蓄电池称重系统及常见故障处理

徐超，朱红忠，李北英，马友桥，陈志雪

（风帆有限责任公司，河北 保定 072558）

0 引言

随着车载用电器的增多，蓄电池的放电深度加大，所以由单格落后造成的蓄电池失效占比逐步提高，必然对产品一致性提出要求，最直接的就是客户对蓄电池的重量日益关注。生产厂家除了关注蓄电池总重量，还会关注极群组的一致性，包括极群组重量、灌酸量、VRLA 的装配压力、化成效果、AGM 隔板的饱和度等方面。为了满足蓄电池，特别是起停用蓄电池，越来越高的长寿命要求，就必须保证蓄电池各单格的一致性，减少单格落后、分压不均匀等带来的水耗不一致、寿命短等问题[1-6]。相应地，这也就对铅酸蓄电池自动化生产、精细化控制提出了更高要求。蓄电池的质量控制越来越精细，例如极板重量控制，蓄电池干重、湿重控制，化成过程中水分损失的控制，成品电池重量控制，和膏过程酸、水、铅粉和辅料重量的控制等。控制这些过程变量都需要用到称重系统。称重系统已成为铅酸蓄电池制造过程中的关键设备，直接影响蓄电池的质量稳定性和一致性。本文中，笔者主要分析研究了称重系统的构成、称重传感器的接线方式和常见故障处理方法。

1 称重系统的构成

铅酸蓄电池生产领域使用的称重系统一般包括称重传感器、称重变送器、控制系统、上位机。在本文中着重介绍称重传感器和称重变送器。

1.1 称重传感器

1.1.1 称重传感器简介

称重传感器是将重量信号转变为可测量的电信号的输出装置。称重传感器按转换方式分为光电式、液压式、电磁力式、电容式、磁极变形式、振动式、陀螺仪式、电阻应变式等等。铅酸蓄电池生产领域主要使用电阻应变式称重传感器。电阻应变式称重传感器由弹性体、电阻应变片、外壳等部件组成。弹性体在外力作用下产生弹性变形，附着在弹性体上的电阻应变片随同产生变形。电阻应变片变形后，其阻值将发生变化。电阻应变式称重传感器内至少有 4 个应变片被连接在一起，组成惠斯通电桥。当称重传感器受力，发生形变时，电桥不平衡。激励电压不变时，输出信号大小与传感器受力大小成正比，完成了将重量变换为电信号的过程。

1.1.2 称重传感器的接线方式

称重传感器接线方式分为四线制和六线制两种，市场上的称重传感器有四线和六线两种。

四线制接法如图 1 所示。激励正“EXC+”和激励负“EXC-”是称重传感器的激励电源。一般，激励电压为直流 5～12 V。信号正“SIG+”和信号负“SIG-”为称重传感器的输出信号，是毫伏级的电压信号。当传感器受力发生形变时，输出的电压信号会发生变化。

图1 称重传感器四线制接线图

六线制接法如图 2 所示。六线制接法增加了“EXC+”反馈正和“EXN-”反馈负两条线，将传感器获得的激励电压反馈给称重变送器。当传感器与变送器距离较远时，如果假设变送器给传感器的激励电压为 5 V，那么由于线路损耗，传感器获得的电压小于 5 V。同样受力情况下，传感器的输出信号与激励电压成正比，即传感器获得的激励电压降低，输出信号电压也降低。因此，测量误差产生。“EXC+”反馈正和“EXN-”反馈负两条线将传感器获得的电压反馈给变送器，然后变送器通过内部比较电路重新调节激励电压，消除线路损耗引起的误差。六线制接法需要变送器具有反馈接口。如果变送器无反馈接口，而传感器为六线，则需要将激励正与反馈正短接，激励负与反馈负短接，但是短接后无法消除线路损耗引起的误差。当传感器与变送器距离较远，精度要求较高时，需要选择六线制传感器和支持六线制传感器的变送器。

图2 称重传感器六线制接线图

1.1.3 称重传感器的常见参数

常见的称重传感器参数有量程、灵敏度、零点输出、激励电压范围。量程指称重传感器的有效称量范围。称重传感器属于精密部件，使用时不要超过量程，超量程使用很容易损坏传感器。量程越小、精度越高的传感器，受到较大的冲击力时越容易损坏。选择称重传感器时，不仅要考虑称量物的重量，还要考虑压在传感器上所有部件的重量。灵敏度的常见单位是 mV/V。例如：如果传感器的灵敏度为 2 mV/V，激励电压为 5 V，那么满量程时，输出端电压变化为 2 mV/V × 5 V = 10 mV。多个传感器并联使用时，需要选择量程和灵敏度相同的传感器。零点输出指传感器空载时的输出端电压，单位是 mV/V。有些传感器标注为灵敏度的百分比。激励电压范围指传感器的供电电压，一般为直流5～12 V。

