动态电子轨道衡称重原理分析.pdf

2 0 0 6 年第1 期有色金属 选矿部分 2 9 动态电子轨道衡称重原理分析 吴志刚 江西铜业集团公司永平铜矿，江西铅山3 3 4 5 0 6 摘要叙述了动态电子轨道衡称重的一般原理．结合永平铜矿动态电子轨道衡．着重指出了保持其称重精度的 几个重要方面，对维护轨道衡具有指导作用，有较强的实用性。 关键词电子称重；电子轨道衡；称蘑传感器；二次仪表 中图分类号T D 9 5 22 ；T D 9 5 23 文献标识码A文章编号1 6 7 1 9 4 9 2 2 0 0 6 0 1 2 0 2 9 0 5 电子轨道衡作为铁道车辆称重使用的电子称重 设备，目前在国民经济中应用越来越广泛。电子轨道 衡有静态和动态两种工作方式，工作原理基本相同， 都是称重传感器感应由机械台面传来的物体重量信 号，并按一定的比例关系转换成与其重量相对应的 电信号，再通过二次仪表进行信号处理，虽终在计算 机上显示车辆的重量数值。电子轨道衡称重具有反 应速度快、精度高、体积小、自动化程度高、维护方便 等诸多优点。其中动态过磅的动态电子轨道衡，有着 过磅速度快的特有优点，受到许多用户的青睐。结合 江西铜业集团公司永平铜矿的基坑型、单台面、以转 向架为计量方式的电子轨道衡，分析动态电子轨道 衡的工作原理。 1 称重原理分析 电子轨道衡一般由机械台面 或传力机构 、传 感器、二次仪表和计算机 显示装置 四部分组成，其 称重信号处理顺着这四部分自上而下逐步进行，这 也是一般电子称重设备的信号处理流程。下面对这 四个部分工作原理逐一加以分析。 1 ．1 机械台面 轨道衡的机械台面系统要求有足够的刚度和强 度，同时必须做到传力准确。在结构上，主要由台面 钢轨、过渡器、限位器、承重梁组成。台面钢轨和过渡 器安装在承重梁上，直接与车辆轮对相接触。限位器 是必要的辅助装置，起限制整个秤架摆动的作用。承 重梁则在车辆与传感器之间起到力的传递作用。 1 ．1 ．1 台面轨 对台面轨有两点要求 1 台面轨与其两端各长 1 5 m 的引轨要在同一水平线上。引轨必须笔直，其基 耀薯品羿i 吴2 0 0 志5 韶- 1 9 0 7 5 l 一 ，男，江西新干人，工程师。 础要十分牢固，不能有松动。如果台面轨与引轨不在 同一水平线上，而是存在坡度，过磅车辆的重心线必 将偏离本来的位置，产生称重误差。 2 两根台面轨 要在同一水平面上。这样可避免车辆轮对对钢轨产 生侧向力而影响重力的传输，同时也是传感器正确 使用的前提条件。 1 ．1 ．2 过渡器 引轨和台面轨之间存在着缝隙，如果不加处理， 则车辆进m 台面时会对台面产生较大冲击，影响称 重精度，并且很容易损坏传感器。过渡器是台面和引 轨的联接轨，它用来减少钢轨接头冲击所引起的振 动。过渡器一般安装成随动桥式的，并且保持灵活。 其外形一般做成顶部纵向成弧形，最高点高出台面 轨0 ．5 1 m m 。车轮经过过渡器时，自然会绕过横向轨 缝，从而有效减少冲击振动。 1 ．1 ．3 限位器 限位器对动态轨道衡来说是至关重要的部件， 它对感量和称量值有直接的影响。这是由于车辆进 入和离开台面会对台面产生冲击，车轮与钢轨之间 也存在动摩擦，使承重梁产生摆动，影响力的传输。 为了限制承重梁的摆动幅度，必须使用纵向和横向 的限位装置。其一端固定在基坑上，另一端控制承重 梁的位移。限位器的状态不能太紧或太松。太紧会使 整个秤的灵敏度降低；太松会使传感器的侧向力加 大，具体表现为数据分散，变差加大。永平铜矿轨道 衡使用了四根纵向拉杆和四根横向拉板进行限位， 拉板的松紧程度可由螺栓调整。 1 ．1 ．4 承重梁 承重梁不与基坑相连，是悬空的，靠限位拉杆固 定在传感器上，其自身重量全部由传感器承受。承重 万方数据 3 0 有色金属 选矿鄯分 2 0 0 6 年第1 期 梁要保持灵活，才能将车辆的重量无损失地传递给 传感器。 1 ．2 传感器 传感器是电子称重设备中完成力一电转换的关 键部件，也是影响称重精度的主要部件。传感器安装 在承重梁的底部，固定在一块可调高度的垫铁上。通 过调整垫铁，可以调整台面的水平面。传感器的力一 电转换精度很高，一般在0 ．5 ％一0 ．0 1 ％。