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鋼鐵行業中稱重傳感器的選擇應用
2018年01月20日 15:17:13
摘要本文簡要介紹了電子秤在鋼鐵行業中的應用，并對使用過程中傳感器的選擇進行了深入的分析，以供同行交流和參考。
關鍵詞稱重傳感器，電阻應變片，標定
稱重檢測在現代鋼鐵工業生產中占據著十分重要的地位，它被廣泛用于檢斤計量、配料控制、物流運輸、物位（液位）檢測等方面。提高稱量系統的穩定性和測量精度對控制企業成本、提高產品質量具有非常重要的意義。
鋼鐵行業中，現場使用最廣泛的電子衡器通常有電子臺秤（如煉鋼系統的合金秤）、料斗（倉）秤、汽車衡、軌道衡（靜態、動態）、煤塔秤、稱重式鐵水液位計、配料秤、皮帶秤、螺旋秤、核子秤等。
一般來說，一套稱重系統是由秤體、稱重傳感器、重量變送器三部分組成。秤體是用來承受被稱量物體的重力，并將該力傳遞給稱重傳感器的設備，它可以是容器（倉、罐、料斗）自身；稱重傳感器是將重量信號轉換為成正比的電信號；重量變送器是對來自傳感器的弱電信號進行放大，A/D轉換及處理，并進行顯示，標定以及通過各種接口（如串行口/模擬量/開關量/現場總線等）與其他設備進行通訊和控制。稱重傳感器是系統中最核心的設備，從目前稱重傳感器的發展來看，電阻應變片式傳感器因其精度較高、穩定性好、技術成熟、性價比較高已經成為現場應用中的主流選擇。稱重系統中，傳感器的選擇是最為關鍵的，要從以下幾個方面綜合考慮，以便做出合理的選擇。
一、稱重傳感器數量及量程的選擇
稱重傳感器數量的確定一般根據秤體的支撐點數確定，原則是盡可能使秤體重心與多個傳感器（支撐點）的幾何中心相重合。但在實際使用過程中，因為料斗形狀不規則，造成秤體重心隨料量多少而變化。對于這種情況，筆者建議采用3只傳感器，利用三點確定一個平面的原理，確保各傳感器受力，避免出現“蹺蹺板”現象。
現場選擇傳感器的時候，有些人出于安全考慮，總喜歡將量程盡可能地選大，這是很不合適的。事實上，一般傳感器的過載能力都達到150%F·S（短期甚至可達300%F·S）。而且我們知道，對于同等精度的傳感器來說，量程選擇過大的話，對正常測量所造成的誤差也會隨之增大。這對于一些添加精度要求較高的配料環節，是極為不利的。
傳感器量程的選擇應依據秤的最大稱量值、選用傳感器的個數、秤體的自重、可能產生的最大偏載及振動、沖擊等因素綜合評價來確定，以保證傳感器的安全和壽命。
上圖為國際法制計量組織（OIML）R60《稱重傳感器》國際建議對稱量系統量程選擇的要求。在日常應用中，筆者建議可按下式考慮：
C=K0×K1×K2×K3×（Wmax+W）/N
式中：C—單個傳感器的額定量程；W—秤體自重；Wmax—被稱物體凈重的最大值；N—秤體所采用支撐點的數量；K0—保險系數，一般取值在1.2~1.3之間；K1—沖擊系數；K2—秤體的重心偏移系數；K3—風壓系數。
二、稱重傳感器特性選擇
鋼鐵行業生產環境比較復雜，因此稱量裝置的安裝環境也各不相同，我們必須根據現場實際選擇具有相應特性并滿足需求的特殊稱重傳感器。
對于鋼坯秤、輥道秤等用于高溫環境下的稱量裝置，為了避免高溫對傳感器造成焊點開化、彈性體內應力發生結構變化、溫度補償范圍不夠等問題，必須采用耐高溫傳感器，并須加有隔熱、水冷或氣冷等裝置。
對于原料場以及石灰秤等高粉塵、潮濕環境，為避免絕緣下降造成傳感器零飄甚至短路損傷傳感器，應選擇膜片熱套密封或膜片焊接密封、抽真空充氮的傳感器，堅決不能使用充填涂覆密封膠形式的傳感器。
對于化產區域的稱重傳感器，考慮到腐蝕性環境對傳感器的損害，應選擇不銹鋼材質，抗腐蝕性能及密封性好的傳感器。對于噴煤、焦化區域的噴吹罐秤、粉倉秤、煤塔秤等，因其所在區域為易燃易爆環境，所以必須選用滿足相應防爆等級的傳感器。
三、傳感器結構形式的選擇
