徐超，朱紅忠，李北英，馬友橋，陳志雪

（風(fēng)帆有限責(zé)任公司，河北 保定 072558）

0 引言

隨著車載用電器的增多，蓄電池的放電深度加大，所以由單格落后造成的蓄電池失效占比逐步提高，必然對(duì)產(chǎn)品一致性提出要求，最直接的就是客戶對(duì)蓄電池的重量日益關(guān)注。生產(chǎn)廠家除了關(guān)注蓄電池總重量，還會(huì)關(guān)注極群組的一致性，包括極群組重量、灌酸量、VRLA 的裝配壓力、化成效果、AGM 隔板的飽和度等方面。為了滿足蓄電池，特別是起停用蓄電池，越來越高的長(zhǎng)壽命要求，就必須保證蓄電池各單格的一致性，減少單格落后、分壓不均勻等帶來的水耗不一致、壽命短等問題[1-6]。相應(yīng)地，這也就對(duì)鉛酸蓄電池自動(dòng)化生產(chǎn)、精細(xì)化控制提出了更高要求。蓄電池的質(zhì)量控制越來越精細(xì)，例如極板重量控制，蓄電池干重、濕重控制，化成過程中水分損失的控制，成品電池重量控制，和膏過程酸、水、鉛粉和輔料重量的控制等?？刂七@些過程變量都需要用到稱重系統(tǒng)。稱重系統(tǒng)已成為鉛酸蓄電池制造過程中的關(guān)鍵設(shè)備，直接影響蓄電池的質(zhì)量穩(wěn)定性和一致性。本文中，筆者主要分析研究了稱重系統(tǒng)的構(gòu)成、稱重傳感器的接線方式和常見故障處理方法。

1 稱重系統(tǒng)的構(gòu)成

鉛酸蓄電池生產(chǎn)領(lǐng)域使用的稱重系統(tǒng)一般包括稱重傳感器、稱重變送器、控制系統(tǒng)、上位機(jī)。在本文中著重介紹稱重傳感器和稱重變送器。

1.1 稱重傳感器

1.1.1 稱重傳感器簡(jiǎn)介

稱重傳感器是將重量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)量的電信號(hào)的輸出裝置。稱重傳感器按轉(zhuǎn)換方式分為光電式、液壓式、電磁力式、電容式、磁極變形式、振動(dòng)式、陀螺儀式、電阻應(yīng)變式等等。鉛酸蓄電池生產(chǎn)領(lǐng)域主要使用電阻應(yīng)變式稱重傳感器。電阻應(yīng)變式稱重傳感器由彈性體、電阻應(yīng)變片、外殼等部件組成。彈性體在外力作用下產(chǎn)生彈性變形，附著在彈性體上的電阻應(yīng)變片隨同產(chǎn)生變形。電阻應(yīng)變片變形后，其阻值將發(fā)生變化。電阻應(yīng)變式稱重傳感器內(nèi)至少有 4 個(gè)應(yīng)變片被連接在一起，組成惠斯通電橋。當(dāng)稱重傳感器受力，發(fā)生形變時(shí)，電橋不平衡。激勵(lì)電壓不變時(shí)，輸出信號(hào)大小與傳感器受力大小成正比，完成了將重量變換為電信號(hào)的過程。

1.1.2 稱重傳感器的接線方式

稱重傳感器接線方式分為四線制和六線制兩種，市場(chǎng)上的稱重傳感器有四線和六線兩種。

四線制接法如圖 1 所示。激勵(lì)正“EXC+”和激勵(lì)負(fù)“EXC-”是稱重傳感器的激勵(lì)電源。一般，激勵(lì)電壓為直流 5～12 V。信號(hào)正“SIG+”和信號(hào)負(fù)“SIG-”為稱重傳感器的輸出信號(hào)，是毫伏級(jí)的電壓信號(hào)。當(dāng)傳感器受力發(fā)生形變時(shí)，輸出的電壓信號(hào)會(huì)發(fā)生變化。

圖1 稱重傳感器四線制接線圖

六線制接法如圖 2 所示。六線制接法增加了“EXC+”反饋正和“EXN-”反饋負(fù)兩條線，將傳感器獲得的激勵(lì)電壓反饋給稱重變送器。當(dāng)傳感器與變送器距離較遠(yuǎn)時(shí)，如果假設(shè)變送器給傳感器的激勵(lì)電壓為 5 V，那么由于線路損耗，傳感器獲得的電壓小于 5 V。同樣受力情況下，傳感器的輸出信號(hào)與激勵(lì)電壓成正比，即傳感器獲得的激勵(lì)電壓降低，輸出信號(hào)電壓也降低。因此，測(cè)量誤差產(chǎn)生。“EXC+”反饋正和“EXN-”反饋負(fù)兩條線將傳感器獲得的電壓反饋給變送器，然后變送器通過內(nèi)部比較電路重新調(diào)節(jié)激勵(lì)電壓，消除線路損耗引起的誤差。六線制接法需要變送器具有反饋接口。如果變送器無反饋接口，而傳感器為六線，則需要將激勵(lì)正與反饋正短接，激勵(lì)負(fù)與反饋負(fù)短接，但是短接后無法消除線路損耗引起的誤差。當(dāng)傳感器與變送器距離較遠(yuǎn)，精度要求較高時(shí)，需要選擇六線制傳感器和支持六線制傳感器的變送器。

