一种电子分析天平的零点跟踪装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种电子分析天平的零点跟踪装置及方法，由一个防风罩(1)，一个秤盘(2)，一个电磁力平衡传感器(3)，一个信号调理转换部分(4)，一个数字信号处理MCU单元(5)，一个玻璃门开关检测传感器(6)，一个键盘(7)，一个LCD液晶显示屏(8)依次连接而成。本发明能在电子分析天平玻璃门打开时自动开启零点跟踪功能，在玻璃门关闭时自动关闭零点跟踪功能，能自主选择是否开启零点跟踪的功能。
【专利说明】一种电子分析天平的零点跟踪装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电子分析天平【技术领域】，涉及一种电子分析天平的零点跟踪装置及方法，具体地说涉及一种具有零点跟踪功能的基于电磁力平衡传感器的电子分析天平。
【背景技术】
[0002]在电磁力平衡的电子分析天平中，目前国内外采用的电路结构主要有脉宽调制式和直接驱动式两种。脉宽调制式比直接驱动式具有更好的线性度和灵活性，本发明涉及的电子分析天平采用脉宽调制式，这种电路结构模型的代表是瑞士 Mettler-Toledo集团生产的电子天平。工作原理如下所述。
[0003]物体加载后，遮光片发生位移，光敏二极管D2输出电流信号，该电流信号经信号变化和PID调节输出的信号与来自锯齿波发生器产生的信号通过比较后，输出一定宽度的调制脉冲。该调制脉冲信号控制晶体管开关T的集电极电流，因三极管T集电极的电流与载流动圈的电流之和为恒流源Itl的电源，因此，可通过脉宽宽度改变流过动圈的电流I，直至立柱恢复初始平衡位置。此时电磁力F与被测量物体的重力达到平衡。如图3所示。
[0004]经上述分析可知，如果将上述调制脉冲送入计数器，由振荡器输出的时钟脉冲对脉冲宽度进行计数，可以得到脉宽调制式电子分析天平质量计量的数学模型:
[0005]m = aN+b
[0006]式中，N为计数值；a、b为与永磁体工作气隙出的磁感应强度、动圈导线有效长度、恒流源大小和重力加速度有关的系数。
[0007]电子分析天平是十分精密的测量仪器，本发明所涉及的电子分析天平，它的感量达到0.1mg0来自外界环境的空气对流、温度变化、时间变化、电源波动、随机误差干扰等多种因素的影响将会导致电子分析天平示值的漂移，甚至导致一些错误。为了克服上述因素的影响，通常电子分析天平会设置防风罩，并在硬件、软件两方面进行温度漂移补偿。即使如此，在操作者进行去皮操作后，电子分析天平示值为零并处于平衡稳定状态时，秤盘上没有加卸载，示值也会在零点附近移动。
[0008]为了解决上述问题，保证电子分析天平在零点示值的稳定性，电子分析天平往往需要设置一个且不多于一个的零点跟踪装置。目前已有的方法是，当被测物测量值的变化量不超过零点跟踪宽度(提前设置)时，判断此变化是温度漂移导致的，电子天平示值保持在零点不移动；当被测物测量值的变化量超过零点跟踪宽度，就把新的测量值经过零点补偿后作为示值显示出来。零点跟踪功能并不是所有场合都能工作的，所以已有方法的缺陷在于，没有做到在必要的时候可以智能的自动开启或者关闭零点跟踪功能，在需要的时候可以选择开启或者关闭零点跟踪功能。
[0009]并且，中华人民共和国国家标准《GB/T26497-2011电子天平》以及R76《非自动衡器》国际标准同时规定，电子天平的零点跟踪装置应在示值为零或者相当于毛重为零时负的净重值，天平处于平衡稳定、天平修正量不大于0.5d/s时工作。上述目前零点跟踪技术最大的缺陷在于，通常都将零点跟踪宽度定为0.5d/s。0.5d/s只是国家标准和国际标准提出来的一个零点跟踪天平修正量的最大值，直接定为零点跟踪宽度太过宽泛，天平修正量过大，随着时间推移，累积误差将导致一些错误。如何获得准确可行的电子分析天平零点跟踪宽度，是零点跟踪技术需要进一步解决的难题。
【发明内容】
