衡器系统设计时传感器和仪表的选型原则 传感器技术指标

问题提出：

在衡器方案设计时，往往在确定准确度等级等指标后，不知如何选择传感器和称重仪表？有时自认为已正确选择了称重传感器和称重仪表，但是在实际测试中，衡器的计量性能指标还是无法保证，请指教在传感器和仪表的选型中，有何诀窍？

问题解答：

在衡器方案设计时，往往确定衡器准确度等级后，需要掌握以下选择传感器和仪表的选型原则：

1．传感器和仪表的选型中与衡器相关的计量参数

（1）衡器的主要参数：最大秤量、最小秤量、准确度等级、最大检定分度数n、工作温度范围、承载器的静载荷、去皮重量等。

（2）衡器的误差分配系数：p1²+ p2²+ p3²+ p4²+ p5²……≤1

其中：p1、p2、p3、p4、p5…pi——衡器的误差分配因子，0.3≤pi≤0.8。

2．衡器最大秤量修正系数 Q

一般来说，衡器的最大秤量修正系数Q应大于1，主要是针对偏载（载荷的不均匀分布）、承载器的静载荷、初始置零范围及添加皮重可能产生的影响的考虑。

Q = (Max+ DL + ISZR + NUD + T+...) / Max

其中：Max ——衡器的最大秤量；
DL —— 承载器的静载荷，由衡器方案设计时确定；
ISZR ——初始置零范围，一般为20% Max；
NUD ——承载器的载荷不均匀分布值。一般可以按典型结构的衡器进行假设。

·带杠杆及单传感器的衡器，或传感器对称排列的料斗，承载器上没有易造成偏载的装置 NUD = 0 %Max
·其它典型衡器NUD = 20%Max
·对于叉车秤，单轨吊秤及汽车衡NUD = 50％Max
·多秤台衡器，组合数固定 NUD = 50%Max（累计最大秤量）
·多秤台衡器，组合数是可变NUD = 50%Max（单秤台最大秤量）

T —— 衡器方案设计时按添加皮重法设计的重量值。

当然衡器的最大秤量修正系数Q还可以根据不同衡器的实际使用状况，再分别加上冲击系数、超载系数、风压系数等。

3．称重传感器选型

3.1 准确度等级

准确度等级，包括称重传感器（LC）温度范围及湿热稳定和蠕变指标，必须满足衡器的要求。

*) 如果温度范围足够宽，并且湿热的稳定性和蠕变指标只能满足较低准确度等级要求。

3.2 传感器最大允许误差分配系数pLC

如果衡器系统设计时没有规定称重传感器的误差分配系数，那么pLC = 0.7。称重传感器的误差分配系数可以是0.3≤pLC≤0.8。

3.3 工作温度范围

如果衡器系统设计方案中没有规定称重传感器的工作温度范围，那么温度范围下限Tmin = -10℃及温度范围上限Tmax = 40℃。根据衡器系统设计方案，也可以对温度范围做出限定，但工作温度范围不得小于30℃。

