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高溫稱重信號傳輸方案探討
稱重顯示儀表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(jìn)行處理與顯示，是一個(gè)必須解決的重要問題。本文著重介紹信號傳輸在使用中的難點(diǎn)問題和解決方案。
關(guān)鍵詞：高溫 信號傳輸 數(shù)字化
一、引言
高溫環(huán)境，是指電子衡器設(shè)備所處的現(xiàn)場環(huán)境溫度超出50℃及以上。如冶金企業(yè)的煉鋼鋼水包計(jì)量、鐵水包計(jì)量、鋼水包行車計(jì)量、熱送焦炭計(jì)量、熱送燒結(jié)礦計(jì)量、紅送鋼坯計(jì)量、線材軋制在線計(jì)量等。高溫稱重傳感器的使用環(huán)境一般都非常惡劣，如在冶金行業(yè)應(yīng)用時(shí)環(huán)境溫度梯度變化劇烈，鋼水澆注時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量灰塵、腐蝕性氣體、潮氣等，鋼坯連鑄回轉(zhuǎn)爐鋼包電子秤，由于轉(zhuǎn)臺(tái)為360°旋轉(zhuǎn)，傳感器信號線會(huì)被纏繞，信號無法進(jìn)行有線傳輸，因此高溫環(huán)境稱重除選用耐高溫的傳感器、接線端子、引線、電纜等特殊元器件外，還必須采用特殊的制造工件和補(bǔ)償手段以及多種傳輸方式來保障信號傳輸準(zhǔn)確可靠。
二、稱重信號傳輸數(shù)字化
由于模擬式稱重傳感器輸出信號小，抗*力差，傳輸距離短，稱重顯示控制儀復(fù)雜，組秤調(diào)試周期長，根本不適應(yīng)智能電子衡器的發(fā)展。數(shù)字稱重傳感器系統(tǒng)是將傳統(tǒng)模擬應(yīng)變式傳感器與現(xiàn)代電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)相集成而發(fā)展起來的新型電子稱量技術(shù)，其主要特點(diǎn)如下：
1.通過數(shù)字補(bǔ)償電路和數(shù)字補(bǔ)償工藝，可進(jìn)行線性、滯后、蠕變等補(bǔ)償，改善了性能；內(nèi)裝溫度傳感器，通過補(bǔ)償軟件可進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度補(bǔ)償，穩(wěn)定性好，減小了衡器的系統(tǒng)誤差。
2.由模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號提高了傳感器輸出信號的抗*力，特別適用于電磁干擾強(qiáng)、信號傳輸距離遠(yuǎn)的工作環(huán)境。
3.使用一對一的A/D轉(zhuǎn)換方法（即每只傳感器均配有一路A/D轉(zhuǎn)換器），簡化了秤體的標(biāo)定、調(diào)整過程，根據(jù)用戶實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)，使用數(shù)字傳感器系統(tǒng)電子衡器的標(biāo)定時(shí)間約為傳統(tǒng)方法的1/4。
4.各數(shù)字式智能稱重傳感器的地址可調(diào)，便于應(yīng)用與互換。記憶能力免除了更換傳感器后的校準(zhǔn)問題；在無法用砝碼進(jìn)行標(biāo)定的場合，輸入各傳感器的標(biāo)定參數(shù)后，可保證衡器的工作能力，特別適用于無法用砝碼進(jìn)行標(biāo)定的稱量系統(tǒng)。
5.改善了電子衡器的維護(hù)特性，對于沒有維修能力的直接用戶來說是至關(guān)重要的。采用數(shù)字傳感器系統(tǒng)的電子衡器，在傳感器或系統(tǒng)中的部件發(fā)生故障時(shí)，可較準(zhǔn)確地指出所損壞的傳感器的位置，以便進(jìn)行更換。特別需指出的是采用數(shù)字傳感器系統(tǒng)的電子衡器中當(dāng)某一個(gè)傳感器發(fā)生故障時(shí)，數(shù)字傳感器系統(tǒng)在進(jìn)行必要的設(shè)置后，仍能保證衡器的工作能力。
