孔令宇１张承慧１王均国２
１（山东大学控制科学与工程学院济南２５００６１）
２（国家青岛衡器测试中心青岛２６６０７１）
摘要针对目前普遍应用的动态电子衡器大多不能满足高准确度称重要求的现状，独立设计了一种全新的基于浮力称量原理的全量程动态称重系统。该系统采用自行研制的浮力平衡器取代了电子衡器的核心器件称重测力敏感元件。浮力平衡器是基于液体的浮力原理将物料重量值的测量转换成具有线性关系的位移值测量的称重核心装置。与传统衡器相比，新系统克服了零漂和非线性等技术弊端，具有抗干扰能力强、稳定性高等特点。该系统样机已通过国家青岛衡器测试中心型式鉴定，称量准确度达到０．５级。这里详细论述了该系统的工作原理及硬件和软件的设计与开发。最后给出了该系统的动态称重试验结果及鉴定结论。
关键词浮力平衡器动态称重位移传感器
中图分类号ＴＰ２７３＋．５文献标识码Ａ国家标准学科分类代码５１０．８０４０
ＡＤｙｎａｍｉｃＷｅｉｇｈｉｎｇＳｙｓｔｅｍｏｆＷｈｏｌｅＱｕａｎｔｉｔｙＢａｓｅｄｏｎ
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２（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＣｏｎｔｒｏｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈａｎｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉｎａｎ２５００６１，Ｃｈｉｎａ）
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引
虽然衡器行业是个古老行业，随着现代技术的不断渗透，衡器融合了电子技术、计算机、信息网络技术
＊本文于２００４年３月收到。和自动控制技术已成为一种知识密集型的产品。由于世界上有７５％的货物需要经过称重这一环节，静态称重已无法满足经济高速发展和贸易量不断增加的需要，动态称重技术已经成为各行各业经济活动中不可缺少的组成部分。动态称重技术不仅可以用于贸易结
言日
第１１期基于浮力称量原理的全量程动态称重系统１１７１
算，更多的是用于自动化流水生产线上。它用于贸易结算时就是法制管理的计量器具，是实现公平交易的重要保障；用于自动化流水生产线时，它肩负着实现产品工艺配比的准确、可靠，是决定产品质量好坏、生产成本和工作效率高低的技术保证。
目前普遍应用的动态称重电子技术在很大程度上仍局限于机械衡器的设计理念，秤体的形式仍旧采用
秤体平台跨接在称重传感器之上，被称重物的重量经过秤体结构再传递到传感器上的桥式结构。电子衡器的核心器件是电阻应变式称重传感器，其敏感元件是电阻应变计。由于电阻应变计的温度特性、蠕变及长期稳定性等技术特性大多不能满足高准确度称重传感器的性能要求，所以，电子动态称重衡器实际称量准确度一般均达不到０．５％，不能满足现代贸易和工业生产对称量准确度的高要求。
设计了一种新型的基于浮力称量原理的全量程动态称重系统，是一种全新的理念，其浮力称量原理已获得国家发明专利（专利号：ＺＬ９５１１０３４４·Ｘ）。该系统的称重核心器件不再是称重传感器，而是基于液体浮力原理的浮力平衡器，它将物料重量值的测量转换成具有线性关系的位移值的测量。该项技术不存在非线性和零漂等技术缺陷，能够实现在全量程范围内进行线性动态称量，克服了普遍使用的基于电阻应变式称重传感器的动态称重系统的缺点和不足。
２系统总体结构及工作原理
２．１系统总体结构及其浮力平衡器
该系统是利用液体的浮力原理和全量程称量原理研制的，其原理示意图见图１所示，主要包括：预给料机（常采用电磁振动给料机）、秤体、杠杆系统、浮力平衡器、位移传感器及变送装置、微机和电源系统等７个部分组成。