3.4 传感器最大秤量

称重传感器的最大秤量Emax应满足下述条件：

Emax≥Q × Max × R / N

其中：Q ——衡器最大秤量修正系数；
Max——衡器的最大秤量；
R —— 衡器载荷传递装置的缩比；
N —— 衡器传感器支撑点的数量。

3.5 传感器最小静载荷

因承载器所产生的最小载荷必须等于或大于称重传感器的最小静载荷Emin (许多称重传感器有Emin = 0)：

Emin≤DL×R / N

其中：Emin—— 传感器的最小静载荷；
DL —— 承载器的静载荷，由衡器方案设计时确定。

3.6 传感器最大分度数nLC

（1）对于每只称重传感器，称重传感器的最大分度数nLC应不小于衡器的检定分度数 n：

nLC≥n

（2）对于多称量范围、多分度值衡器，下述要求适用于任何单独的称量范围或局部称重范围：

nLC≥ni

（3）传感器最小静载荷输出恢复DR

l 对于多称量范围衡器，同一传感器用于多于一个称量范围时，应满足条件：

DR×E / Emax≤ e1 ×R / N

或：DR / Emax ≤ e1 / Max

当DR未知时，应满足条件nLC≥0.4 ×Max r / e1。

·对于多分度值衡器，应满足条件：

DR ×E / Emax≤0.5 ×e1×R / N 即 DR / Emax £ 0.5 ×e1 / Max

其中：E = Max × R / N 是衡器加载至Max时加在单个称重传感器上的部分载荷。

当DR未知时，应满足条件nLC≥Max / e1。

3.7 传感器最小检定分度值

称重传感器最小检定分度值vmin不应大于衡器检定分度值e乘以载荷传递装置的缩比R，再除以称重

传感器数量N的平方根：

vmin ≤ e1 ×R /

对于多称量范围衡器，相同的传感器用于多于一个称量范围时，或多分度值衡器，e用e1代替。

3.8 传感器输入阻抗

传感器的输入电阻RLC 受到称重仪表的限制。RLC / N 必须满足称重仪表输入电阻范围RL min到RL max。

3.9 传感器额定输出

传感器在用Emax加载后，对应输入电压下的输出信号的变化一般采用 mV/V 表示。

为了更方便于计算，OIML R 60 中引入了下面的相对值：

Y = E max / v min
Z = E max / (2·DR)

4．称重仪表的选型

4.1 准确度等级

称重仪表准确度等级，包括温度范围及湿热稳定性指标，必须满足衡器的要求。

*) 如果温度范围足够宽，并且湿热的稳定性指标只能满足较低准确度等级的要求。

4.2 称重仪表的最大允许误差系数

如果衡器系统设计时没有规定称重仪表的最大允许误差系数，那么pind = 0.5。根据衡器系统设计要求，该系数可以为0.3≤pind ≤0.8。

4.3 工作温度范围

如果衡器系统设计时没有规定称重仪表的温度范围，那么温度范围下限值Tmin = -10℃，温度范围上限值Tmax = 40℃。根据衡器系统设计要求，可以对温度范围进行限制, 但工作温度范围不得小于30℃。

4.4 最大检定分度数

对于每台称重仪表，其最大分度数nind应不小于衡器的检定分度数n：

nind ≥ n

对于多称量范围或多分度值衡器，该要求适用于任何单独的称量范围或局部称重范围：

nind ≥ ni

如果可以用于多称量范围或多分度值衡器，这些功能必须包括在受检定的称重仪表中。

4.5 与衡器相关的称重仪表电气参数

Uexc (V) 称重传感器激励电压
Umin (mV) 称重仪表的正常最小输入电压
Δumin (mV) 称重仪表每个检定分度值的最小输入电压
UMRmin (mV) 称重仪表测量范围最低电压
UMRmax (mV) 称重仪表测量范围最高电压
RLmin (W) 连接传感器的最小输出阻抗
RLmax (W) 连接传感器的最大输出阻抗

4.6 称重仪表每个检定分度值的最小输入电压验算

(1) 称重仪表的正常最小输入电压(衡器空载) Umin验算

Umin = C×Uexc×R×DL /(Emax×N )

其中：Uexc—— 传感器的激励电压；
C —— 传感器的额定输出；
R —— 衡器载荷传递装置的缩比；
DL —— 衡器承载器的静载荷，由衡器方案设计时确定；
Emax—— 传感器的最大秤量；
N—— 衡器传感器支撑点的数量。

(2) 称重仪表的每检定分度的最小输入电压Δumin验算

Δumin = C×Uexc×R×e /(Emax×N )

其中：C —— 传感器的额定输出；
Uexc—— 传感器的激励电压；
R —— 衡器载荷传递装置的缩比；
e —— 衡器检定分度值，对于多称量范围或多分度值衡器，e = e1；
Emax—— 传感器的最大秤量；
N—— 衡器传感器支撑点的数量。

5．连接电缆的选型

称重仪表与传感器或传感器接线盒（使用六线制的称重仪表应具有传感器反馈补偿功能）之间的附加电缆必须在称重仪表说明书中进行规定。

较为简单的方法是在称重仪表说明书中规定电缆材料（铜，铝等）的单位横截面(m/mm²)电缆长度的值。否则必须计算电缆长度(m)、截面积(mm2)、导电材料参数和每股芯线最大电阻(W)。

