如何合理選擇多頭秤
作者：Smartweigh多頭配重器
多頭秤是一種能將力轉換為電訊號的功率-電轉換裝置，是多頭秤的核心部件。能夠完成力-電轉換的感測器種類繁多，通常包括電阻應變式力感測器、磁場式力感測器和電容式感測器。磁場式感測器在電子分析天平中應用廣泛，電容式感測器是多頭秤的組成部分，而電阻應變式秤則廣泛應用於大多數稱重設備產品。
電阻應變式多頭秤結構簡單、精度高、適用範圍廣，且可在相對惡劣的自然環境下應用。因此，電阻應變式多頭秤被應用於多頭秤領域。電阻應變式多頭秤主要由聚氨酯彈性體、電阻應變片及補償電源電路組成。
多頭秤的受力部件為聚氨酯彈性體，由優質碳鋼和優質鋁合金型材製成。電阻應變片採用金屬箔蝕刻成網格資料類型，四個電阻應變片透過橋式結構貼在聚氨酯彈性體上。斷電時，橋式電路的四個電阻阻值相等，電路處於平衡狀態，輸出為零。
當聚氨酯彈性體受力變形時，電阻應變片也會發生形變。在聚氨酯彈性體受力彎曲的整個過程中，兩個電阻應變片受到拉伸，鐵絲被拉伸，電阻值增大；而另外兩個電阻應變片受到力的作用，電阻值會減少。這樣，原本平衡的橋式電路就會失去平衡，橋式電路兩側就會出現工作電壓差。此工作電壓差與聚氨酯彈性體所受力的大小有關。透過偵測此工作電壓差，即可得到感測器所受力的大小。經過儀錶板檢測計算後，為了更好地利用各種多頭秤結構的設置，多頭秤由多種結構形式組成，感測器的名稱通常也根據其外觀設計而定。
例如，堆疊式鍊式感測器（重要的電子小車天平）、懸臂樑式感測器（地秤、倉庫秤、電子小車天平）、立柱式感測器（電子小車天平、倉庫秤）、小車式感測器（天平）、S型感測器（倉庫秤）等。多頭秤通常可以配備多種結構形式的感測器。如果感測器選擇得當，有助於提高多頭秤的性能。
電阻應變式多頭秤的規格和型號繁多，量程從幾百克到幾百噸不等。選擇多頭秤的量程時，必須根據常用多頭秤的尺寸來決定。經驗法則如下：感測器總負載（單一感測器的最大允許負載 × 感測器數量）= 多頭秤最大稱重的 1/2 至 2/3。
多頭秤的精度等級分為四個等級：a、b、c 和 d。不同等級的誤差範圍不同。 A 級感測器的最大誤差範圍為 100%。
等級後的數字代表計量驗證值，數值越大，感測器的品質越好。例如，C2 表示 C 級，計量驗證值為 2000；C5 表示 C 級，計量驗證值為 5000。顯然，C5 的等級高於 C2。
常用的感測器等級為C3和C5，這兩種等級的感測器可用於製造精度等級為III級的多頭秤。多頭秤的誤差主要由離散系統誤差、滯後誤差、重複性誤差、應力鬆弛、零點溫度附加誤差和額定輸出溫度附加誤差所造成。近年來出現的數位感測器將A/D轉換電源電路和CPU電源電路整合到感測器內部。感測器的輸出不再是模擬工作電壓資料訊號，而是經過計算的淨重類比訊號，具有以下優點：1. 儀表板：每個數位感測器的資料訊號可以單獨擷取，並根據線性方程式進行計算，每個感測器都可以獨立校準，因此可以一次調整四個角落的誤差，可能性很高。
使用數位和類比感測器的多頭秤最大的難題在於四角誤差校正，通常需要多次校準才能確定，每次校準都需要移動一個沉重的標準砝碼，既耗時又費力。 2. 由於儀錶板可以偵測所有感測器的資料訊號，因此可以從儀表板上查看所有感測器的故障，以便於維護。 3. 數位感測器透過485介面傳輸類比訊號，遠距離傳輸不受影響。