如图１所示，系统在空秤状态下，已通过配置相应的平衡砣使杠杆系统处于水平平衡状态；当秤体皮带上铺有定值的物料后，再通过配置配重砝码，使杠杆系统仍处于水平平衡状态。
浮力平衡器是该系统的核心器件，它由缸体、浮砣和称重液体组成。浮砣与缸体之间不存在任何摩擦，靠磁力定心悬杆机构与杠杆系统联结并与位移传感器的传动杆连为一体。浮砣插入称重液体中的原始深度为设定值，其所排开的称重液体体积所产生的初始浮力值与预先设定的浮砣系统的重力值相等。因初始浮力值与浮砣系统重力值是方向相反且相等的矢量，所以保证了整体杠杆系统的初始水平平衡状态。当因物料质量Ｍ（ｆ）值变化而产生新的重力值时，初始水平平衡
状态被打破，这将会引起浮砣位移而致使浮力值变化，直至变化后的浮力值与新的重力值相等，使杠杆系统在非水平状态下实现新的平衡，此时位移传感器将产生相应的一定值的位移信号。
图１基于浮力称量原理的全量程
动态称重系统原理示意图
２．２工作原理
如图ｌ所示，系统在上述空秤初始水平平衡状态下，平衡方程式如下：
Ｚ×Ｃ，一ｇ。ＸＣ：一ｆｏ×Ｃ。（１）式中：ｚ——秤体自重
ｇ。——空秤状态平衡砣的重量
＾——空秤平衡状态下浮力平衡器初始浮力值
Ｃ，——秤体至支点的杠杆比值
Ｃ。——平衡砣至支点的杠杆比值
ｃ。——浮力平衡器至支点的杠杆比值
上述空秤平衡状态下，使位移传感器移动某一位移量，其被视为位移传感器的零点。工作状态时，给料机将物料均匀的输送至秤体上的匀速运动着的称重皮带上，并随着称重皮带的移动，使物料铺在整个皮带上面并送到下一个生产环节。由于在称重皮带上铺有随之运行的物料，因此，在物料质量Ｍ（≠）的作用下使浮力平衡器失去原有的平衡状态并使杠杆系统也随之失去原有的平衡。由于失去平衡，秤体及其所载物料和浮力平衡器均产生下落加速度运动，并随之产生阻尼。则有：
Ｍ（ｔ）ｇ—ＣＳ７（≠）一ＫＳ（￡）一ＥＭ（ｔ）＋ｍ］Ｓ”（￡）（２）式中：Ｓ’（ｆ）——秤体在ｔ时刻的速度
Ｓ”（≠）——秤体在ｔ时刻的加速度
Ｍ（≠）——皮带称量长度上的平均物料质量
ｍ——秤体系统总质量
ｇ——重力加速度
Ｃ——秤体系统阻尼系数
Ｋ——浮力平衡器的阻尼系数
１１７２仪器仪表学报第２６卷
Ｓ（￡）——位移传感器相对参考零点的位移
由式（２）可得：
撇，一盟鼍ｇ铲㈤
根据Ｍ（￡）值配置对应质量的配重砝码后，杠杆系统将会重新处于称重状态下的原有水平平衡状态。上述称重平衡状态下，位移传感器仍然保持在原零点不动。因此，浮力动态称重系统的瞬时给料量为：∞）一劣等（４）式中：Ｑ（≠）——浮力动态称重系统的瞬时给料量Ｍ（ｆ）——皮带称量长度上的平均物料质量Ｌ——皮带上承料部分的长度
ｙ（≠）——称重皮带的线速度
由公式（４）可知：影响瞬时给料量Ｑ（￡）的参数为Ｍ（￡）、Ｌ、ｙ（￡），其中，当给料设备的下料口位置固定时，Ｌ即为固定值。该系统所称量的是称重皮带上的物料全量，而当Ｍ（￡）和ｙ（ｆ）发生变化时，可通过ＰＩＤ调节仪进行偏差控制形成闭环，从而改变给料机的下料量和称重皮带的转速，使之趋向和达到设定的目标值，使称重系统趋于稳态。
由于皮带上瞬时物料量ＡＭ相对０到ｔ时间的给料量Ｑ（ｆ）是个微量，其通过秤上的时间＆相对时间ｔ也是个微量，所以该系统的瞬时给料量可写成：慨訾一警一∞，㈣当＆一ｏ，则。一ｆ时间内该系统的累计量Ｑ为：Ｑ—Ｋ，ＩＱ（ｔ）ｄｔ（６）式中：Ｋ，——系数
Ｑ——浮力动态称重系统的累计给料量
３前置放大器设计
前置放大器是动态称重系统前向通道的重要组成部分，由于位移传感器转换后的中频电压信号是幅度很小的微伏级信号，很难直接模数转换，因此需要对该中频模拟电信号放大处理。这就要求其必须具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗的特性。
