高精度電子天平的溫度補(bǔ)償與自動(dòng)校準(zhǔn)

王坤偉

摘 要：本文基于高精度電子天平系統(tǒng)的組成情況出發(fā)，分析其精度影響因素，進(jìn)一步探討時(shí)漂的自動(dòng)校準(zhǔn)和溫度補(bǔ)償系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，開展科學(xué)化的誤差分析，從而實(shí)現(xiàn)電子天平性能的不斷優(yōu)化，真正實(shí)現(xiàn)高精度計(jì)量，以更好的滿足社會(huì)生產(chǎn)生活中不同領(lǐng)域?qū)﹄娮犹炱降膽?yīng)用需求，推進(jìn)整個(gè)社會(huì)的不斷發(fā)展進(jìn)步。

關(guān)鍵詞：高精度電子天平；溫度補(bǔ)償；自動(dòng)校準(zhǔn)

現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展形勢(shì)下，計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷進(jìn)步，微電子技術(shù)也得到快速發(fā)展，稱量技術(shù)趨向于快速稱量為保證稱量技術(shù)的穩(wěn)定性，提高測(cè)量精度與稱量靈敏度，稱量裝置應(yīng)當(dāng)功能全面，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和在線化。電子天平是天平中的一種，能夠?qū)崿F(xiàn)快速稱量、操作簡(jiǎn)便、直接讀書，實(shí)際抗干擾能力較強(qiáng)，并基于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了智能化與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，在工商貿(mào)易、輕工食品、醫(yī)藥衛(wèi)生以及航空航天等領(lǐng)域內(nèi)均發(fā)揮著重要的作用。

1 高精度電子天平系統(tǒng)組成及精度影響因素

1.1 系統(tǒng)組成

電子天平原理圖見圖1。該系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)伺服系統(tǒng)，可以看出，秤盤通過立柱連桿與線圈連接。任何一個(gè)平衡控制系統(tǒng)為了進(jìn)一步提高其精度和穩(wěn)定性，往往需要加進(jìn)閉環(huán)系統(tǒng)。系統(tǒng)運(yùn)行中，采用分層數(shù)字濾波技術(shù)保證高精度，采用程序跟蹤技術(shù)保證稱量的重現(xiàn)性，線性化處理保證天平的線性度。

1.2 精度影響因素

由于計(jì)量精密、靈敏度高，因而溫漂與時(shí)漂成為影響電子天平計(jì)量性能的主要因素。研究可知，低功耗、低時(shí)漂、低噪聲電子元件的選擇、電路設(shè)計(jì)、正確安裝、天平水平調(diào)整和預(yù)熱使用，都是減小誤差提高準(zhǔn)確度的措施。

2 時(shí)漂的自動(dòng)校準(zhǔn)

電子天平長(zhǎng)時(shí)間工作不穩(wěn)定，則會(huì)出現(xiàn)時(shí)漂情況，隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)以及重力加速度的變化，電子分析天平的永磁體磁感應(yīng)強(qiáng)度與傳感器力敏元件的內(nèi)部應(yīng)力也會(huì)發(fā)生一定變化。而時(shí)漂所展現(xiàn)出的最鮮明狀態(tài)，則是天平加載不變，而測(cè)量輸出變化緩慢。

2.1 原理及硬件設(shè)計(jì)

自動(dòng)校準(zhǔn)原理見圖2。就其原理來看，一旦定時(shí)器時(shí)間到，單片機(jī)通過I/O對(duì)繼電器的開斷進(jìn)行準(zhǔn)確控制。繼電器導(dǎo)通狀態(tài)下，電機(jī)M帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸中端的半圓形擋板A開始轉(zhuǎn)動(dòng)，直至A旋轉(zhuǎn)至光電開關(guān)部位，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，天平內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)砝碼被抬起，此時(shí)天平進(jìn)行空載校準(zhǔn)。之后啟動(dòng)電子，A旋轉(zhuǎn)脫離光電開關(guān)部位，光電開關(guān)導(dǎo)通，天平內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)砝碼下降，方可進(jìn)行滿載校準(zhǔn)。整個(gè)流程下來就完成了自動(dòng)校準(zhǔn)。

就直流減速電機(jī)來看，其轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大，體積小，裝配簡(jiǎn)單且便于使用。高速電動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的原始動(dòng)力能夠產(chǎn)生大扭力，帶動(dòng)較重物體轉(zhuǎn)動(dòng)。以DJ12V30直流減速電機(jī)為例，其以標(biāo)準(zhǔn)兩線接口實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)控制，無負(fù)載工作電流為120mA，功率為3W。

就固態(tài)繼電器來看，其輸入端與輸出端之間采用隔離器件來實(shí)現(xiàn)電隔離，額定電壓一般為220VAC50Hz±10%。額定電流一般為AC：10A，DC：20。

2.2 軟件編程

單片機(jī)通過定時(shí)器來確定自動(dòng)校準(zhǔn)時(shí)間，即通過定時(shí)器來控制繼電器的開斷從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行祛碼的加載。然后通過光電開關(guān)的通斷來判斷祛碼是否加載到位。具體軟件流程如圖3。

