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称重仪表传感器的历史与现状

发布日期: 2014-09-05
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       称重仪表的应用越来越多,本文主要谈称重仪表从早期的单片机应用技术发展到现在数字式称重仪表的历史,结合相关电子技术的发展和现代工业要求简单分析了称重仪表的未来发展方向。电子称重技术的出现,极大促进了工业制造技术的发展。特别是称重自动配料技术和产品,在工业生产过程的应用,既提高了产品的质量,又提高了生产效率。工业称重仪表的应用越来越多,称重仪表技术也得到了较快地发展,本文结合相关电子技术的发展和现代工业要求简单分析了称重仪表的未来发展方向。

      随着工业生产自动化的高速发展, 对工业过程控制中的计量精度、准确度的要求也更加严格。龙芯智业整理了本文,主要谈称重仪表从早期的单片机应用技术发展到现在数字式称重仪表的历程, 并展望将来的称重仪表会是具有智能化、人性化、多功能化、更具可靠性的“ 傻瓜式”仪表。

      一、称重仪表的历史与现状

      早期的称重仪表基于早期单片机技术,实现对称重信号的放大和转换处理,由于数字电路和模拟技术的发展水平较低,导致仪表非常复杂而且操作繁琐:参数设置依靠数十个DIP开关的位置来确定;多只传感器需要串连接入仪表,以补偿放大电路的不足,但由此带来的角差调整问题一直无法解决;到上个世纪八十年代末九十年代初的时候,电子称重技术经历了一次飞速的发展,现在普遍使用的称重仪表基本成型:各种参数通过按键即可设置;通过按钮即可进行各种操作;由于放大电路和高速高精度A/D转换技术的突破,多称重传感器并联接入称重仪表,有效解决了传感器角差问题,使得计量更准确、可靠。

      上世纪九十年代末的时候,数字式称重传感器开始逐渐在国外应用,出现了相应的数字式称重仪表:可将多路数字传感器的信号同时输入仪表,在检测总重量的同时可分别看到各传感器的资料,带来了更换传感器免标定、总量数据更稳定、传输距离更远等一系列优点。数字化称重的出现是称重仪表产品和应用的又一飞跃。

      二、微电脑处理技术的高速发展与现代工业的需求决定了未来称重仪表的发展方向

      随着工业过程称量工艺的发展, 对称重仪表的要求也越来越高, 其外延也逐渐扩大, 逐渐兼有PLC、PC的部分功能。从之前的单一物理量发展到今天的多通道、多物理量发展;在性能上,向高速率、高灵敏度、高准确度、高可靠性方向发展;在结构上,向智能化、模块化、可二次开发的方向发展;随着现代工业信息化发展的要求, 称重仪表出现了各种总线、以太网等多种通讯接口,朝着接口丰富、便于与计算机、PLC连接的方向发展;外观和操作界面向更加美观,更人性化、个性化设计方向发展。

      电子技术的发展,无论MCU性能的提升,数字电路和模拟电路技术的进步, 还是嵌入式系统软硬件技术的发展, 都从各个方面极大促进了称重仪表的发展。

      模拟电路的发展使得稳定可靠前置放大电路成为现实,电路噪声大幅度减小使得进入A/D转换模块的信号更为真实,同时从12位A/D转换到24位的A/D转换模块使得模数转换精度大大提高,同时采样速度的大幅提高,从10次/s到4000次/s使单位时间内采集到更多数据,使称重仪表实现高速率,高准确度,高精度成为可能。