[0010]为了克服现有零点跟踪技术中存在的缺陷，本发明提供一种电子分析天平的零点跟踪装置及方法。其技术方案如下:
[0011]一种电子分析天平的零点跟踪装置，由一个防风罩1，一个秤盘2，一个电磁力平衡传感器3，一个信号调理转换部分4，一个数字信号处理MCU单元5，一个玻璃门开关检测传感器6，一个键盘7，一个IXD液晶显示屏8依次连接而成，所述玻璃门开关检测传感器6安装在玻璃门上，用以检测电子分析天平玻璃门打开或者关闭的状态，并将其输出信息传给数字信号处理MCU单元5，当数字信号处理MCU单元5接收到玻璃门开关检测传感器6的输出信息为打开状态时，零点跟踪功能自动取消，零点补偿值不变，天平示值保持在零点，当数字信号处理MCU单元5接收到玻璃门开关检测传感器6的输出信息为先打开后关闭状态时，零点跟踪功能自动启动。
[0012]进一步优选，在示值为零或相当于毛重为零时工作，如果一定时间内(提前设定)被测物示值W变化量不超过零点跟踪宽度(提前设定，可通过本发明提供的实验获得)，零点补偿值不变，零点示值不移动。如果在上述设定时间内，被测物示值W的变化量超过零点跟踪宽度，存储新的采样值并计算得到新的测量值W，零点补偿值WO以零点跟踪宽度的一半增大或减小，通过数字信号处理MCU单元计算出W-WOdf W-WO作为新的示值显示在LCD液晶显示屏上。
[0013]进一步优选，设置零点跟踪装置关闭或者启动这一菜单选项，自主选择是否开启零点跟踪功能。
[0014]进一步优选，求出零点跟踪宽度值，在已进行温度补偿和已设置防风罩的条件下，认为一定时间内被测物示值W的变化由时间漂移引起，如果测得零点跟踪所设置时间段内的时间漂移量，就将其作为零点跟踪宽度:
[0015]温度补偿实验:分别求得10°C、15°C、20°C、25°C、3(TC五个温度点下，空载和加载200g标准砝码时质量变化随温度变化的数据，用最小二乘法分别求得到空载和加载200g时质量变化随温度变化的二次曲线模型，这样就在任意加载的情况下，根据比例关系求得相应温度变化量下的质量变化量；
[0016]时间漂移量的测量方法:分别在10°C、15°C、2(TC、25°C、3(rC五个温度点下，加载200g标准砝码压30min，得到质量变化量和温度变化量的数据。用上述温度补偿实验方案求取在上述温度变化量下的质量变化量，用上述质量变化量减去该质量变化量，就得到此温度点下30min的时间漂移量，取五个温度点下求得的30min内时间漂移量的平均值，再根据零点跟踪的设定的时间，由比例关系求出相应时间的零点跟踪宽度。
[0017]本发明的有益效果为:
[0018]与现有的技术相比，本发明能在电子分析天平玻璃门打开时自动开启零点跟踪功能，在玻璃门关闭时自动关闭零点跟踪功能，能自主选择是否开启零点跟踪的功能。并且详细提供了获取电子分析天平的零点跟踪宽度的实验方法和步骤，认为在防风罩防止空气对流和相对准确的温度漂移补偿后，零点跟踪宽度为时间漂移值。先进行温度漂移实验，根据温度漂移实验所获得的数据进行最小二乘拟合，得到温度补偿模型。然后在温度补偿的基础上进行时间漂移实验，得到零点跟踪装置设置的时间内的漂移补偿量。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为本发明的结构框图；
[0020]图2为电磁力平衡电子分析天平的内部结构图；
[0021]图3为脉宽调制式电子分析天平的工作原理
[0022]图4为电子分析天平零点跟踪装置工作流程图。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明的技术方案作进一步详细地说明。
[0024]如图1所示，由一个防风罩1，一个秤盘2，一个电磁力平衡传感器3，一个信号调理转换部分4，一个数字信号处理MCU单元5，一个玻璃门开关检测传感器6，一个键盘7，一个LCD液晶显示屏8依次连接而成，所述玻璃门开关检测传感器6安装在玻璃门上，用以检测电子分析天平玻璃门打开或者关闭的状态，并将其输出信息传给数字信号处理MCU单元5，当数字信号处理MCU单元5接收到玻璃门开关检测传感器6的输出信息为打开状态时，零点跟踪功能自动取消，零点补偿值不变，天平示值保持在零点，当数字信号处理MCU单元5接收到玻璃门开关检测传感器6的输出信息为先打开后关闭状态时，零点跟踪功能自动启动。