6.稱重傳感器采用高集成化高智能化的處理單元全數(shù)字量輸出；可以防止用簡單電路改變稱量信號大小的方式進(jìn)行作弊。
7.采用軟件運(yùn)算方法代替常規(guī)使用電位器方法進(jìn)行秤體四角器整，消除了可調(diào)節(jié)電位器產(chǎn)生的溫漂和時(shí)漂影響，提高了衡器的穩(wěn)定性和可靠性。
8.數(shù)字通訊技術(shù)采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)RS232/485接口總線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)稱重信號的遠(yuǎn)距離傳輸，傳輸距離不小于1000m；輸出信號大，可達(dá)3V～4V，信噪比高使抗*力增強(qiáng)，同時(shí)提高了系統(tǒng)的防雷擊能力；高抗干擾、高精度稱重濾波技術(shù)，將一臺(tái)普通的電子秤讀數(shù)穩(wěn)定度提高五倍以上。其中數(shù)字稱重系統(tǒng)與模擬稱重系統(tǒng)的根本區(qū)別是：
①數(shù)字稱重系統(tǒng)可對本系統(tǒng)內(nèi)的每一個(gè)稱重傳感器單獨(dú)尋址，從而可分別對其進(jìn)行監(jiān)控、故障識(shí)別和稱重信息處理，具有自識(shí)別、自診斷、自校準(zhǔn)、無砝碼標(biāo)定功能，大大提高了系統(tǒng)的自動(dòng)控制能力。
②模擬稱重系統(tǒng)其zui底層的溯源器是標(biāo)準(zhǔn)法碼，而數(shù)字稱重系統(tǒng)為標(biāo)準(zhǔn)力源，這一特性奠定了數(shù)字電子衡器無法碼檢定的理論基礎(chǔ)，為工業(yè)稱重計(jì)量節(jié)省了大量人力物力。
③模擬稱重系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換器只有16bit，即有50000個(gè)可用計(jì)數(shù)；而每一個(gè)數(shù)字稱重傳感器的分辨力為20bit，相當(dāng)于1000000個(gè)可用計(jì)數(shù)，4個(gè)數(shù)字稱重傳感器組成的數(shù)字稱重系統(tǒng)，可以提供4000000個(gè)可用計(jì)數(shù)的分辨力。這不僅對需要添加小量物料的電子配料秤，就是對一般的電子衡器提高分辨力也是至關(guān)重要的。正是數(shù)字稱重技術(shù)克服了模擬稱重系統(tǒng)固有的缺點(diǎn)，使稱重計(jì)量技術(shù)跟上現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程自動(dòng)化、智能化的發(fā)展潮流。稱重傳感器的智能化有兩種結(jié)構(gòu)：整體型——在稱重傳感器內(nèi)部增加放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換器、微處理器、溫度傳感器等數(shù)字處理電路，利用數(shù)字補(bǔ)償技術(shù)與工藝實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)補(bǔ)償。模塊化分離型——將整體型數(shù)字式智能稱重傳感器內(nèi)的數(shù)字電路置于外部接線盒內(nèi)，稱為數(shù)字模盒。將普通模擬式稱重傳感器接入數(shù)字模盒，就可變模擬輸出為數(shù)字輸出，將原先在傳感器內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換電路移至接線盒內(nèi)，通常將具有A/D轉(zhuǎn)換模塊的接線盒稱為數(shù)字接線盒，再將數(shù)字接線盒輸出的數(shù)字信號傳遞給顯示控制器。這一結(jié)構(gòu)大大改善了A/D轉(zhuǎn)換電路的工作環(huán)境，其特點(diǎn)如下：a.