1.2 称重变送器

1.2.1 称重变送器的作用

称重变送器也叫称重仪表，负责给称重传感器提供激励电源，接收传感器的输出信号，将收到的电压信号转换为重量值显示在仪表上。变送器还能将重量值转换为工控系统常用的模拟量信号，例如 0～10 V、4～20 mA 这些标准信号可以方便地接入 PLC、DCS 等工控系统。有些变送器还支持Modbus、Profinet、Profibus 等通信协议，方便工控系统读取重量值。

1.2.2 称重变送器的标定

称重变送器接收到传感器的电压信号，通过其内部的 AD 转换器，将此信号转换为数字信号。标定过程确定了数字量和重量值的线性关系，标定需要进行零点标定和已知重量标定。由于称体自重和安装应力等因素，称重传感器安装完成或更换后，空称时并不显示 0，此时需要执行零点标定，变送器将此时的重量记录为 0，并将对应的数字量存储在数字量 0 中，如图 3 所示。

图3 变送器标定过程

零点标定一定要在空称状态下进行，保持称台稳定。称台不稳定或震动过大，会导致标定失败或标定不准确，影响称量的准确性。然后，将已知重量的砝码放在秤台上，且仍保持称台稳定。变送器将此时的重量记录为砝码的重量，并将对应的数字量存储在数字量 1 中。通过零点和砝码重量两个点，变送器确定了整个量程范围内数字量与重量的线性关系。砝码的重量不能太小，否则两个点靠得太近，不足以代表整个量程内的线性关系。一般，使用砝码的重量不低于传感器量程或所使用的传感器量程总和的 10 %。以上介绍的是变送器标定的原理，具体操作方法需要查看变送器的使用说明。

2 称重系统常见故障

2.1 重量显示不稳定

2.1.1 检查称台固定和线缆接地

出现这种现象，首先检查称台是否稳定，传感器与称台的固定螺丝是否松动。称台晃动或震动较大会影响重量显示的稳定性。其次，需要检查传感器电缆屏蔽层和变送器到控制器之间的模拟量信号线是否可靠接地。传感器的电缆和变送器到控制器之间的模拟量信号线不能与电机或其他强电设备电缆放在同一线槽中，否则电磁干扰会影响称重的准确性和稳定性。

2.1.2 检查称重变送器

用万用表测量变送器的供电电压是否稳定。一般，变送器的供电电压为 DC 24 V。断开传感器与变送器之间的连线，用万用表测量变送器激励正“EXC+”和激励负“EXC-”之间的电压是否稳定，是否与标称激励电压相同。激励电压不稳定或与标称值相差很大说明变送器损坏。如果变送器供电和激励电压没问题，就需要测试变送器对传感器输出信号的处理是否有问题。根据所用传感器的灵敏度和激励电压大小，用信号发生器给变送器信号正“SIG+”和信号负“SIG-”之间输入传感器量程范围内的毫伏电压信号。例如：如果传感器灵敏度为 2 mV/V，激励电压为 5 V，那么满量程信号电压值为 2 mV/V × 5 V = 10 mV。给变送器输入 0～10 mV的电压信号，观察变送器示数至少 20 min。如果示数不稳定或经常跳变，说明变送器损坏。

2.1.3 检查模拟量输入模块

如果称重变送器显示正常，但控制系统重量值显示不稳定，那么检查变送器到控制器之间的模拟量信号线没问题后，就需要检查控制系统模拟量模块。用信号发生器给模拟量模块输入符合组态设置的信号，观察模拟量模块转换的数字量。数值正确、稳定，说明模拟量输入模块正常，否则表示模块有故障。以 S7-1200PLC 使用的 SM1231 模拟量输入模块为例，用信号发生器给对应通道输入 4～20 mA 范围内的电流信号，观察该通道对应存储器的数字量。如果在数字量跟随电流大小在0～27648 之间线性变化[7]，且电流稳定时，数字量也稳定，说明模拟量模块没问题，否则说明模块损坏。

2.2 重量值显示不准确

出现重量不准确的情况后，可以先进行零点标定和砝码标定，然后用砝码测试。如果标定后重量还是不准确，一般是称重传感器损坏。断开传感器与变送器之间的连线，传感器空载时，用万用表测量传感器的输入电阻（EXC+ 和 EXC- 之间阻值）、输出电阻（SIG+ 和 SIG- 之间阻值）。测量值与传感器标称值相差很大，说明传感器损坏。如果不方便测量空载电阻值，可以测量“SIG+”和“SIG-”之间电压值。如果传感器未满载或满载时输出电压值远大于满量程输出电压，说明传感器损坏。传感器线性度变差或发生不可恢复的形变，也会造成称重不准确，且很难测量，只能用替换法解决。

3 结束语

称重系统在蓄电池生产行业中广泛应用，提高了蓄电池质量精细化控制水平。使用称重传感器时一定要避免过大的冲击力，特别是对于小量程传感器。了解称重系统结构、传感器的重要参数和故障诊断方法可以更好地使用称重系统，及时处理常见故障，保证产品的质量一致性。