問題提出：

在衡器方案設計時，往往在確定準確度等級等指標后，不知如何選擇傳感器和稱重儀表？有時自認為已正確選擇了稱重傳感器和稱重儀表，但是在實際測試中，衡器的計量性能指標還是無法保證，請指教在傳感器和儀表的選型中，有何訣竅？

問題解答：

在衡器方案設計時，往往確定衡器準確度等級后，需要掌握以下選擇傳感器和儀表的選型原則：

1．傳感器和儀表的選型中與衡器相關的計量參數(shù)

（1）衡器的主要參數(shù)：最大秤量、最小秤量、準確度等級、最大檢定分度數(shù)n、工作溫度范圍、承載器的靜載荷、去皮重量等。

（2）衡器的誤差分配系數(shù)：p1²+ p2²+ p3²+ p4²+ p5²……≤1

其中：p1、p2、p3、p4、p5…pi——衡器的誤差分配因子，0.3≤pi≤0.8。

2．衡器最大秤量修正系數(shù) Q

一般來說，衡器的最大秤量修正系數(shù)Q應大于1，主要是針對偏載（載荷的不均勻分布）、承載器的靜載荷、初始置零范圍及添加皮重可能產生的影響的考慮。

Q = (Max+ DL + ISZR + NUD + T+...) / Max

其中：Max ——衡器的最大秤量；
DL —— 承載器的靜載荷，由衡器方案設計時確定；
ISZR ——初始置零范圍，一般為20% Max；
NUD ——承載器的載荷不均勻分布值。一般可以按典型結構的衡器進行假設。

·帶杠桿及單傳感器的衡器，或傳感器對稱排列的料斗，承載器上沒有易造成偏載的裝置 NUD = 0 %Max
·其它典型衡器NUD = 20%Max
·對于叉車秤，單軌吊秤及汽車衡NUD = 50％Max
·多秤臺衡器，組合數(shù)固定 NUD = 50%Max（累計最大秤量）
·多秤臺衡器，組合數(shù)是可變NUD = 50%Max（單秤臺最大秤量）

T —— 衡器方案設計時按添加皮重法設計的重量值。

當然衡器的最大秤量修正系數(shù)Q還可以根據(jù)不同衡器的實際使用狀況，再分別加上沖擊系數(shù)、超載系數(shù)、風壓系數(shù)等。

3．稱重傳感器選型

3.1 準確度等級

準確度等級，包括稱重傳感器（LC）溫度范圍及濕熱穩(wěn)定和蠕變指標，必須滿足衡器的要求。

*) 如果溫度范圍足夠寬，并且濕熱的穩(wěn)定性和蠕變指標只能滿足較低準確度等級要求。

3.2 傳感器最大允許誤差分配系數(shù)pLC

如果衡器系統(tǒng)設計時沒有規(guī)定稱重傳感器的誤差分配系數(shù)，那么pLC = 0.7。稱重傳感器的誤差分配系數(shù)可以是0.3≤pLC≤0.8。

3.3 工作溫度范圍

如果衡器系統(tǒng)設計方案中沒有規(guī)定稱重傳感器的工作溫度范圍，那么溫度范圍下限Tmin = -10℃及溫度范圍上限Tmax = 40℃。根據(jù)衡器系統(tǒng)設計方案，也可以對溫度范圍做出限定，但工作溫度范圍不得小于30℃。

