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再談稱重傳感器的使用問題
【摘 要】 稱重傳感器就是將衡器的承載力正確地測量、并完整地輸送到稱重儀表中去,如果在
設(shè)計過程中對稱重傳感器,特別是數(shù)字式稱重傳感器的一些基本參數(shù);使用過程中不能全面考慮到
環(huán)境的溫度、濕度影響;在安裝過程中不能正確執(zhí)行工藝文件;就會直接影響到整臺衡器的計量性
能。
目前我們遇到一些電子汽車衡的質(zhì)量問題,雖然從直接現(xiàn)象看是承載器的問題,深究其原因是
一個稱重傳感器的選擇不當問題。電子衡器的普及在我國已經(jīng)有二十多年的時間了,稱重傳感器的
選用看起來是一些非常普通的常識,而這些常識就影響了衡器的整體性能。為此,我在過去多年內(nèi)
根據(jù)個人在使用稱重傳感器的實踐中的體會,寫了“稱重傳感器準確度比較”、“對稱重傳感器防護
要求的認識”、“如何正確使用稱重傳感器”、“數(shù)字式稱重傳感器使用的注意事項”、“數(shù)字式電子衡
器之我見”等多篇有關(guān)文章,這次結(jié)合近年來多次參加培訓班講課時學員的反映,將認為容易出現(xiàn)
問題的和經(jīng)常發(fā)生的一些知識,和個人的一些新的體會,整理匯集在這里供大家參考。
一、熱脹冷縮影響
對于以前汽車衡承載器的長度在12~14m的情況下,承載器的熱脹冷縮不是一個突出的問題,
但是當承載器的長度達到18m以上后,就成為一個不容忽視的問題了。固然對承載器限位裝置的設(shè)
計產(chǎn)生一個的影響,但是對如何選擇稱重傳感器產(chǎn)生的影響就更大。我們知道,由于稱重傳感器結(jié)
構(gòu)受力特點所確定,金屬的線膨脹系數(shù):溫度范圍20~100℃(如果實際使用范圍為60℃時),碳
鋼10.6~12.2/10-6℃-1(選用11.4/10-6℃-1),對于一臺長18m的汽車衡來講,其變化應(yīng)為:
18000mm×60×11.4/10-6=12.312mm。
這樣就出現(xiàn)兩個問題:
一個是,承載器與兩端通道的間距問題;
一個是,稱重傳感器的抗偏載性能問題。
1、間距
這個間距不是承載器限位間隙,承載器的限位間隙是可調(diào)節(jié)的,而這里所講的這個間距是不可
調(diào)節(jié)的,是在制造基礎(chǔ)時就已經(jīng)固定的了。所以一定需要在制造基礎(chǔ)時,考慮到使用現(xiàn)場可能的溫
度范圍,及可能造成的熱脹冷縮承載器長度變化,兩端間距的總尺寸一定要大于熱脹冷縮的變形量。
2、稱重傳感器的抗偏載性能
目前電阻應(yīng)變式稱重傳感器的抗偏載性能排列次序為:
柱式→圓筒式→蝶式→平行梁式→懸臂梁式→橋式→輪輻式(當然對于柱式雙膜片稱重傳感器
來講,比普通單膜片結(jié)構(gòu)要好一些;雙球面結(jié)構(gòu)的比單球面結(jié)構(gòu)的要好一些)。
這里必須注意以上只是從外形上辨別的,從結(jié)構(gòu)原理上的排列次序為:
柱式正應(yīng)力→梁式正應(yīng)力→單剪應(yīng)力→雙剪應(yīng)力。
從以上抗偏載性能的排列次序可以清楚地看出,在使用柱式結(jié)構(gòu)的稱重傳感器時應(yīng)該注意熱脹
冷縮的問題,比如所選用的產(chǎn)品其規(guī)定的偏載角度是多少?是否能夠滿足稱量性能的要求?
有的制造企業(yè)在產(chǎn)品樣本上介紹,其生產(chǎn)的柱式稱重傳感器性能范圍在3°之內(nèi)能夠保證計量性
能,這是一種負責任企業(yè)的表現(xiàn)。但是,我不知他們是如何測試出來的,因為據(jù)我淺顯的知識所了
解,在帶一定斜度的工作臺上進行稱重傳感器的測試是非常危險的。
二、最大秤量影響
1、靈敏度影響問題
(1)目前常用的稱重傳感器當中,其靈敏度通常為2mV/V。雙剪切梁式(橋式)結(jié)構(gòu)、單剪
切梁(懸臂式)結(jié)構(gòu)、平行梁結(jié)構(gòu)的靈敏度通常為2mV/V,柱式結(jié)構(gòu)的靈敏度通常為1mV/V,另
有一小部分懸臂梁結(jié)構(gòu)、S型的靈敏度為3mV/V。
動態(tài)電子軌道衡在稱量過程中因為有較大的沖擊載荷,所以使用靈敏度指標是1mV/V的,最
大秤量為20噸的柱式稱重傳感器產(chǎn)品;一般靜態(tài)稱量用的衡器,如,汽車衡、平臺秤等產(chǎn)品,由
于相對沖擊載荷較小,使用靈敏度2mV/V的稱重傳感器;一些采用杠桿系統(tǒng)的,或者一些不易產(chǎn)
生偏載影響的料斗秤、稱量液態(tài)物質(zhì)的衡器,可以使用靈敏度3mV/V的稱重傳感器。
(2)可能有的朋友要講,在R76-1《非自動衡器》國際建議(2006版)中,對非自動衡器模
塊兼容性核查時,針對不同結(jié)構(gòu)的衡器只是給出了一個修正系數(shù)Q,根本就沒有考慮稱重傳感器的
“靈敏度”問題,你在這里是否也在故弄玄虛?
