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1  動態(tài)測量

人們常常希望稱重測力在正常作業(yè)中同時完成, 即盡量不占用( 零停機) 或少占用時間。例如:軋鋼廠中從坯料加熱到軋制成材是一個連續(xù)的作業(yè), 為掌握加熱過程中的燒損率及產(chǎn)品的成材率,要求在不干擾正常生產(chǎn)的同時對鋼材進行快速或短時稱量。

在港口吞吐貨物的計量中, 為不影響裝卸速度, 常常要求貨物在輸送或吊運過程中同時完成稱量。此時, 無論是皮帶秤上流經(jīng)的散料或是吊秤下懸掛的貨物, 均處在運動狀態(tài)。有時要對高速公路上行駛的汽車或鐵道上運行的火車進行稱量; 有時要對活的動物, 諸如牛、 醫(yī)用小兔等進行稱量; 有時要在運動的或振動的環(huán)境中, 諸如在遠洋輪船、 飛機或貨車上對物體進行稱量[ 1]。

在機加工行業(yè)中, 與加工中心相結(jié)合的柔性制造系統(tǒng)( FMS) , 大大提高了機床的加工適應(yīng)性和加工效率。但刀具破損已經(jīng)成為系統(tǒng)正常運行的主要故障, 常常需要用動態(tài)測力儀來連續(xù)地監(jiān)測回轉(zhuǎn)刀具的運行狀況。安裝在機器人手臂與手爪之間的/ 關(guān)節(jié)0多分量傳感器或腕力傳感器, 在機械手操作時能提供三維的力和力矩, 它也是在運動條件下進行測量的[ 2]。

所有上述情況形成了動態(tài)稱重測力狀態(tài), 它們的主要特征可以歸納為:

(1) 被測對象處于非靜止?fàn)顟B(tài), 即被稱重或測力的物體在運動;

(2) 測量環(huán)境處于非靜止?fàn)顟B(tài), 即稱重測力計量儀器置于其中的測量床身、 臺面或支架等在運動;

(3) 在短時內(nèi)進行快速測量, 即測量時間短于稱重測力計量儀器的調(diào)定時間。

為了進行快速、 連續(xù)、 準確的測量, 求得被測量的穩(wěn)態(tài)示值, 就要求對稱重測力傳感器、 信號適調(diào)、 處理、 顯示、 記錄及由此而組成的動態(tài)稱重測力系統(tǒng) 進行正確的描述和分析, 還要求減小動態(tài)測量的不確定度、 提高動態(tài)響應(yīng)速度、 解除多分量間的耦合, 以進行動態(tài)補償。比如: 對動態(tài)吊秤, 有人提出為削弱縱向振動所致的高頻干擾, 可進行橋式動態(tài)補償與閥值動態(tài)補償; 為削弱橫向擺動所致的低頻干擾, 可進行三點式補償?shù)取Ｓ秩? 為提高腕力傳感器的動態(tài)品質(zhì), 可按主分量通道的特性要求設(shè)計動態(tài)補償器, 再按多分量解耦要求設(shè)計解耦環(huán)節(jié), 以便既能快速跟蹤輸入信號、 提高動態(tài)響應(yīng)速度, 又能去除耦合信號、 減小測量不確定度。

傳感器部分是測量系統(tǒng)的輸入端, 它與被測的重量或力、 過程或系統(tǒng)相連接, 并給出一個取決于被測量的輸出信號。信號適調(diào)部分將傳感器的輸出信號進行加工, 例如將電阻變換為電壓或電流、 信號放大或衰減、 濾波、 調(diào)制與解調(diào)、 阻抗變換、 線性化及轉(zhuǎn)換成數(shù)字編碼信號等, 以便成為適宜于進一步處理的形式。信號處理部分接受適調(diào)部分輸出的信號, 并對其進行必要的運算, 轉(zhuǎn)換成適宜于顯示或記錄的信號。顯示、 記錄部分是測量系統(tǒng)的輸出端或終端, 以觀測者便于認識的形式來顯示、 記錄重量或力值。

稱重測力系統(tǒng)的上述四個組成部分的劃分是相對的, 有時甚至可以不存在中間部分或某部分不止一次出現(xiàn); 但是對被測對象進行稱重、 測力并給出具體量值的基本功能必須予以保證, 也包括保證靜態(tài)與動態(tài)計量特性、 安全性能及消費者利益的專用功能在內(nèi)。一個稱重測力系統(tǒng), 可以由若干臺儀器組成; 也可將全套測量系統(tǒng)組裝成一臺整機。

