一種連續(xù)自動稱重系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用

孫路 孫增慧

摘要：針對目前科學(xué)研究中稱重系統(tǒng)的自動化程度低，耗費大量人力和物力、效率低、誤差大、準確性低等缺點，本文將壓力傳感器和數(shù)據(jù)采集器（CR1000）耦合，基于 Logger Net 4.0 編程軟件，設(shè)計一個自動稱重系統(tǒng)。該系統(tǒng)能按設(shè)定的時間間隔測量質(zhì)量并記錄所測質(zhì)量信息。通過稱重試驗證明，該自動稱重系統(tǒng)理論成立，獲取的室內(nèi)質(zhì)量數(shù)據(jù)誤差在0.5%以內(nèi)，實現(xiàn)了對稱重信息數(shù)據(jù)的在線管理和自動存儲功能，為科研稱重工作提供了一個高效的途徑和新的技術(shù)嘗試。

關(guān)鍵詞：智能；稱重；科研工作

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2019）05-0238-02

1 前言

眾所周知，基礎(chǔ)實驗研究需要投入大量的人力、物力和時間，如何將人力從煩瑣的實驗中解放出來，從而提高科研工作效率是科研工作者需要不斷探索的重點問題之一。通過稱量重量來獲得科學(xué)數(shù)據(jù)，是土地工程科研實驗中必不可少的一項基礎(chǔ)工作。

隨著科學(xué)技術(shù)日益發(fā)展，稱重技術(shù)從以對稱思想為原理的機械桿秤階段步入了以電子技術(shù)為依托的電子稱重時代[1]。隨著電子技術(shù)和微處理機的快速發(fā)展，電子稱重技術(shù)日益完善[2]，到70年代末，全面步入電子和數(shù)字化稱量的階段[3]。截至目前，快速稱量、方便讀數(shù)、稱量準確、操作簡便等優(yōu)點使它廣泛應(yīng)用于交通運輸[4]、建筑[5]、醫(yī)療[6]、航天航空、運輸[7]、貿(mào)易、餐飲[8]等各大行業(yè)領(lǐng)域[9]。但大多數(shù)稱重系統(tǒng)的自動化程度低，無法獲得連續(xù)的動態(tài)數(shù)據(jù)[10]，從而導(dǎo)致很多科研過程無法捕獲、科學(xué)現(xiàn)象不能準確解釋。而自動稱重系統(tǒng)可解決這些缺點，獲得連續(xù)且準確的數(shù)據(jù)，大大提高工作效率和減少誤差[11]。尤其是在土地工程科研工作中，人工測量重量時，需要將待測樣品放到電子天平上，等待穩(wěn)定，讀數(shù)記錄。這種方法不連續(xù)，無法獲得動態(tài)連續(xù)的數(shù)據(jù)，且機械重復(fù)，單調(diào)乏味；為了將科研工作者從簡單的重復(fù)工作中解放出來，將更多的精力投入到其他創(chuàng)造性工作中去，設(shè)計了一種自動稱重的裝置、系統(tǒng)。但是我國在這方面的產(chǎn)品少且功能不齊全，所以改善現(xiàn)有稱重裝置，開發(fā)研究功能齊全的自動稱重系統(tǒng)是勢在必行的[12]。

本文基于此，設(shè)計一個自動稱重系統(tǒng)，既能獲取稱重信息，又能實現(xiàn)對稱重信息數(shù)據(jù)的采集與管理，而且其穩(wěn)定性好，稱量速度快、精度高，可連續(xù)自動稱重，實現(xiàn)稱重數(shù)據(jù)的自動采集與存儲，在更精準的時間尺度上捕獲科研實踐的變化過程，為生產(chǎn)和科研實踐中提供一個良好的技術(shù)支持。

2 連續(xù)自動稱重系統(tǒng)設(shè)計及工作原理

本文設(shè)計的連續(xù)自動稱重系統(tǒng)是在室內(nèi)條件下進行測試的，由12V蓄電池、電阻應(yīng)變式壓力傳感器（50kg），壓力傳感器的上下承載面為電木板、數(shù)據(jù)采集儀（CR1000）組成，通過Logger Net 4.0軟件的CRbasic編譯器編寫自動稱重程序、數(shù)據(jù)處理程序和稱重控制程序，實現(xiàn)壓力傳感器與數(shù)據(jù)采集儀的耦合。其工作原理是利用彈性敏感元件和電阻應(yīng)變片將被測壓力物理量轉(zhuǎn)換為電阻變化值進行測量。通俗講，就是將非電量的力轉(zhuǎn)換為電量，進行參數(shù)調(diào)試，從而得到壓力與電量之間對應(yīng)的線性關(guān)系，利用Logger Net 4.0軟件的CRbasic編譯器將測試得出的線性關(guān)系編寫進程序中，通過不斷地測試校正自動稱重模型的轉(zhuǎn)換參數(shù)。

3 測試分析

參數(shù)調(diào)試的條件設(shè)為室內(nèi)，默認為無風(fēng)條件下，測試溫度為20℃±2℃，電木板重量0.243kg。選取已知重量的砝碼放于設(shè)計的壓力傳感器上進行稱量，測試時間設(shè)為每分鐘記錄一次。為驗證線性關(guān)系的準確性和可靠性，選取多個已知重量的砝碼，結(jié)果如下表：

