懸臂式微機(jī)皮帶秤誤差分析及消除方法

　　1、引言 

　　任何計(jì)量器具經(jīng)過一段時(shí)期使用，都會(huì)產(chǎn)生誤差。對(duì)于在惡劣環(huán)境的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用的動(dòng)態(tài)計(jì)量設(shè)備，誤差的產(chǎn)生更是多因素和不可避免的。全面地認(rèn)識(shí)和正確地分析產(chǎn)生誤差的原因，不僅對(duì)于準(zhǔn)確的計(jì)量、精確的配料，而且對(duì)于生產(chǎn)管理和質(zhì)量管理都同樣具有重要意義。 

　　本文以西南工學(xué)院微機(jī)所研制的WJP一Ⅲ（恒速秤）和WPP一Ⅲ（調(diào)速秤）懸臂式微機(jī)皮帶秤為例，分析各種誤差的原因和處理方法。其它型號(hào)的懸臂式皮帶秤大同小異，可以參考。 

　　2、誤差分析 

　　產(chǎn)生誤差的因素可能各種各樣，有些可能是難以預(yù)料的。本節(jié)只討論對(duì)系統(tǒng)精度影響大和較普遍性的誤差問題。 

　　2.1　機(jī)械零點(diǎn)變化 

　　機(jī)械零點(diǎn)變化可能是皮帶秤配重變化；皮帶張緊變化而引起皮帶秤力臂中心變化；減速機(jī)內(nèi)潤(rùn)滑油油量變化；皮帶秤積灰；皮帶粘料（物料太濕）等。這些變化最終都表現(xiàn)為皮帶秤皮重變化。因此，改變配重，調(diào)整皮帶張緊程度和減速機(jī)加油等工作都應(yīng)在校秤之前進(jìn)行。皮帶秤積灰影響皮重，應(yīng)定期清掃，一般以每班清掃兩次為宜，形成制度。經(jīng)常檢查皮帶上有無粘著物料，經(jīng)常清理。必要時(shí)可安裝刮板（這種情況不多見）。 

　　2.2　荷重通道誤差 

　　皮帶秤計(jì)量是以荷重信號(hào)和速度信號(hào)為依據(jù)，如果這兩個(gè)信號(hào)通道發(fā)生誤差，自然會(huì)影響皮帶秤計(jì)量精度。 

　　荷重通道誤差由荷重傳感器、傳輸線路和放大器三個(gè)環(huán)節(jié)引入。如傳感器的時(shí)漂、溫漂、疲勞損傷、傳感器電源波動(dòng)；信號(hào)傳輸線路的線路損耗、空間電磁干擾；放大器零點(diǎn)漂移、放大倍數(shù)漂移和放大器電源波動(dòng)等。電源波動(dòng)和空間電磁干擾在2．4中討論。其它因素對(duì)放大器輸出的影響最終可歸結(jié)成圖1所示的線性誤差。若放大器理想輸入─輸出特性為圖1所示L1，傳輸方程為 
　　uO＝k1ui　　　　　　　　　　　　　　　（1） 
　　實(shí)際輸入─輸出特性為L(zhǎng)2，傳輸方程為 
　　U0=k2ui+b　　　　　　　　　　　　　　 （2） 
　　引入誤差為 
　　Δu0＝（k2—k1）ui+b                  （3） 
　　由（3）式可知，線性誤差由兩部分組成，第一部分為放大倍數(shù)漂移引起，第二部分為零點(diǎn)漂移引起。 

圖1　放大器輸入、輸出特性 

圖2　放大器電路簡(jiǎn)圖 

　　放大器零點(diǎn)漂移是直流弱信號(hào)放大所特有的問題，多發(fā)生在前級(jí)放大器。所幸的是，現(xiàn)在荷重通道前級(jí)放大器一般使用斬波自穩(wěn)零第四代運(yùn)放ICL7650，使得傳統(tǒng)的直流放大器主要誤差——零漂問題已變得不太突出了。相反，用于調(diào)整系統(tǒng)零點(diǎn)的電位器W1（如圖2）反倒成了影響放大器零點(diǎn)的主要因素。加入電位器W1作用有二：一是用于放大器初調(diào)試（如略去空間電磁干擾的線路信號(hào)衰減則是相對(duì)固定的零點(diǎn)偏移）；二是遷移荷重傳感器引入的附加附差。放大器調(diào)試一經(jīng)完成，一般很少再調(diào)整。遷移荷重傳感器電橋不平衡引入的零點(diǎn)漂移，在新裝傳感器時(shí)抵消自身電橋不平衡引入的零點(diǎn)誤差，使用較長(zhǎng)時(shí)間后，傳感器也會(huì)產(chǎn)生不可恢復(fù)的疲勞損傷，帶來電橋新的不平衡。因此，W1在正常運(yùn)行以后很少使用。實(shí)踐證明，在調(diào)試完成后，用固定電阻代替，效果較好。 

