大型衡器檢測方法探討

大型衡器檢測方法探討

濟南金鐘電子衡器股份有限公司  沈立人

    [前言] 隨著大型衡器的不斷增多，近年來針對大型衡器的檢測工作，各行業的專業人員根據個人工作實踐經驗，提出不少行之有效的測試方法。在此談一點個人的想法。任何一種檢測方法要具有生命力，首先是在理論上可行，其次是有法律支持，三是使用方便。下文就幾種檢測方法進行分析、比較和探討的同時，與同行商榷。
    關鍵詞：大型衡器 檢測
一、 問題的提出
    1.大型衡器的概念
    近年來隨著工業經濟在生產工藝過程中對產品質量的要求提高，在一些重點工序中要求一些專用衡器，特別是在冶金、石化、煤炭幾個行業，大型衡器已由稱量幾十噸發展至幾百噸，個別地方還有上千噸的載荷量。同時，物流業的迅速發展，特別是高速公路的不斷普及，公路運輸業也相應得到提高，大噸位載重汽車每車的運輸量已超過百噸。這樣上百噸的汽車衡，幾百噸的軌道衡，幾百噸的天車秤、車載秤，以及上千噸的料斗（罐）秤也應運而生。
    大型衡器目前已制造出來，并已經投入運行了，其準確度如何呢？有的講運行正常，有的講說不清。究其原因是沒有相應的檢測方法，從而使制造者和使用者兩家都講不清。
    2.目前的檢測條件
    由于長期以來國家在計量基礎建設方面投資不足，造成一些縣級計量檢定單位的標準器具嚴重不足，許多衡器檢定站只有5～10噸左右20kg的小砝碼。即是省級市也只有30噸左右的汽車檢衡車一輛。相對來講一些有獨立檢定權責的特大型企業，其檢測手段比較齊備，不但有一定量的噸級砝碼，還有比較穩定的替代物。
    對于專用衡器來講，標準器足不足是一個問題，另一個問題是檢測時安放標準器的位置。絕大多數專用衡器由于受到使用現場空間的影響，無法預先設計出安放標準器的機構，這也構成必須考慮特殊檢測方法的原因。
    3.標準器的搬運問題
    即是有了足夠量的標準砝碼，是否就能方便地檢測一臺大型衡器呢？除了應考慮這些砝碼的裝卸問題之外，砝碼的運輸也是應認真對待的。在運輸費用之外，運輸安全性是制約砝碼不能長途運輸的主要問題。因為砝碼在車廂內必須固定，噸級砝碼相對比公斤級砝碼容易固定一些。但是由于普通車輛的車廂內沒有專用定位架，在運輸過程中很容易發生位移，從而造成車輛偏載，發生翻車。
二、 衡器準確度的條件
    衡器保證準確度的條件為：設計制造的合理，使用環境正常，通過檢定而量值傳遞準確。
    1.正確的量值傳遞
    在JJG555-96《非自動秤通用檢定規程》中，針對貿易結算用衡器可以用兩種方法來檢測。一種是用足量的標準砝碼，但檢定衡器用標準砝碼的誤差，應不大于衡器相應秤量最大允許誤差的1/3；一種是按規定的“替代物”，允許用少量標準砝碼和替代物結合使用。
    替代法規定：當被測試秤最大稱量大于1t時，可使用其它恒定載荷替代標準砝碼，前提是至少具備1t標準砝碼，或是最大稱量50%的標準砝碼，兩者中應取其大者。在以下條件下，標準砝碼的數量可以減少，而不是最大稱量的50%。
    若重復性誤差不大于0.3e，可減少至最大稱量的35%；
    若重復性誤差不大于0.2e，可減少至最大稱量的20%；
    重復性誤差是將約為最大稱量50%的載荷，在承載器上施加三次來確定的。
    最大稱量的35%時需要替代兩次，即
    最大秤量的20%時需要替代四次，即
    2.合理的設計制造