實際上,同樣兩個最大秤量一樣的稱重傳感器,如果一個靈敏度為1mV/V,而另一個靈敏度為
2mV/V,那么其使用情況是完全不一樣的。因為相對來講,兩者之間實際載荷能力相差一半左右。
換句話講,如果兩者靈敏度相當,則靈敏度為1mV/V的稱重傳感器比靈敏度為2mV/V的稱重傳感
器負載能力大一倍。
2、交變應(yīng)力影響
許多衡器產(chǎn)品都是在動載荷作用下工作的,很少有衡器是在靜止稱量的,所以在選擇稱重傳感
器時,一定要考慮沖擊作用力的影響,在設(shè)計選擇稱重傳感器是留有一定的安全余量。但是,像汽
車衡、軌道衡等一些衡器,其不但受到?jīng)_擊載荷的影響,還受到交變作用力的影響,這些交變作用
力對稱重傳感器的破壞力,在某些環(huán)境下對一些產(chǎn)品結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的破壞力有時大于瞬時作用力,在
這樣作用下產(chǎn)生的破壞被成為“疲勞破壞”,與靜載荷下的破壞迥然不同,其破壞時應(yīng)力低于材料的
強度極限,甚至低于屈服極限。
三、安裝影響
1、固定稱重傳感器的螺栓對安裝力矩的要求
稱重傳感器安裝的緊固力度如何,是保證其使用中的邊界條件是否能穩(wěn)定的前提。裝配時緊固
力度太大,有可能將緊固螺栓扭斷;緊固力度較小,有可能達不到安裝要求。稱重傳感器不論是安
裝在承載器上,還是安裝在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上,都必須達到在重量對承重點作用后,其固定點不會發(fā)生松
動,所以固定點選用的螺栓材質(zhì)、直徑和預緊力矩都有嚴格的要求。力矩T = k.d.F(其中k=0.2)
例如,選用10.9級M24的高強度螺栓,
旋轉(zhuǎn)力 ..0.22429300140640140TkdFkgmmkgmmkgm==××.=.≈.
2、安裝力矩對稱重傳感器應(yīng)力的影響
對于某些結(jié)構(gòu)的稱重傳感器來講,由于其應(yīng)變區(qū)與安裝位置間隔比較近,在設(shè)計時又沒有考慮
隔離區(qū),所以用于固定稱重傳感器的作用力如果處理的不合適,將會影響稱重傳感器的正常輸出信
號。比如,電子計價秤使用的“平行梁式”稱重傳感器,其偏載誤差都是在安裝結(jié)束后再修正,因為
固定稱重傳感器的螺釘位置與應(yīng)變片粘貼位置同側(cè)面,且距離比較近,如果設(shè)計在兩端的效果就會
好的多。80年代引進美國的吊秤中使用的稱重傳感器在固定位置與應(yīng)變區(qū)之間設(shè)計了一道隔離槽,
就是為了減少安裝力矩對計量性能的影響。
四、稱重傳感器防護
“防護等級”這個名詞出自國家標準GB/T4208-1993《外殼防護等級(IP代碼)》,在標準的適用
范圍中規(guī)定,它適用于低壓電器外殼的防護分級。而不適用于低壓電器對機械損壞、易爆、腐蝕性
氣體或凝濕、霉菌、蟲害等條件下使用的保護。在計量檢定規(guī)程JJG669-2003《稱重傳感器》(eqv
國際建議R60),同樣國家標準GB/T7551-2008《稱重傳感器》也有相同的規(guī)定,對稱重傳感器的影
響量最大允許誤差,對于濕度符號分了三種類型。
①對標記有“N H”符號的稱重傳感器,規(guī)定不進行濕度試驗;
②對標記有“C H”符號(或沒有濕度符號)的稱重傳感器,規(guī)定做濕熱循環(huán)試驗;
③對標記有“S H”符號的稱重傳感器,規(guī)定做濕熱穩(wěn)定試驗。
從以上標準和規(guī)程中可以看出,兩者的區(qū)別之一是“溫度”影響。防水和防塵試驗的標準環(huán)境條
件基本是在常溫下進行的,而標記有“CH”和“SH”符號稱重傳感器的濕熱試驗對溫度有比較嚴格的
規(guī)定。第二,是水的表面漲力和蒸汽滲透能力的區(qū)別。雖然IPX7和IPX8的試驗要求將電器完全侵
入水中,并侵入到一定深度,但是我們必須注意到,是它在同一溫度下進行的,雖然侵入水中電器
會受到一定的壓力,但是水的表面漲力就能阻止水侵入到一些微小縫隙中。而在濕熱穩(wěn)態(tài)試驗時,
是當溫度升高至規(guī)定值后,再加入蒸汽達到一定濕度,這種嚴酷程度就不一樣了。因為溫度升高會