[0025]在示值为零或相当于毛重为零时工作，如果一定时间内(提前设定)被测物示值W变化量不超过零点跟踪宽度(提前设定，可通过本发明提供的实验获得)，零点补偿值不变，零点示值不移动。如果在上述设定时间内，被测物示值W的变化量超过零点跟踪宽度，存储新的采样值并计算得到新的测量值W，零点补偿值WO以零点跟踪宽度的一半增大或减小，通过数字信号处理MCU单元计算出W-WOdf W-WO作为新的示值显示在IXD液晶显示屏上。
[0026]设置零点跟踪装置关闭或者启动这一菜单选项，自主选择是否开启零点跟踪功倉泛。
[0027]求出零点跟踪宽度值，在已进行温度补偿和已设置防风罩的条件下，认为一定时间内被测物示值W的变化由时间漂移引起，如果测得零点跟踪所设置时间段内的时间漂移量，就将其作为零点跟踪宽度:
[0028]温度补偿实验:分别求得10°C、15°C、20°C、25°C、3(rC五个温度点下，空载和加载200g标准砝码时质量变化随温度变化的数据，用最小二乘法分别求得到空载和加载200g时质量变化随温度变化的二次曲线模型，这样就在任意加载的情况下，根据比例关系求得相应温度变化量下的质量变化量；
[0029]时间漂移量的测量方法:分别在10°C、15°C、2(TC、25°C、3(rC五个温度点下，加载200g标准砝码压30min，得到质量变化量和温度变化量的数据。用上述温度补偿实验方案求取在上述温度变化量下的质量变化量，用上述质量变化量减去该质量变化量，就得到此温度点下30min的时间漂移量，取五个温度点下求得的30min内时间漂移量的平均值，再根据零点跟踪的设定的时间，由比例关系求出相应时间的零点跟踪宽度。
[0030]图2给出了基于电磁力平衡传感器的电子分析天平内部结构。图3给出了脉宽调制式电子分析天平的工作原理。
[0031]图4给出了本发明电子分析天平零点跟踪装置工作流程图。电子分析天平开机后，数字信号处理MCU单元通过结合玻璃门开关检测传感器和计数器的计数值等信息进行处理。数字信号处理MCU单元将不断获取计数值N，并经处理后得到示值显示在IXD液晶屏上。
[0032]如采用上述目前已有零点跟踪技术，当一段时间(提前设定)内被测物测量值W的变化量不超过零点跟踪宽度(提前设定)时，认为此变化是温度漂移等因素导致的，电子分析天平示值保持零点不移动；当上述被测物测量值W的变化量超过零点跟踪宽度，就把新的采样值W经过零点补偿Wtl后，W-Wtl作为最新的显示值显示出来。当操作者要进行称量打开电子分析天平的玻璃门时，由于空气对流和微小温度变化等影响，如果此时电子分析天平的示值W的变化量大于零点跟踪宽度，按照目前零点跟踪技术的思想，零点补偿值Wtl会随时增大或者减小。接着将被测量物放在秤盘上、关上门，在空气对流和温度变化的影响下，零点补偿值Wtl依然不断变化。当显示稳定时，零点补偿值为关门瞬间的Wtl并保持在这个值上。因此，在开门后关门前这段时间，如果零点补偿值过大，将会导致一些错误。例如，当被测物的真实值是220.0OOOg时，如果在操作者开门后和关门前有一时刻的Wtl为0.0016g时，显示屏上的示值将会是219.9984g，这个示值被认为是错误的测量值。根据国家标准《GB/T26497-2011电子天平》规定，本发明所设计的220g/0.1mg电子分析天平在220g最大称量的时候误差最多15e，否则被认为称量错误。