    在質量保證體系文件中，明確指出任何產品的質量是設計出來的，衡器這類產品也不例外。要想保證一臺衡器的使用準確度，必須確保組成衡器的四部分的質量。即，保證承載器的剛度、強度；保證基礎（包括結構）的承載力和平整性；保證稱重顯示儀表的線性、靈敏性、穩定性；保證稱重傳感器的準確度、可靠性等等。
    (1)承載器的剛度、強度
    常規設計時，承載器的承載力應按極限情況考慮。例如，料斗秤應考慮到給料結構失控時，物料溢出容器的情況；汽車衡的承載器應考慮到特種車輛，特別是短軸距大載荷的車輛，這種車的最大載荷可能沒有超出汽車衡的最大稱量，但軸載對承載器局部的作用力則很大，如果按此種情況考慮，承載器結構用材料必然很多。所以，通常在合理選擇稱重傳感器的基礎上，承載器的剛度一般在1/600-1/1000。
    但是，對目前的檢定規程來講，當使用標準砝碼檢定時，要求：使用質量大的砝碼，注意不要在放置區域形成不必要的疊放；如果使用多個小砝碼，要均勻地分布在整個區域。這樣一來，剛度在1/300左右的汽車衡承載器在檢測時，其計量準確度也能達到規程中規定的中準確度級（3級）衡器的允差要求，這恐怕就是規程的缺陷。所以建議在今后修訂規程時，其檢測條件中應增加砝碼堆放位置和數量的要求。

最大秤量（Max）	標準砝碼的最少量
Max≤	Max
5t<Max≤25t	5t
25t<Max≤50t	20%max
50t<Max	10t

    (2)標準器的安放位置
    在國際法制計量組織（OIML）R107《非連續累計自動衡器》國際建議和R61《重力式自動裝料衡器》國際建議，都要求承載器應配備相應的位置或設施，便于安全可靠放置規定量的砝碼或替代物。
    《非連續累計自動衡器》是這樣規定的：衡器的承載器應有便于放置表中標準砝碼數量的裝置。
    《重力式自動裝料衡器》是這樣規定的：承載器應留有放置最大秤量試驗砝碼或質量塊的位置或設施，以便安全可靠地放置砝碼或質量塊。
    而其他許多產品的標準中沒有類似的要求，更有許多產品由于受空間位置所限，雖然稱量值較大，但其承載器太小，根本無法考慮標準器的放置位置問題。當然，也有一些產品是由于設計者缺乏經驗，忽視了衡器的檢測問題。
    3.正確的檢測方法
    在JJG555-96《非自動秤通用檢定規程》中針對“偏載”檢測，介紹了承載器四種情況下的不同檢測方法，比較全面的囊括了目前存在的各種衡器的偏載檢測問題。但是在執行中還存在不少問題。
    (1)汽車衡的檢測
    如前所述，汽車衡承載器常規設計時其剛度應在1/600以上。但是，剛度1/300的承載器也能通過計量性能檢測的實際情況，就說明規程存在漏洞，或是我們目前所執行的方法不當。
    規程中講：對于稱量滾動載荷的衡器，應在承載器的不同位置上施加標準質量滾動載荷，其載荷約等于通常最重且最集中的滾動載荷，但應不大于最大秤量與最大添加皮重量之和的0.8。
    試想，如果汽車衡按此條規定進行檢測，承載器剛度低的產品必定難逃不合格的命運。即是，按交通部2號令中的車輛最大的額定載荷標準，三聯軸（每側雙輪胎）載重質量為22t的載重加載，對于剛度低于1/600的承載器，當載荷加在兩對支撐點之間時，其計量準確度也是很難保證的。
    (2)軌道衡的檢測
    在《數字指示軌道衡》計量檢定規程中規定：對于偏載檢定，當使用T6F砝碼檢衡車時，砝碼小車重約為24t；對于稱量性能檢定，要求按秤量由自行秤量到最大秤量的順序進行，且應包括500e和2000e的秤量點。對于用砝碼小車24t進行七點檢測，一般結構的承載器都能保證其計量性能。
