浮力称重传感器及用于动态称重时的PID偏差控制方法

摘要

本发明属于称重传感器技术领域。浮力称重传感器由浮力平衡器、称重液防泄机构、位移信号变送装置和磁力定心悬杆机构组成。它利用液体的浮力原理将所测重力值呈线性关系转换成位移量明显的位移值，并以电信号输出。它不存在蠕变及零点、灵敏度飘移等技术缺陷。一种浮力称重传感器用于动态称重时的PID偏差控制方法。该方法所检测、控制的是动态称量过程中被称量着的物料偏离其设定重量的偏差值。该方法所测控的被称量着的物料的正、负偏差值，在动态称量过程中被不断的相互抵消，因此极大地提高了其动态称量的准确度。

说明书

技术领域

本发明属于称重传感器技术领域，特别涉及一种无蠕变及零点、灵敏度飘移等技术缺陷的呈线性关系输出的浮力称重传感器；还特别涉及一种将其应用于动态称重时，不同于电阻应变式称重传感器的PID偏差闭环控制方法。

背景技术

目前，在称重技术领域普遍应用着的是电阻应变式传感器，其技术核心是敏感元件——电阻应变计。它的工作原理是将电阻应变片粘贴在金属弹性元件上，当弹性元件受重力作用产生变形时，则电阻应变片因形变产生相应阻值变化，产生电压输出，从而测得被测力的量值。电阻应变计有两种：金属应变片式和半导体应变式，其中：金属应变式传感器应用历史最长。电阻应变式传感器的特点是动态特性好、结构形式较简单、使用方便，因此，在称重技术领域目前获得了极为广泛的应用。但电阻应变式传感器的输入、输出函数关系是非线性的，且使用胶粘剂粘贴应变片，所以存在由胶粘剂引起的蠕变和滞后，以及零点、灵敏度飘移等技术缺陷。另外，电阻应变式传感器，为修正其非线性而至使线路设计复杂，增加了成本，并降低了其可靠性和响应速度。

发明内容

目前，称重技术领域正在普遍应用着的电阻应变式传感器，由于其输入、输出关系是非线性的，且存在蠕变、滞后以及零点、灵敏度飘移和长期稳定性差等技术缺陷，称量准确度难以提高和难以获得稳定可靠的称量结果。尤其在应用于动态称重时，称量准确度难以达到0.5级，其实际系统误差往往超过3～5％，已无法满足现代贸易和工业生产对称量准确度的高要求。另外，电阻应变式传感器在实际应用中，为了进行线性化处理和抑制其零点、灵敏度的飘移，线路设计往往趋于复杂化，这样不仅未能从根本上(原理上)克服其技术缺陷，反而更增加了其系统的误差因素，而且也增加了制造成本。

本发明的目的就是为了克服电阻应变式传感器的上述技术缺陷，而提供的一种从称量原理上进行创新的浮力称重传感器。本发明的创新性原理称作浮力称量原理，它的技术核心是利用液体的浮力原理——液体反作用于浸入其中的物体的浮力与该物体所排开的液体的体积成正比，是纯线性的关系。

浮力称重传感器是利用液体的浮力原理将重力值转换成位移量明显的位移值，并将该位移值转换成以线性关系输出的电压信号，用于检测或控制重量值的一种传感器。它不仅克服了电阻应变式传感器的非线性、零飘、蠕变等技术缺陷，从而极大地提高了称量准确度，而且可靠性、稳定性强，结构简单，制造成本低廉。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

浮力称重传感器由：将重力值转换为位移值的浮力平衡器，防止称重液体外泄的称重液防泄机构，将位移值转换为电信号的位移信号变送装置，承受、传导重力值的位移活动组件和保证位移活动组件在无摩擦状态下沿固定的铅垂轴线方向位移的磁力定心悬杆机构组成。

