高溫稱重信號傳輸方案探討

 摘 要：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)進行處理與顯示，是一個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)的煉鋼鋼水包計量、鐵水包計量、鋼水包行車計量、熱送焦炭計量、熱送燒結(jié)礦計量、紅送鋼坯計量、線材軋制在線計量等。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)用時環(huán)境溫度梯度變化劇烈，鋼水澆注時會產(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)臺為360°旋轉(zhuǎn)，傳感器信號線會被纏繞，信號無法進行有線傳輸，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償手段以及多種傳輸方式來保障信號傳輸準確可靠。

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)及計算機軟件技術(shù)相集成而發(fā)展起來的新型電子稱量技術(shù)，其主要特點如下：

1.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、信號傳輸距離遠的工作環(huán)境。

2.通過數(shù)字補償電路和數(shù)字補償工藝，可進行線性、滯后、蠕變等補償，改善了性能；內(nèi)裝溫度傳感器，通過補償軟件可進行實時溫度補償，穩(wěn)定性好，減小了衡器的系統(tǒng)誤差。

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），簡化了秤體的標定、調(diào)整過程，根據(jù)用戶實際使用經(jīng)驗，使用數(shù)字傳感器系統(tǒng)電子衡器的標定時間約為傳統(tǒng)方法的1/4。

4.改善了電子衡器的維護特性，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，可較準確地指出所損壞的傳感器的位置，以便進行更換。特別需指出的是采用數(shù)字傳感器系統(tǒng)的電子衡器中當某一個傳感器發(fā)生故障時，數(shù)字傳感器系統(tǒng)在進行必要的設(shè)置后，仍能保證衡器的工作能力。

5.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問題；在無法用砝碼進行標定的場合，輸入各傳感器的標定參數(shù)后，可保證衡器的工作能力，特別適用于無法用砝碼進行標定的稱量系統(tǒng)。

6.采用軟件運算方法代替常規(guī)使用電位器方法進行秤體四角器整，消除了可調(diào)節(jié)電位器產(chǎn)生的溫漂和時漂影響，提高了衡器的穩(wěn)定性和可靠性。

7.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行作弊。

8.數(shù)字通訊技術(shù)采用工業(yè)標準RS232/485接口總線技術(shù)，實現(xiàn)稱重信號的遠距離傳輸，傳輸距離不小于1000m；輸出信號大，可達3V～4V，信噪比高使抗*力增強，同時提高了系統(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模擬稱重系統(tǒng)其zui底層的溯源器是標準法碼，而數(shù)字稱重系統(tǒng)為標準力源，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)稱重計量節(jié)省了大量人力物力。

②數(shù)字稱重系統(tǒng)可對本系統(tǒng)內(nèi)的每一個稱重傳感器單獨尋址，從而可分別對其進行監(jiān)控、故障識別和稱重信息處理，具有自識別、自診斷、自校準、無砝碼標定功能，大大提高了系統(tǒng)的自動控制能力。

③模擬稱重系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換器只有16bit，即有50000個可用計數(shù)；而每一個數(shù)字稱重傳感器的分辨力為20bit，相當于1000000個可用計數(shù)，4個數(shù)字稱重傳感器組成的數(shù)字稱重系統(tǒng)，可以提供4000000個可用計數(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，使稱重計量技術(shù)跟上現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程自動化、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)字補償技術(shù)與工藝實現(xiàn)各項補償。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PC機可遙控幾十臺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線連接此方法投資小，但若操作不當易造成導線扭斷影響正常稱量，根據(jù)不同的使用情況，在設(shè)計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)臺支承柱的筒腔內(nèi)設(shè)置一個接線盒，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)臺任意角度旋轉(zhuǎn)時的傳感器信號準確無誤地傳輸?shù)絻x表中，而不受外界信號干擾，解決了由于鋼包工作臺回轉(zhuǎn)時使電纜發(fā)生相互纏繞而無法實現(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：

a.可實現(xiàn)兩組傳感器進行自動信號轉(zhuǎn)換。

b.內(nèi)部信號通過銀片接觸式傳遞。

c.可實現(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，而實際主軸上兩組分別與外罩上兩組是相通的。當轉(zhuǎn)換器外罩旋轉(zhuǎn)時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)字信號送至微型計算機進行處理后直接顯示其數(shù)值，也可通過串行接口送至*控制計算機進行處理，適合各種大包秤、中包秤、行車秤等稱重計量、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，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)場的稱重信號進行處理并發(fā)射給無線接收機。其具有*的抗電源*力；具有軟件自動恢復功能，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)遠離強電力電源及其它強干擾源；信號電纜線應(yīng)采用防水導管保護；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行嚴格檢查，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)對其進行密封防潮處理。所有通向顯示電路或從電路引出的導線，均應(yīng)采用屏蔽電纜。屏蔽線的聯(lián)接及接地點特別予以注意，接好后應(yīng)檢驗絕緣電阻，且需達到標準（2000MΩ～5000MΩ），必要時，應(yīng)重新標定傳感器。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，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

通過完成多臺耐高溫電子秤的設(shè)計改造，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，進行顯示、打印、儲存等操作。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效益和經(jīng)濟效益