饲料称重配料：电子配料秤

电子配料秤以称重传感器为核心，过去通常通过信号放大和微处理器进行A/D(模/数)转换，并自动显示示值，将重量值变成电信号输出，应用计算机进行数据处理。电子配料秤现已发展为由计算机和传感器进行数据交换，通过计算机和PLC(可编程逻辑控制器)模块对接对物料进行精准的重量控制。电子配料秤采用高精度的传感器，响应速度快，分辨率高，其配料准确度和精密度完全能满足现代饲料配方的生产要求；电子配料秤结构简单，安装调试及使用方便，无机械磨损，稳定性好，适合在恶劣环境下工作；采用电子配料秤还可以提高劳动生产率，减轻劳动强度，保证饲料产品质量，降低生产成本，提高企业管理水平。因此，我国现代饲料企业均采用以电子配料秤为核心的配料系统。

一、电子配料秤的组成

(一)电子配料秤的特点

随着电子技术以及自动控制技术的发展，以称重传感器为基础的电子配料秤得到了普及，电子配料秤在饲料配料中得到了广泛应用。与传统机械秤和机电秤相比，电子配料秤具有以下特点：①称重速度快，准确度和精度高。②体积小、重量轻，结构简单。③称重信号可以远距离传送，并可用计算机进行数据处理，自动记录和显示称重结果，同时可给出各种控制信号，实现生产过程自动化。④环境适应性强，称重传感器的密封性好，具有优良的防尘、防潮和防腐蚀性能。⑤使用和维修方便，寿命长。电子配料秤可以实现连续称重、自动配料，这对保证饲料产品质量，提高劳动生产率和管理水平具有重要意义。

(二)电子配料秤的组成

电子配料秤主要由载荷接受器(秤斗)、连接件、称重传感器、控制系统(计算机、PLC模块等)、称重显示系统及打印装置等组成(图5-1a)。

1.连接件

连接件是用来连接秤斗与传感器的吊装式或者压式结构件，并配有调节环，以便在安装时调整秤斗的位置和传感器的受力状况。称重传感器、数显表(重量显示仪表)和计算机是电子配料秤的核心部分，其性能参数直接影响电子配料秤的工作质量。放大器用来将传感器的输出信号进行放大，并传送给数显表。电源为电子秤稳定供电，以保证传感器、放大器和数显表等电子器件的正常工作。计算机通过对传感器输人数据进行处理，反馈给PLC模块，通过PLC模块内置程序控制配料秤的给料机构，从而保证配料秤的正常工作。

2.秤斗

秤斗是用来承受待称量物料重量并将其传递给传感器的箱形部件。它由秤体和秤门组成。秤体由钢板制成圆形、方形或矩形。秤体一般为圆形，其刚性好，传感器布置方便。圆形秤体上部为圆柱体，下部为倒锥体，并在圆柱体部分设置吊耳或压板以连接传感器。在秤体上通常设有验秤时放置砝码用的砝码架，砝码架沿秤体周边设置，以便在秤体周边各个点都可以放置砝码。秤斗容积一般按照饲料容重(常取0.5 t/m³)计算，并留有10%～20%的容积余量。如称量为500 kg的秤斗，秤斗容积应为1.1～1.2m³。秤门按动力形式可分为电动秤门和气动秤门；按机构形式则可分为水平插板式秤门与垂直翻板式秤门。为使秤斗独立承重，秤体上部与给料器、秤门下部与混合机的连接部分应采用软连接。软连接体可选择棉布或其他柔软织物，并在安装时注意使软连接体处于非受力状态，以免影响称量准确度，并保持密封，避免粉尘外溢。

3.称重传感器

称重传感器是一种将非电的物料量(如温度、重量等)转换成电量(电压、电流、电阻或电容)的转换元件。称重传感器包括电阻应变片式、电容式、压磁式和谐振式等几种，其中以电阻应变片式称重传感器应用最广。

电阻应变片式称重传感器是将电阻应变片粘贴在弹性敏感元件(弹性体)上，然后以适当方式组成电桥。弹性体可将被称量的重量转换成弹性体的应变值，再由作为传感元件的电阻应变片将弹性体的应变同步转换为电阻值变化，实现非电量转换成电量输出。图5-2是圆柱形电阻应变片式称重传感器的工作原理。在钢制圆柱形弹性体上成对地在纵向和横向粘贴上R₁～R₄共4个应变片，当弹性体受重量F的作用时，纵向压缩而横向拉伸，粘贴其上的应变片也随之同步变形而改变其电阻值。应变电阻的变化会引起电桥的不平衡，从而输出信号，该信号与所受外力(重量F)成正比。当A、B两端供给稳定的直流电源(电压U)时，若弹性体无负载，则电桥平衡(R₁R₃=R₂R);若弹性体有负载，则电桥不平衡(R₁R₃≠R₂R₄)。此时，在电路C、D两端将会有微电压U。输出，U₀的大小就可以表征被称物料重量的大小。称重传感器也称为一次变换元件(仪表)。

称重传感器的性能通常由非线性误差、滞后、重复性误差、额定载荷下的输出灵敏度、抗侧向力大小、耐过载能力、温度变化对输出灵敏度和零点的影响、蠕变等指标衡量。称重传感器必须由专业生产厂商制造，并应在产品出厂前测试上述主要性能指标。这些主要性能指标合格后应标记在产品合格证书上，以供用户选用。选用称重传感器的原则是良好的线性度，较高的输出灵敏度，长期稳定性能好，抗侧向能力强，结构简单，易于安装和调整。