具体技术方案如下：

浮力平衡器由：缸体、称重液和称重浮子组成。缸体中盛有定量的称重液，处于位移活动组件最下端的称重浮子靠整体位移活动组件的自重侵入称重液中。当位移活动组件的自重重力值与称重液反作用于称重浮子的浮力值相等时，称重浮子处于平衡状态。称重浮子在未承受外力时，该平衡状态时的位置称为位移零点。在位移活动组件承受了重力值后，原平衡状态被打破，称重浮子将自位移零点沿其轴线方向下沉位移。当由于称重浮子下沉位移所排开的称重液体产生的浮力值与其所承受的重力值相等时，则称重浮子将在下沉位移后的位置上重新处于平衡状态。也即，由于称重浮子承受了所测重力值，将产生相应的位移量，从而实现了将重力值转换为位移值的目的。由于盛放于缸体中的称重液体是定量的；由于缸体与称重液接触部位的内径和称重浮子与称重液接触部位的外径，它们各自柱面的垂直横截面面积是相等的，且两面积之间的比值关系是固定的，所以称重浮子的位移值与其所承受的重力值之间的函数关系是线性的。

为了防止因称重液外泄而影响了浮力称重传感器的设定称重能力范围，在称重浮子的上端面装有与其固定联接的用导磁材料制成的防泄塞，在固定于缸体上端部的电磁铁外壳中组装有带防泄孔的常闭型电磁铁，从而组成了称重液防泄机构。当防泄孔与防泄塞处于配合状态下时是紧密配合的，可防止称重液外泄。在浮力称重传感器停止称重工作而处于非通电状态下时，常闭型电磁铁起作用，靠其磁力将防泄塞吸合至防泄孔中，从而达到了防止称重液在浮力称重传感器停止工作时存在外泄可能的目的。

位移信号变送装置由：中心有孔的封盖，线圈外壳，组装于线圈外壳中的初级线圈，组装于初级线圈之外的呈反向串接成差动式的上、下两组次级线圈，。和组装于初级线圈内孔中的可沿轴线上、下自由位移的磁芯组成。封盖、线圈外壳、电磁铁外壳和浮力平衡器的缸体一起组成浮力称重传感器的整体外壳。磁芯的下部通过称重浮子上端的杆部与称重浮子联为一体，当称重浮子产生轴线方向的位移时，将带动磁芯在初级线圈内孔中沿轴线方向位移。初级线圈由交流电流励磁，其交流电初始电压为(U₀)。磁芯在称重浮子因未承受重力值而和称重浮子一样也处在位移零点时，将处于初级线圈的轴线中间位置。此种情况下，由于上、下两次级线圈磁性相等，互感作用的电压相等，相位相反，输出电压为零。当称重浮子在承受重力值后，将带动磁芯沿轴线方向向下位移，这样，下次级线圈由于空气隙减小而磁阻减小，与初级线圈耦合的互感系数增加，则下次级线圈的感应电压增大；同理，上次级线圈的感应电压减小。此时输出的电压差值(Δe)将大于零。输出电压差值的大小，将随着磁芯位移值的大小按正比值变化，实现了将位移值转换为可测控的电信号的目的。

为了保证称重浮子上端的杆部在大于其直径的常闭型电磁铁内孔中沿铅垂轴线方向自由位移，且不与其孔壁发生摩擦；为了保证与称重浮子上端的杆部联接的磁芯在初级线圈的内孔中沿铅垂轴线方向自由位移，且不与其孔壁发生摩擦。本发明浮力称重传感器的承受重力值的部件，必须保证位移活动组件可沿铅垂轴线方向自由位移：该部件称作磁力定心悬杆机构。磁力定心悬杆机构由：用以联接称重装置的联接件，组装于联接件中的永久磁铁，置于永久磁铁下端面的凹面内的可自由滚动的球体，在球体下方的用其上端面的凹面包容球体的由导磁材料制作的磁吸活吊节和位移吊杆组成。由于组装于联接件中的永久磁铁与磁吸活吊节之间靠磁力作用相互吸合，组装于其中间的球体可自由滚动，其磁力线的合力方向与位移活动组件的位移轴线方向完全重合，因此，由位移吊杆联接的磁芯及与磁芯联接的称重浮子靠其自重将处于铅垂吊置状态，位移时将沿铅垂轴线方向位移，从而保证了其位移时的无摩擦状态。由于浮力称重传感器的封盖的孔径大于位移吊杆的直径，所以位移吊杆在沿铅垂轴线位移时与封盖之间也不会发生摩擦。位移吊杆上刻有平衡中点位置刻线，在该线上、下方的位置还分别刻有最小浮力位置刻线和最大浮力位置刻线。位移吊杆与位移信号变送装置的磁芯之间是活动联接，用以实现可沿轴线方向调整位移吊杆在处于稳态时的上、下位置，从而调整位移吊杆上的平衡中点位置刻线的对零位置。