3.4 傳感器最大秤量

稱重傳感器的最大秤量Emax應滿足下述條件：

Emax≥Q × Max × R / N

其中：Q ——衡器最大秤量修正系數(shù)；
Max——衡器的最大秤量；
R —— 衡器載荷傳遞裝置的縮比；
N —— 衡器傳感器支撐點的數(shù)量。

3.5 傳感器最小靜載荷

因承載器所產生的最小載荷必須等于或大于稱重傳感器的最小靜載荷Emin (許多稱重傳感器有Emin = 0)：

Emin≤DL×R / N

其中：Emin—— 傳感器的最小靜載荷；
DL —— 承載器的靜載荷，由衡器方案設計時確定。

3.6 傳感器最大分度數(shù)nLC

（1）對于每只稱重傳感器，稱重傳感器的最大分度數(shù)nLC應不小于衡器的檢定分度數(shù) n：

nLC≥n

（2）對于多稱量范圍、多分度值衡器，下述要求適用于任何單獨的稱量范圍或局部稱重范圍：

nLC≥ni

（3）傳感器最小靜載荷輸出恢復DR

l 對于多稱量范圍衡器，同一傳感器用于多于一個稱量范圍時，應滿足條件：

DR×E / Emax≤ e1 ×R / N

或：DR / Emax ≤ e1 / Max

當DR未知時，應滿足條件nLC≥0.4 ×Max r / e1。

·對于多分度值衡器，應滿足條件：

DR ×E / Emax≤0.5 ×e1×R / N 即 DR / Emax £ 0.5 ×e1 / Max

其中：E = Max × R / N 是衡器加載至Max時加在單個稱重傳感器上的部分載荷。

當DR未知時，應滿足條件nLC≥Max / e1。

3.7 傳感器最小檢定分度值

稱重傳感器最小檢定分度值vmin不應大于衡器檢定分度值e乘以載荷傳遞裝置的縮比R，再除以稱重

傳感器數(shù)量N的平方根：

vmin ≤ e1 ×R /

對于多稱量范圍衡器，相同的傳感器用于多于一個稱量范圍時，或多分度值衡器，e用e1代替。

3.8 傳感器輸入阻抗

傳感器的輸入電阻RLC 受到稱重儀表的限制。RLC / N 必須滿足稱重儀表輸入電阻范圍RL min到RL max。

3.9 傳感器額定輸出

傳感器在用Emax加載后，對應輸入電壓下的輸出信號的變化一般采用 mV/V 表示。

為了更方便于計算，OIML R 60 中引入了下面的相對值：

Y = E max / v min
Z = E max / (2·DR)

4．稱重儀表的選型

4.1 準確度等級

稱重儀表準確度等級，包括溫度范圍及濕熱穩(wěn)定性指標，必須滿足衡器的要求。

*) 如果溫度范圍足夠寬，并且濕熱的穩(wěn)定性指標只能滿足較低準確度等級的要求。

4.2 稱重儀表的最大允許誤差系數(shù)

如果衡器系統(tǒng)設計時沒有規(guī)定稱重儀表的最大允許誤差系數(shù)，那么pind = 0.5。根據(jù)衡器系統(tǒng)設計要求，該系數(shù)可以為0.3≤pind ≤0.8。

4.3 工作溫度范圍

如果衡器系統(tǒng)設計時沒有規(guī)定稱重儀表的溫度范圍，那么溫度范圍下限值Tmin = -10℃，溫度范圍上限值Tmax = 40℃。根據(jù)衡器系統(tǒng)設計要求，可以對溫度范圍進行限制, 但工作溫度范圍不得小于30℃。

4.4 最大檢定分度數(shù)

對于每臺稱重儀表，其最大分度數(shù)nind應不小于衡器的檢定分度數(shù)n：

nind ≥ n

對于多稱量范圍或多分度值衡器，該要求適用于任何單獨的稱量范圍或局部稱重范圍：

nind ≥ ni

如果可以用于多稱量范圍或多分度值衡器，這些功能必須包括在受檢定的稱重儀表中。

4.5 與衡器相關的稱重儀表電氣參數(shù)

Uexc (V) 稱重傳感器激勵電壓
Umin (mV) 稱重儀表的正常最小輸入電壓
Δumin (mV) 稱重儀表每個檢定分度值的最小輸入電壓
UMRmin (mV) 稱重儀表測量范圍最低電壓
UMRmax (mV) 稱重儀表測量范圍最高電壓
RLmin (W) 連接傳感器的最小輸出阻抗
RLmax (W) 連接傳感器的最大輸出阻抗

4.6 稱重儀表每個檢定分度值的最小輸入電壓驗算

(1) 稱重儀表的正常最小輸入電壓(衡器空載) Umin驗算

Umin = C×Uexc×R×DL /(Emax×N )