在电子称重 中普遍采用的是称重传感器。 1 ．2 ．1 转换原理 传感器的力一电转换是利用传感器内部的金属 丝 即电阻应变片 在受压发生弹性变形时，其电阻 值也产生相应变化这一物理性能进行工作的，这一 特性称为电阻的“应变一电阻效应”。电阻应变片外 形及其在传感器内部的位置见图l 所示。 b 传感器内部的应变片 图1 电阻应变片 F i g 1R e s i s t a n c es t r a i np i e c e 一敏感栅；2 - 引线；3 - 粘结剂；4 _ 盖层；5 基底 电阻应变片用粘合剂粘贴在金属弹性元件表 面，在横向和纵向上都粘贴有两片，并接成桥式测量 电路，如图2 。如果在弹性元件上加上重量w ，电阻 应变片随同弹性元件一起变形，应变片的阻值将发 生变化。通过测量阻值的变化，就可问接得到外加重 量w 的值 一般是测其输出的电压值 。图3 是传感 器安装结构示意图。 A B 图2 电阻应变片测量电路 F i g2 T h em e a s u r ec i r c u i to fr e s i s t a n c es t r a i np i e c e 圈3 传感器安装结构示意图 F i g3 T h ei n s t a l l i n gs t r u c t u r es k e t c ho fl o a dc e l l 1 ．2 ．2 电路联接原理 转向架计量方式的动态电子轨道衡使用了四只 2 0 t 的柱形传感器共同支撑称重台面，能称量1 0 0 t 的铁道车辆。为得到各个传感器输出信号的总和，四 个传感器桥路采用了并联的联接方式，用2 4 V 直流 恒压源激励，如图4 所示。 由于采用的是同一型号的称重传感器，其输出 阻抗基本一致，故桥路输出总电压U 0 为各个桥路输 出的算术平均值 ￡矗 u 0 1 U 皑 砜B 砜4 ／4 图4 中，E 为传感器激励电源电压，并联后输出 信号为U 0 ，各传感器的输出电阻为‰，灵敏度为s 。 输出电压为巩，载荷容量为c 【，根据叠加原理有 把 R 。、R 。看成短路 ，有 4 U o ∑；乒 月。∥只。∥尺。∥风。 i 1 儿“ 4 ∑器 R 。。／／g 。／／g 。／／R 。 ⋯J ‘Ⅱ“o 4 艺K i E 只 R o 。∥R m ／／n m ∥R * 万方数据 2 0 0 6 年第1 期吴志刚动态电子轨道衡称重原理分析 - 3 1 苎奋苎奋竺奋 奋二 ‰苎盆苎国竺国 国 _ 输人E 翊见0R 。BR 。0 b 简化图 图4 传感器联接图【R 。、R s 为补偿电阻 F i g4 T h ec o n n e c t i n gp l a no fc e l lc R oa n dR si s c o m p e n s a t i n gr e s i s t a n c e 当K 1 K z K 3 K 4 A 时，有 U o A E O R m I I R 一} R d } R * P 其中A E R 。。／／R 儡。舢。 为一常数，P 为传感 器上的总重量。 从j 式可以看出，碥仅与传感器』二的总重量成 正比，而与各传感器的受力状况无关，条件是各传感 器的特性系数要一致，即四只传感器的灵敏度、输出 电阻、载荷容量相同。可以在每个传感器的两输出端 各串接一只低温系数的电阻月。，这样能减少因传感 器输出阻抗不等而影响传感器的总输出。 1 ．2 ．3 称重传感器的特性参数 称重传感器的主要性能参数有额定载荷、输出 灵敏度、非线性、蠕变、滞后、重复性、零点输出、零点 漂移、输出温度影响等。由于制造传感器的技术不断 进步，在实际应用中，通常只需考虑灵敏度、滞后、重 复性和非线性对称重的影响。下面介绍其中一些基 本概念。 灵敏度指额定载荷下，供桥电压为1 v 时的输 出电压 m v ，v y 。若传感器灵敏度系数不一致，则同 一物体置于称台的不同位置，就会显示不同重量，从 而影响称重精度，其原因前面已论述。 滞后传感器的滞后误差对称重的影响较大。当 轮对进入台面后，前两个传感器的载荷最大，然后逐 渐减少，使用加载曲线段；而后两个传感器的载荷逐 渐增加，使用卸载曲线段。当加载曲线段和卸载曲线 段不重合时，会给输出引入较大误差。