5.1 电缆电阻变化计算

应测量零点与最大载荷之间的量程。首先应计算衡器在最大工作温度范围内所对应的电缆电阻变化：

DRTemp = Rcable ×a × (Tmax – Tmin)

其中：DRTemp—— 最大工作温度范围所对应的电缆电阻变化（单位为Ω）；

Rcable ——单股电缆电阻值，Rcable = (r ×L) / A

其中：ρ ——材料的电阻率（例如铜：ρcopper = 0.0175Ωmm2/m）
L—— 电缆长度（单位为m）
A —— 单股电缆的横截面（单位为mm2）
a —— 电缆材料电阻率的温度系数1/K，例如：铜α=0.0039 1/K
Tmax – Tmin ——最大使用温度范围

5.2 电缆温度影响引起的称量变化

为了确定温度对电缆影响引起的称量变化限值，应考虑对称重仪表温度试验的结果。温度引起的最大称量误差不应大于衡器最大允许误差绝对值乘以pi的三分之一。

Dspan(DT) ≤ pi × mpe - Emax(DT)

其中：Dspan(DT) —— 温度变化对电缆影响引起的称量变化值。Dspan(DT) 必须满足以下条件：

Dspan(DT) ≤ 1/3 (pi ×| mpe|)

如果称重仪表不能满足这些条件，电缆最大电阻即电缆最大长度必须减少，或者必须选择大的横截面电缆。应对称重仪表与称重传感器或称重传感器接线盒之间的附加电缆（只适用于使用六线制系统的称重仪表，例如反馈补偿系统）做下列规定：

材料（铜、铝等）、长度（m）、截面积（mm2）、或材料（铜、铝等）固定后规定的电缆长度(m/mm2)、或每路电缆的最大电阻。

6．称重仪表、称重传感器兼容性设计选型实例——汽车衡

（4）兼容性检查（实例）

1) 称重传感器(LC)、称重仪表(IND) 与衡器(WI)的准确度等级

一、概述

高温环境用称重传感器的国产化生产是近年才得以发展起来的。高温环境，是指电子衡器设备所处的现场环境温度超出50°C及以上。如冶金企业的炼钢钢水包计量、铁水包计量、钢水包行车计量、热送焦炭计量、热送烧结矿计量、红送钢坯计量、线材轧制在线计量等。

原来，国内冶金企业为了解决高温称重计量，从国外引进，费用昴贵，且配件备件困难。

为了解决高温称重计量，实现耐高温称重传感器的国产化生产，节约外汇，降低设备成本，国内传感器厂家积极开展耐高温称重传感器的研制。我国耐高温称重传感器国产化的大致历程是：

我国冶金企业根据恶劣高温环境的需要提出需求→委托国外应变计生产商研制高温应变计→国内传感器厂利用耐高温应变计生产制造耐高温称重传感器→配套制造防高温秤体→配上智能化称重仪表→形成智能型耐高温电子称量装置。

余姚市通用仪表有限公司是率先实现高温称重传感器国产化设计生产的厂家之一。耐高温称重传感器采用进口KFH系列高温自补偿应变计和耐高温贴片胶设计制造。应用耐高温焊锡和高温电缆，焊锡的熔点达305℃，电缆工作温度250℃～500℃；传感器的弹性体与外壳全密封，IP67防护。

为使高温传感器国产化的生产与校准标准化，公司从1998年开始，投入大量人力物力，反复做材料试验、温度试验、压力试验和加工装配工艺试验，从试验过程中总结经验，总结规律性，使高温传感器生产实现工艺标准化、规范化。稳定和完善了TY耐高温传感器的制造工艺。

近年来，国家和地方政府对高温环境计量应用技术十分重视，特殊高温环境检测用产品被纳入“国家高新技术产品目录”。 余姚通用仪表公司的“耐高温电子称量装置”被列为宁波市“创新基金”项目，为企业增加投入，扶持企业发展耐高温产品。

浙江省衡器管理所的工程技术人员深入到传感器生产现场，与余姚市通用仪表有限公司的技术人员一起反复试验，反复论证，共同起草了JJG（浙）68—2003《高温负荷传感器地方计量检定规程》，经浙江省质量技术监督局批准，于2003年3月在国内首次发布。使高温传感器的检验校准有了统一规范。