磁力定心悬杆机构、位移信号变送装置的磁芯、浮力平衡器的称重浮子连为一体，且整体沿铅垂轴线方向进行位移，合称为位移活动组件。它是承受、传导重力值的组件，也是承受浮力值的组件，重力与浮力两矢量方向相反，且同处于位移活动组件的铅垂轴线方向上。

浮力称重传感器的工作原理如下：

在浮力称重传感器未进行称重工作时，称重浮子靠位移活动组件的自重浸入称重液中，当由于称重浮子排开的称重液体所产生的浮力值与位移活动组件自身质量的重力值相等时，因为它们是处于同一铅垂轴线上的方向相反的两个矢量，所以称重浮子将处于平衡状态。在未进行称重工作时的称重浮子的平衡位置为位移零点，当进行称重工作时，所测重力值通过称重装置施加于磁力定心悬杆机构，经位移活动组件的传导，称重浮子由位移零点下沉。当因为称重浮子由位移零点下沉排开的称重液体所新产生的浮力值与所测重力值相等时，称重浮子将重新处于平衡状态。也即，由于所测重力值的作用，称重浮子产生了与重力值的大小成线性函数关系的一定量的位移值，该位移值由位移信号变送装置按正比值关系转换为可供检测、控制的电信号输出。

当浮力称重传感器应用于称重技术领域时，其所输出的电信号传送给模数转换器，由AD转换器将该模拟信号转换为数字信号，当其转换结束时发送转换结束信号给计算机。计算机对其转换后的结果进行滤波、量化等处理。处理后的结果送往显示器进行显示，同时将该处理结果保存，为以后数据统计提供确切的数据，从而实现了进行称量工作的目的。

从以上具体技术方案的描述中可知，浮力称重传感器所输出的电信号与所测重力值之间的函数关系是线性的。

在进行实际称量工作时；往往对适用环境温度有一定的范围要求。当环境温度变化时，因热膨胀系数的存在，浮力称重传感器的缸体内的称重液的液面位将会因为热胀冷缩而变化，因此也必然引起称重浮子在平衡状态下的轴线位置随之变化。当所选用的称重液的热膨胀系数和缸体内的称重液的总体积量，在要求的温度范围内，因热胀冷缩而造成的称重浮子沿轴线产生的极微小的位移变化量不足以影响其所规定的称量准确度要求时，即可视为浮力称重传感器不存在温飘。

由浮力称重传感器的称量原理和结构原理可知，它不同于目前普遍应用的电阻应变式传感器，不存在产生蠕变的技术因素，因此无蠕变现象。

由于浮力称重传感器在将重力值转换为位移值时位移量大，位移误差与位移量的比值微乎其微，因此误差控制的可靠性强；又因为液体具有极好的吸收能力，因此其工作稳定性强。

通过上述对浮力称重传感器结构原理的描述还可知；其结构简单，制造成本低廉。

为了成倍数扩大浮力称重传感器的称重能力范围，或为了尽量减小浮力称重传感器的结构尺寸，浮力称重传感器在应用于称重器械上时，往往不是让其直接承受所测物料的重量(M)值，而是通过成倍数关系的杠杆比值使浮力称重传感器所承受的重力(G)值成倍数的缩小。

各种原理的称重传感器在应用于动态称重技术领域时，其PID系统的控制方法将因其传感技术的原理不同而不同。目前普遍应用着的电阻应变式传感器，在动态称重技术领域应用的实施例有：皮带秤、失重秤、料斗秤、螺旋秤等。其PID系统的测控原理均是：其所输入、输出的是其所称量的物料的全量(或当量)值。这样，称重系统的各种机械因素，外界干扰因素，尤其是传感器自身的蠕变、零飘因素等所造成的误差均全部反映在称量结果中。因此，造成了系统误差大、误差修正系统复杂，且不易控制误差值的缺陷，至使其系统称量准确度难以提高。目前普遍应用着的以电阻应变式传感器为传感器件的各类动态称重系统，往往是电阻应变式称重传感器自身的准确度指标符合相关标准要求，而系统误差(最终称量结果)却因其PID系统测控原理的制约，远不符合称量准确度的要求，普遍大于3～5％。

