一种连续自动称重系统的设计及应用

孙路 孙增慧

摘要：针对目前科学研究中称重系统的自动化程度低，耗费大量人力和物力、效率低、误差大、准确性低等缺点，本文将压力传感器和数据采集器（CR1000）耦合，基于 Logger Net 4.0 编程软件，设计一个自动称重系统。该系统能按设定的时间间隔测量质量并记录所测质量信息。通过称重试验证明，该自动称重系统理论成立，获取的室内质量数据误差在0.5%以内，实现了对称重信息数据的在线管理和自动存储功能，为科研称重工作提供了一个高效的途径和新的技术尝试。

关键词：智能；称重；科研工作

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2019）05-0238-02

1 前言

众所周知，基础实验研究需要投入大量的人力、物力和时间，如何将人力从烦琐的实验中解放出来，从而提高科研工作效率是科研工作者需要不断探索的重点问题之一。通过称量重量来获得科学数据，是土地工程科研实验中必不可少的一项基础工作。

随着科学技术日益发展，称重技术从以对称思想为原理的机械杆秤阶段步入了以电子技术为依托的电子称重时代[1]。随着电子技术和微处理机的快速发展，电子称重技术日益完善[2]，到70年代末，全面步入电子和数字化称量的阶段[3]。截至目前，快速称量、方便读数、称量准确、操作简便等优点使它广泛应用于交通运输[4]、建筑[5]、医疗[6]、航天航空、运输[7]、贸易、餐饮[8]等各大行业领域[9]。但大多数称重系统的自动化程度低，无法获得连续的动态数据[10]，从而导致很多科研过程无法捕获、科学现象不能准确解释。而自动称重系统可解决这些缺点，获得连续且准确的数据，大大提高工作效率和减少误差[11]。尤其是在土地工程科研工作中，人工测量重量时，需要将待测样品放到电子天平上，等待稳定，读数记录。这种方法不连续，无法获得动态连续的数据，且机械重复，单调乏味；为了将科研工作者从简单的重复工作中解放出来，将更多的精力投入到其他创造性工作中去，设计了一种自动称重的装置、系统。但是我国在这方面的产品少且功能不齐全，所以改善现有称重装置，开发研究功能齐全的自动称重系统是势在必行的[12]。

本文基于此，设计一个自动称重系统，既能获取称重信息，又能实现对称重信息数据的采集与管理，而且其稳定性好，称量速度快、精度高，可连续自动称重，实现称重数据的自动采集与存储，在更精准的时间尺度上捕获科研实践的变化过程，为生产和科研实践中提供一个良好的技术支持。

2 连续自动称重系统设计及工作原理

本文设计的连续自动称重系统是在室内条件下进行测试的，由12V蓄电池、电阻应变式压力传感器（50kg），压力传感器的上下承载面为电木板、数据采集仪（CR1000）组成，通过Logger Net 4.0软件的CRbasic编译器编写自动称重程序、数据处理程序和称重控制程序，实现压力传感器与数据采集仪的耦合。其工作原理是利用弹性敏感元件和电阻应变片将被测压力物理量转换为电阻变化值进行测量。通俗讲，就是将非电量的力转换为电量，进行参数调试，从而得到压力与电量之间对应的线性关系，利用Logger Net 4.0軟件的CRbasic编译器将测试得出的线性关系编写进程序中，通过不断地测试校正自动称重模型的转换参数。

3 测试分析

参数调试的条件设为室内，默认为无风条件下，测试温度为20℃±2℃，电木板重量0.243kg。选取已知重量的砝码放于设计的压力传感器上进行称量，测试时间设为每分钟记录一次。为验证线性关系的准确性和可靠性，选取多个已知重量的砝码，结果如下表：

通过Excel软件，发现测试所得数据与已知数据存在线性关系，关系为：

y=-0.0469x+0.0067 R2=1 （1）

式中，y为压力传感器测试重量kg；x为已知砝码重量kg。

利用Logger Net 4.0软件的CRbasic编译器将测试得出的线性关系编写进数据处理程序中，通过多次测试发现，压力传感器测出的砝码重量比实际重量始终高出0.054±0.002 kg，在原有的数据处理程序中的将线性关系中的y值减去0.054，得到新的线性关系程序。