其中：Uexc—— 傳感器的激勵電壓；
C —— 傳感器的額定輸出；
R —— 衡器載荷傳遞裝置的縮比；
DL —— 衡器承載器的靜載荷，由衡器方案設計時確定；
Emax—— 傳感器的最大秤量；
N—— 衡器傳感器支撐點的數(shù)量。

(2) 稱重儀表的每檢定分度的最小輸入電壓Δumin驗算

Δumin = C×Uexc×R×e /(Emax×N )

其中：C —— 傳感器的額定輸出；
Uexc—— 傳感器的激勵電壓；
R —— 衡器載荷傳遞裝置的縮比；
e —— 衡器檢定分度值，對于多稱量范圍或多分度值衡器，e = e1；
Emax—— 傳感器的最大秤量；
N—— 衡器傳感器支撐點的數(shù)量。

5．連接電纜的選型

稱重儀表與傳感器或傳感器接線盒（使用六線制的稱重儀表應具有傳感器反饋補償功能）之間的附加電纜必須在稱重儀表說明書中進行規(guī)定。

較為簡單的方法是在稱重儀表說明書中規(guī)定電纜材料（銅，鋁等）的單位橫截面(m/mm²)電纜長度的值。否則必須計算電纜長度(m)、截面積(mm2)、導電材料參數(shù)和每股芯線最大電阻(W)。

5.1 電纜電阻變化計算

應測量零點與最大載荷之間的量程。首先應計算衡器在最大工作溫度范圍內所對應的電纜電阻變化：

DRTemp = Rcable ×a × (Tmax – Tmin)

其中：DRTemp—— 最大工作溫度范圍所對應的電纜電阻變化（單位為Ω）；

Rcable ——單股電纜電阻值，Rcable = (r ×L) / A

其中：ρ ——材料的電阻率（例如銅：ρcopper = 0.0175Ωmm2/m）
L—— 電纜長度（單位為m）
A —— 單股電纜的橫截面（單位為mm2）
a —— 電纜材料電阻率的溫度系數(shù)1/K，例如：銅α=0.0039 1/K
Tmax – Tmin ——最大使用溫度范圍

5.2 電纜溫度影響引起的稱量變化

為了確定溫度對電纜影響引起的稱量變化限值，應考慮對稱重儀表溫度試驗的結果。溫度引起的最大稱量誤差不應大于衡器最大允許誤差絕對值乘以pi的三分之一。

Dspan(DT) ≤ pi × mpe - Emax(DT)

其中：Dspan(DT) —— 溫度變化對電纜影響引起的稱量變化值。Dspan(DT) 必須滿足以下條件：

Dspan(DT) ≤ 1/3 (pi ×| mpe|)

如果稱重儀表不能滿足這些條件，電纜最大電阻即電纜最大長度必須減少，或者必須選擇大的橫截面電纜。應對稱重儀表與稱重傳感器或稱重傳感器接線盒之間的附加電纜（只適用于使用六線制系統(tǒng)的稱重儀表，例如反饋補償系統(tǒng)）做下列規(guī)定：

材料（銅、鋁等）、長度（m）、截面積（mm2）、或材料（銅、鋁等）固定后規(guī)定的電纜長度(m/mm2)、或每路電纜的最大電阻。

6．稱重儀表、稱重傳感器兼容性設計選型實例——汽車衡

（4）兼容性檢查（實例）

1) 稱重傳感器(LC)、稱重儀表(IND) 與衡器(WI)的準確度等級

一、概述

高溫環(huán)境用稱重傳感器的國產化生產是近年才得以發(fā)展起來的。高溫環(huán)境，是指電子衡器設備所處的現(xiàn)場環(huán)境溫度超出50°C及以上。如冶金企業(yè)的煉鋼鋼水包計量、鐵水包計量、鋼水包行車計量、熱送焦炭計量、熱送燒結礦計量、紅送鋼坯計量、線材軋制在線計量等。