浮力称重传感器及其应用于动态称重时的PID偏差控制方法，即是针对着电阻应变式传感器和其动态称重系统的上述缺陷而进行发明的。其测控原理是：先将所称量的物料重量值通过杠杆机构平衡为零，其PID系统所控制的仅是偏离检测、控制原点的偏差值。这一控制方法是由浮力称重传感器的工作原理及其结构特性所决定的，是电阻应变式传感器所不能实现的。

浮力称重传感器应用于动态称重时的PID偏差控制方法，所采用的技术方案如下：

浮力称重传感器应用于动态称重时，其系统称为浮力全量程动态称重系统，由机械和自控两大部分组成。其机械部分由称重皮带机(或其他称重器械)、平衡砣及配重、浮力称重传感器、杠杆机构、杠杆机构的支点、浮力称重传感器的磁力定心悬杆机构和给料机等组成。杠杆机构支点的一侧是平衡砣及配重，另一侧是称重皮带机和浮力称重传感器，其中，浮力称重传感器的力臂成整倍数的大于称重皮带机的力臂。平衡砣及配重的力臂、称重皮带机的力臂、浮力称重传感器的力臂，三者之间成固定的比值关系。平衡砣及配重的重力矢量方向和称重皮带机的重力矢量方向均是铅垂向下的，浮力称重传感器的浮力矢量方向是铅垂向上的。

在未进行称量工作前的空秤状态下，通过调整平衡跎的质量，使杠杆机构在浮力称重传感器的输出电信号为零的前提下处于平衡状态。此时，位移信号变送装置中的磁芯处于位移零点位置，然后，调整位移吊杆使其平衡中点位置刻线对准指示针。因为当磁芯处于位移零点附近时，其所输出的电信号弱、抗干扰能力差。为了提高电信号的抗干扰能力，在指示针对准平衡中点位置刻线后，在保持杠杆机构平衡状态的前提下，再继续微调平衡砣的质量，使磁芯偏离位移零点，直至指示针对准平衡中点位置刻线与最大浮力位置刻线或与最小浮力位置刻线之间的某一设定位置。位移信号变送装置在该设定位置时所输出的电信号值，即为进行动态称重时的检测、控制原点。

在浮力全量程动态称重系统进行称量工作前，根据工艺所要求的单位时间的称重能力，先计算出称重皮带上的滞留物料量的设定重量(M)值。浮力全量程动态称重系统进行称量工作时，M值将加在称重皮带上，为保持称重杠杆机构原有的平衡状态不变，在平衡砣上再增加按比值所计算出的一定量的配重，以平衡动态称重过成程中的M值。此时，浮力称重传感器所输出的电信号仍是检测、控制原点的电信号值。

动态称重系统的称量准确度，决定于对M值和带速的控制。浮力全量程动态称重系统在进行称重工作时，当称重皮带上的滞留物料量的实际重量值偏离预先计算设定的M值后，浮力称重传感器所承受的重力(G)值和与其起平衡作用的浮力(F)值，将根据实际重量值的变化而随之变化。浮力值的变化将至使浮力称重传感器所输出的电信号值变化。此时，通过PID偏差控制形成闭环，从而改变给料机的给料量或改变称重皮带的线速度，使处于动态称重状态下的称重皮带上的滞留物料量的重量值，总是趋向和达到预先计算设定的目标值(M)，由此，实现了通过对M值偏离检测、控制原点的偏差值的控制来保证称量准确度的目的。

为保证浮力称重传感器在工作过程中的无摩擦状态，为保证其所输出的电信号与位移活动组件的位移量之间的此值关系，在安装时必须保证位移活动组件的轴线处于铅垂位置，以保证重力矢量和浮力矢量处于同一铅垂轴线上。