眾所周知, 動態(tài)測量是指為確定量的瞬時值及( 或) 其隨時間變化所進行的測量, 即被測量是隨時間而變化的; 而靜態(tài)測量則是指測量期間其值可認為是恒定的量的測量。顯然, 在動態(tài)測量中必須考慮信號的響應(yīng)時間, 即考慮激勵受到規(guī)定突變的瞬間, 及響應(yīng)達到并保持其最終穩(wěn)定值在規(guī)定極限內(nèi)的瞬間, 這兩者之間的時間間隔。而在靜態(tài)測量中, 通常并不考慮信號的響應(yīng)時間,只關(guān)注測量結(jié)果的不確定度和隨時間的穩(wěn)定性或可靠性。

在研究動態(tài)稱重測力時, 通常的方法是同時或單獨測出對象的加速度、 位移與速度, 然后用數(shù)值積分方法或直接方法求解稱重測力過程的微分方程, 以求得重量或力值。另一種方法則是把動態(tài)測量作為一個參數(shù)估計和預(yù)測問題來處理, 即首先根據(jù)有關(guān)稱重測力系統(tǒng)的先驗知識, 推導(dǎo)出一個含有未知參數(shù)的模型, 然后用該模型去擬合稱重測力過渡過程信號, 從而獲得最小平方誤差意義上的參數(shù)估計[ 3]。由于被測重量或力值可以看成是稱重測力過程的終值, 它們可以用模型參數(shù)加以估計或預(yù)測出來。

在動態(tài)稱重測力技術(shù)方面, 盡管傳感器的最新硬件技術(shù)起著重要的作用, 但是基于動力學(xué)系統(tǒng)模型的軟件技術(shù), 對于設(shè)計動態(tài)測量的算法來說, 卻是更為本質(zhì)和更為重要的。這也就是說, 應(yīng)當(dāng)利用測量系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型, 把解決問題的主要精力放在軟件方面; 誠然, 硬件和軟件這兩條途徑, 對于研究動態(tài)稱重測力技術(shù)都是必要的。

 2  自動在線測量

在1958 年自動在線的連續(xù)稱重裝置問世之前, 生產(chǎn)線上產(chǎn)品的稱重或重量控制都是人工進行的, 即: 定時取出, 分別稱量。這種/ 抽樣檢查0方法, 顯然已不適應(yīng)當(dāng)前高速生產(chǎn)、 質(zhì)量管理和切實保護消費者權(quán)益的要求。

為了不觸犯有關(guān)法規(guī), 例如在美國不觸犯NIST( 國家標準和技術(shù)研究院) 第 44 號手冊5稱重和測量裝置的規(guī)范、 允差及其它技術(shù)要求6[ 4]和130號手冊《法制計量和發(fā)動機燃料質(zhì)量統(tǒng)一法律和法規(guī)》[5]規(guī)定的有關(guān)要求, 制造商們對直接銷售的產(chǎn)品已開始采用 100% 重量檢驗的原則。如果不能進行在線自動稱重, 制造商寧可采用稍微超重裝料的原則, 以防份量不足而丟失信譽。

實際上, 在生產(chǎn)過程中需要快速而簡易地在線采集和校驗統(tǒng)計數(shù)據(jù), 如果連續(xù)出現(xiàn)一組次品,生產(chǎn)者即應(yīng)關(guān)閉生產(chǎn)線并立即檢查原由。因此,傳統(tǒng)的抽查方式已不再適用, 有逐漸被在線檢測取而代之的趨勢。七十年代末微機引入稱重計量儀表, 給稱重技術(shù)的發(fā)展注入了活力。當(dāng)前, 用于在線測量的自動秤, 已不僅僅是為了剔除重量不足的產(chǎn)品, 更是為了進行重量控制、 統(tǒng)計分析與處理。

稱重計量儀表與計算機相聯(lián)后可以編制出生產(chǎn)者想要的書面報告, 例如: 實時計數(shù)的直方圖,重量的標準[ 偏] 差, 運行的平均值, 相關(guān)的參數(shù)報告、 統(tǒng)計報告以及按時間、 數(shù)量或重量分類的間隔報告等。因此, 生產(chǎn)者可以在遠離計量站的質(zhì)量控制室里, 通過遙控面板來改變參數(shù), 而不必再在生產(chǎn)線上來回走動, 甚至還可以同時看管幾條生產(chǎn)線。對于食品、 化妝品、 藥品以及化工等行業(yè)而言, 這種在線測量的自動秤無疑將使生產(chǎn)管理者的工作變得簡煉、 準確、 安全而高效。