前放原理图如图２所示，图中：Ｖ，
为远端经过调制的中频位移传感器信
号，ＶＲ，为满量程调整电位器，Ｃ。、Ｃ；可
对中频载频信号显著衰减，起解调作
用，从而使传感器直流信号得到放大。
运算放大器选用ＬＭ３２４，则前置放大器
的输出ｙ。：为：
％＝Ａｖｖ２ＸＶＩｚ－－－－－＂（·＋瓮）Ｍ。㈤·．‘Ｖｔ２；燕×％（８）‰－－－－－ＡｗｌＸＶｎ一（１＋鱼Ｒ）Ｍ。
（
９
）
２
式中：Ａ。ｍＡ。，：——分别为第一、二级的电压放大倍数Ｒ——为电位器ＶＲ。的固定电阻值
Ｒ厂一为电位器ＶＲ。对地可变电阻值
由式（７）、（８）、（９）可得到前置放大器的输出Ｖｏ：为：‰一（惫）×（，＋爱）Ｘ（，＋瓦Ｒ７ｈ川。，
４系统的软件设计
基于浮力称量原理的全量程动态称重系统软件是以工业自动控制的组态软件为软件开发平台，以实现和完成集成系统监控层的各项功能。该软件能以灵活多样的组态方式提供良好的用户界面和简捷的使用方法，以动态图形和报表对称重过程控制流程进行集中监视、管理、操作。它可以替代模拟屏动态
显示工艺流程图，用开关量控制图形颜块、线状态、操作提示、动画等；可替代记录仪动态显示实时趋势图，实现故障报警和记录；可显示实时报表，在线输入参数，即时打印实时或历史报表，定时保存数据，定时打印报表和图形；可替代操作控制台，使用软按键在线改变控制机开关量状态，自动切换图形画面等。
动态称重系统软件流程图如图３所示。
５系统试验结果
应用浮力全量程动态称重原理研制的动态称重系统样机型号为：ＩＣＳ一５００—ＸＥ。２００３年１１月国家青岛衡器测试中心依据中华人民共和国计量检定规程《ＪＪＧｌ９５—２００２：连续累计自动衡器》对本系统的各项具体性能指标进行了鉴定与验收，控制系统的各项功能齐全，各项测控技术指标均满足国家计量检定规程的要求。其中，重复性动态称量实验数据如表１所示：
图２前置放大原理图
第１１期
基于浮力称量原理的全量程动态称重系统
１１７３
实验参数为：累计分度值ｄ一０．１ｋｇ；最大流量Ｑ…一ｙ一０．０３ｍ·ｓ～。其中，控制的载荷Ｔ为实际称量载１８６９．２３ｋｇ；最小流量Ｑ…一３７３．８５ｋｇ；皮带机线速度
荷。
表１基于浮力称量原理的全量程动态称重系统重复性实验数据
试验对
控制的载荷Ｔ（ｋｇ）
示值Ｉ（ｋｇ）给料流量（ｔ／ｈ）误差Ｉ－Ｔ（ｋｇ）
相对误差％
相对误差之差％
系竺竺兰垫三二＞旦慑
Ｙ
Ｌ————一
堇！蛩！竺三二＞』上厩
羹芽唾
皮重异常？
给料机运行
嘶值＜蔽面≥—ｕ
～～、ｒＦｌ弓酮卜Ｉ鉴ｈ。
—卜———一ｌ幂斗硐１．瑰ｌＵ苗卜一卜—］
移采样值＝设定值？
～～厂
实时显示物料流量及
记录生产情况
§型鎏苎：兰！；箜
—＼．—／主！
皮带机停机
给料机停机
结束
Ｎ
图３基于浮力称量原理的全量程
动态称重系统软件流程图
６
结
论
文中设计的基于浮力称量原理的全量程动态称重系统是一种具有自主知识产权的新型动态衡器。提出的浮力动态称量技术通过了中国计量科学研究院主持的技术论证会，认定浮力称量原理是对我国传统称量
原理的一次创新，它从根本上克服了目前常用的电阻应变式称重传感器的某些缺点和不足，技术创新性明
显。
参考文献
１黄俊钦．静、动态数学模型的实用建模方法［Ｍ］．北京：机
械工业出版社，１９８８．
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校正ＥＪ］．仪器仪表学报，２００１（３）：２５２～２５３．
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５
国家青岛衡器测试中心．计量器具型式评价报告．（２０００）量认（国）字（Ｚ０２３５）号，２００３—１８（Ｄ）．