浮力称重传感器用于动态称重时的PID偏差控制方法，其所控制的是被称量物料的M值偏离检测、控制原点的偏差值。从函数关系上分析，时间水平坐标和相对于以电信号值表示的重量垂直坐标，整个动态称重过程中，浮力称重传感器所输出的在检测、控制原点的电信号值，是一条无限长的水平函数直线。PID偏差控制系统所控制的是偏离该水平函数直线的偏差值，使之总是趋向于该水平函数直线。因此：一则由于浮力称重传感器的灵敏度高，在M值产生微小的误差时即得到控制；二则由于在动态称重过程中所产生的偏差值，是以水平函数直线为中线的双向(正、负)变化的波动值。随着时间的延续，正负偏差值将不断的相互抵消，停止称重工作时，仅余下停止称重工作前的最后误差值，而总称量值却是随着时间的延续而不断增加的积累值。所以浮力全量程动态称重系统的称量准确度远高于目前普通应用着的各种动态称重系统，可达到0.5级，也即，其误差可控制在0.25％以内。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明再作进一步的说明如下：

图1、本发明的核心——浮力称重传感器的结构原理示意图

图2、位移信号变送装置的电路原理图

图3、浮力称重传感器应用于动态称重时的具体实施例——浮力全量程动态称重系统原理示意图

在图1中、图2中：1—缸体，2—称重液，3—称重浮子，4—常闭型电磁铁，5—电磁铁外壳，6—初级线圈，7—磁芯，8—上次级线圈，9—线圈外壳，10—封盖，11—位移吊杆，12—联接件，13—永久磁铁，14—球体，15—磁吸活吊节，16—最大浮力位置刻线，17—指示针，18—平衡中点位置刻线，19—最小浮力位置刻线，20—下次级线圈，21—防泄孔，22—防泄塞。U₀—交流电初始电压，Δe—电压差值。

在图3中：23—(称重皮带上的)滞留物料，24—称重皮带机，25—支点，26—配重，27—平衡砣，28—给料机，29—杠杆机构，30—浮力称重传感器的磁力定心悬杆机构，31—浮力称重传感器，M—滞留物料量的设定重量值，G—重力值，F—浮力值，D·C—称重数据采集系统，IPC—微机系统，V·C—给料机自动控制系统，M·C—电机变频控制装置，CRT—显示器，PRT—打印机。

具体实施方式

图1是浮力称重传感器的具体实施例，图中：

缸体(1)、电磁铁外壳(5)、线圈外壳(9)、封盖(10)组成浮力称重传感器的整体外壳，在封盖(10)的上端面固定有指示针(17)。

连接件(12)、固定于连接件(12)下端的其下端面的中心轴线位置有内孤面的永久磁铁(13)、其上端面有内孤面的用导磁材料制成的磁吸活吊节(15)、置于永久磁铁(13)与磁吸活吊节(15)两相对应的孤面中间的球体(14)、固定于磁吸活吊节(15)下端的位移吊杆(11)，组成磁力定心悬杆机构。联接件(12)与传导重力的称重器件进行联接。

在线圈外壳(9)中组装有位置固定的上次级线圈(8)和下次级线圈(20)，在两次级线圈中组装有与其是同一轴线的位置固定的初级线圈(6)，在初级线圈(6)的内孔中装有可沿轴线自由上、下位移的磁芯(7)，封盖(10)封装于线圈外壳(9)的上端口，从而组成位移信号变送装置。由图2(位移信号变送装置的电路原理图)可知：位移信号变送装置的初级线圈(6)由交流电流激励，初始电压为(U₀)；两次级线圈呈反向串接成差动式，当磁芯(7)沿轴线产生位移时，将输电压差值(Δe)。

由缸体(1)、盛放于缸体(1)内的定量的称重液(2)、沿浮力称重传感器中轴线位移的浸入称重液(2)中的称重浮子(3)，组成浮力平衡器。

磁力定心悬杆机构、与磁力定心悬杆机构的位移吊杆(11)用螺纹联接的磁芯(7)、其上端的杆部与磁芯(7)固定联接的称重浮子(3)，组成可沿中轴线整体位移的位移活动组件。