3 溫度補(bǔ)償系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在一些單片機(jī)傳感器測(cè)量系統(tǒng)中，要解決傳感器溫度誤差補(bǔ)償問題，首先要測(cè)出傳感器點(diǎn)的溫度，該溫度采集信號(hào)送入單片機(jī)。測(cè)溫元件通常是安裝在傳感器內(nèi)靠近敏感元件的地方，用來測(cè)量傳感器點(diǎn)的環(huán)境溫度，測(cè)溫元件的輸出經(jīng)放大及轉(zhuǎn)換送到單片機(jī)，單片機(jī)通過并行接口接收溫度數(shù)據(jù)，并暫存溫度數(shù)據(jù)。信號(hào)采樣結(jié)束，單片機(jī)運(yùn)行溫度誤差補(bǔ)償程序，對(duì)傳感器信號(hào)的溫度誤差進(jìn)行補(bǔ)償。

軟件編程：

本文中采用了滑動(dòng)平均數(shù)字濾波算法對(duì)轉(zhuǎn)換器輸出值進(jìn)行濾波。為進(jìn)一步提高V/F輸出精度，可使用二級(jí)平均，在這種情況下，第一級(jí)的輸出通過第二級(jí)再取平均，其輸出作為有效采樣值。

4 誤差分析

通過試驗(yàn)研究可知，補(bǔ)償后電子天平的性能滿足原有電子天平在精度方面的要求，更具靈活性與智能性，在縮短天平生產(chǎn)周期的同時(shí)，一定程度上減少了工作強(qiáng)度，具有良好的應(yīng)用價(jià)值。以國家有關(guān)電子天平相關(guān)規(guī)定為標(biāo)準(zhǔn)，可以明確高精度電子天平使用時(shí)對(duì)環(huán)境要求較高，溫度波動(dòng)不宜超出1℃/h，相對(duì)濕度應(yīng)當(dāng)在85%以內(nèi)，并對(duì)氣流、振動(dòng)、電磁干擾等環(huán)境因素進(jìn)行合理約束，進(jìn)一步對(duì)高精度電子天平的誤差進(jìn)行科學(xué)化分析。

通過溫度傳感器重復(fù)性實(shí)驗(yàn)可知，在20℃溫差范圍內(nèi)，受到溫度傳感器自身因素的影響，空載狀態(tài)與滿載狀態(tài)均會(huì)產(chǎn)生一定誤差，空載時(shí)誤差為0.001g，滿載時(shí)誤差為0.009g。對(duì)改進(jìn)后的電子天平開展重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，以此檢定有軟件溫度補(bǔ)償后的電子天平的性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，空載狀態(tài)下誤差不超出0.012g，滿載狀態(tài)下誤差不超出0.023g，也就是說在標(biāo)準(zhǔn)溫差范圍內(nèi)，改進(jìn)后的電子天平的性能穩(wěn)定，能夠最大程度上滿足電子天平在空載與滿載狀態(tài)下的誤差要求，具有良好的應(yīng)用價(jià)值。

在應(yīng)用高精度電子天平的過程中，為避免出現(xiàn)測(cè)量偏差、天平顯示質(zhì)量值偏差、空氣流動(dòng)影響以及溫度不定準(zhǔn)等因素的影響，應(yīng)當(dāng)在高精度天平正式使用之前調(diào)整水平，開機(jī)預(yù)熱一小時(shí)后再進(jìn)行測(cè)量。砝碼的取放應(yīng)當(dāng)保持小開門、短時(shí)間，關(guān)閉好風(fēng)扇和天平取物窗之后稱量砝碼，保證恒溫時(shí)間長(zhǎng)，之后做好定時(shí)定變化方向，以提高恒溫箱內(nèi)氣流相對(duì)穩(wěn)定性，進(jìn)一步開展測(cè)量。

結(jié)束語

總而言之，隨著現(xiàn)代社會(huì)科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步，高精度電子天平出現(xiàn)，作為一種智能化質(zhì)量計(jì)量?jī)x器，其計(jì)量精密度與靈敏度較高，最大程度上滿足了電子分析天平在實(shí)際應(yīng)用中的不足，促進(jìn)了電子分析天平定時(shí)自動(dòng)校準(zhǔn)的順利實(shí)現(xiàn)，在保證計(jì)量準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，提高了天平的智能型，縮短高低溫實(shí)驗(yàn)周期，減少了操作人員的實(shí)驗(yàn)步奏，減輕了天平校準(zhǔn)方面的負(fù)擔(dān)。由此可知，高精度電子天平具有良好的應(yīng)用價(jià)值，但在未來發(fā)展中應(yīng)當(dāng)控制好恒溫時(shí)溫度波動(dòng)，減小不必要外部因素對(duì)溫度測(cè)量的影響，促進(jìn)高精度電子天平實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的最大化發(fā)揮。

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