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解剖电子天平称量不稳定的基本知识
编辑:中山市恒之高自动化称重设备有限公司   时间:2019-01-25

相对于利用有几千年历史的杠杆原理制作的机械天平而言,人们对于高精密电子天平的认识不外乎几十年,在国内的广泛应用也是近二十年的事。


下面通过解剖国产MD100-1电磁平衡传感器高精密电子天平,了解结构原理,掌握正确使用高精密电子天平的方法,排除故障。


高精密电子天平基本知识


1、高精密电子天平的分类


根据传感器的不同,高精密电子天平有以下四类:

应变式传感器高精密电子天平,电容式传感器电子天平,电感式电子天平,电磁平衡传感器电子天平。


电磁平衡传感器电子天平是利用电磁力平衡原理而制成的高精密电子天平。这种天平的结构复杂、精度很高,可达二百万分之一以上的精度。其特点是称量准确可靠、显示快速清晰并且具有自动检测系统、简便的自动校准装置以及超载保护等装置。它是目前国际上高精度电子天平普遍采用的一种形式。


按高精密电子天平的精度可分为以下六类:

超微量电子天平,微量天平,半微量天平,常量电子天平,分析天平,精密电子天平。


2、高精密电子天平结构


目前应用的主要有顶部承载式(吊挂单盘)和底部承重式(上皿式)两种:


3、电磁平衡式电子天平的称量原理

机械天平是用加码或减码的方法与被称物质量相平衡,而电子天平在测定被称物的质量时不用砝码,采用磁力平衡原理。


根据电磁学原理,把通电导线放在磁场中时,导线将产生电磁力,力的方向可以用“左手定则”来判定。磁场强度不变时,力的大小与流过线圈的电流强度成正比。


电磁平衡式电子天平内部机械结构示意图如下:


高精密电子天平的秤盘通过支架连杆、称重立柱、梁杆与线圈架相连,线圈置于磁场中。秤盘及被称物体的重力作用于线圈上,方向向下;控制系统给线圈通电流后,产生一个向上的电磁力(F)将被称物体向上托起恢复到原位置;线圈电流的大小与被称物体的质量成正比,当二者平衡后,系统维持该电流;当移开被称物体后,重力消失,控制系统对线圈断电,在弹性簧片的作用下,使秤盘支架回复到原来的位置。

以上称量过程,称为零位测定法。


高精密电子天平的拆机过程 


这是一台高精密电子天平仪器厂生产的电磁平衡传感器电子天平,放在杂物间长期没用,不知道好坏:


高精密电子天平背面,有电源插座、保险管、信号接口,散热板很醒目:


500mA电源保险管,整机消耗电功率不大:


铸铝底座,很结实:打开底座上的这个盖板,里面是称重立柱底部挂钩,可以悬浮称量:


察看机器四周,只在散热器上看见三颗固定螺丝,旋下

散热器内部固定了给机器供电的三端直流线性稳压器和传感器线圈电流的功率管,此时,仍然无法取下外壳:


到称样室去察看,取下不锈钢秤盘、秤盘支架:

整个天平外部找不到外壳打开点,经过一番思索,试试用手拉开称量室的不锈钢板,旋下外壳的固定螺丝:


小心移开外壳:


天平内部各部位名称


高精密电子天平的组成、电路分析


绘制该天平系统框图,由机械与电路两部分组成:


高精密电子天平的组成

1、秤盘。

2、传感器:是电子天平的关键部件之一,由外壳、磁钢、极靴和线圈等组成,装在秤盘的下方。

3、位置检测器:由红外发光管和光电二极管、遮光片组成。

4、PID 调节器:控制系统中的一种调节器,制造天平时,按照设计要求设置它的电参数(P比例、I积分、D微分),使传感器通电后快速而稳定地工作。

5、功率放大器:其作用是将微弱的信号进行放大,以保证天平的精度和工作要求。

6、低通滤波器:它的作用是排除外界和某些电器元件产生的高频信号干扰。

7、模数 (A/D) 转换器:将输入模拟电信号采样转换成数字信号,便于微机处理。早期由单元电路构成,现在通常由单片IC组成。

8、微机:它是电子天平的数据处理部件,它具有记忆、计算和查表等功能。早期由小单元电路构成,现在通常由单片MCU组成。

9、显示器:早期使用真空荧光显示屏(VFD)显示器,现在广泛使用液晶显示器。

10、气泡平衡仪(水平泡):作用是便于工作中判断并调整天平水平位置。

11、底脚:电子天平的支撑部件,同时也是调节水平位置的部件。

12、机壳。


常见的称量不稳定故障的解决方法


通过拆解,可以看出电子天平是精密的机电仪表,比较娇气,操作规程要求较多。在使用中常常碰到的问题是称量结果不稳定,许多是环境和操作的问题,不一定是硬件故障。


下面归纳了几种常见的称量结果不稳定的情况:


(1)天平放置的位置不合理

天平在使用的时,应将门窗关闭。如果有风吹,或者实验台上放有其他有震动产生的仪器,都会使电子天平的读数不稳定。要注意附近基建施工打桩、隔壁装修造成的震动影响。


(2)测试中样品的水份增加或丢失

有些样品具有挥发性或者吸湿性较强,造成在测试时样品的质量不断增加或减少,面对这种情况,解决办法是使用口径很小的器皿。减小样品的挥发和吸潮,同时操作时间要短,使称量结果更加准确。


(3)样品和容器的温度

温度对电子天平称量的结果影响是很大的,所以电子天平一般都要在恒温恒湿的房间里工作,预热时间要足够。而刚拿到实验室的样品或容器由于其温度和电子天平的环境温度相差太多而读数不稳定。有些高端天平一般会有全自动校准,如果是外校的天平,在温度发生变化时则需要人工校准。


(4)样品和容器的静电现象

静电现象也可能造成电子天平的称量不稳定。具有高绝缘度的材料(大多数玻璃或塑料制的称重容器)都容易带静电,在允许的情况下,使用金属器皿。如果静电现象一直无法消除,还需要检查一下仪器的接地线是否接好。


(5)样品或容器被磁化

样品和容器的磁化都可能让天平误以为其所承受的磁力是来自于样品的重力。所以我们在使用铁器皿时要经常进行消磁的操作。平时要避免强磁场靠近电子天平。秤强磁性物质要使用非电磁类型的天平。


(6)手机等电磁波发射源的影响不容忽视。

实践证明,高精度电子天平工作时,手机靠的太近,会对测量结果有干扰(本天平工作时,手机拨号并靠近,有1mg的数值干扰)。电子天平室内应禁止使用手机,不能安放电磁炉、微波炉、超声波清洗机等电磁辐射较大的电器,应远离通讯基站。

另外,高精密电子天平是将被称物的质量产生的重力通过传感器转换成电信号来表示被称物的质量。


称量结果实质上是被称物重力的大小,故与重力加速度g有关,称量值随纬度的增高而增加。例如在北京用电子天平称量100g的物体,到了广州,如果不对电子天平进行校准,称量值将减少137.86mg。称量值还随海拔的升高而减小,曾有网友对比了1楼与4楼(高出10米)的称量,同样200g的砝码,4楼的重量减少了0.00063g。因此,电子天平在安装后或移动位置后必须进行校准。


附:高精密电子天平的电路分析


1、电源电路


该天平的操作杆控制机内的电源开关,首先一次压下操作杆,会将机内电源开关向上打开,此后,当再次压下操作杆,会触发清零微动开关;当抬起操作杆,就将机内电源开关向下关闭:


2、称量传感器


四周用铝框隔离,磁缸上下各有一片V型支架(簧片架):


移开铝框,传感器的全貌:


受化学样品和潮气的侵蚀,有些机件腐蚀了:


为了减少对线圈运动的阻尼,线圈的引出线采用游丝:


由于操作不小心,掉入内部的“样品”:


由于密封不严,钻入内部的小昆虫:


3、位移传感器


位移传感器在传感器后部,是光电二极管收、发电路:


4、前级电路及PID调节电路


5、主电路板


左上角是显示电路板,左下角是三个电源整流桥及滤波电容,其余元件组成小微机单元:


6、显示电路


采用真空荧光显示屏VFD作显示:


高精密电子天平工作的程序


结束语

拆机的MD100-1型高精密电子天平属于国产早期的产品,局限于当时的工艺条件,功能简单、精密度不够高。现在的电子天平在整体机械结构、零件材料运用、温度补偿、内校、算法等方面有很大进步,达到了相当高的水平,但电磁平衡传感器基本原理相同。


高精密电子天平机芯的金属材料有热胀冷缩的现象,磁钢随时间有退磁问题,电子元件也有一个逐渐老化变质过程,这些都是天平出现温漂和时漂的原因。好的电子天平在系统设计、材质选择时,会将误差控制在合理的范围内。当普通的调校无法排除漂移故障时,应考虑这些深层次原因,这是高端专业维修人员才能解决的问题,或机器已陈旧没有维修价值、直接更换新仪器。


高精密电子天平是高精密机电仪器,应按说明书要求安装,操作人员必须掌握相应的操作知识才能上机。当出现不能开机,显示屏缺笔画,数值大幅度跳动,测量长期失准,可以判断是硬件故障,一般不要自行拆机(特别是机械结构不要轻易调整),应送专业人员维修,避免扩大故障。对于烧保险故障,可换原规格保险管开一次机,若再次烧保险,务必请专业人员检修。

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