具有數(shù)字稱重傳感器的全部特性，配置靈活，方便。b.模塊化數(shù)字傳感器系統(tǒng)穩(wěn)定性大大提高。c.總線結(jié)構(gòu)便于多個(gè)稱量傳感器的應(yīng)用可通過指令更改傳感器的測量特性；布線簡單，驚奇的通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)電子秤多CPU單總線雙向數(shù)據(jù)通訊。從顯示控制器至數(shù)字接線盒只需一條電纜線。一臺(tái)PC機(jī)可遙控幾十臺(tái)電子秤鍵盤操作和各種數(shù)據(jù)采集。所以，利用整體型數(shù)字稱重傳感器（內(nèi)含放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換、CPU和溫度傳感器等）或模擬式稱重傳感器加數(shù)字接線盒（含A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字電路和微處理器等）組成的數(shù)字稱重系統(tǒng)是現(xiàn)代稱重計(jì)量與控制系統(tǒng)工程的重要發(fā)展方向，數(shù)字測量技術(shù)保證以高精度和高可靠性適應(yīng)代表現(xiàn)代控制技術(shù)發(fā)展趨勢的現(xiàn)場總線、控制網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的需要。數(shù)字化稱重是電子稱重技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。
三、稱重信號傳輸走線方式
稱重傳感器引出線為高溫（300℃）電纜，信號調(diào)整器引出線與稱重顯示器如果直接用導(dǎo)線連接此方法投資小，但若操作不當(dāng)易造成導(dǎo)線扭斷影響正常稱量，根據(jù)不同的使用情況，在設(shè)計(jì)中可通過以下兩種方式連接：
1.采用轉(zhuǎn)換器集流環(huán)信號傳輸裝置（以CXZ-2型為例）
①回轉(zhuǎn)爐鋼包電子秤，可在回轉(zhuǎn)臺(tái)支承柱的筒腔內(nèi)設(shè)置一個(gè)接線盒，引出的總線輸入到CXZ-2型轉(zhuǎn)換器集流環(huán)信號傳輸裝置。能有效將回轉(zhuǎn)臺(tái)任意角度旋轉(zhuǎn)時(shí)的傳感器信號準(zhǔn)確無誤地傳輸?shù)絻x表中，而不受外界信號干擾，解決了由于鋼包工作臺(tái)回轉(zhuǎn)時(shí)使電纜發(fā)生相互纏繞而無法實(shí)現(xiàn)稱重信號有線傳輸?shù)碾y題。
②CXZ-2型傳感器信號轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換裝置。CXZ-2型傳感器信號轉(zhuǎn)換器主要功能特點(diǎn)：
a.可實(shí)現(xiàn)兩組傳感器進(jìn)行自動(dòng)信號轉(zhuǎn)換。
b.內(nèi)部信號通過銀片接觸式傳遞。
c.可實(shí)現(xiàn)雙向傳輸。
d.不受外界信號干擾。
③CXZ-2型信號集流環(huán)由主軸、外罩、底座等三大部件組成。安裝時(shí)轉(zhuǎn)換器主軸必須與搖臂主軸同心。安裝接線方式如圖2。轉(zhuǎn)換器上有四組航空插座。從外表看兩組在主軸，兩組在外罩上，而實(shí)際主軸上兩組分別與外罩上兩組是相通的。當(dāng)轉(zhuǎn)換器外罩旋轉(zhuǎn)時(shí)主軸上始終有兩組穩(wěn)定的信號輸出。接線方法為：
a.外罩上兩組航空插頭分別與兩搖臂上鋼包秤接線盒輸出線相連。
b.主軸上兩組航空插座分別與操作室稱重儀表輸入線相連接。
2.采用無線傳輸方式
