爆等级的传感器。
2.3 传感器结构形式的选择
传感器形式的选择主要取决于载荷的类型（是否有冲击）、精度要求、量程大小、安装空间以及维护需要等方面。如柱式传感器适用于汽车衡、大吨位料斗秤等；双剪切梁式传感器适用于大吨位汽车衡、轨道衡；悬臂梁传感器适合于地上衡、平台秤等；S型拉式传感器适用于电子皮带秤、料斗秤等；弯曲梁式传感器适用于小吨位皮带秤、配料秤等；轴销式传感器适用于轨道衡、煤塔秤等作业频繁、检修时间紧张的区域。
2.4 传感器准确度等级选择
对传感器准确度等级的选择必须满足整台电子秤准确度的要求，因为一台电子秤主要是由秤体、传感器、仪表三部分组成，秤体强度、变送器特性、使用环境等因素都会直接影响到秤的准确度，所以在对传感器准确度选择的时候，应使传感器的准确度略高于理论计算值（建议高30%）。
但另一方面，如果选择精度很高的传感器（如C3级），投资造价又会大幅度增加。对于计量结算用的衡器，我们在选择传感器时，应优先考虑它的准确度等级，以确保组秤后，系统的综合精度优于0.5级。对于一些需要精确称量和自动控制的配料系统，我们也必须选择准确度等级高的传感器。而对于普通的称重系统，一般来说要求的称量精度可能不是很高，此时我们则可以选择准确度等级不是很高的传感器以降低投资费用。同样，对于大多数利用称重法检测物位或是液位的系统，传感器的准确度等级也没必要选的过高。
2.5 传感器灵敏度选择
对传感器灵敏度的选择必须满足称重仪表输入的要求：称重显示仪表是对传感器的输出信号经过放大、A/D转换等处理之后显示称量结果的。因此，传感器的输出信号必须大于或等于仪表要求的输入信号大小，即将传感器的输出灵敏度代入传感器和仪表的匹配公式，计算结果必须大于或等于仪表要求的输入灵敏度，即对应于每个分度值的重量，传感器输出信号：
2.6 现场使用电子称重检测系统传感器组联方式介绍
现场使用的电子秤，除吊钩秤外，基本都采用多传感器组秤，分为串联和并联组秤两种方式。串联方式对传感器一致性要求较低，但线路复杂，投资较大，现在已经基本不再使用。目前最为普遍的组秤方式为传感器并联组秤。该方式是各个传感器的输入端并联，使用一个公共电源供桥，输出也以并联的方式工作。 为分析简便起见，现以两个传惑器的并联工作方式介绍如下 ：
设两只传感器的灵敏度分别为S1、S2， 桥臂电阻分别为R1、R2，供桥电压分别为U1、U2。通过电路分析可知，这两个传感器并联工作的条件是S1R1=S2R2，同理当n个传感器并联工作时可得：S1/R1=S2/R2=…=Sn/Rn。显然，并联工作状态对传感器本身的参数要求是比较高。
钢铁行业中，部分生产现场的配料秤料斗是不规则的形状，装料及下料过程中，料斗的重心会随着料量的变化而变化，因此各传感器的载荷分布情况是变化的，如果各传感器灵敏度不一致的话，其输出特性显然会与标定时不一样，从而带来较大的测量误差。因此，我们在选择传感器时，必须按照前文所述，尽可能地选择参数一致性较好的传感器，以满足S1/R1=S2/R2=…=Sn/Rn
2.7 传感器选择的特殊需求
此外，在选择传感器时，我们还应考虑现场中的一些其他方面的需求：如某些场合，由于空间或承重结构和能力的限制，不具备校秤的条件，则建议考虑采用数字式传感器；因为数字传感器在使用过程中，重量变送器（数字秤）会自动对其进行编址和寻址操作，并将其参数信息读入系统，根据其特性确定系统总输出。从理论上来说，在秤体结构不发生变化的情况下，更换传感器后基本不需要重新标定。
再如，某些称重系统在使用中受水平横向冲击力较大，当其超出加载连接装置的抗侧向力或自复位能力时，必须考虑在加载连接装置中设计、增加专门的限位装置，或在系统中增加过载保护结构。
3 因传感器原因造成称量误差的表现
1.传感器损坏，造成称量偏差大，无法计量，可通过更换传感器解决此问题，传感器损坏表现为输入或输出电阻开路或短路，理论上对于合金秤和行车电子称由于各个传感器受力均匀，当一个传感器损坏后，用其他三个传感器测量不影响称量的准确性。然而，通过多次实践证明这种做法不可取。
2.传感器的输入输出阻值正常，但是其空载时的信号严重偏大时，也可以认为传感器损坏，需更换传感器。
3.称重传感器周围可考虑设置一些“挡板”，甚至用薄金属板把传感器罩起来，以防止杂物顶住秤体，但当“挡板”与传感器接触时将会造成严重的称量误差，因此绝不允许“挡板”接触到传感器。
4.零漂，示值不稳。原因：信号电缆绝缘下降。采取措施：更换电缆，使用专用屏蔽电缆，并尽可能不要对接。
4 补偿接线盒原理及常见故障排除
由于传感器在出厂时，传感器的一致性不一定很理想，再加上现场使用的环境及安装手段的限制，给多个传感器的并联组秤，带来不平衡的问题，为解决以上问题，须选用接线盒来调节传感器系数与输出阻抗之比接近一致，从而保证整个秤体的平衡。补偿接线盒可将称重仪表的供桥电压分配到每个传感器的桥压输入端，通过调节每个传感器的输出参数，使每个传感器输出达到平衡。对于有四个及四个以上的传感器，由于各方面的原因，机械台面和基础都或多或少的有些变形，使用时间越长，变形越严重。造成传感器的受力不一致，只靠电位器的补偿是补偿不过来的，因此一般情况下，笔者认为尽量不去调整电位器。应首先考虑机械台面的水平度。补偿接线盒常见故障。
1.补偿接线盒安装环境恶劣，造成补偿接线盒内积灰，影响信号的稳定性。采取措施：采用IP防护等级高的接线盒，或加装密封垫并做好进线口密封。
2.补偿接线盒安装地点震动大，造成焊点脱焊，影响信号的稳定性。
5 重量变送器原理及常见故障排除
重量变送器是对来自传感器的弱电信号进行放大，A/D转换及处理，并进行显示，标定以及通过各种接口（如串行口/模拟量/开关量/现场总线等）与其他设备进行通讯和控制。当变送器的输入稳定而显示不稳定时，可考虑更换重量变送器。不同厂家，不同型号的重量变送器的抗干扰能力不同。笔者在处理配料秤输出波动时，曾做过这样的实验：
1.称重显示值大幅度波动，检测各传感器的输出信号正常，电气室内，信号电缆的接地线接在电气柜底部的接地端上。从端子排到二次表未接屏蔽。接屏蔽后显示稳定。因此，当电气室含有变频器时，应严格采取屏蔽措施，整个路由采取屏蔽措施。
2.参数紊乱，称量失准，采取措施：进入菜单检查各参数是否与上次校秤后一致并恢复原参数设置。
3.显示与电脑不一致，检查信号转换单元和变送器输出。采取措施：更换信号转换单元或变送器。
总之，为了确保称重系统的可靠运行，并提供较高的测量精度，首要应当解决的就是传感器的选择问题，只要我们掌握传感器的工作原理，充分了解各种传感器的功能特性，并充分考虑现场工艺需求，就一定能够解决好这个问题。