傳感器形式的選擇主要取決于載荷的類型（是否有沖擊）、精度要求、量程大小、安裝空間以及維護需要等方面。如柱式傳感器適用于汽車衡、大噸位料斗秤等；雙剪切梁式傳感器適用于大噸位汽車衡、軌道衡；懸臂梁傳感器適合于地上衡、平臺秤等；S型拉式傳感器適用于電子皮帶秤、料斗秤等；彎曲梁式傳感器適用于小噸位皮帶秤、配料秤等；軸銷式傳感器適用于軌道衡、煤塔秤等作業頻繁、檢修時間緊張的區域。
四、傳感器準確度等級選擇
對傳感器準確度等級的選擇必須滿足整臺電子秤準確度的要求，因為一臺電子秤主要是由秤體、傳感器、儀表三部分組成，秤體強度、變送器特性、使用環境等因素都會直接影響到秤的準確度，所以在對傳感器準確度選擇的時候，應使傳感器的準確度略高于理論計算值（建議高30%）。
但另一方面，如果選擇精度很高的傳感器（如C3級），投資造價又會大幅度增加。對于計量結算用的衡器，我們在選擇傳感器時，應優先考慮它的準確度等級，以確保組秤后，系統的綜合精度優于0.5級。對于一些需要精確稱量和自動控制的配料系統，我們也必須選擇準確度等級高的傳感器。而對于普通的稱重系統，一般來說要求的稱量精度可能不是很高，此時我們則可以選擇準確度等級不是很高的傳感器以降低投資費用。同樣，對于大多數利用稱重法檢測物位或是液位的系統，傳感器的準確度等級也沒必要選的過高。
五、傳感器靈敏度選擇
對傳感器靈敏度的選擇必須滿足稱重儀表輸入的要求：稱重顯示儀表是對傳感器的輸出信號經過放大、A/D轉換等處理之后顯示稱量結果的。因此，傳感器的輸出信號必須大于或等于儀表要求的輸入情號大小，即將傳感器的輸出靈敏度代入傳感器和儀表的匹配公式，計算結果必須大于或等于儀表要求的輸入靈敏度，即對應于每個分度值的重量，傳感器輸出信號：
≥儀表輸入靈敏度
式中，S：傳感器輸出靈敏度；U：激勵電源電壓； Wmax：秤的最大稱量；nmax：秤的最大分度數； N：傳感器的個數；R：傳感器量程。
現場使用的電子秤，除吊鉤秤外，基本都采用多傳感器組秤，分為串聯和并聯組秤兩種方式。串聯方式對傳感器一致性要求較低，但線路復雜，投資較大，現在已經基本不再使用。目前最為普遍的組秤方式為傳感器并聯組秤。該方式是各個傳感器的輸入端并聯，使用一個公共電源供橋，輸出也以并聯的方式工作。為分析簡便起見，現以兩個傳感器的并聯工作方式介紹如下：
設兩只傳感器的靈敏度分別為S1、S2， 橋臂電阻分別為R1、R2，供橋電壓分別為U1、U2。通過電路分析可知，這兩個傳感器并聯工作的條件是S1R1=S2R2，同理，當n個傳感器并聯工作時可得：S1/R1=S2/R2=„=Sn/Rn。顯然，并聯工作狀態對傳感器本身的參數要求是比較高。
鋼鐵行業中，部分生產現場的配料秤料斗是不規則的形狀，裝料及下料過程中，料斗的重心會隨著料量的變化而變化，因此各傳感器的載荷分布情況是變化的，如果各傳感器靈敏度不一致的話，其輸出特性顯然會與標定時不一樣，從而帶來較大的測量誤差。因此，我們在選擇傳感器時，必須按照前文所述，盡可能地選擇參數一致性較好的傳感器，以滿足S1/R1=S2/R2=„=Sn/Rn。
六、特殊需求
此外，在選擇傳感器時，我們還應考慮現場中的一些其他方面的需求：如某些場合，由于空間或承重結構和能力的限制，不具備校秤的條件，則建議考慮采用數字式傳感器；因為數字傳感器在使用過程中，重量變送器（數字秤）會自動對其進行編址和尋址操作，并將其參數信息讀入系統，根據其特性確定系統總輸出。從理論上來說，在秤體結構不發生變化的情況下，更換傳感器后基本不需要重新標定。
再如，某些稱重系統在使用中受水平橫向沖擊力較大，當其超出加載連接裝置的抗側向力或自復位能力時，必須考慮在加載連接裝置中設計、增加專門的限位裝置，或在系統中增加過載保護結構。
總之，為了確保稱重系統的可靠運行，并提供較高的測量精度，首要應當解決的就是傳感器的選擇問題，只要我們掌握傳感器的工作原理，充分了解各種傳感器的功能特性，并充分考慮現場工藝需求，就一定能夠解決好這個問題。
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