圖2 稱重傳感器六線制接線圖

1.1.3 稱重傳感器的常見參數(shù)

常見的稱重傳感器參數(shù)有量程、靈敏度、零點(diǎn)輸出、激勵(lì)電壓范圍。量程指稱重傳感器的有效稱量范圍。稱重傳感器屬于精密部件，使用時(shí)不要超過量程，超量程使用很容易損壞傳感器。量程越小、精度越高的傳感器，受到較大的沖擊力時(shí)越容易損壞。選擇稱重傳感器時(shí)，不僅要考慮稱量物的重量，還要考慮壓在傳感器上所有部件的重量。靈敏度的常見單位是 mV/V。例如：如果傳感器的靈敏度為 2 mV/V，激勵(lì)電壓為 5 V，那么滿量程時(shí)，輸出端電壓變化為 2 mV/V × 5 V = 10 mV。多個(gè)傳感器并聯(lián)使用時(shí)，需要選擇量程和靈敏度相同的傳感器。零點(diǎn)輸出指?jìng)鞲衅骺蛰d時(shí)的輸出端電壓，單位是 mV/V。有些傳感器標(biāo)注為靈敏度的百分比。激勵(lì)電壓范圍指?jìng)鞲衅鞯墓╇婋妷?，一般為直?～12 V。

1.2 稱重變送器

1.2.1 稱重變送器的作用

稱重變送器也叫稱重儀表，負(fù)責(zé)給稱重傳感器提供激勵(lì)電源，接收傳感器的輸出信號(hào)，將收到的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為重量值顯示在儀表上。變送器還能將重量值轉(zhuǎn)換為工控系統(tǒng)常用的模擬量信號(hào)，例如 0～10 V、4～20 mA 這些標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)可以方便地接入 PLC、DCS 等工控系統(tǒng)。有些變送器還支持Modbus、Profinet、Profibus 等通信協(xié)議，方便工控系統(tǒng)讀取重量值。

1.2.2 稱重變送器的標(biāo)定

稱重變送器接收到傳感器的電壓信號(hào)，通過其內(nèi)部的 AD 轉(zhuǎn)換器，將此信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。標(biāo)定過程確定了數(shù)字量和重量值的線性關(guān)系，標(biāo)定需要進(jìn)行零點(diǎn)標(biāo)定和已知重量標(biāo)定。由于稱體自重和安裝應(yīng)力等因素，稱重傳感器安裝完成或更換后，空稱時(shí)并不顯示 0，此時(shí)需要執(zhí)行零點(diǎn)標(biāo)定，變送器將此時(shí)的重量記錄為 0，并將對(duì)應(yīng)的數(shù)字量存儲(chǔ)在數(shù)字量 0 中，如圖 3 所示。

圖3 變送器標(biāo)定過程

零點(diǎn)標(biāo)定一定要在空稱狀態(tài)下進(jìn)行，保持稱臺(tái)穩(wěn)定。稱臺(tái)不穩(wěn)定或震動(dòng)過大，會(huì)導(dǎo)致標(biāo)定失敗或標(biāo)定不準(zhǔn)確，影響稱量的準(zhǔn)確性。然后，將已知重量的砝碼放在秤臺(tái)上，且仍保持稱臺(tái)穩(wěn)定。變送器將此時(shí)的重量記錄為砝碼的重量，并將對(duì)應(yīng)的數(shù)字量存儲(chǔ)在數(shù)字量 1 中。通過零點(diǎn)和砝碼重量?jī)蓚€(gè)點(diǎn)，變送器確定了整個(gè)量程范圍內(nèi)數(shù)字量與重量的線性關(guān)系。砝碼的重量不能太小，否則兩個(gè)點(diǎn)靠得太近，不足以代表整個(gè)量程內(nèi)的線性關(guān)系。一般，使用砝碼的重量不低于傳感器量程或所使用的傳感器量程總和的 10 %。以上介紹的是變送器標(biāo)定的原理，具體操作方法需要查看變送器的使用說明。