　　用于調(diào)整放大器放大倍數(shù)的W2，往往也會(huì)因振動(dòng)和長(zhǎng)期使用而觸點(diǎn)表面氧化引入噪聲。這是有觸頭元件所共有的缺點(diǎn)。再者，有不少微機(jī)皮帶秤為調(diào)整方便把該電位器裝在前面板或后面板上，由于W2一般數(shù)十千歐到數(shù)百千歐，這樣大的電阻容易引入空間電磁干擾。最好的方法就是在系統(tǒng)已經(jīng)調(diào)試完畢后，用固定電阻代替W2。不但減少線路長(zhǎng)度，且沒有了接觸點(diǎn)，是有百益而無一害的。 

　　2.3　速度通道 

　　目前，水泥工業(yè)調(diào)速式或恒速式皮帶秤多采用測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)速。而目前較流行的方式是用直流測(cè)速發(fā)電機(jī)和壓頻轉(zhuǎn)換元件。這種測(cè)速方式主要缺點(diǎn)是引入較大的非線性誤差，這是由于測(cè)速發(fā)電機(jī)在大范圍內(nèi)輸出特性不線性。解決非線性問題最簡(jiǎn)單實(shí)用的方法是在工作點(diǎn)附近局部線性化。即系統(tǒng)標(biāo)定應(yīng)盡可能在工作點(diǎn)附近進(jìn)行。實(shí)踐表明，這種方法是行之有效的。 

　　如果對(duì)速度線性有進(jìn)一步要求（如精度等級(jí)提高或全量程線性），可以作出測(cè)速發(fā)電機(jī)工作曲線（n/u），如圖3所示，再利用軟件插值方法解決。

圖3　測(cè)速發(fā)電機(jī)工作曲線 

　　當(dāng)然，解決速度通道全量程線性的最徹底方法是使用脈沖式測(cè)速發(fā)電機(jī)、光電式、霍爾式速度傳感器。雖然脈沖式測(cè)速發(fā)電機(jī)的線性度較高，但它仍是間接測(cè)速，即測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速，而不是皮帶帶速，荷重變化、皮帶打滑和皮帶卡料均得不到反映。因此，利用光電傳感器直接測(cè)量皮帶秤轉(zhuǎn)速是較好的方法。 

　　2.4　干擾問題 

　　微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)是一個(gè)復(fù)雜的專門課題。本文只對(duì)影響系統(tǒng)計(jì)量精度的幾個(gè)主要因素，電源波動(dòng)和空間電磁場(chǎng)對(duì)模擬通道的影響進(jìn)行探討。 

　　對(duì)于微型計(jì)算機(jī)和數(shù)字通道，較強(qiáng)的干擾給系統(tǒng)帶來的直接后果是不能正常工作，如程序不能運(yùn)行、數(shù)據(jù)沖亂、系統(tǒng)復(fù)位、顯示打亂、不能通訊等，這種故障容易被發(fā)現(xiàn)。二是如果干擾直觀上對(duì)數(shù)字部分無影響，就不會(huì)影響系統(tǒng)計(jì)量精度。一般而言，數(shù)字通道的抗干擾能力較模擬通道強(qiáng)。這也是數(shù)字電路使用開關(guān)量的優(yōu)點(diǎn)之一。 

　　對(duì)于模擬通道，干擾對(duì)其的影響主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是電磁耦合通過傳感器信號(hào)線加入放大通道，二是電源波動(dòng)影響放大器正負(fù)電源對(duì)稱度和穩(wěn)定度。 

　　解決由傳感器通道引入電磁干擾的常用方法是根據(jù)傳輸距離正確的選用屏蔽電纜的芯徑和屏蔽層良好接地，并在放大器前端設(shè)置低通濾波器，濾出交流分量。 

　　動(dòng)力設(shè)備啟停和電網(wǎng)波動(dòng)都會(huì)影響計(jì)算機(jī)電源、放大器電源、傳感器電源、采樣參考電源。自然，這些電源本身質(zhì)量不高也會(huì)引入一些干擾。對(duì)于穩(wěn)定度要求較高的傳感器電源和放大器參考電源應(yīng)采用多級(jí)穩(wěn)壓和其他一些特殊措施。一般而言，整個(gè)系統(tǒng)對(duì)電源要求的順序是：采樣參考電源→傳感器電源→放大器電源→計(jì)算機(jī)電源→打印機(jī)電源。 