原來，國內冶金企業(yè)為了解決高溫稱重計量，從國外引進，費用昴貴，且配件備件困難。

為了解決高溫稱重計量，實現(xiàn)耐高溫稱重傳感器的國產化生產，節(jié)約外匯，降低設備成本，國內傳感器廠家積極開展耐高溫稱重傳感器的研制。我國耐高溫稱重傳感器國產化的大致歷程是：

我國冶金企業(yè)根據(jù)惡劣高溫環(huán)境的需要提出需求→委托國外應變計生產商研制高溫應變計→國內傳感器廠利用耐高溫應變計生產制造耐高溫稱重傳感器→配套制造防高溫秤體→配上智能化稱重儀表→形成智能型耐高溫電子稱量裝置。

余姚市通用儀表有限公司是率先實現(xiàn)高溫稱重傳感器國產化設計生產的廠家之一。耐高溫稱重傳感器采用進口KFH系列高溫自補償應變計和耐高溫貼片膠設計制造。應用耐高溫焊錫和高溫電纜，焊錫的熔點達305℃，電纜工作溫度250℃～500℃；傳感器的彈性體與外殼全密封，IP67防護。

為使高溫傳感器國產化的生產與校準標準化，公司從1998年開始，投入大量人力物力，反復做材料試驗、溫度試驗、壓力試驗和加工裝配工藝試驗，從試驗過程中總結經(jīng)驗，總結規(guī)律性，使高溫傳感器生產實現(xiàn)工藝標準化、規(guī)范化。穩(wěn)定和完善了TY耐高溫傳感器的制造工藝。

近年來，國家和地方政府對高溫環(huán)境計量應用技術十分重視，特殊高溫環(huán)境檢測用產品被納入“國家高新技術產品目錄”。 余姚通用儀表公司的“耐高溫電子稱量裝置”被列為寧波市“創(chuàng)新基金”項目，為企業(yè)增加投入，扶持企業(yè)發(fā)展耐高溫產品。

浙江省衡器管理所的工程技術人員深入到傳感器生產現(xiàn)場，與余姚市通用儀表有限公司的技術人員一起反復試驗，反復論證，共同起草了JJG（浙）68—2003《高溫負荷傳感器地方計量檢定規(guī)程》，經(jīng)浙江省質量技術監(jiān)督局批準，于2003年3月在國內首次發(fā)布。使高溫傳感器的檢驗校準有了統(tǒng)一規(guī)范。

二、TY耐高溫稱重傳感器的特點

（一）TY耐高溫稱重傳感器，采用進口玻璃纖維增強型聚酰亞安基底卡碼溫度自補償應變計設計制造，具有如下功能特點：

工作溫度：-196℃—+250℃，補償溫度：+10℃—+250℃。
采用進口貼片膠和保護面膠，工作溫度：-196℃—+250℃。
采用進口耐高溫焊錫，熔點溫度：+305℃ —365℃。

采用耐高溫引線與接線端子，耐溫250℃。采用耐高溫電纜和耐高溫接頭。

具有在長期高溫熱幅射、環(huán)境溫度梯變或瞬變等惡劣條件下，能保持稱重或測力的準確性和穩(wěn)定性。

可替代國外進口耐高溫傳感器產品，耐高溫達250°C及以上，適用于如車載鋼水包、連鑄鋼水包、鋼水包行車吊、冶煉配料計量及其它高溫環(huán)境計量。

（二）、TY耐高溫稱重傳感器高溫性能指標

（三）、TY高溫傳感器生產工藝簡介

三、采用耐高溫稱重傳感器設計制造耐高溫電子秤

（一）耐高溫電子秤稱重原理與工作過程：被稱重高溫包→緩沖裝置→受力導向裝置→稱重箱體耐高溫稱重傳感器→信號傳輸裝置→智能化稱重控制器→顯示與控制。

（二）HSB型模塊式秤體的結構特點

模塊式耐高溫鋼包電子秤，利用導向柱與導套合為一體的優(yōu)點，在箱體上露出承重頭，稱量時，鋼包包耳座落在承重頭上進行計量。模塊式秤體，由一組長方體鋼結構件焊接組成，內部安裝稱重傳感器，秤體外形尺寸根據(jù)用戶現(xiàn)場實際情況確定。秤體內設有導向和限位裝置，保證稱重傳感器不受任何側向力。