二、TY耐高温称重传感器的特点

（一）TY耐高温称重传感器，采用进口玻璃纤维增强型聚酰亚安基底卡码温度自补偿应变计设计制造，具有如下功能特点：

工作温度：-196℃—+250℃，补偿温度：+10℃—+250℃。
采用进口贴片胶和保护面胶，工作温度：-196℃—+250℃。
采用进口耐高温焊锡，熔点温度：+305℃ —365℃。

采用耐高温引线与接线端子，耐温250℃。采用耐高温电缆和耐高温接头。

具有在长期高温热幅射、环境温度梯变或瞬变等恶劣条件下，能保持称重或测力的准确性和稳定性。

可替代国外进口耐高温传感器产品，耐高温达250°C及以上，适用于如车载钢水包、连铸钢水包、钢水包行车吊、冶炼配料计量及其它高温环境计量。

（二）、TY耐高温称重传感器高温性能指标

（三）、TY高温传感器生产工艺简介

三、采用耐高温称重传感器设计制造耐高温电子秤

（一）耐高温电子秤称重原理与工作过程：被称重高温包→缓冲装置→受力导向装置→称重箱体耐高温称重传感器→信号传输装置→智能化称重控制器→显示与控制。

（二）HSB型模块式秤体的结构特点

模块式耐高温钢包电子秤，利用导向柱与导套合为一体的优点，在箱体上露出承重头，称量时，钢包包耳座落在承重头上进行计量。模块式秤体，由一组长方体钢结构件焊接组成，内部安装称重传感器，秤体外形尺寸根据用户现场实际情况确定。秤体内设有导向和限位装置，保证称重传感器不受任何侧向力。

秤体结构由全密封箱体、承压头、导向套、耐高温传感器、通风管等几部分组成。秤体从外表看，是一台整体式全封闭钢结构焊接箱体，称量时利用两只承载头进行计量，信号线从秤体内部走线，即使有钢水外溢出也不会烧损传感器。

秤体内部传感器的安装固定采用限位式固定，用户在维护更换时极为方便，整台秤体安装时只须割去原承重台进行替换，对位后与大梁焊接，无须任何螺丝进行紧固，安装方便。秤体与称量箱如示意图（图1）

图1

设计制作特点

1、解决了电子秤工作时的高温威胁难题

应用了耐高温称重重感器和耐高温电缆，系统在≥250℃温度范围内长期稳定工作。设计了全密闭式称量箱，传感器安装在全密闭箱体内，耐高温电缆从箱体内引到大梁里面，即使钢水外溢，也不会烧坏电缆。

2、传感器抗冲击设计

根据不同的应用工况，采用不同结构的传感器：对连铸回转台采用双球面摆杆式传感器，它具有300%的抗冲击能力；对于车载钢包秤，采用强度冗余的平面桥式传感器，它除了能抗垂直冲击外，还能抗水平冲击力，以抗御钢包车启动或刹车时产生的巨大冲击力。

3、坚固的称量箱设计

根据现场使用情况，箱体全部焊接，使其成为一个刚度很强的构件，传感器由弧面承压柱导入，这根圆柱又兼作导柱，从而简化了结构，减少了成本。另外，称量箱侧安装了可方便开闭的门，以使传感器的更换非常方便，更换一只传感器，一个工人只需1小时左右即可完成，而不需要动用机械设备。

4、接近导向架和最终导向架设计，保证钢包的平稳导入。

（三）、HSB钢包电子秤主要技术参数

四、称重信号传输走线方式

称重显示仪表及各种变送器因电子器件受允许工作温度的影响限制，一般只能在0～40℃条件下长期工作，因此如何将高温区电子秤的称重信号传输到常温区进行处理与显示，是一个必须解决的重要问题。根据不同的使用情况，在设计中采用如下方法。

（一）采用CXZ—2型转换器集流环信号传输装置

如钢坯连铸回转炉钢包电子秤，由于转台为360°旋转，传感器信号线会被缠绕，信号无法进行有线传输。可在回转台支承柱的筒腔内设置一个接线盒和集流环信号转换器，引出的信号总线输入到CXZ—2型转换器集流环信号传输装置。CXZ-2型传感器信号转换器，是一种把传感器信号通过滑环传输到下一工作环节的信号转换装置。信号转换器的安装结构如图2。