消除脈衝訊號傳輸中存在的困難和易損問題。 4. 可透過數位感測器內部的微控制器調整感測器的各種誤差，從而使輸出的感測器資料資訊更加準確。多頭秤被稱為多頭秤的中樞神經系統，其特性很大程度上決定了多頭秤的精確度和可靠性。
在設計多頭秤時，如何使用感測器是一個經常遇到的問題。多頭秤實際上是一種將高品質資料訊號轉換為可精確測量的電子訊號輸出的設備。使用感測器時首先要考慮的是感測器所在的特定辦公環境。
這對於感測器的正確使用至關重要，關係到感測器能否正常工作、安全性和使用壽命，甚至關係到所有稱重設備的可靠性和安全係數。自然環境對感測器的損害主要體現在以下幾個方面：（1）高溫自然環境會導致感測器塗層材料熔化、點焊失效，以及聚氨酯彈性體在熱應力作用下發生結構變化。因此，在高溫自然環境下工作的感測器通常選用耐熱感測器，並且必須加裝隔熱、水冷、風冷等設備。
（2）煙霧和潮濕環境可能導致感知器短路故障。在這種自然環境下，應使用高度密封的感測器。不同的感測器採用不同的密封方法，密封性能也大相逕庭。
通用密封方法包括：橡膠片塗覆密封劑及機械密封、電焊（如電弧焊機、電子束焊）密封、氮氣填充真空包裝密封。從實際密封效果來看，電焊密封效果最佳，而填充密封的劑量較差。對於在室內潔淨乾燥的自然環境中工作的感測器，可以選擇膠粘密封。對於在高濕度、多煙的自然環境中工作的感測器，則必須選擇脈衝減震器熱封或脈衝減震器焊接密封，以及真空包裝氮氣填充密封。
（3）在潮濕、寒冷、酸鹼等腐蝕性較強的自然環境中，聚氨酯彈性體容易受到損害，導致感測器短路失效等問題，此時應選擇具有良好耐腐蝕性和密封性能的外層材料，例如靜電噴塗或不銹鋼板。 （4）磁場會對感測器輸出資料訊號造成乾擾，導致訊號混亂。在這種情況下，必須嚴格偵測感測器的屏蔽性能，確保其具有優異的電磁抗擾性。
（5）易燃、易爆不僅對感測器造成嚴重危害，而且對其他機械設備和生命安全構成巨大威脅。因此，在易燃、易爆自然環境中工作的感測器必須明確規定其防爆特性：在易燃、易爆自然環境中必須使用防爆型感測器。此類感測器的密封蓋不僅要考慮密封性，還要充分考慮防爆型的抗壓強度以及電纜出口的防潮、防水和防爆性能。
其次，感測器總數和測量範圍的選擇：感測器總數的選擇取決於多頭秤的主要用途以及秤體支撐點的水平位置（支撐點的數量必須基於重疊秤幾何形狀的重心位置和特定重心位置的基準）。一般來說，秤的某些支點會使用一些感測器，但像電子鉤秤這樣的特殊秤可能只使用一個感測器，而一些機電一體化工程秤則應根據具體情況明確選擇感測器的數量。感測器測量範圍的選擇可以根據秤的尺寸、感測器的數量、秤本身的重量以及可能出現的大輪重和負載等因素來評估。
一般來說，感測器的測量範圍越接近其所測負載，稱重精度就越高。然而，在具體應用中，除了被測物體本身的重量外，還需要考慮體重計本身的重量、皮重、輪重、以及振動衝擊等因素。因此，在使用感測器測量範圍時，應綜合考慮多種因素，以確保感測器的安全性和使用壽命。
經過多次實驗，並考慮了各種可能對秤體造成損害的因素，最終明確了感測器測量範圍的計算方法。計算公式如下：C=K-0K-1K-2K-3(Wmax+W)/N。其中，C為單一感測器的額定測量範圍；W為體重計本身的重量；Wmax為被測物體淨重的最大值；N為體重計所選擇的支點總數；K-0為商業保險指數，一般為1.2~1.3；K-1為中間衝擊指數；K-2為體重心偏移指數；K-3為氣壓指數。