秤體結構由全密封箱體、承壓頭、導向套、耐高溫傳感器、通風管等幾部分組成。秤體從外表看，是一臺整體式全封閉鋼結構焊接箱體，稱量時利用兩只承載頭進行計量，信號線從秤體內部走線，即使有鋼水外溢出也不會燒損傳感器。

秤體內部傳感器的安裝固定采用限位式固定，用戶在維護更換時極為方便，整臺秤體安裝時只須割去原承重臺進行替換，對位后與大梁焊接，無須任何螺絲進行緊固，安裝方便。秤體與稱量箱如示意圖（圖1）

圖1

設計制作特點

1、解決了電子秤工作時的高溫威脅難題

應用了耐高溫稱重重感器和耐高溫電纜，系統(tǒng)在≥250℃溫度范圍內長期穩(wěn)定工作。設計了全密閉式稱量箱，傳感器安裝在全密閉箱體內，耐高溫電纜從箱體內引到大梁里面，即使鋼水外溢，也不會燒壞電纜。

2、傳感器抗沖擊設計

根據(jù)不同的應用工況，采用不同結構的傳感器：對連鑄回轉臺采用雙球面擺桿式傳感器，它具有300%的抗沖擊能力；對于車載鋼包秤，采用強度冗余的平面橋式傳感器，它除了能抗垂直沖擊外，還能抗水平?jīng)_擊力，以抗御鋼包車啟動或剎車時產生的巨大沖擊力。

3、堅固的稱量箱設計

根據(jù)現(xiàn)場使用情況，箱體全部焊接，使其成為一個剛度很強的構件，傳感器由弧面承壓柱導入，這根圓柱又兼作導柱，從而簡化了結構，減少了成本。另外，稱量箱側安裝了可方便開閉的門，以使傳感器的更換非常方便，更換一只傳感器，一個工人只需1小時左右即可完成，而不需要動用機械設備。

4、接近導向架和最終導向架設計，保證鋼包的平穩(wěn)導入。

（三）、HSB鋼包電子秤主要技術參數(shù)

四、稱重信號傳輸走線方式

稱重顯示儀表及各種變送器因電子器件受允許工作溫度的影響限制，一般只能在0～40℃條件下長期工作，因此如何將高溫區(qū)電子秤的稱重信號傳輸?shù)匠貐^(qū)進行處理與顯示，是一個必須解決的重要問題。根據(jù)不同的使用情況，在設計中采用如下方法。

（一）采用CXZ—2型轉換器集流環(huán)信號傳輸裝置

如鋼坯連鑄回轉爐鋼包電子秤，由于轉臺為360°旋轉，傳感器信號線會被纏繞，信號無法進行有線傳輸?？稍诨剞D臺支承柱的筒腔內設置一個接線盒和集流環(huán)信號轉換器，引出的信號總線輸入到CXZ—2型轉換器集流環(huán)信號傳輸裝置。CXZ-2型傳感器信號轉換器，是一種把傳感器信號通過滑環(huán)傳輸?shù)较乱还ぷ鳝h(huán)節(jié)的信號轉換裝置。信號轉換器的安裝結構如圖2。

圖2：轉換器安裝示意圖

（二）采用無線傳輸方式

稱重數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)由WFJ-F型稱重數(shù)據(jù)發(fā)射機和WFJ-S型稱重數(shù)據(jù)接收機組成（圖3），傳輸距離≥500m，適用于行車吊稱重計量和鋼包爐前稱重信號有線傳輸有困難的地方等。無線傳輸接收方式原理見圖4。

