蓄電池稱重系統(tǒng)及常見故障處理

徐超，朱紅忠，李北英，馬友橋，陳志雪

（風帆有限責任公司，河北 保定 072558）

0 引言

隨著車載用電器的增多，蓄電池的放電深度加大，所以由單格落后造成的蓄電池失效占比逐步提高，必然對產品一致性提出要求，最直接的就是客戶對蓄電池的重量日益關注。生產廠家除了關注蓄電池總重量，還會關注極群組的一致性，包括極群組重量、灌酸量、VRLA 的裝配壓力、化成效果、AGM 隔板的飽和度等方面。為了滿足蓄電池，特別是起停用蓄電池，越來越高的長壽命要求，就必須保證蓄電池各單格的一致性，減少單格落后、分壓不均勻等帶來的水耗不一致、壽命短等問題[1-6]。相應地，這也就對鉛酸蓄電池自動化生產、精細化控制提出了更高要求。蓄電池的質量控制越來越精細，例如極板重量控制，蓄電池干重、濕重控制，化成過程中水分損失的控制，成品電池重量控制，和膏過程酸、水、鉛粉和輔料重量的控制等。控制這些過程變量都需要用到稱重系統(tǒng)。稱重系統(tǒng)已成為鉛酸蓄電池制造過程中的關鍵設備，直接影響蓄電池的質量穩(wěn)定性和一致性。本文中，筆者主要分析研究了稱重系統(tǒng)的構成、稱重傳感器的接線方式和常見故障處理方法。

1 稱重系統(tǒng)的構成

鉛酸蓄電池生產領域使用的稱重系統(tǒng)一般包括稱重傳感器、稱重變送器、控制系統(tǒng)、上位機。在本文中著重介紹稱重傳感器和稱重變送器。

1.1 稱重傳感器

1.1.1 稱重傳感器簡介

稱重傳感器是將重量信號轉變?yōu)榭蓽y量的電信號的輸出裝置。稱重傳感器按轉換方式分為光電式、液壓式、電磁力式、電容式、磁極變形式、振動式、陀螺儀式、電阻應變式等等。鉛酸蓄電池生產領域主要使用電阻應變式稱重傳感器。電阻應變式稱重傳感器由彈性體、電阻應變片、外殼等部件組成。彈性體在外力作用下產生彈性變形，附著在彈性體上的電阻應變片隨同產生變形。電阻應變片變形后，其阻值將發(fā)生變化。電阻應變式稱重傳感器內至少有 4 個應變片被連接在一起，組成惠斯通電橋。當稱重傳感器受力，發(fā)生形變時，電橋不平衡。激勵電壓不變時，輸出信號大小與傳感器受力大小成正比，完成了將重量變換為電信號的過程。

1.1.2 稱重傳感器的接線方式

稱重傳感器接線方式分為四線制和六線制兩種，市場上的稱重傳感器有四線和六線兩種。

四線制接法如圖 1 所示。激勵正“EXC+”和激勵負“EXC-”是稱重傳感器的激勵電源。一般，激勵電壓為直流 5～12 V。信號正“SIG+”和信號負“SIG-”為稱重傳感器的輸出信號，是毫伏級的電壓信號。當傳感器受力發(fā)生形變時，輸出的電壓信號會發(fā)生變化。

圖1 稱重傳感器四線制接線圖

六線制接法如圖 2 所示。六線制接法增加了“EXC+”反饋正和“EXN-”反饋負兩條線，將傳感器獲得的激勵電壓反饋給稱重變送器。當傳感器與變送器距離較遠時，如果假設變送器給傳感器的激勵電壓為 5 V，那么由于線路損耗，傳感器獲得的電壓小于 5 V。同樣受力情況下，傳感器的輸出信號與激勵電壓成正比，即傳感器獲得的激勵電壓降低，輸出信號電壓也降低。因此，測量誤差產生?！癊XC+”反饋正和“EXN-”反饋負兩條線將傳感器獲得的電壓反饋給變送器，然后變送器通過內部比較電路重新調節(jié)激勵電壓，消除線路損耗引起的誤差。六線制接法需要變送器具有反饋接口。如果變送器無反饋接口，而傳感器為六線，則需要將激勵正與反饋正短接，激勵負與反饋負短接，但是短接后無法消除線路損耗引起的誤差。當傳感器與變送器距離較遠，精度要求較高時，需要選擇六線制傳感器和支持六線制傳感器的變送器。