　　設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)上述各電源自身的要求和特點(diǎn)而采取相應(yīng)措施。對(duì)于使用者，在系統(tǒng)總電源前加入一級(jí)交流穩(wěn)壓電源是必要的。市場(chǎng)上的交流穩(wěn)壓電源種類繁多。用戶常常感到無從下手，況且一些交流穩(wěn)壓電源根本不能起到穩(wěn)壓的作用或者不適合環(huán)境惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，致使一些用戶屢屢選擇不當(dāng)。根據(jù)筆者經(jīng)驗(yàn)，電網(wǎng)波動(dòng)較大或穩(wěn)壓要求不太高的用戶，選用廣東羅定生產(chǎn)的鐵塔牌參數(shù)式交流穩(wěn)壓電源。這種穩(wěn)壓電源的特點(diǎn)是穩(wěn)壓范圍寬，抗沖擊能力強(qiáng)，缺點(diǎn)是穩(wěn)壓精度不高。對(duì)電源質(zhì)量要求較高的用戶，可以選用精密凈化式交流穩(wěn)壓電源。這種穩(wěn)壓電源的精度較高，缺點(diǎn)是穩(wěn)壓范圍窄，只能工作在180～260V范圍。對(duì)于中小型水泥廠，電源波動(dòng)常常會(huì)超出此范圍。 

　　3、控制誤差 

　　系統(tǒng)精度應(yīng)包括計(jì)量精度與控制精度。因此，系統(tǒng)誤差也應(yīng)包括計(jì)量誤差和控制誤差。系統(tǒng)計(jì)量精度對(duì)于廣大設(shè)計(jì)者和使用者容易接受和掌握。而控制精度往往不被人們重視，這就是當(dāng)今種類繁多的微機(jī)配料系統(tǒng)，雖校秤表明系統(tǒng)計(jì)量精度高，而實(shí)際配料效果差的主要原因。事實(shí)上，系統(tǒng)的計(jì)量并不是目的，而是通過準(zhǔn)確地計(jì)量進(jìn)而達(dá)到準(zhǔn)確的配料之目的。 

　　那么何為控制精度，怎么才能提高系統(tǒng)的控制精度呢？通俗地講，控制精度是指由執(zhí)行器執(zhí)行的結(jié)果與控制器發(fā)布指令的統(tǒng)一程度。對(duì)于配料系統(tǒng)，控制精度最終體現(xiàn)在給料與配比的精確程度。誤差常發(fā)生在執(zhí)行回路，如執(zhí)行器或相應(yīng)的放大器。在常見的滑差調(diào)速電機(jī)系統(tǒng)中，產(chǎn)生誤差的主要原因是觸發(fā)脈沖產(chǎn)生回路與滑差調(diào)速電機(jī)的非線性。對(duì)于有相當(dāng)市場(chǎng)占有率的電振機(jī)加恒速皮帶秤構(gòu)成的系統(tǒng)中，控制誤差主要產(chǎn)生于電振機(jī)。雖單相可控硅觸發(fā)回路從電壓給定到可控硅輸出電壓之間線性度較差，但與電振給料機(jī)的特性相比，情況還是要好的多，實(shí)際運(yùn)行表明，電振機(jī)的線性度、重復(fù)性都很差，誤差不小于5％。要保證系統(tǒng)控制誤差小于1％，采用閉環(huán)控制的電振機(jī)加恒速皮帶秤一般難以達(dá)到。 

　　綜上，要提高系統(tǒng)控制精度，如下三點(diǎn)考慮是有參考意義的： 
　?。?）電振機(jī)輸出特性較差，最好不要使用電振機(jī)加恒速秤的方式。 
　?。?）在用滑差電機(jī)構(gòu)成的調(diào)速皮帶秤中，觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生盡量使用線性度較高的集成元件而避免使用單結(jié)晶體管觸發(fā)電路。 
　?。?）在有條件的地方，盡量采用線性度較高的變頻調(diào)速方式。變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)很成熟，價(jià)格也為一般的用戶所能接受。 

　　4、結(jié)束語 

　　在懸臂梁式微機(jī)皮帶秤中，引入的計(jì)量誤差主要是皮重變化，放大器零點(diǎn)漂移，荷重信號(hào)回路的電磁干擾，電源波動(dòng)對(duì)放大器的干擾等。消除這些誤差是通過正確操作與管理，屏蔽線的正確選用與良好接地。由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力負(fù)載的啟停對(duì)計(jì)量系統(tǒng)的影響是不可避免的，故合理選用交流穩(wěn)壓電源很有必要。 

　　提高系統(tǒng)控制精度也是一個(gè)非常重要的課題。這對(duì)于設(shè)計(jì)者和設(shè)備選型部門應(yīng)該引起高度重視。 

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