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钢铁行业中称重传感器的选择应用
摘要本文简要介绍了电子秤在钢铁行业中的应用,并对使用过程中传感器的选择进行了深入的分析,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占据着十分重要的地位,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。称重传感器是系统中最核心的设备,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。称重系统中,传感器的选择是最为关键的,要从以下几个方面综合考虑,以便做出合理的选择。 
一、称重传感器数量及量程的选择 
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。但在实际使用过程中,因为料斗形状不规则,造成秤体重心随料量多少而变化。对于这种情况,笔者建议采用3只传感器,利用三点确定一个平面的原理,确保各传感器受力,避免出现“跷跷板”现象。 
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: 
C=K0×K1×K2×K3×(Wmax+W)/N 
式中:C—单个传感器的额定量程;W—秤体自重;Wmax—被称物体净重的最大值;N—秤体所采用支撑点的数量;K0—保险系数,一般取值在1.2~1.3之间;K1—冲击系数;K2—秤体的重心偏移系数;K3—风压系数。 
二、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。 
三、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。 
四、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。 
五、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情号大小,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: 
≥仪表输入灵敏度 
式中,S:传感器输出灵敏度;U:激励电源电压; Wmax:秤的最大称量;nmax:秤的最大分度数; N:传感器的个数;R:传感器量程。 
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,现以两个传感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。 
六、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。 
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。

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