      从51系列到高速51系列芯片,发展到今天的ARM9芯片,MCU性能的大幅提升, 可将A/D采集到的大量数据进行分析处理,实现更为有效的控制算法( 例如模型预测MPC算法,该算法是一种典型的智能控制算法,它在上世纪80年代就开始运用在计算机,该算法具有自学习的能力),使得称重仪表实现更高的准确性。但这些算法需要大的运算量和内存,这在以前的嵌入式系统中无法实现,直到现在出现运算能力达到200MIPS以上,并支持虚拟内存的ARM9处理器出来后才可以在仪表上实现。AD4820就是这样一个基于ARM9芯片和嵌入式操作系统的嵌入式系统。数据处理速度的提高也使得称重仪表实现多通道、多物理量处理成为可能,如钢铁厂普遍需求却无良好解决办法的负压补偿仪表,以及广泛应用在测力分析系统中的高精度力- 位移分析仪表等,都使称重仪表更突出多过程量的处理了。

      近年新的高性能 ARM9、ARM11处理器的应用, 以及嵌入式操作系统如uCOS-II、VXWORKS、linux、WinCE等在其上的移植, 为仪表的嵌入式开发提供了强大的工作平台。有了操作系统,就可以使仪表的开发分工化,可以把软件和硬件的开发区分得更明显。从而更有利于各方面人才的合作开发,从而可以开发更加复杂的仪表系统。随着嵌入式系统的发展,不仅使仪表的长期可靠性得到提高,也使得数据存储量加大,在某些场合,称重仪表甚至可以替代PC的部分功能。例如配方管理,数据统计与分析、历史数据回放等功能。与此同时,现代嵌入式软件技术使称重仪表具有二次开发的平台,在仪表上也可以象在PLC或PC上按需进行编程, 使称重仪表能满足各种不同的工艺需求,更加人性化( 图1为AND-4820的界面图)。网络信息化的发展,要求称重仪表的接口越来越丰富,在新型MCU的支持下,除zui为常用的模拟量( 0~10V/4~20mA)、串口( RS232/RS485)外,现在越来越多的Profi-BUS,MOD-BUS,以及工业以太网等通讯接口均已在称重仪表上实现。

      通讯接口的丰富, 极大方便了称重仪表与PLC和PC等上位机系统的通讯。为方便数据存储功能,现在新开发的称重仪表已经开始配备大容量存储器, 如微机硬盘以及可热拔插的外置存储器如CF卡、SD卡等, 便于用户将PC上的数据转存到PC上, 或者到PC上进行数据统计与分析。

      未来称重仪表的发展趋势

      未来称重仪表从总体上讲将根据称重工艺的要求,研发和生产针对性更强的专业仪表,功能方面朝着实现多物理量,强大的数据处理能力方向发展,可靠性、智能化、功能多样化、网络化、人性化,也是未来称重仪表的发展趋势; 除了满足称重工艺的不断发展需求外, 称重仪表在易用性方面也会有较大的突破“傻瓜式”仪表在不久的将来将广泛应用在各,种称重场合。

      1。智能化

      随着嵌入式系统运算能力的大幅提升, 以及嵌入式操作系统的应用, 使得许多的控制算法可以应用到仪表上, 例如模糊控制、神经网络控制、迭代控制等等。使得仪表具有对各种工控环境自适应、自学习的能力,从而使人们的操作更加方便,控制效果更加理想。

      2。功能多样化

      以前的仪表功能单一,而现代的仪表趋向于把以前整个控制系统放到仪表中。其中常常包括历史数据存储和回放,AD4820之类的仪表已相当于高速信号采集器、无纸记录仪、触摸屏式人机界面、智能控制器、可编程逻辑控制器等的综合。随着技术的发展,这样的需求会更加大。功能多样化还表现为仪表向通用性、多用途方向发展。像AD4820和F805之类的表,只需要更换不同的板卡及软件可实现皮带秤、累加秤、失重秤、重量分选秤、减量秤等多种应用。极大地方便了生产和使用。同时也降低了成本。

      3。网络化随着现在工业电子技术水平的发展,对信息共享的需求越来越高,从而对工业称重仪表的网络化要求也在提高。这包括两个方面:

      ①由多个称重仪表以主从模式组成的独立的控制网络。

      ②仪表作为大型控制网络的一个组成部分,通过总线或以太网、无线网络与DCS系统或MIS系统连网。



      
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