圖2 稱重傳感器六線制接線圖

1.1.3 稱重傳感器的常見參數(shù)

常見的稱重傳感器參數(shù)有量程、靈敏度、零點輸出、激勵電壓范圍。量程指稱重傳感器的有效稱量范圍。稱重傳感器屬于精密部件，使用時不要超過量程，超量程使用很容易損壞傳感器。量程越小、精度越高的傳感器，受到較大的沖擊力時越容易損壞。選擇稱重傳感器時，不僅要考慮稱量物的重量，還要考慮壓在傳感器上所有部件的重量。靈敏度的常見單位是 mV/V。例如：如果傳感器的靈敏度為 2 mV/V，激勵電壓為 5 V，那么滿量程時，輸出端電壓變化為 2 mV/V × 5 V = 10 mV。多個傳感器并聯(lián)使用時，需要選擇量程和靈敏度相同的傳感器。零點輸出指傳感器空載時的輸出端電壓，單位是 mV/V。有些傳感器標注為靈敏度的百分比。激勵電壓范圍指傳感器的供電電壓，一般為直流5～12 V。

1.2 稱重變送器

1.2.1 稱重變送器的作用

稱重變送器也叫稱重儀表，負責給稱重傳感器提供激勵電源，接收傳感器的輸出信號，將收到的電壓信號轉換為重量值顯示在儀表上。變送器還能將重量值轉換為工控系統(tǒng)常用的模擬量信號，例如 0～10 V、4～20 mA 這些標準信號可以方便地接入 PLC、DCS 等工控系統(tǒng)。有些變送器還支持Modbus、Profinet、Profibus 等通信協(xié)議，方便工控系統(tǒng)讀取重量值。

1.2.2 稱重變送器的標定

稱重變送器接收到傳感器的電壓信號，通過其內部的 AD 轉換器，將此信號轉換為數(shù)字信號。標定過程確定了數(shù)字量和重量值的線性關系，標定需要進行零點標定和已知重量標定。由于稱體自重和安裝應力等因素，稱重傳感器安裝完成或更換后，空稱時并不顯示 0，此時需要執(zhí)行零點標定，變送器將此時的重量記錄為 0，并將對應的數(shù)字量存儲在數(shù)字量 0 中，如圖 3 所示。

圖3 變送器標定過程

零點標定一定要在空稱狀態(tài)下進行，保持稱臺穩(wěn)定。稱臺不穩(wěn)定或震動過大，會導致標定失敗或標定不準確，影響稱量的準確性。然后，將已知重量的砝碼放在秤臺上，且仍保持稱臺穩(wěn)定。變送器將此時的重量記錄為砝碼的重量，并將對應的數(shù)字量存儲在數(shù)字量 1 中。通過零點和砝碼重量兩個點，變送器確定了整個量程范圍內數(shù)字量與重量的線性關系。砝碼的重量不能太小，否則兩個點靠得太近，不足以代表整個量程內的線性關系。一般，使用砝碼的重量不低于傳感器量程或所使用的傳感器量程總和的 10 %。以上介紹的是變送器標定的原理，具體操作方法需要查看變送器的使用說明。