滞后误差较大 时，一般只有更换传感器。 重复性表现为某一称量点重复称量的误差。这 是一个随机的量，在应用中很难消除它的影响，合格 的传感器的重复性误差很小，不会影响使用精度。 非线性会影响某一称量段的称重。表现为一个 系统误差，可以在数据处理中进行补偿。 1 ．3 二次仪表 二次仪表对传感器输H { 的模拟信号进行放大、 滤波处理，并进行A ／D 转换，然后将数据输出给计算 机进行数据处理。二次仪表我们也称作通道。通道对 传感器的信号处理不好，会直接影响称重准确度。图 5 是通道电路原理图。 图5 通道信号处理流程图 F i g5W o r k i n gf l o wc h a r to ft h ec h a n n e l ss i g n a l 1 ．3 ．1 前置放大器 传感器输出的信号为毫伏级，输出灵敏度一般 为1 ～3 m V ／V 。轨道衡传感器使用的是2 4 V 供桥电 压，其最大输出为2 4 m V ，电信号比较弱。二次仪表 在信号处理前，必须对传感器输出的电信号进行放 大。放大器要求输入阻抗大，漂移小，增益高，噪声 低。永平铜矿轨道衡采用进口的高精密放大器 I C L 7 6 5 0 作为前置放大器。放大倍数约为1 0 0 倍。 放大器的放大倍数应与传感器及A ／D 转换器相 匹配。可以计算出二次仪表应有的放大倍数。由于传 感器的灵敏度为l m V ／V ，供桥电压为2 4 V ，那么在额 定载荷2 0 t 的作用下单个传感器的输出电压为 U o 2 4 V x l m N 代 2 4 m V 此2 4 m V 代表2 0 0 0 0k g 的重量，则每h 表示 的电压为 K - 2 4 m V ／2 0 0 0 0 k g O ．0 0 1 2 m V ／k g 而A ／D 转换器A D C l l 3 0 是1 4 位的，最大输出 数值为3 F F F H ，代表着1 6 3 8 3 k g 的重量值，这是四个 传感器感应重量的平均值。由于A ／D 转换器的满量 程输出电压为I O V ，转换数字为3 F F F H ，对应为 1 6 3 8 3k s 的重量。则每虹表示的电压为 K f 1 0 v ，1 6 3 8 3 k g O ．6 1 m V ／k g 由此可以算出放大倍数 万方数据 3 2 有色金属 选矿部分2 0 0 6 年第1 期 x K O K l 娟．6 1 m V f O ．0 0 1 2 m V 5 0 8 即放大器应放大的倍数为5 0 8 倍。前置放大器 只放大了约1 0 0 倍，剩下的约5 倍的放大倍数则由 滤波器来完成。 1 ．3 ．2 滤波器 信号输入 图6 低通滤波器 F i g6 T h el o w p a s s 车辆在台面上行使时会对台面产生振动，使传 感器输出的直流信号又叠加了一个交流分量，影响 称重精度。由于车辆在台面上的行使速度较低 一般 小于1 5 k m ／h ，故叠加的振动信号属于低频信号。在 电路上要抑制这种低频信号，一般采用低通有源滤 波器。图6 是二阶低通滤波器的电路形式，这种滤波 器能获得较好的滤波效果，而且兼有信号放大作用， 放大倍数约为5 倍。 1 ．3 ．3A ／D 转换 永平铜矿轨道衡A ／D 转换采用进口的高精度的 1 4 位转换器A D C l l 3 0 ，其转换时间为5 2 u s ，最大输 入电压为1 0 V 。专门设有一个电路振荡器，输出 5 0 H z 的窄脉冲来控制A D C l l 3 0 的转换，即A I D 每 l O m s 转换一次。A ／D 转换完成后，输出一个转换完 毕信号，贮存在缓冲器的最高位 与数值信号叠加在 一起 。A ／D 转换后的数字信号通过光电耦合器传输 到计算机进行数据处理。每次传输的数据共有1 6 位，前1 4 位是数据位，第1 4 位为空位，第1 5 位为转 换完毕信号。 通常在轨道衡检定时，只需稍微调整滤波器电 路部分的可调电位器w ，使放大电路满足称重的准 确度。这是因为传感器的供桥电源以及电路参数随 时间变化会有漂移，因此二次仪表的放大倍数需要 适当调整，以保证称重的准确度。 1 ．