使微小縫隙變大,蒸汽由于不受表面漲力的影響,潮濕的氣體就會長驅(qū)直入,從而影響產(chǎn)品的計量
性能。第三,是時間問題。在防護等級IPX7中規(guī)定:“試驗持續(xù)時間至少為30min”,而在“CH”的
試驗中規(guī)定:“每一個循環(huán)持續(xù)24h的12個濕熱循環(huán)組成”;在“SH”的試驗中規(guī)定:“在規(guī)定的較高
溫度和85%相對濕度條件下,保持溫度、濕度穩(wěn)定兩天后進行”。一個是30min,一個是12個24h
或兩天,兩者的嚴酷度相距甚遠。
五、數(shù)字式稱重傳感器
1、靈敏度概念問題
目前大家公認所謂的“數(shù)字式稱重傳感器”和“數(shù)字化稱重傳感器”,都不是真正意義上的“數(shù)字傳
感器”,在R60《稱重傳感器》(2000版)國際建議中,認為這些都是裝有電子線路的稱重傳感器,
也就是說,這些稱重傳感器沒有產(chǎn)生脫胎換骨的變化,模擬稱重傳感器中使用的技術(shù)指標,在數(shù)字
式稱重傳感器中也是同等應(yīng)該遵守的。其中對“靈敏度” 的定義是稱重傳感器響應(yīng)(輸出)的變化
對相應(yīng)的激勵(施加的載荷)變化的比。用“mV/V”表示。
在過去,大家都按這個規(guī)定來考慮“模擬式稱重傳感器”的指標的,可是怎么到了“數(shù)字式稱重
傳感器”,這個“靈敏度”所表示的成了100萬碼、20萬碼等的分辨力了呢?這個“靈敏度”所反映的
內(nèi)容是什么意思?這有什么用途?是否在誤導用戶?實際上,這個“分辨力”就是指的稱重指示器的
一個模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D)指標。
在設(shè)計電子衡器時,選用什么規(guī)格的稱重傳感器,這個“靈敏度”指標應(yīng)該是一個重要參數(shù)。我,
在《如何正確使用稱重傳感器》一文中,針對模擬式稱重傳感器的技術(shù)指標,從稱重傳感器的最大
秤量、稱重傳感器的準確度、稱重傳感器的結(jié)構(gòu)、稱重傳感器的安裝等方面,針對不同衡器產(chǎn)品應(yīng)
該怎樣選擇稱重傳感器。在文中提出了一個稱重傳感器“靈敏度”的指標,我認為在選擇稱重傳感器
時,除了應(yīng)該考慮最大秤量、最小檢定分度值和準確度等級的指標外,不論修正系數(shù)如何
選擇,一定要注意稱重傳感器的“靈敏度”指標。
maxEminv
現(xiàn)在許多數(shù)字式稱重傳感器的指標中,將數(shù)字模塊A/D的有效分辨力50萬、100萬碼等作為“靈
敏度”進行表示,這樣混淆了靈敏度的概念,對一些選用數(shù)字式稱重傳感器的設(shè)計者帶來了困難。
就如同90年代時期,將稱重儀表的分辨力操作到幾十萬一樣,直到GB/T7724-1999《稱重顯示控
制器》國家標準的出版,才使這個炒作停止。
2、最小檢定分度值 minv
在R60《稱重傳感器》(2000版)國際建議中,對于最小檢定分度值的獲得,是根據(jù)稱重
傳感器的實際測量范圍,可以分成的最小檢定分度值。即
minvnDDvminmaxmin.
=。
這里的“測量范圍的最大載荷”可以等于“稱重傳感器的最大秤量”,也可以小于;
這里的“測量范圍的最小載荷”可以等于“稱重傳感器的最小靜秤量”,也可以大于。絕
對不是象某些產(chǎn)品樣本上寫的那樣,
maxDmaxEmaxEminDminEminE10000/maxminEv=。
六、結(jié)論
以上談到的一些關(guān)于稱重傳感器方面的問題,一些問題是制造單位從產(chǎn)品宣傳上有意回避自身
的薄弱環(huán)節(jié),一些問題是使用者在選擇時沒有研究明白,要解決這些問題的關(guān)鍵在于學習,認真搞
明白稱重傳感器的概念,千萬不能人云亦云。
參考文獻
1.GB/T3098.1-2010《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》。
2.GB/T7551-2008《稱重傳感器》國家標準。
3.GB/T23111-2008《非自動衡器》國家標準。
4.GB/T11014-1989《平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性》國家標準。