    而對于2000e的秤量點，當e=20kg時，恰好該點重量為40t。用T6F檢衡車進行檢測，一般會很順利合格通過。如用砝碼小車40t進行檢測，就會帶來問題。因為規程中沒有明確檢測設備，也沒有明確檢測車輛停放位置。假如40t的砝碼小車停放在支撐點上方，可能不會有較大誤差，但是當砝碼小車停放在兩個支撐點中間時，或者在承載梁的中間時，那么會出現什么情況呢？結果是可想而知的。
    (3)特殊衡器的檢測
    除了大量的通用衡器之外，還有一些量大面廣的特殊衡器，這些衡器有的是稱量較大而承載器較小；有的沒有常規的明顯的承載器。無法設計放置標準砝碼的結構，或只能放置一部分砝碼。
    ① 輪重儀的檢測
    當一套（兩個輪重儀）單軸稱量系統用于超載檢測時，在受控區域內使用前必須對其進行計量性能檢測，每個輪重儀的最大秤量是15t，而其面積只有0.4×0.7m2,如何檢測最大秤量的計量準確度？有的朋友可能會說，在出廠之前是用疊加法已經測試合格，到現場沒必要再測了。這是不對的，因為輪重儀的基礎改變了，其測試條件也就改變了。通常采用的方法是，在兩塊輪重儀上加放附加臺板，以擴大承載面積。
    ② 不斷軌軌道衡的檢測
    在這里講的不斷軌軌道衡不是指鐵路上使用的那種產品，是指冶金行業中使用的煤塔秤。因為在這里使用的不斷軌軌道衡是靜態計量，其必須進行靜態檢測。通常煤塔秤的最大秤量為一百多噸，即是被稱量的煤炭凈重也有幾十噸，如果也在兩根稱重軌上加放附加臺板，再向上加砝碼或替代物，檢測起來非常麻煩。
    ③ 鋼包秤的檢測
    鋼包秤作為冶煉過程中必備的計量設備，常用的形式是稱重模塊式。如果將稱重模塊安裝到大包迥轉臺上或鋼包車上后，再用標準砝碼對其計量性能進行測試時，根本就沒有安放砝碼的地方。不要說標準砝碼法了，就是用替代法也是比較困難的（當然，如果將標準砝碼放在大包內也是可以的，但標準塊的取放也不方便）。
    最好的方法是疊加法，先在工廠內測試，通常是同時對一套系統進行測試，而后直接安裝在支架上使用。因為鋼包秤的允許使用誤差較大，即是存在較大偏差，也不會影響正常使用。
三、 幾種檢測方法比較
    在這部分內我想將檢測方法分為兩塊，一塊是在規程中被認可的，一塊是我們這次需要探討的。
    1.符合法規的方法
    根據計量法，在計量檢定規程中被認可的檢測方法有以下幾種：
    (1)標準砝碼法
    標準砝碼法即是使用砝碼檢測被檢衡器的全部計量性能，所使用砝碼的誤差必須是被檢衡器相應秤量值最大允許誤差的1/3。但是對于被檢定衡器，在首次檢定時必須測試最大秤量的稱量準確度，而在后續檢定時稱量測試可根據實際使用情況，如果不測試至最大秤量，至少測試至2/3最大秤量。這樣對于大型衡器來講就需幾十噸，甚至上百噸的標準砝碼，如前所述目前各地計量監督部門根本沒有如此多的標準砝碼，其只好采用替代法，或只檢測到前面的部分量程。
    (2)標準砝碼的替代
    當被檢衡器最大秤量大于1t時，沒有足夠多的標準砝碼檢測衡器全部計量性能時，允許使用其他恒定載荷替代標準砝碼，其前提是至少具備1t標準砝碼，或者是最大秤量50%的標準砝碼，兩者中應取其大者。在滿足以下條件時，標準砝碼的數量可以減少，而不是最大秤量的50%。
    若衡器的重復性誤差不大于0.3e，可減少至最大秤量的35%；
    若衡器的重復性誤差不大于0.2e，可減少至最大秤量的20%；
    重復性誤差是將約為最大秤量50%的載荷，在承載器上施加三次來確定的。