用于重量在線測量的自動秤主要有以下 5種[ 6]:

(1) 重力式裝料自動秤。根據(jù) OIML( 國際法制計量組織) 第 R61 號國際建議, 它是通過自動稱量程序, 把物料分成預(yù)定的、 重量恒定的散狀物品( 載荷) 裝入容器的自動秤, 通常包括選擇組合秤、 多斗組合秤及減量裝料秤三種。它們主要由一個或多個自動給料器或者與一個或多個稱量單元相關(guān)的裝置, 以及適當(dāng)?shù)目刂蒲b置與卸料裝置組成。

( 2) 檢重自動秤。根據(jù) OIML 第 R51 號國際建議, 它是對預(yù)包裝的分離載荷進行稱量或?qū)Ψ前b物的載荷進行分類的自動秤, 國外直接稱為抓料自動秤。其中 X( x ) 級秤用于按照 OIML 第87 號國際建議對包裝品凈含量的稱重; Y( y) 級秤則用于按照重量對物品進行分類( 例如: 檢驗秤、分選秤等) , 也可以用于按重量對單個物品進行計價并打上標簽( 例如: 價格標簽秤等) 。

( 3) 連續(xù)累計自動秤。根據(jù) OIML 第 50 號國際建議, 它是安裝在皮帶輸送機的適當(dāng)位置上, 對散狀物料進行連續(xù)、 累計稱量的自動秤, 簡稱皮帶秤。

(4) 非連續(xù)累計自動秤。根據(jù) OIML 第 107號國際建議, 它是把一批散料分成若干份分離的、不連續(xù)的載荷, 按預(yù)定程序依次稱量每一份載荷后分別進行累計, 以求得該批物料總量的自動秤,簡稱累計料斗秤。

(5) 自動軌道衡。根據(jù) OIML 第 106 號國際建議, 它是在鐵路線上稱量運行中貨車重量的一種自動秤。其稱量臺面( 秤臺) 有足夠的工作長度, 以保證列車通過臺面時有足夠的時間進行有效的采樣。按其計量方式可分為軸計量、 轉(zhuǎn)向架計量以及整車計量 3 種。

總之, 檢驗秤是將不同重量的物品, 按其重量與標稱設(shè)定值之差, 細分為兩組或多組的檢重自動秤。分選秤則是按給定的重量范圍, 細分為若干組的檢重自動秤。皮帶秤無需對物料按重量進行細分, 輸送機的皮帶可按單一速度或多種速度運轉(zhuǎn)。料斗秤在逐次稱量時物料的重量通常各不相等, 在確定每斗的實際重量后即進行累計, 我國糧食行業(yè)( 例如: 儲備糧庫等) 也稱它為散糧自動秤。

另外, 帶有包裝機構(gòu)與相關(guān)控制裝置的選擇組合秤通常包括一個或多個稱重單元, 并可計算出各稱重單元的相應(yīng)載荷及由它們組合而成的灌裝載荷, 因而在我國通常稱它們?yōu)槎堪b秤或灌袋秤。而自動軌道衡已經(jīng)發(fā)展成為軌道載荷、車輛狀態(tài)安全監(jiān)測系統(tǒng), 能在較快速度下( 40~ 80kmP h) 測量車輛的輪重、 軸重、 超載、 偏載、 車輪扁疤, 以及識別車輪嚴重減載可能危及的行車安全,從而為列車提速、 保障安全提供了檢測手段[ 7]。

以上不同種類的自動秤, 在重量、 力值、 載荷的自動在線測量中各具特色, 發(fā)揮著不同的作用。

 3  模型化測量

稱重測力儀器作為一種常用的計量測試設(shè)備, 可以認為近百年來經(jīng)歷了 4 個階段: 首先是延續(xù)了半個多世紀的機械式的模擬儀器時代; 接著是機電式的電氣儀器和電子儀器時代; 然后于二十世紀七十年代末跨入近期的數(shù)字式儀器和微機化儀器時代; 隨之而來的便是九十年代開始進入的模型化測量( MBM) 儀器的新時代。