圖3：稱重數(shù)據(jù)無線發(fā)送與接收

圖4：稱重數(shù)據(jù)無線傳輸原理示意圖

5、結束語

為解決高溫環(huán)境稱重的特種計量，選用國產稱重傳感器設計改造鋼包車電子秤和大噸位行車電子秤，與國內冶金企業(yè)廠家合作，進行了一些有效的探索，先后完成多臺耐高溫電子秤的設計改造，取得了較好的應用效果。HSB耐高溫鋼包電子秤被列為寧波市高新技術產品，獲市科技進步獎?！澳透邷仉娮臃Q量裝置”被列為寧波市“創(chuàng)新基金”項目，得到了國家科技部門的扶持。

高溫環(huán)境條件下計量用特種電子秤的設計應用，目前仍是我國待攻關解決的課題，須要計量產品制造者與計控應用者共同探索與實踐。

作者簡介
羅伏隆，高級工程師，華南理工大學畢業(yè)；主要從事計控應用與計控管理研究。先后在國營八五五廠，湖南新化無線電專用設備廠，漣源鋼鐵集團有限公司和余姚通用儀表有限公司任工程師、高級工程師。
先后在計算機與微電子、中國計量、工業(yè)計量、計控信息、自動化信息、電子測試等科技雜志發(fā)表多篇科技與管理論文。
聯(lián)系電郵：hnhyulfl@126.com;
QQ：568792564
電話：0574-62736258

公司名稱：余姚市通用儀表有限公司
公司地址：浙江省余姚市中山中路三江口
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郵箱：hnhyulfl@126.com

巴魯夫壓力傳感器的使用方法

德國balluff巴魯夫壓力傳感器的安裝問題
通常高溫熔體壓力傳感器的損壞都是由于其安裝位置不恰當而引起的，如果將傳感器強行安裝在過小的孔或形狀不規(guī)則的孔中，就有可能造成傳感器的震動膜受到?jīng)_擊而損壞，選擇合適的工具加工安裝孔，有利于控制安裝孔的尺寸，另外，合適的安裝扭矩有利于形成良好的密封，但是如果安裝扭矩過高就容易引起高溫熔體壓力傳感器的滑脫，為防止這種現(xiàn)象發(fā)生，通常在傳感器安裝之前在其螺紋部分上涂抹防脫化合物。
1. 德國balluff巴魯夫壓力傳感器正確安裝方法：
(1) 通過適當?shù)膬x表， 在普通大氣壓和標準溫度條件下，核實壓力傳感器的頻率反應值。
(2) 核實壓力傳感器的編碼與相應的頻率反應信號的正確性。
2. 確定具體安裝位置
為了確定德國balluff巴魯夫壓力傳感器的編號和具體安裝位置， 需按充氣網(wǎng)的各個充氣段來考慮。
(1) 壓力傳感器必須沿著線纜進行安裝， 安裝在線纜接頭處。
(2) 每條線纜裝設壓力傳感器不少于4個， 靠近局的兩個壓力傳感器， 相距不應大干200m。
(3) 每條線纜的始端和末端分別安裝1個。
(4) 每條線纜的分支點應裝1個， 如果兩個分支點相距較近(小于100 m)，可只裝1個。
(5) 線纜敷設方式(架空、地下)改變處應裝1個
(6) 對無分支的線纜， 因壘線的線纜程式一致， 壓力傳感器的安裝隔距不大干500m， 并使其總數(shù)不少于4個。
(7) 為了便于確定壓力傳感器故障點， 除在起點安裝壓力傳感器外，距起點150~200m處，還要另外安裝1個當然在設計中， 一定要考慮經(jīng)濟與技術的因素， 在不需要安裝壓力傳感器的地方，則應不必安裝。

檢查尺寸
如果安裝孔的尺寸不合適，高溫熔體壓力傳感器在安裝過程中，其螺紋部分就很容易受到磨損，這不僅會影響設備的密封性能，而且使傳感器不能充分發(fā)揮作用，甚至還可能產生安全隱患。只有合適的安裝孔才能夠避免螺紋的磨損(螺紋工業(yè)標準1/2-20UNF2B)，通常可以采用安裝孔測量儀對安裝孔進行檢測，以做出適當?shù)恼{整。