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    耐高温吊钩秤称重技术剖析(中篇)

    作者:程经理     发布时间:2016-08-03

    本文接着上一篇《耐高温吊钩秤称重技术剖析(上篇)

    三、耐高温称重技术研究开发的模式与内容

    山和衡器为冶炼企业解决高温环境下的物料计量,多年来依靠从国外进口耐高温称重传感器或全套耐高温称重装置。进口国外的压磁式传感器,精度高,可靠性远远比国内的传感器要好,而国外的电阻应变式称重传感器,价格相当昂贵,而且供货备件困难,严重影响生产。所以近年来传感器企业与冶金企业共同开展了耐高温称重传感器及耐高温称重装置的技术攻关工作。

    (一)我国耐高温称重计量技术发展的基本模式

    1、耐高温称重,是近几年发展起来的一项专用技术;近年来国家和地方科技部门对适用于高温等恶劣环境用传感器的设计生产与检测研究也十分重视。 高温环境检测产品被纳入“国家高新技术产品目录”; 《国家重点支持的高新技术领域》中的《高新技术改造传统产业》中的“面向行业和重大工程配套,智能化的专用传感器技术”,则属于此类技术创新的指引。

    2、我国耐高温称重计量技术发展的基本方式 近年来国内耐高温称重计量技术发展的基本过程是:企业(冶金)根据高温恶劣环境的急需计量提出需求→委托国内传感器厂家利用耐高温应变计设计生产制造耐高温称重传感器→配套设计制造耐高温秤体→设计高温环境特殊性的称重信号采集传输方式→配上称重显示仪表→形成耐高温电子称量装置→完成高温环境称重计量。

    (二)耐高温称重技术需研究开发的主要项目内容

    耐高温称重技术,需要重点解决称重传感器、承载秤体装置、称重信号传输的耐高温难题。

    1、称重传感器,是称重计量装置的核心元件。耐高温称重技术,首要的是需解决称重传感器的耐高温难题,设计生产制造耐高温称重传感器。重点是耐高温称重传感器制造工艺方法研究,以保障称重传感器在恶劣使用温度环境下,长期高温热幅射,环境温度梯度变化或瞬变时,能保持称重传感器的准确度与稳定性。

    2、承载器秤体装置的耐高温设计制造。秤体装置,是电子称重的承载器。高温环境用称量装置,除选用耐高温称重传感器之外,还须有特殊性的防高温、防烧损、防冲击的特殊设计与工件的特殊制造以及补偿手段等技术措施。

    3、研究高温环境称重信号的特殊性采集与传输方式。高温称重传感器的使用环境一般都非常恶劣,如何将高温区电子秤的称重信号传输到常温区进行处理和显示,是耐高温称重技术研究的重要内容之一。

    四、耐高温称重传感器

    耐高温称重传感器,是耐高温称重计量的核心部件。耐高温称重传感器目前在国内的研发和生产的技术还是不成熟的,多采用国外的传感器。

    (一)高温称重的工作原理

    称重传感器的工作原理,是由外力作用导致弹性体微应变,使桥路电阻发生变化,从而导致电压输出变化,其中,弹性体及应变计是一个力敏载体。对于高温环境用称重传感器,弹性体及应变计不但是一个力敏载体,同时也是热敏元件。 1、称重传感器,是一个力敏器件:外力作用→弹性体微应变→应变计微应变→桥路电阻变化→电压(电流)输出变化;

    2、弹性体热敏效应,对弹性体加热时,其温度升高,对弹性体也会引起与力的作用同样的变化:对弹性体加温→弹性体膨胀→应变计微应变→桥路电阻变化→电压(电流)输出变化;

    3、温度对弹性模量也有一定影响:对弹性体加温→弹性模量变化→弹性体应变加大→应变计微应变加大→桥路电阻变化加大→电压(电流)输出变化加大; 从上述原理看,应变式称重传感器弹性体(含应计)既是一个力敏载体,又是一个热敏元件。 而耐高温称重要解决的关键要点,在于克服或减小高温环境温度对称重传感器的影响程度。

    (二)耐高温称重传感器制造工艺

    耐高温称重传感器,其工作原理与常温电阻应变式称重传感器相同,不同之处主要在于采用自动补偿的耐高温应变计、耐高温粘结剂、耐高温焊锡与耐高温电缆,采用了系统的温度补偿、特殊性的工艺处理和补偿元件。

    1、材料选用工艺

    A、电阻应变计选用

    采用具有温度自补偿功能的玻璃纤维网格加固式卡玛片;工作温度:-196℃—+250℃,补偿温度:+10℃—+250℃;如美国威世 MM 公司的高温型传感器用电阻应变计,其性能特点如下: 测量温度范围:静态:+205℃,动态:+260℃; — 3 — 材质:改性卡玛合金; 工艺:栅丝复盖; 粘贴胶:Mbond450 高温胶水。

    B、弹性体材料选用

    采用热敏系数较小的铬钢,如 40CrNiMoA,1Cr18Ni9Ti。选择合适的弹性材料,保证其弹性模量在 0~+250℃范围内总体性能稳定可靠。弹性体结构设计,应保证工作应变片之间空间距离尽可能地集中于一点,以减少温度梯度下引起的零漂。

    C、耐高温应变胶,采用耐高温应变计生产厂家对应推荐的粘胶。粘贴高温应变计的粘胶,必须能耐高温,具有高粘合性,高绝缘性和优良的蠕变特性。

    D、耐高温焊锡、引线和电缆

    高温焊锡,熔点≥280℃;高温引线,对应变计的特性,灵敏度,零点温度漂移等影响较大。应选用电阻率和电阻温度系数较小,有足够的绝缘电阻的引线; 高温电缆价格昂贵,选用时,应根据实际测温现场,确定电缆长度。

    2、温度补偿工艺

    A、零点温度补偿, 耐高温称重传感器制造,虽然选用了能对温度进行自补偿的电阻应变计,使应变计在高温环境下工作时,几乎没有热输出或热输出很小。但是,耐高温称重传感器的零点输出随温度,特别是温度梯度的影响,零点输出随环境温度变化还会有所变化,因此,还必须对耐高温称重传感器逐一进行零点温度补偿。 根据测试经验数据,耐高温称重传感器的高、常温的零点输出差值大于 40μV 时,则需对其进行零点温度补偿。

    B、灵敏度温度补偿

    称重传感器弹性元件材料的弹性模量(E)随着温度而改变,变化的结果使得称重传感器的输出信号变化,即会产生称重传感器灵敏系数的温度影响。 应变计的灵敏系数在常温下是一常数,在高温环境中,由于敏感栅材料的灵敏系数、粘贴剂和基底材料的传递变形能力都会随温度发生变化。因此,必须对高温称重传感器逐个进行弹性模量补偿。在实验操作中,按每隔 50℃设一个测试补偿点,最大限度地模拟实际工况测试各项数据,对各点进行灵敏系数温度补偿。 补偿与组桥焊接方式均为高温焊锡焊接,电烙铁焊接温度应调至 300℃。

    3、通过对材料的选择和温度补偿工艺,材料热胀冷缩十分接近,降低材料对称重传感器零点漂移的影响,降低弹性体、应变计及高温应变胶的弹性模量对应变计灵敏系数的影响,减小温度升高引起的电压输出变化,提高称重传感器在长期高温热幅射,环境温度梯度变化或瞬变时,能保持— 4 — 称重传感器的准确度与稳定性。

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