2 稱重系統(tǒng)常見故障

2.1 重量顯示不穩(wěn)定

2.1.1 檢查稱臺(tái)固定和線纜接地

出現(xiàn)這種現(xiàn)象，首先檢查稱臺(tái)是否穩(wěn)定，傳感器與稱臺(tái)的固定螺絲是否松動(dòng)。稱臺(tái)晃動(dòng)或震動(dòng)較大會(huì)影響重量顯示的穩(wěn)定性。其次，需要檢查傳感器電纜屏蔽層和變送器到控制器之間的模擬量信號(hào)線是否可靠接地。傳感器的電纜和變送器到控制器之間的模擬量信號(hào)線不能與電機(jī)或其他強(qiáng)電設(shè)備電纜放在同一線槽中，否則電磁干擾會(huì)影響稱重的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

2.1.2 檢查稱重變送器

用萬用表測(cè)量變送器的供電電壓是否穩(wěn)定。一般，變送器的供電電壓為 DC 24 V。斷開傳感器與變送器之間的連線，用萬用表測(cè)量變送器激勵(lì)正“EXC+”和激勵(lì)負(fù)“EXC-”之間的電壓是否穩(wěn)定，是否與標(biāo)稱激勵(lì)電壓相同。激勵(lì)電壓不穩(wěn)定或與標(biāo)稱值相差很大說明變送器損壞。如果變送器供電和激勵(lì)電壓沒問題，就需要測(cè)試變送器對(duì)傳感器輸出信號(hào)的處理是否有問題。根據(jù)所用傳感器的靈敏度和激勵(lì)電壓大小，用信號(hào)發(fā)生器給變送器信號(hào)正“SIG+”和信號(hào)負(fù)“SIG-”之間輸入傳感器量程范圍內(nèi)的毫伏電壓信號(hào)。例如：如果傳感器靈敏度為 2 mV/V，激勵(lì)電壓為 5 V，那么滿量程信號(hào)電壓值為 2 mV/V × 5 V = 10 mV。給變送器輸入 0～10 mV的電壓信號(hào)，觀察變送器示數(shù)至少 20 min。如果示數(shù)不穩(wěn)定或經(jīng)常跳變，說明變送器損壞。

2.1.3 檢查模擬量輸入模塊

如果稱重變送器顯示正常，但控制系統(tǒng)重量值顯示不穩(wěn)定，那么檢查變送器到控制器之間的模擬量信號(hào)線沒問題后，就需要檢查控制系統(tǒng)模擬量模塊。用信號(hào)發(fā)生器給模擬量模塊輸入符合組態(tài)設(shè)置的信號(hào)，觀察模擬量模塊轉(zhuǎn)換的數(shù)字量。數(shù)值正確、穩(wěn)定，說明模擬量輸入模塊正常，否則表示模塊有故障。以 S7-1200PLC 使用的 SM1231 模擬量輸入模塊為例，用信號(hào)發(fā)生器給對(duì)應(yīng)通道輸入 4～20 mA 范圍內(nèi)的電流信號(hào)，觀察該通道對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)器的數(shù)字量。如果在數(shù)字量跟隨電流大小在0～27648 之間線性變化[7]，且電流穩(wěn)定時(shí)，數(shù)字量也穩(wěn)定，說明模擬量模塊沒問題，否則說明模塊損壞。

2.2 重量值顯示不準(zhǔn)確

出現(xiàn)重量不準(zhǔn)確的情況后，可以先進(jìn)行零點(diǎn)標(biāo)定和砝碼標(biāo)定，然后用砝碼測(cè)試。如果標(biāo)定后重量還是不準(zhǔn)確，一般是稱重傳感器損壞。斷開傳感器與變送器之間的連線，傳感器空載時(shí)，用萬用表測(cè)量傳感器的輸入電阻（EXC+ 和 EXC- 之間阻值）、輸出電阻（SIG+ 和 SIG- 之間阻值）。測(cè)量值與傳感器標(biāo)稱值相差很大，說明傳感器損壞。如果不方便測(cè)量空載電阻值，可以測(cè)量“SIG+”和“SIG-”之間電壓值。如果傳感器未滿載或滿載時(shí)輸出電壓值遠(yuǎn)大于滿量程輸出電壓，說明傳感器損壞。傳感器線性度變差或發(fā)生不可恢復(fù)的形變，也會(huì)造成稱重不準(zhǔn)確，且很難測(cè)量，只能用替換法解決。

3 結(jié)束語

稱重系統(tǒng)在蓄電池生產(chǎn)行業(yè)中廣泛應(yīng)用，提高了蓄電池質(zhì)量精細(xì)化控制水平。使用稱重傳感器時(shí)一定要避免過大的沖擊力，特別是對(duì)于小量程傳感器。了解稱重系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、傳感器的重要參數(shù)和故障診斷方法可以更好地使用稱重系統(tǒng)，及時(shí)處理常見故障，保證產(chǎn)品的質(zhì)量一致性。