這是因為人們不僅要求得到測量結(jié)果, 還要求對測量結(jié)果進行綜合評價, 即對被測的重量和力值進行狀態(tài)估計、 診斷或趨勢分析。人們實際面對的, 常常是需要實時測量的、 多變量的動態(tài)過程或系統(tǒng)。所以, 僅僅采用傳統(tǒng)的測量方法及數(shù)值處理手段是不夠的, 而需要借助于模型建立和參數(shù)估計, 以實現(xiàn)智能化測量。

智能稱重測力儀器與微機化稱重測力儀器的顯著區(qū)別, 就在于智能儀器中無論是學(xué)習(xí)、 推理、判斷或自適應(yīng)等功能, 均需要各種數(shù)學(xué)模型構(gòu)成，智能儀表與微機化儀表的區(qū)別示意圖的知識層。 在這個層面上, 需要學(xué)習(xí)經(jīng)驗, 獲取與記憶知識, 推理、 判斷與解決問題。例如: 需要進行自動補償、 自動校準、 自選量程、 自尋故障、 雙向通信以及適應(yīng)外界環(huán)境等。具有這樣能力的測量, 方可稱作是智能化測量。 

事實上, 利用數(shù)學(xué)模型或模型化測量的稱重測力方法是很有前途的。它把測量視為一個過程, 把計量儀器視為一個系統(tǒng)。根據(jù)事先掌握的信息即先驗知識, 以及實驗獲得的數(shù)據(jù)即后驗知識, 利用系統(tǒng)辨識來建立計量儀器的數(shù)學(xué)模型, 并通過相應(yīng)的算法來處理數(shù)據(jù)和全面地描述儀器,從而對其性能進行狀態(tài)估計, 或通過軟件來改善計量儀器的硬件環(huán)境。

模型化測量為解決日趨復(fù)雜的動態(tài)測量問題開辟了一條新路。例如: 稱重系統(tǒng)采用二階系統(tǒng)的自回歸滑動平均模型, 借助于這個模型和遞推的最小二乘法( RLS) , 即可由極短的稱重階躍響應(yīng)估計出模型參數(shù)和被稱的重量。仿真計算表明, 在輸入端有白噪聲干擾時, 可用 RLS 估計出重量。該法要求的測量時間很短, 通常不超過一個振蕩周期即可得到良好的結(jié)果。

在微機化測力稱重儀器中, 目前也有引入知識模型而構(gòu)成專家系統(tǒng), 即把優(yōu)秀的稱重測力專家的思維過程固化到測量程序的軟件中, 與計算機修正程序結(jié)合起來, 進而提高計量儀器的測試能力和故障檢測能力。由此可見, 測量軟件對于稱重測力技術(shù)未來發(fā)展的意義不可低估。

 

 4  數(shù)字化測量

為了適應(yīng)動態(tài)測量的需要, 在稱重測力系統(tǒng)中作為系統(tǒng)輸入端的傳感器至關(guān)重要。特別在需要智能化的場合, 傳感器的直接或間接數(shù)字化已必不可少, 此時測量不確定度和測量速度往往是一對矛盾, 兩者很難兼得, 而須根據(jù)實際情況作折衷選擇。在稱重測力領(lǐng)域, 我國目前大量生產(chǎn)和應(yīng)用的都是傳統(tǒng)的模擬式傳感器。模擬信號的輸出較小, 以生產(chǎn)量最大、 采用電阻應(yīng)變原理的稱重測力傳感器為例, 一般最大輸出為 30~ 40 mV, 故其信號易受射頻干擾和電磁干擾, 電纜傳輸距離也短, 通常在 10m 以內(nèi)。

而同樣是電阻應(yīng)變式的數(shù)字化傳感器, 其輸出信號可達 4V, 是模擬式傳感器的 100 倍。強信號的電纜傳輸距離可達 150 m, 附加電源后則可超過 600m。

人們一直在為改善模擬式稱重測力傳感器性能所需的各種補償而耗時耗力, 特別是在尋求廉價的靈敏度溫度補償、 零點溫度補償、 非線性補償、 滯后補償、 蠕變補償, 以及它們之間可能存在的交互( 耦合) 作用的補償機理和補償辦法。而數(shù)字補償技術(shù)卻為此提供了新的解決途徑, 因為即使是基于微處理器的數(shù)字化傳感器, 也能通過線路設(shè)計和軟件設(shè)計實現(xiàn)數(shù)字補償[ 8~ 10]。