作者简介
孔令宇男
１９６８年出生
硕士研究生工程师
研
究方向为实时控制工业综合自动化系统远程网络通信Ｅ—ｍａｉｌ：ｈｕａｍｅｉ８８４５＠ｓｏｈｕ．ｃｏｒｎ
５
９
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基于浮力称量原理的全量程动态称重系统
作者：孔令宇， 张承慧， 王均国， Kong Lingyu， Zhang Chenghui， Wang Junguo
作者单位：孔令宇，张承慧,Kong Lingyu,Zhang Chenghui(山东大学控制科学与工程学院，济南,250061)， 王均国,Wang Junguo(国家青岛衡器测试中心，青岛,266071)
刊名：
仪器仪表学报
英文刊名：CHINESE JOURNAL OF SCIENTIFIC INSTRUMENT
年，卷(期)：2005，26(11)
引用次数：2次
1.黄俊钦静、动态数学模型的实用建模方法 1988
2.岳庆寅.孙秉礼水泥厂计量手册 1993
3.李宝安.李行善.罗先和动态称重系统计量误差的动态校正[期刊论文]-仪器仪表学报 2001(03)
4.杨新志.沙键.姚康粉状物料配料设备控制系统[期刊论文]-机电一体化 2001(03)
5.国家青岛衡器测试中心计量器具型式评价报告.(2000)量认(国)字(Z0235)号,2003-18(D)
1.学位论文孔令宇基于浮力称量原理的全量程动态称重系统的研究2004
由于世界上有75﹪的货物需要经过称重这一环节，衡器的需求也日益增多.但是，中国在这方面的产品少且功能不齐全，所以改善现有称重装置、开发研究功能齐全的动态称重系统是势在必行的.目前，在自动称量和电子衡器技术领域中，正在应用着的动态称量电子衡器的核心器件是电阻应变式称重传感
器.由于电阻应变式称重传感器的敏感元件是电阻应变计，其温度特性、蠕变及长期稳定性等技术特性致使动态称量准确度难以达到0.5级，已无法满足现代贸易和工业生产对高称量准确度的要求.该文论述了一种独立设计全新的基于浮力称量原理的全量程动态称重系统.该系统采用自行研制的浮力传感器取代电子衡器技术的核心器件称重测力敏感元件即电阻应变计.与传统衡器相比，它从根本上克服了目前常用的电阻应变式称重传感器的某些缺点和不足，具有抗干扰能力强、稳定性高的特点.浮力传感器是基于液体的浮力原理将物料重量值的测量转换成具有线性关系的位移值测量的发明专利新装置.该文首先就浮力全量程动态称重系统的整体结构、浮力平衡器及其工作原理进行理论分析；其次，分析了该系统的硬件和软件设计.硬件着重分析称重数据采集系统、称重皮带电机变频控制装置及电磁振动给料机自动控制器的的原理和基本构成，从而使该系统实现了利用浮力传感器进行称重数据的采集并完成称重数据的处理、显示和通信等基本功能.该系统软件是以工业自动控制的组态软件为软件开发平台，用以实现和完成集成系统监控层的各项功能，并且着重对动态称重系统的图形界面、数据库的构造及事件命令语言的程序进行了设计.该文提出的浮力全量程动态称量技术通过了中国计量科学研究院主持的技术论证会，认定浮力称量原理是对中国传统称量原理的一次创新，该系统样机已于2003年12月通过国家衡器测试中心型式鉴定[(2000)量认(国)字
(Z0235)号]，称量准确度达到0.5级.最后给出了该系统的动态称重试验结果及鉴定结论.
1.黄建龙.高艳雯.王英光动态测量转变为静态测量的新型称重系统[期刊论文]-矿山机械 2007(5)
本文链接：d.g.wanfangdata/Periodical_yqyb200511017.aspx
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