4 计算机的数据处理 计算机程序系统主要由数据采集一分析程序、 过磅数据处理程序、打印程序等组成。二次仪表与计 算机的通信需要一块接口板来完成。计算机的数据 采集分析程序通过接口板采集称重数据，依次取 称重信号的高8 位和低8 位，然后合并成一个完整 的1 6 位数据。 数据采集一分析程序需要完成称重数据的采 集、自动调零、台而来车判别、车辆车型判别、过磅数 据显示和贮存等功能。台丽零点是以2 5 6 次的采集 数据进行平均，再乘以4 力作用在四个传感器上 得到的。这种平均算法可以起到数字滤波作用，算出 的台面零点很稳定。在台面来车过磅后，要去掉台面 零点的数值，才是车辆称重的数值。 程序中，车辆车型判断和数值计算方法最为重 要。车型判断原理根据车辆两个轮对和一个轮对对 台面压力的不同，计算机所取的称重数据是有差异 的，程序依此判断台面是否来车。由于信号取样时间 “1 0 m s 是固定的，台面钢轨的长度￡也是固定的， 可以计算出车辆过磅速度S S L ／ T x K K 为转向架通过台面时称重数据的采集次数。 有了过磅速度，根据数据采集次数，可以反算出 车辆前后两个转向架的长度，程序依此能获知车辆 的车型 标准车辆与非标准车辆 。 对于标准四轴车的称重，单台面、以转向架为计 量方式的动态电子轨道衡采用两头称重再求和的方 法。即先计量前转向架的重量，再计量后转向架的重 量 一个转向架有两个轮对 。车辆轮对进出台面时， 传感器的输出信号有一个突变阶段，只有中间阶段 的平稳信号才能正确反映车辆的重量，而两端的信 号则给予剔除。将前后两个转向架的重量求和，即为 一节车辆的称重数值。程序还可以读取称重修正文 件中的数据，用以修正称重数值。 2 结语 通过以上分析，可以了解动态电子轨道衡的称 重原理，知道影响称重精度的环节主要在机械台面、 传感器、二次仪表上。在对动态电子轨道衡进行检修 或精度调整时，主要从这三方面人手。由此及一般， 可知电子称重设备的一般称重原理和维护方法。当 出现称重精度不够时，应从机械台面是否水平、灵 活，传感器有无损坏，二次仪表信号处理是否正确这 置方面逐一寻找原因。永平铜矿对轨道衡进行调整 时，就是参照这些方法进行的，轨道衡也多次在国家 检定中获得0 ．2 级的最高检定精度。 参考文献 [ 1 ] 陶宝祺，王妮．电阻应变片传感器[ M ] ．北京国防工业 出版社．1 9 9 3 ，4 l _ 4 2 ． 万方数据 2 0 0 6 年第1 期吴志刚动态电子轨道衡称重原理分析 【2 ] 顾理敏，宋玮．电子秤[ M ] 北京计量出版礼，1 9 8 2 ， 1 6 - 1 7 A N A L Y S I S0 NW E I G H TP m N C I P L Eo FD Y N A ～ⅡC E L E C T R o N I CR A I LS C A L E ⅣE ，Z h i g a n g Y o n g p i n gC o p p e rM i n eo fJ i a n g x iC o p p e rC o r p o r a t i o n ，Y a n s h a nJ i a n g x i3 3 4 5 0 6 ，C h i n a A B S T R A C T T h i sa r t i c l ed i s c u s s e de o m m o l l 曲n e i p l eo fd y n a m i ce l e c t r o n i cr a i l s c a l e 。E x p o u n d e dt h ep r i n c i p l e c o m b i n i n gd y n a m i c e l e c t r o n i cr a i ls c a l eo f Y o n g p i n gC o p p e rM i n e ，a n de m p h a s i z e da s p e c t s o f k e e p i n g w e f g h tp r e c i s i o n ．