一種連續自動稱重系統的設計及應用

孫路 孫增慧

摘要：針對目前科學研究中稱重系統的自動化程度低，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據采集器（CR1000）耦合，基于 Logger Net 4.0 編程軟件，設計一個自動稱重系統。該系統能按設定的時間間隔測量質量并記錄所測質量信息。通過稱重試驗證明，該自動稱重系統理論成立，獲取的室內質量數據誤差在0.5%以內，實現了對稱重信息數據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嘗試。

關鍵詞：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數據，是土地工程科研實驗中必不可少的一項基礎工作。

隨著科學技術日益發展，稱重技術從以對稱思想為原理的機械桿秤階段步入了以電子技術為依托的電子稱重時代[1]。隨著電子技術和微處理機的快速發展，電子稱重技術日益完善[2]，到70年代末，全面步入電子和數字化稱量的階段[3]。截至目前，快速稱量、方便讀數、稱量準確、操作簡便等優點使它廣泛應用于交通運輸[4]、建筑[5]、醫療[6]、航天航空、運輸[7]、貿易、餐飲[8]等各大行業領域[9]。但大多數稱重系統的自動化程度低，無法獲得連續的動態數據[10]，從而導致很多科研過程無法捕獲、科學現象不能準確解釋。而自動稱重系統可解決這些缺點，獲得連續且準確的數據，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，等待穩定，讀數記錄。這種方法不連續，無法獲得動態連續的數據，且機械重復，單調乏味；為了將科研工作者從簡單的重復工作中解放出來，將更多的精力投入到其他創造性工作中去，設計了一種自動稱重的裝置、系統。但是我國在這方面的產品少且功能不齊全，所以改善現有稱重裝置，開發研究功能齊全的自動稱重系統是勢在必行的[12]。

本文基于此，設計一個自動稱重系統，既能獲取稱重信息，又能實現對稱重信息數據的采集與管理，而且其穩定性好，稱量速度快、精度高，可連續自動稱重，實現稱重數據的自動采集與存儲，在更精準的時間尺度上捕獲科研實踐的變化過程，為生產和科研實踐中提供一個良好的技術支持。

2 連續自動稱重系統設計及工作原理

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

3 測試分析

參數調試的條件設為室內，默認為無風條件下，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計的壓力傳感器上進行稱量，測試時間設為每分鐘記錄一次。為驗證線性關系的準確性和可靠性，選取多個已知重量的砝碼，結果如下表：

通過Excel軟件，發現測試所得數據與已知數據存在線性關系，關系為：

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系編寫進數據處理程序中，通過多次測試發現，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，在原有的數據處理程序中的將線性關系中的y值減去0.054，得到新的線性關系程序。

為保證數據的可靠性和準確性，在室內測試選取砝碼重量為10.2kg進行測試，數據采集器設定為每10分鐘采集一次，測試時間共計2小時，結果如下表所示。

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

為進一步驗證該理論的可行性，在室外溫度30℃±2℃、風速默認無的條件下，選取不同已知砝碼，數據采集器設定為每10分鐘采集一次，共計2小時的測試時間，結果如下表所示。

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

4 結果

通過測試結果可知，該連續自動稱重系統的理論具有可行性。室內的測試精度符合多數實驗的精度要求，室外的測試精度符合部分大田實驗的精度要求。同時，發現外界溫度對該連續自動稱重系統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，尋找該系統誤差可能出現的原因。例如，如何進行溫度補差、歸零程序的參數如何設定等方面。從而獲得更加科學和準確的實驗數據，促進該系統的廣泛應用。

5 自動稱重系統在土地工程科研中的應用展望

從實際測量結果可知，本文設計的連續自動稱重系統理論成立，測量結果準確、可智能記錄并存儲數據、設備簡單、費用低，室內相對誤差在0.5%，室外相對誤差在8.3%，符合部分室內試驗及大田實驗的精度要求，可得到普遍推廣。連續自動稱重系統可與需要獲取連續動態數據的實驗設備組合，例如，與稱重式蒸滲儀組成自動稱重式蒸滲儀、與水鹽運移土柱設備組成自動水鹽運移土柱稱重系統、與土面/水面蒸發量測量設備組成自動稱重式土面/水面蒸發系統等。

本文的連續自動稱重系統是在室內環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參，進一步擴大該連續自動稱重系統的應用范圍，力求不管是室內或室外，均可獲取精準的數據，提高土地工程基礎科研工作的效率，為土地工程事業的發展提供技術支撐。

參考文獻：

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【通聯編輯：光文玲】