浮力称重传感器进行称重工作时，其中轴线处于铅垂状态。磁力定心悬杆机构可保证位移活动组件沿浮力称重传感器的中轴线自由位移。由于封盖(10)的孔径大于位移吊杆(11)的外径，初级线圈(6)的内孔径大于磁芯(7)的外径，常闭型电磁铁(4)的内孔径大于称重浮子(3)上端的杆部的外径，所以位移活动组件在沿浮力称重传感器的中轴线位移时处于无摩擦状态。

在未进行称重工作时，称重浮子(3)因位移活动组件的自身质量所产生的重力侵入称重液(2)中。当称重浮子(3)排开的称重液(2)所产生的浮力值(F)与位移活动组件的重力值相等时，因它们是两个处于同一轴线上的方向相反的矢量，位移活动组将处于平衡静止状态，此时，称重浮子(3)和磁芯(7)的位置将分别是其各自的位移零点。浮力平衡器缸体(1)中的称重液(2)的体积量，将决定称重浮子(3)和磁芯(7)的位移零点在轴线上的位置。当磁芯(7)处于初级线圈(6)的中间位置，也即其电压差值(Δe)为零时的称重液(2)的体积量，即为应注入缸体(1)中的定量值。

因为称重浮子(3)上端的杆部与常闭型电磁铁(4)的内孔之间存有一定的间隙，为了防止称重液外泄，由：电磁外壳(5)、组装于电磁铁外壳(5)中的常闭型电磁铁(4)、常闭型电磁铁(4)下端面上的内锥型防泄孔(21)、固定于称重浮子(3)上端面与其上端的杆部联为一体的用导磁材料制成的外锥形防泄塞(22)，组成了称重液防泄结构。当浮力称重传感器停止称重工作时，将处于非通电状态下，常闭型电磁铁把防泄塞(22)吸合至其防泄孔(21)中，防泄孔(21)与防泄塞(22)紧密配合，从而防止了称重液(2)在浮力称重传感器停止工作时外泄的可能。

图3是浮力称重传感器应用于动态称重时的具体实施例——浮力全量程动态称重系统的原理示意图。

浮力全量程动态称重系统，由机械、自控两大部分组成。其原理示意图中：

机械部分由：称重皮带机(24)、给料机(28)、杠杆机构(29)、杠杆机构的支点(25)、平衡砣(27)、配重(26)、浮力称重传感器(31)及与杠杆机构端部联接的浮力称重传感器的磁力定心悬杆机构(30)组成。

杠杆机构支点(25)的一侧是平衡砣(27)及配重(26)，另一侧是称重皮带机(24)和浮力称重传感器(31)。杠杆机构中：浮力称重传感器(31)的力臂成倍数的大于称重皮带机(24)的力臂；平衡砣(27)及配重(26)的力臂、称重皮带机(24)的力臂、浮力称重传感器(31)的力臂，三者之间成固定的比值关系；平衡砣(27)及配重(26)的重力矢量方向、称重皮带机(24)的重力矢量方向均是铅垂向下的，浮力称重传感器(31)的浮力矢量方向是铅垂向上的。

称重皮带机(24)自重的重力规矩，在调整杠杆机构(29)的平衡状态过程中，已被平衡砣(27)的重力矩和浮力称重传感器(31)的浮力(F)矩所平衡。滞留物料(23)的重力(M)矩由配重(26)的重力矩平衡，当M值变化时，浮力(F)值将随之变化，从而保证杠杆机构(24)在整个称重过程中保持平衡状态。

自控部分由：称重数据采集系统(D·C)微机系统(IPC)、给料机自动控制系统(V·C)、电机变频控制装置(M·C)、显示器(CRT)、打印机(PRT)组成。

称重皮带上的滞留物料(23)量是预先计算的设定重量(M)值，在整个动态称重过程中，M值是不断变化的变量。M值变化时，浮力(F)值将随之相应的变化，浮力称重传感器(31)输出相应的电信号(Δe)。称重数据采集系统(D·C)采集电信号后，经微机系统(IPC)处理，或通过给料机自动控制系统(V·C)改变给料的给料量，或通过电机变频控制装置(M·C)改变称重皮带的带速，从而使M值总是趋向设定重量值，以保证称量准确度。