例如，對於一台30噸的電子地磅，最大稱重為30噸，秤本身的重量為1.9噸，選用4個感測器，並根據當時的具體情況，選取商業保險指標K-0=1.25，衝擊指標K-1=1.18，重心點偏差指標K-2=1.03，氣壓指標K-3=1.02。解：根據感測器測量範圍的計算方法：c=K-0K-1K-2K-3(Wmax+W)/N。 c=1.25×1.18×1.03×1.02×(30+1.9)/4=12.36噸。因此，該感測器的測量範圍為 15 噸（除非是特殊定制，否則感測器的負載能力一般只有 10 噸、15 噸、20 噸、25 噸、30 噸、40 噸、50 噸等）。
根據工作經驗，稱重設備的工作範圍通常在其測量範圍的30%~70%之間。但對於應用全程影響較大的稱重設備，例如動軌天平、動電子小車天平、不鏽鋼板秤等，在使用感測器時，通常會擴大其測量範圍，使其工作範圍在其測量範圍的20%~30%之間。此外，還必須考慮各種感測器的應用領域。選擇感測器形式的關鍵在於稱重設備的類型和室內空間的設置，以確保設置正確，稱重設備可靠運作。另一方面，也必須考慮製造商的建議。製造商通常會根據感測器的耐久性、性能參數、安裝方式、結構形式、聚氨酯彈性體材料等特性來要求感測器的應用領域。樑式感測器適用於鋼材堆積和釋放鍊式稱重設備，例如物料秤、電子皮帶秤和篩分秤。
最終，必須選擇合適的感測器精度等級。感測器的精度等級包括其非線性、應力鬆弛、應力鬆弛修復、滯後、重複性、靈敏度等性能指標。使用感測器時，不僅要考慮電子標稱的精度要求，還要考慮其成本。
感測器電平的選擇必須考慮以下兩個標準：1. 考慮儀錶板的輸入要求。稱重顯示器在多頭秤的輸出資料訊號增加並完成A/D轉換後顯示稱重結果資訊。因此，多頭秤的輸出資料訊號必須大於儀錶板規定的輸入條件。將多頭秤的輸出靈敏度代入感測器與儀錶板的匹配公式，計算結果必須大於儀錶板規定的輸入靈敏度。
多頭秤與儀錶板的匹配公式為：稱重儀的輸出靈敏度 * 激勵電源電壓 * 秤的尺寸、稱重儀的測量範圍 * 感測器數量 * 感測器的測量範圍。例如，一台稱重25kg的定量包裝機，搭配一台測量範圍為1000的稱重儀，選擇3個測量範圍為25kg、靈敏度為2.0±0.008mV/V的L-BE-25感測器，並選擇適用於12V電源電壓的AD4325型儀表板。詢問所選感測器是否與儀錶板相符。
解：AD4325儀錶板的輸入靈敏度為0.6μV/d，根據多頭秤與儀錶板的匹配公式，儀錶板的特定輸入資料訊號為2×12×25/1000×3×25=8μV/d>0.6μV/d。因此，所選多頭秤可考慮儀錶板的輸入靈敏度要求，並可與儀錶板的選擇結合。 2. 考慮電子標題的精度要求。
電子秤主要由三個部分組成：秤體、感測器和儀錶板。在選擇多頭秤的精度時，應使其實際精度略高於基本理論的計算值。基本理論的精確度通常會受到客觀因素的限制，例如秤體的抗壓強度略差、儀錶板的特性非常好、秤體所處的辦公環境極端等。
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