T h i sa r t i c l eh a v ef a c t u a lg u i d a n c ee f f e c t o nm a i n t a i n i n gt h ee l e c t r o n i cr a i ls c a l e ，t h e p r a c t i c a b i l i t yi s b e t t e r ． K E YW O R D S e l e c t r o n i cw e i g h t i n g ；e l e c t r o n i cr a i ls c a l e ；w e i g h tc e l l ；t w i c ei n s t r u m e n t 上接第4 1 页 U S E ST H ET Z K 一3 ’SS T U D YA N DP R A C T I C ET oA D V A N C E T H EG R A D E0 FR E F I N E DM o L Y B D E N U MM 眦 D I N GD n s e n 2 ．C A OG u a n g m i n 9 1 ．矸1 ，Z h i s h a n * I ．Z h u z h o uF l o t a t i o nR e a g e n t sF a c t o r y ，Z h u z h o uH u n a n4 1 2 0 0 5 ，C h i n a ； 2 ．S e c o n dI n s t i t u t eo fG e o l o g ya n dM i n e r a lF 。x p l o r a t i o nS t a t eA d m i n i s t r a t i o no fE x p l o r a t i o n a n dE n g i n e e r i n gf o rM e t a l l u r g y ，P u t i a nF u j i a n3 5 1 1 1 1 ，C h i n a A B S T R A C T T h er e a s o n a b l e d e v e l o p m e n tm i n e r a lr e s o u r c e s ，s t r e n g t h e n e dd r e s s i n gs y n t h e s i sr e c y c l i n g ，i s t op u s ht h e m i n e m o u n t a i nt o d e v e l o pf o r w a r d ，e n h a n c e s t h ee n t e r p r i s ee c o n o m i ce t E c i e n c yt h e e f f e c t i v ea c t i o n ．T h e e x p e r i m e n t a la n dt h ep r o d u c t i o na Ui n d i c a t e d ，a d o p t i n gt h er e a s o n a b l em i n e r a ls e p a r a t i o nc r a f ，c a ns t r e n g t h e n c o m p r e h e n s i v er e c o v e r y o ft h e g o o dp r i c em e t a l s ，h i g h l y e f f e c t i v e a d j u s t m e n t m e d i c i n a l p r e p a r a t i o n t ob e a l l o w e do b v i o u s l yt oe n h a n c et h e ，r e d u c e st h e i m p u r i t yi nm o l y b d e n u mo r ec o n t e n t ．I t h a sah u g ev a l u et o e x t a n ta n da p p l i e s ． K E YW O R D S T Z K 一3 ；g r a d e ；r e c o v e r y 万方数据