为保证数据的可靠性和准确性，在室内测试选取砝码重量为10.2kg进行测试，数据采集器设定为每10分钟采集一次，测试时间共计2小时，结果如下表所示。

通过上表可知：参数在不断校正后，在室内测试条件下，该智能称重系统得出的数值绝对误差在5.1%以内，相对误差在0.5%之内。

为进一步验证该理论的可行性，在室外温度30℃±2℃、风速默认无的条件下，选取不同已知砝码，数据采集器设定为每10分钟采集一次，共计2小时的测试时间，结果如下表所示。

由上表可知：在室外测试条件下，该智能称重系统得出的数值绝对误差在15%以内，相对误差在8.3%之内。

4 结果

通过测试结果可知，该连续自动称重系统的理论具有可行性。室内的测试精度符合多数实验的精度要求，室外的测试精度符合部分大田实验的精度要求。同时，发现外界温度对该连续自动称重系统存在或多或少的影响，为解决上述问题，后期的研究重点为如何降低称重误差，寻找该系统误差可能出现的原因。例如，如何进行温度补差、归零程序的参数如何设定等方面。从而获得更加科学和准确的实验数据，促进该系统的广泛应用。

5 自动称重系统在土地工程科研中的应用展望

从实际测量结果可知，本文设计的连续自动称重系统理论成立，测量结果准确、可智能记录并存储数据、设备简单、费用低，室内相对误差在0.5%，室外相对误差在8.3%，符合部分室内试验及大田实验的精度要求，可得到普遍推广。连续自动称重系统可与需要获取连续动态数据的实验设备组合，例如，与称重式蒸渗仪组成自动称重式蒸渗仪、与水盐运移土柱设备组成自动水盐运移土柱称重系统、与土面/水面蒸发量测量设备组成自动称重式土面/水面蒸发系统等。

本文的连续自动称重系统是在室内环境下进行测试编程的，使用条件有限，但实验原理成立，下一步将在不同的室外条件下进行不断测试和调参，进一步扩大该连续自动称重系统的应用范围，力求不管是室内或室外，均可获取精准的数据，提高土地工程基础科研工作的效率，为土地工程事业的发展提供技术支撑。

参考文献：

[1] 王竞.“秤”的发展史[J].初中生世界（八年级物理），2012（Z4）：61-64.

[2] 陆伯勤.电子称重技术和自动称重系统的进展[J].自动化博览，1999（1）：1-6.

[3] 陶瑞星.电子称重技术若干发展动态[J].上海计量测试，1995（3）：22-23+30.

[4] 王瑗媛，张雪芹.可用于贸易结算的移动储料称量装置[J].物流科技，2018，41（6）：61-62.

[5] 谢冉. 自航式混凝土搅拌船配料称量系统的研究[D].武汉理工大学，2014.

[6] 喻绍澎，刘岩.特殊体重称量系统在血液透析治疗中的应用[J].医疗保健器具，2008（7）：38-39.

[7] 史莉，王晶.计重称重设备可移动检测实验室的实现[J].中国计量，2014（10）：74-77.

[8] 马桂兰，付龙虎，缪祥爱.一种餐厨垃圾转运车进料称重系统的运用研究[J].内燃机与配件，2018（9）：12-13.

[9] 刘九卿.展望21世纪初电子称重技术的发展[J].自动化仪表，1999（10）：5-9+14.

[10] 唐玉兵，曾德贵，龙舰涵.电子称重技术现状及趋势分析[J].黑龙江科技信息，2015（9）：1.

[11] 谢玉朝. 作物种子自动称重系统研究[D]. 西北农林科技大学， 2012.

[12] 赵兴. 衡器自动称重系统[J]. 长春工业大学学报（自然科学版）， 2014（3）：334-337.

【通联编辑：光文玲】