通過Excel軟件，發(fā)現(xiàn)測試所得數(shù)據(jù)與已知數(shù)據(jù)存在線性關(guān)系，關(guān)系為：

y=-0.0469x+0.0067 R2=1 （1）

式中，y為壓力傳感器測試重量kg；x為已知砝碼重量kg。

利用Logger Net 4.0軟件的CRbasic編譯器將測試得出的線性關(guān)系編寫進數(shù)據(jù)處理程序中，通過多次測試發(fā)現(xiàn)，壓力傳感器測出的砝碼重量比實際重量始終高出0.054±0.002 kg，在原有的數(shù)據(jù)處理程序中的將線性關(guān)系中的y值減去0.054，得到新的線性關(guān)系程序。

為保證數(shù)據(jù)的可靠性和準確性，在室內(nèi)測試選取砝碼重量為10.2kg進行測試，數(shù)據(jù)采集器設(shè)定為每10分鐘采集一次，測試時間共計2小時，結(jié)果如下表所示。

通過上表可知：參數(shù)在不斷校正后，在室內(nèi)測試條件下，該智能稱重系統(tǒng)得出的數(shù)值絕對誤差在5.1%以內(nèi)，相對誤差在0.5%之內(nèi)。

為進一步驗證該理論的可行性，在室外溫度30℃±2℃、風(fēng)速默認無的條件下，選取不同已知砝碼，數(shù)據(jù)采集器設(shè)定為每10分鐘采集一次，共計2小時的測試時間，結(jié)果如下表所示。

由上表可知：在室外測試條件下，該智能稱重系統(tǒng)得出的數(shù)值絕對誤差在15%以內(nèi)，相對誤差在8.3%之內(nèi)。

4 結(jié)果

通過測試結(jié)果可知，該連續(xù)自動稱重系統(tǒng)的理論具有可行性。室內(nèi)的測試精度符合多數(shù)實驗的精度要求，室外的測試精度符合部分大田實驗的精度要求。同時，發(fā)現(xiàn)外界溫度對該連續(xù)自動稱重系統(tǒng)存在或多或少的影響，為解決上述問題，后期的研究重點為如何降低稱重誤差，尋找該系統(tǒng)誤差可能出現(xiàn)的原因。例如，如何進行溫度補差、歸零程序的參數(shù)如何設(shè)定等方面。從而獲得更加科學(xué)和準確的實驗數(shù)據(jù)，促進該系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用。

5 自動稱重系統(tǒng)在土地工程科研中的應(yīng)用展望

從實際測量結(jié)果可知，本文設(shè)計的連續(xù)自動稱重系統(tǒng)理論成立，測量結(jié)果準確、可智能記錄并存儲數(shù)據(jù)、設(shè)備簡單、費用低，室內(nèi)相對誤差在0.5%，室外相對誤差在8.3%，符合部分室內(nèi)試驗及大田實驗的精度要求，可得到普遍推廣。連續(xù)自動稱重系統(tǒng)可與需要獲取連續(xù)動態(tài)數(shù)據(jù)的實驗設(shè)備組合，例如，與稱重式蒸滲儀組成自動稱重式蒸滲儀、與水鹽運移土柱設(shè)備組成自動水鹽運移土柱稱重系統(tǒng)、與土面/水面蒸發(fā)量測量設(shè)備組成自動稱重式土面/水面蒸發(fā)系統(tǒng)等。

本文的連續(xù)自動稱重系統(tǒng)是在室內(nèi)環(huán)境下進行測試編程的，使用條件有限，但實驗原理成立，下一步將在不同的室外條件下進行不斷測試和調(diào)參，進一步擴大該連續(xù)自動稱重系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，力求不管是室內(nèi)或室外，均可獲取精準的數(shù)據(jù)，提高土地工程基礎(chǔ)科研工作的效率，為土地工程事業(yè)的發(fā)展提供技術(shù)支撐。

參考文獻：

[1] 王競.“秤”的發(fā)展史[J].初中生世界（八年級物理），2012（Z4）：61-64.

[2] 陸伯勤.電子稱重技術(shù)和自動稱重系統(tǒng)的進展[J].自動化博覽，1999（1）：1-6.

[3] 陶瑞星.電子稱重技術(shù)若干發(fā)展動態(tài)[J].上海計量測試，1995（3）：22-23+30.

[4] 王瑗媛，張雪芹.可用于貿(mào)易結(jié)算的移動儲料稱量裝置[J].物流科技，2018，41（6）：61-62.

[5] 謝冉. 自航式混凝土攪拌船配料稱量系統(tǒng)的研究[D].武漢理工大學(xué)，2014.

[6] 喻紹澎，劉巖.特殊體重稱量系統(tǒng)在血液透析治療中的應(yīng)用[J].醫(yī)療保健器具，2008（7）：38-39.

[7] 史莉，王晶.計重稱重設(shè)備可移動檢測實驗室的實現(xiàn)[J].中國計量，2014（10）：74-77.

[8] 馬桂蘭，付龍虎，繆祥愛.一種餐廚垃圾轉(zhuǎn)運車進料稱重系統(tǒng)的運用研究[J].內(nèi)燃機與配件，2018（9）：12-13.

[9] 劉九卿.展望21世紀初電子稱重技術(shù)的發(fā)展[J].自動化儀表，1999（10）：5-9+14.

[10] 唐玉兵，曾德貴，龍艦涵.電子稱重技術(shù)現(xiàn)狀及趨勢分析[J].黑龍江科技信息，2015（9）：1.

[11] 謝玉朝. 作物種子自動稱重系統(tǒng)研究[D]. 西北農(nóng)林科技大學(xué)， 2012.

[12] 趙興. 衡器自動稱重系統(tǒng)[J]. 長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2014（3）：334-337.

【通聯(lián)編輯：光文玲】