在使用多個傳感器并聯(lián)的容器稱重系統(tǒng)( 料斗秤或配料秤) 、 平臺稱重系統(tǒng)或秤橋( 汽車衡或軌道衡) 中, 利用數(shù)字系統(tǒng)可實現(xiàn)/ 自校準0。這是因為多通道的數(shù)字傳感器系統(tǒng), 不存在阻抗匹配問題; 用戶輸入各傳感器的地址、 秤量和靈敏度,即可自動進行秤的/ 四角0或/ 邊角0平衡, 不必一次次地反復(fù)調(diào)整。而在模擬系統(tǒng)中多個傳感器并聯(lián)接線后, 每個傳感器的特性就不再是可辨別的了, 校準時需在每一個傳感器上施加砝碼并利用接線盒中的分壓器進行調(diào)整; 由于調(diào)整時存在著交互作用, 因而需反復(fù)多次。在數(shù)字系統(tǒng)中, 則允許分別復(fù)核作為單體的每一個傳感器。實際上,校準裝有數(shù)字傳感器系統(tǒng)的秤所花費的時間, 僅為模擬系統(tǒng)的 1 /4。

利用數(shù)字系統(tǒng)可以實現(xiàn)“自診斷”, 即診斷程序會連續(xù)地檢查各傳感器信號是否中斷、 輸出是否明顯超出范圍等。若有問題, 在儀表或控制器面板上會自動顯示或報警, 用戶利用面板上的鍵即可尋找各個傳感器, 獨立地確定問題原因并進行故障排除。這種直覺診斷和故障排除能力, 對用戶顯然是一種重要優(yōu)點; 而在模擬傳感器系統(tǒng)中則是很難以低成本實現(xiàn)的。

在稱重測力領(lǐng)域中, 典型模擬傳感器系統(tǒng)的模數(shù)變換器的分辨力為 16比特, 即有 50000 個可用計數(shù); 而數(shù)字系統(tǒng)中每一個傳感器的分辨率為20 比特, 即有 1 000 000 個可用計數(shù)。所以, 一個裝有 4 個數(shù)字傳感器的系統(tǒng)即可提供 4 000 000個計數(shù)的分辨率。這種高分辨率的優(yōu)點, 特別適用于秤架自重大而被稱物重量小的場合。例如:在配料稱重系統(tǒng)中, 有時其中某配方的物料僅占很小比例, 但準確度要求卻仍然很高。這在傳統(tǒng)的模擬系統(tǒng)中同樣是很難實現(xiàn)的。

目前, 傳感器數(shù)字化的方式通常有兩種。一種是將AP D變換器連同前級的放大器、 濾波器以及后級的微處理器芯片、 溫度敏感元件等一起, 放在傳感器殼體的內(nèi)部, 形成一個整體。由于傳感器的輸出已經(jīng)是數(shù)字信號, 所以稱重儀表中的模擬信號處理單元可以取消, 其結(jié)構(gòu)得以簡化。另一種方式是傳感器本身一切照舊, 而只是將 AP D變換器等放到附近的接線盒( 也稱模塊) 中。前者稱為整體型, 后者稱為分離型。

一臺普通的雙剪切梁傳感器大約包括 11 個電子元件, 共有 30 個焊點。變成整體的數(shù)字式傳感器后, 目前包括約 60 個電子元件和 350 個以上焊點。傳感器的平均無故障時間( MTBF) 是與其包含的電子元件數(shù)和焊點數(shù)成反比的, 因而整體型數(shù)字稱重傳感器的可靠性顯然有所下降。

分散型數(shù)字稱重傳感器, 或確切地說數(shù)字稱重系統(tǒng), 用基于微處理器的數(shù)字傳感器模塊替代了通常的接線盒。每個傳感器信號的高速和高分辨率的 AP D 變換, 就是在此模塊中完成的, 最多可以接12 只傳感器。數(shù)據(jù)或資料被數(shù)字化后, 通過串行通信接口, 傳輸?shù)? 數(shù)字過程稱重控制器0。這種光耦合式的數(shù)字數(shù)據(jù)或資料的連結(jié), 可傳輸高電平數(shù)字信號而不受射頻干擾和電磁干擾等電噪聲的任何影響。
 

顯然, 分散型方式更適宜于在原有模擬稱重系統(tǒng)的基礎(chǔ)上, 不必更換傳感器就可以向數(shù)字稱重系統(tǒng)發(fā)展, 不失為對傳統(tǒng)技術(shù)改造的一條捷徑。可以預(yù)見, 數(shù)字傳感器和數(shù)字稱重測力系統(tǒng)在我國的發(fā)展將會是很快的。

 

參 考 文 獻

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