[0033]为了解决上述问题，本发明设置了当检测到玻璃门为开门状态时，自动关闭零点跟踪的功能。数字信号处理MCU单元通过玻璃门开关检测传感器的输出信号判断门是否开着，来决定零点跟踪功能是否关闭。如果门被检测到是打开状态，关闭零点跟踪功能，数字信号处理MCU单元提取新的计数值N，但不更新示值，零点补偿值Wtl不变，电子分析天平保持在零点状态。当玻璃门开关检测传感器检测到门重新关闭时，电子分析天平会自动重新开启零点跟踪功能。如此，当电子分析天平的玻璃门关上，示值稳定后，就能得到准确的被测物质质量，并且保证了电子分析天平零点示值的稳定性。
[0034]本发明实施例的电子分析天平的零点跟踪功能详细叙述如下。如图3所示，电子分析天平开机自动去皮操作，或者是操作者在秤盘上有测量物后进行去皮操作，数字信号处理MCU单元不断提取新的计数值N，取两个或多个N值得到平均值后，通过上述质量计量的模型算得到示值W，判断在一定的时间间隔内(提前设定)被测物的示值W的变化量是否超过零点跟踪宽度(提前设定，可根据实验获得)。如果没有超过零点跟踪宽度，数字信号处理MCU单元继续提取新的计数值N，但是示值不更新，继续保持在零点状态。如果超过零点跟踪宽度，就判断此变化量是由加卸载造成的，最新的采样值N被存储，此时的零点补偿值Wtl以零点跟踪宽度增大或减小，数字信号处理MCU单元计算出新的W和W-Wtl,并将W-Wtl作为新的示值显示在LCD液晶显示屏上。由此可见，在零点跟踪功能下，如果上述测量值W在一定时间内的变化量低于零点跟踪宽度，无论零点补偿值Wtl是否超过零点跟踪宽度，电子分析天平的示值保持在零点不变。
[0035]本发明所涉及的220g/0.1mg电子分析天平，适用于科研微量分析，医药卫生制药工业、生物工程、金银首饰、国防等行业。在使用电子分析天平时，如果每次微量加载的量都小于零点跟踪的宽度，按上述零点跟踪的思想，电子分析天平的示值将一直保持在零点不变，这样就得不到准确的称量值。又比如电子分析天平在偏载测试、回零测试、倾斜测试和温度测试时，为了保证测试的准确性，零点跟踪功能都不得处于工作状态。
[0036]为了解决上述问题，本发明电子分析天平设置功能菜单选项，可以自由选择开启或者关闭零点跟踪功能。这样，就可以在上述需要关闭零点跟踪功能的时候关闭零点跟踪功能。
[0037]中华人民共和国国家标准《GB/T26497-2011电子天平》以及R76《非自动衡器》国际标准同时规定，电子天平的零点跟踪装置应在示值为零或者相当于毛重为零时负的净重值，天平处于平衡稳定、天平修正量不大于0.5d/s时工作。
[0038]根据大量实验数据的分析，本发明所涉及的220g/0.1mg电子分析天平，温度变化每0.0re,天平示值漂移0.3-0.5mg,任意加载下保持15min,天平示值漂移0.1mg0国家标准规定准确度级别为I级的电子天平的正常工作条件下的温度波动度不大于1°C /h,根据上述经验可估算，在没有温度补偿的情况下，电子分析天平的漂移量在0.19-0.25 μ g/s，这个值远远小于上述国家标准和国际标准中天平修正量0.5d/s。故直接选择0.5d/s作为零点跟踪宽度，既缺乏理论推导也缺乏实际经验支持，随着时间推移，累加误差甚至会导致一些错误。选择+0.5d/s或是-0.5d/s作为天平修正量也缺乏判定依据。而且，每台天平的漂移情况都不一样，零点跟踪宽度设定为一个定值并不合适。
[0039]为了解决上述问题，本发明电子分析天平的零点跟踪装置在电子分析天平已经配置防风罩和已进行温度补偿的条件下进行，认为零点跟踪宽度即为零点跟踪装置设定时间段内的时间漂移量，而且时间漂移与加载测试物的质量无关。具体思想是，先设计温度补偿实验，得到质量变化和温度变化的一组数据，用最小二乘法拟合得到质量变化随温度变化的曲线。对电子分析天平进行温度补偿后，再设计时间漂移实验，得到零点跟踪装置设定的时间段内的时间漂移量，即求得电子分析天平的零点跟踪宽度。具体实验方法及求解过程如下。
[0040]一、温度漂移实验方案
[0041]⑴电子分析天平空载预热3小时，开始实验；
[0042]⑵将天平置于温度实验箱，分别在10°C、15°C、20°C、25°C、30°C五个温度点进行如下实验:
[0043]①首先加载200g标准砝码加卸载10次，分别获取质量并取平均，得到当前Og示值和(200g-0g)示值，获取此时三个温度传感器温度平均值；
[0044]②分别在10°C、15°C、20°C、25°C、3(TC重复上述实验步骤和获取需要的实验数据。
[0045]③分别求得空载和加载20(^标准砝码，在101:、151:、201:、251:、301:的质量变化量和温度变化量。
[0046]⑶按上述所得实验数据，用最小二乘法原理辨识电子分析天平温度补偿模型:
[0047]Δ m = a Δ T2+b Δ T+C
[0048]式中，Am为质量变化量，ΔΤ为温度变化量，a, b, c为待辨识参数。
[0049] 分别在Og和(200g_0g)，用所得到五个温度点的五组实验数据，用最小二乘法辨识参数a，b, c，得到Og和(200g_0g)的质量变化随温度变化的曲线。
[0050]⑷在温度变化量为AT时，可以根据上述曲线分别求得空载和加载200g下的质量变化量八叫、Λ Hi2tltl,则任意加载量M下，温度补偿值计算公式为:
【权利要求】
1.一种电子分析天平的零点跟踪装置，其特征在于，由一个防风罩(I)，一个秤盘(2)，一个电磁力平衡传感器(3)，一个信号调理转换部分(4)，一个数字信号处理MCU单元(5)，一个玻璃门开关检测传感器出)，一个键盘(7)，一个IXD液晶显示屏(8)依次连接而成，所述玻璃门开关检测传感器(6)安装在玻璃门上，用以检测电子分析天平玻璃门打开或者关闭的状态，并将其输出信息传给数字信号处理MCU单元(5)，当数字信号处理MCU单元(5)接收到玻璃门开关检测传感器(6)的输出信息为打开状态时，零点跟踪功能自动取消，零点补偿值不变，天平示值保持在零点，当数字信号处理MCU单元(5)接收到玻璃门开关检测传感器(6)的输出信息为先打开后关闭状态时,零点跟踪功能自动启动。
2.根据权利要求1所述的电子分析天平零点跟踪装置，其特征在于，在示值为零或相当于毛重为零时工作，如果一定时间内被测物示值W变化量不超过零点跟踪宽度，零点补偿值不变，零点示值不移动；如果在上述设定时间内，被测物示值W的变化量超过零点跟踪宽度，存储新的采样值并计算得到新的测量值W，零点补偿值WO以零点跟踪宽度的一半增大或减小，通过数字信号处理MCU单元计算出W-WOJf W-WO作为新的示值显示在LCD液晶显示屏上。
3.根据权利要求1所述的电子分析天平零点跟踪装置，其特征在于:设置零点跟踪装置关闭或者启动这一菜单选项，自主选择是否开启零点跟踪功能。
4.一种电子分析天平零点跟踪方法，其特征在于，求出零点跟踪宽度值，在已进行温度补偿和已设置防风罩的条件下，认为一定时间内被测物示值W的变化由时间漂移引起，如果测得零点跟踪所设置时间段内的时间漂移量，就将其作为零点跟踪宽度: 温度补偿实验:分别求得10°C、15°C、20°C、25°C、30°C五个温度点下，空载和加载200g标准砝码时质量变化随温度变化的数据，用最小二乘法分别求得到空载和加载200g时质量变化随温度变化的二次曲线模型，这样就在任意加载的情况下，根据比例关系求得相应温度变化量下的质量变化量； 时间漂移量的测量方法:分别在10°C、15°C、20°C、25°C、30°C五个温度点下，加载200g标准砝码压30min，得到质量变化量和温度变化量的数据；用上述温度补偿实验方案求取在上述温度变化量下的质量变化量，用上述质量变化量减去该质量变化量，就得到此温度点下30min的时间漂移量，取五个温度点下求得的30min内时间漂移量的平均值，再根据零点跟踪的设定的时间，由比例关系求出相应时间的零点跟踪宽度。
【文档编号】G01F23/00GK104075770SQ201410288554
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年6月24日 优先权日:2014年6月24日
【发明者】滕召胜, 黄强, 唐享, 任亚奇 申请人:湖南大学