图2：转换器安装示意图

（二）采用无线传输方式

称重数据无线传输系统由WFJ-F型称重数据发射机和WFJ-S型称重数据接收机组成（图3），传输距离≥500m，适用于行车吊称重计量和钢包炉前称重信号有线传输有困难的地方等。无线传输接收方式原理见图4。

图3：称重数据无线发送与接收

图4：称重数据无线传输原理示意图

5、结束语

为解决高温环境称重的特种计量，选用国产称重传感器设计改造钢包车电子秤和大吨位行车电子秤，与国内冶金企业厂家合作，进行了一些有效的探索，先后完成多台耐高温电子秤的设计改造，取得了较好的应用效果。HSB耐高温钢包电子秤被列为宁波市高新技术产品，获市科技进步奖。“耐高温电子称量装置”被列为宁波市“创新基金”项目，得到了国家科技部门的扶持。

高温环境条件下计量用特种电子秤的设计应用，目前仍是我国待攻关解决的课题，须要计量产品制造者与计控应用者共同探索与实践。

作者简介
罗伏隆，高级工程师，华南理工大学毕业；主要从事计控应用与计控管理研究。先后在国营八五五厂，湖南新化无线电专用设备厂，涟源钢铁集团有限公司和余姚通用仪表有限公司任工程师、高级工程师。
先后在计算机与微电子、中国计量、工业计量、计控信息、自动化信息、电子测试等科技杂志发表多篇科技与管理论文。
联系电邮：hnhyulfl@126.com;
QQ：568792564
电话：0574-62736258

公司名称：余姚市通用仪表有限公司
公司地址：浙江省余姚市中山中路三江口
业务服务：0574-62701630，62726783，62700771，62718393
技术服务：0574-62702144，62706550
传真：0574-62702151
网址：http://www.cncells.com
邮箱：hnhyulfl@126.com

巴鲁夫压力传感器的使用方法

德国balluff巴鲁夫压力传感器的安装问题
通常高温熔体压力传感器的损坏都是由于其安装位置不恰当而引起的，如果将传感器强行安装在过小的孔或形状不规则的孔中，就有可能造成传感器的震动膜受到冲击而损坏，选择合适的工具加工安装孔，有利于控制安装孔的尺寸，另外，合适的安装扭矩有利于形成良好的密封，但是如果安装扭矩过高就容易引起高温熔体压力传感器的滑脱，为防止这种现象发生，通常在传感器安装之前在其螺纹部分上涂抹防脱化合物。
1. 德国balluff巴鲁夫压力传感器正确安装方法：
(1) 通过适当的仪表， 在普通大气压和标准温度条件下，核实压力传感器的频率反应值。
(2) 核实压力传感器的编码与相应的频率反应信号的正确性。
2. 确定具体安装位置
为了确定德国balluff巴鲁夫压力传感器的编号和具体安装位置， 需按充气网的各个充气段来考虑。
(1) 压力传感器必须沿着线缆进行安装， 安装在线缆接头处。
(2) 每条线缆装设压力传感器不少于4个， 靠近局的两个压力传感器， 相距不应大干200m。
(3) 每条线缆的始端和末端分别安装1个。
(4) 每条线缆的分支点应装1个， 如果两个分支点相距较近(小于100 m)，可只装1个。
(5) 线缆敷设方式(架空、地下)改变处应装1个
(6) 对无分支的线缆， 因垒线的线缆程式一致， 压力传感器的安装隔距不大干500m， 并使其总数不少于4个。
(7) 为了便于确定压力传感器故障点， 除在起点安装压力传感器外，距起点150~200m处，还要另外安装1个当然在设计中， 一定要考虑经济与技术的因素， 在不需要安装压力传感器的地方，则应不必安装。

检查尺寸
如果安装孔的尺寸不合适，高温熔体压力传感器在安装过程中，其螺纹部分就很容易受到磨损，这不仅会影响设备的密封性能，而且使传感器不能充分发挥作用，甚至还可能产生安全隐患。只有合适的安装孔才能够避免螺纹的磨损(螺纹工业标准1/2-20UNF2B)，通常可以采用安装孔测量仪对安装孔进行检测，以做出适当的调整。