無線傳輸型稱重測力儀器，是由一組數(shù)字式稱重測力及發(fā)射裝置和另一組接收顯示裝置組合而成的。它是通過稱重測力元件感測所稱重量，經(jīng)放大器將此信號放大，再由濾波器濾除雜訊后，由模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并通過發(fā)射裝置發(fā)射出去。另一組的接收裝置接收上述無線信號，解碼還原成數(shù)字信號送至微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理后直接顯示其數(shù)值，也可通過串行接口送至中央控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，適合各種大包秤、中包秤、行車秤等稱重計(jì)量、鋼包爐前稱重信號不方便走線的稱重控制系統(tǒng)中。無線發(fā)射機(jī)，是由A/D轉(zhuǎn)換盒、發(fā)射盒構(gòu)成，其中A/D轉(zhuǎn)換盒中包含高精度A/D轉(zhuǎn)換器及微處理器。它將現(xiàn)場的稱重信號進(jìn)行處理并發(fā)射給無線接收機(jī)。其具有*的抗電源*力；具有軟件自動(dòng)恢復(fù)功能，使儀表能在惡劣的環(huán)境中正常工作；采用多種數(shù)字濾波方法，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快。
四、稱重信號電氣連接方面
在傳感器的信號電纜電氣連接方面，傳感器的信號電纜線應(yīng)遠(yuǎn)離強(qiáng)電力電源及其它強(qiáng)干擾源；信號電纜線應(yīng)采用防水導(dǎo)管保護(hù)；不要自行加長電纜線；電磁場對傳感器輸出紊亂的影響。在此情況下，應(yīng)對傳感器的屏蔽性進(jìn)行嚴(yán)格檢查，看其是否具有良好的抗電磁能力。傳感器的信號電纜，不與強(qiáng)電電源線或控制線并行布置（例如不要把傳感器信號線和強(qiáng)電電源線及控制線置于同一管道內(nèi)）。若它們必須并行放置，那么，它們之間的距離應(yīng)保持在50cm以上，并把信號線用金屬管套起來。不管在何種情況下，電源線和控制線均應(yīng)絞合起來，絞合程度50轉(zhuǎn)／米，若傳感器信號線需要延長，則應(yīng)采用特制的密封電纜接線盒。若不用此種接線盒，而采用電纜與電纜直接對接（錫焊端頭），則應(yīng)對其進(jìn)行密封防潮處理。所有通向顯示電路或從電路引出的導(dǎo)線，均應(yīng)采用屏蔽電纜。屏蔽線的聯(lián)接及接地點(diǎn)特別予以注意，接好后應(yīng)檢驗(yàn)絕緣電阻，且需達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)（2000MΩ～5000MΩ），必要時(shí)，應(yīng)重新標(biāo)定傳感器。若信號電纜線很長，又要保證很高的測量精度，應(yīng)考慮采用帶有中繼放大器的電纜補(bǔ)償更為合理。傳感器輸出信號讀出電路不應(yīng)和能產(chǎn)生強(qiáng)烈干擾的設(shè)備（如可控硅、接觸器等）及有可觀熱量產(chǎn)生的設(shè)備放在同一箱體中，若不能保證這一點(diǎn)，則應(yīng)考慮在它們之間設(shè)置障板隔離之，并在箱體內(nèi)安置風(fēng)扇。用以測量傳感器輸出信號的電子線路，應(yīng)盡可能配置獨(dú)立的供電變壓器，而不要和接觸器等設(shè)備共用同一主電源。
五、結(jié)束語
通過完成多臺(tái)耐高溫電子秤的設(shè)計(jì)改造，解決高溫環(huán)境稱重取得了較好的應(yīng)用效果。適應(yīng)環(huán)境惡劣及高溫車間使用，有利于稱重的精度及系統(tǒng)的可靠性，保證稱重的穩(wěn)定性。數(shù)字化傳感器的信號經(jīng)匹配器用有線或無線方式傳至稱重儀表，進(jìn)行顯示、打印、儲(chǔ)存等操作。還可配備大屏幕、無線局域網(wǎng)數(shù)據(jù)管理、打印機(jī)等，提高了高溫稱重的現(xiàn)代化管理水平，從而取得較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益.
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