电子配料秤的称重传感器数量一般为3～4个。不在一条直线上的3个点决定一个平面，故选用3个称重传感器时，调整其受力大小更简便。自20世纪90年代中期之后，我国大多数采用3个称重传感器的圆形秤斗，称重传感器处在同一水平面上呈120°对称分布，采用滚珠支撑形式，称重传感器采用压式剪切梁式结构。在这种支撑称重方式下，秤斗处于基本固定状态。其优点是占用空间小，结构简单，无残留物料。其缺点是对地面振动的影响较为敏感。配料系统的称量值越接近传感器的额定量程，配料准确度则越高。电子配料秤称重传感器的量程可据下列公式选定：

式中：C为称重传感器量程（kg）；R为余量系数，一般取1.1~1.4；W₁为秤斗自重（kg）；W₂为被称物料的最大称量(kg);N为传感器个数。

称重传感器的组合方式有串联、并联和串并联混用3种方式，其中以并联应用最广。称重传感器的并联工作方式是使各个称重传感器的输入端并联(图5-3),使用一个共用电源供桥压，输出也以并联的方式连接。设单个称重传感器的输出电压为U.,桥臂电阻均为R,总输出信号(电压)为U₀,总输出阻抗为R。,当n个相同的称重传感器并联工作时有：U₀=U,,R₀=R/n。故其输出与单个称重传感器相同，而输出阻抗仅为1/n。此方式的优点是供桥稳压电源只需1个，仪表硬件简单；输出阻抗小，抗干扰能力提高。其主要缺点是要求显示仪表分辨率高，对同组称重传感器的性能一致性要求较高。总之，在多数情况下，当需要使用多个称重传感器组成一个系统时，并联组合方式将成为主流。

4. 称重显示仪表

电子称重显示仪表的作用是将称重传感器的称量结果用模拟形式或数字形式显示出来。称重显示仪表随着称重传感器及集成电路的进步而发展，由模拟式到数字化，由分立元件到集成电路，再到电脑化、智能化。称重显示仪表是电子配料秤的重要组成部分，又被称为二次仪表。图5-4是称重显示仪表的结构。称重传感器将重量线性变换成直流电压，一般为0～20mV(传感器的并联方式)。而A/D转换器的输入电压一般为0.25～10 V,所以要求用放大器将传感器输出电压放大。常见的称重显示仪表用的放大器多为高精度、低漂移型。滤波器的作用是将叠加在称重电压信号上面的无用干扰信号去掉。干扰主要来自秤斗振动和电磁干扰。模数转换器(ADC)的作用是把电压信号线性变换成单片微处理器接收与处理的数字信号。

模数转换器的种类很多：以转换速度分为低速、中速和高速；以工作原理分为逐次比较型、双积分型和∑-△型；以分辨率分为4位、8位、12位、18位、24位。工业用称重显示仪表要求ADC的转换速度大于50次/s,分辨率大于12位。商业用称重仪表的转换速度可以慢一些，但分辨率要求高一些。单片微处理器的作用是以ADC采样得到的数据信号经过软件滤波和量纲处理，将重量值实时、精确地传送到显示器，并通过通信接口传输至上位管理机或经打印机将重量报表打印出来。如果称重显示仪表具有控制功能，单片微处理器还将通过开关量的I/O自动控制设备的工作流程。此外，为了使用方便，还可设置其他功能，如键盘设定、统计数据显示、零位跟踪、自动去皮、静态准确度软件校验、自检自测等功能。除可保证称重计量性能要求外，现代电子称重显示仪表还配有为用户进行多种服务而设置的服务功能。

(1)称重显示仪表的主要计量功能

①最大量程设定功能：用户可以根据自己的要求对称重显示仪表进行最大量程设定，其中包括对显示分辨率(0.01%～0.1%)以及小数点的设定，使传感器与称重仪表的量程相匹配。

②置零及零点自动跟踪功能：置零功能是指以下状态下所应实现的功能。第一种是置零以后可以实现显示净重、准确读数和静态准确度校验；第二种是电子秤在开始运行前对空秤重量的自动置零；第三种是置零后对空秤重量(皮重)实现保护，当判断出皮重异常(如秤斗上有外力作用)时称重仪表应停止工作并发出故障信号。零点自动跟踪功能主要是消除传感器和称重仪表的温度、时间漂移对示值准确度所产生的误差。

③空中量(料柱)自动修正功能：目的是消除因空中料柱的变化而引起的配料误差，提高配料秤的配料准确度和精密度。

④数字滤波设定功能：数字滤波值越大，影响量对称重显示仪表显示值的影响越小。这一功能可确保在现场出现秤台振动、秤斗摆动或3级以上风力的不利条件下，称重仪表显示值仍有较好的稳定性。

⑤超载报警功能：当载荷超出传感器的最大量程时，称重显示仪表应报警，以免损坏传感器。

(2)称重显示仪表的主要服务功能

①报表数据统计与掉电保护功能：对所需的报表数据如批次、包数、原料消耗、产量等应能显示打印和掉电保护。

②统计数据远传功能：称重显示仪表应能把统计数据及当前实时重量通过通信接口远程传送给上位管理计算机，以实现计算机联网定量管理。

③自动控制功能：根据称重设备的要求，完成自身设备时序的自动控制以及对上下相关设备的工艺连锁。配料秤由配料控制器实现自动控制功能。

④静态准确度软件自校验功能：简化静态准确度校验工作量，提高准确度校验的精确性。

⑤自检及故障自动提示报警功能。

5.配料控制器的模式

电子配料秤的计量性能、控制和实现功能都是由配料控制器来完成。目前最先进的配料控制器的模式是由称重显示仪表和工业控制机组成的配料控制器。其称重显示仪表采用国产或进口的产品，只作称重及显示用。而作为控制与管理的上位机，则采用抗干扰性极强的工业控制机。