2 稱重系統(tǒng)常見故障

2.1 重量顯示不穩(wěn)定

2.1.1 檢查稱臺固定和線纜接地

出現(xiàn)這種現(xiàn)象，首先檢查稱臺是否穩(wěn)定，傳感器與稱臺的固定螺絲是否松動。稱臺晃動或震動較大會影響重量顯示的穩(wěn)定性。其次，需要檢查傳感器電纜屏蔽層和變送器到控制器之間的模擬量信號線是否可靠接地。傳感器的電纜和變送器到控制器之間的模擬量信號線不能與電機或其他強電設備電纜放在同一線槽中，否則電磁干擾會影響稱重的準確性和穩(wěn)定性。

2.1.2 檢查稱重變送器

用萬用表測量變送器的供電電壓是否穩(wěn)定。一般，變送器的供電電壓為 DC 24 V。斷開傳感器與變送器之間的連線，用萬用表測量變送器激勵正“EXC+”和激勵負“EXC-”之間的電壓是否穩(wěn)定，是否與標稱激勵電壓相同。激勵電壓不穩(wěn)定或與標稱值相差很大說明變送器損壞。如果變送器供電和激勵電壓沒問題，就需要測試變送器對傳感器輸出信號的處理是否有問題。根據所用傳感器的靈敏度和激勵電壓大小，用信號發(fā)生器給變送器信號正“SIG+”和信號負“SIG-”之間輸入傳感器量程范圍內的毫伏電壓信號。例如：如果傳感器靈敏度為 2 mV/V，激勵電壓為 5 V，那么滿量程信號電壓值為 2 mV/V × 5 V = 10 mV。給變送器輸入 0～10 mV的電壓信號，觀察變送器示數(shù)至少 20 min。如果示數(shù)不穩(wěn)定或經常跳變，說明變送器損壞。

2.1.3 檢查模擬量輸入模塊

如果稱重變送器顯示正常，但控制系統(tǒng)重量值顯示不穩(wěn)定，那么檢查變送器到控制器之間的模擬量信號線沒問題后，就需要檢查控制系統(tǒng)模擬量模塊。用信號發(fā)生器給模擬量模塊輸入符合組態(tài)設置的信號，觀察模擬量模塊轉換的數(shù)字量。數(shù)值正確、穩(wěn)定，說明模擬量輸入模塊正常，否則表示模塊有故障。以 S7-1200PLC 使用的 SM1231 模擬量輸入模塊為例，用信號發(fā)生器給對應通道輸入 4～20 mA 范圍內的電流信號，觀察該通道對應存儲器的數(shù)字量。如果在數(shù)字量跟隨電流大小在0～27648 之間線性變化[7]，且電流穩(wěn)定時，數(shù)字量也穩(wěn)定，說明模擬量模塊沒問題，否則說明模塊損壞。

2.2 重量值顯示不準確

出現(xiàn)重量不準確的情況后，可以先進行零點標定和砝碼標定，然后用砝碼測試。如果標定后重量還是不準確，一般是稱重傳感器損壞。斷開傳感器與變送器之間的連線，傳感器空載時，用萬用表測量傳感器的輸入電阻（EXC+ 和 EXC- 之間阻值）、輸出電阻（SIG+ 和 SIG- 之間阻值）。測量值與傳感器標稱值相差很大，說明傳感器損壞。如果不方便測量空載電阻值，可以測量“SIG+”和“SIG-”之間電壓值。如果傳感器未滿載或滿載時輸出電壓值遠大于滿量程輸出電壓，說明傳感器損壞。傳感器線性度變差或發(fā)生不可恢復的形變，也會造成稱重不準確，且很難測量，只能用替換法解決。

3 結束語

稱重系統(tǒng)在蓄電池生產行業(yè)中廣泛應用，提高了蓄電池質量精細化控制水平。使用稱重傳感器時一定要避免過大的沖擊力，特別是對于小量程傳感器。了解稱重系統(tǒng)結構、傳感器的重要參數(shù)和故障診斷方法可以更好地使用稱重系統(tǒng)，及時處理常見故障，保證產品的質量一致性。