    如前所述，采用最大秤量的35%的標準砝碼需要替代兩次，采用最大秤量的20%的標準砝碼需要替代四次。在目前一百噸、八十噸大型衡器如此普及的情況下，即是使用35%的標準砝碼替代兩次，也需要較長的時間和較大的人力物力。更何況隨著測試時間的加長，會將一些無關的誤差帶到稱量誤差中來。再則，根據以上規定，當只有十噸以下標準砝碼的縣級計量管理部門，在檢測五十噸以上衡器時也無法采用此方法。
    (3)集成式檢測方法
    在國際法制計量組織所制定的R61《重力式自動裝料衡器》、R107《非連續累計式自動衡器》和R134《動態公路車輛自動衡器》三個國際建議中分別都提到了一種檢測方法，即“集成檢定法”。這種方法是使用被測衡器的自有裝置確定被稱物品質量的約定真值，主要用于檢測被測衡器的動態稱量準確度指標。
    使用這種檢測方法的前提，一是要求被測衡器的靜態稱量準確度必須達到一定指標，并且要有一定的軟件和硬件條件來保證檢測過程正常運行。二是集成式檢測方法是針對自動衡器使用的。
    2.需要進行探討的方法
    鑒于目前我國在檢測大型電子衡器中存在的問題，我想在此探討幾種檢測方法的可行性，以解決檢測中出現的一些難題。
    (1)疊加法（比對法）
    在1982年首次提出用疊加式標準機檢測負荷傳感器的工作原理和實施途徑以來，1989年被列入力值計量器具檢定系統框圖，1992年疊加式力標準機檢定規程分布實施以來，疊加式標準機已在全國各傳感器生產單位普遍得到使用。
    疊加法可以檢測準確度高于衡器的稱重傳感器，為什么不能用來檢測衡器呢？
    這里首先是一個立法問題。即在有關檢定規程中確立疊加法檢定衡器的可行性地位；其次是具體的檢測方法和步驟問題，即如何檢測偏載，如何進行不同稱量值的性能檢測，如何進行鑒別力的檢測等等；關鍵是衡器本身的結構如何滿足這種方法的實施問題。
    如果用疊加法來檢測一臺衡器的方法可行，那么檢衡車上拉的就不是標準砝碼，而是液壓系統和檢測結構了。這不論從載重量上，還是運輸的安全性上都好的多。
    當然，用疊加法檢測衡器還有一些技術問題有待解決。
    ① 檢測結構的問題
    對于偏載檢測，檢測用結構比較簡單，對于稱量檢測，其檢測用結構就比較復雜和笨重了。
    ② 關于加載點問題
    對于偏載檢測，檢測時加載點是作用在稱重傳感器上方的承載器上的；但對于各稱量點準確度檢測時，其檢測點與承載器接觸面積也不會大，最大也僅僅是作用在一條線上，不可能象砝碼一樣有較大面積的壓在承載器上。由此可以想像到，用疊加法檢測衡器稱量準確度的這個方法，對承載器的剛度、強度要求比用砝碼法高的多。
    ③ 以點代面問題
    偏載檢測時所用載荷量是該衡器最大秤量的1/n-1，也就是講，幾個稱量點所用載荷量的總量大于該衡的最大秤量。是否可以這樣認為，當一臺衡器在偏載檢測合格后，其稱量準確度就不必再檢測了（當然，這是建立在承載器結構的剛度設計合格的前提之下）。
    ④ 標準問題
    我想要在大型衡器上采用“疊加法”檢測其計量性能取得合法地位，如前面所講的立法問題，就是要首先制定一部相關的產品標準和產品檢定規程。用產品標準對有關衡器的結構進行規范；用產品檢定規程對有關的檢測器具、標準器提出要求，使檢測程序、檢測方法和檢測部位規范化。
    在過去的幾十年中一些企業已將“疊加法”的檢測方法應用到非貿易結算的衡器上，并且取得大量經驗，我們可以在專用雜志和論文集中看到它們的身影。經過如此長時間了，為什么沒有將此法推廣開來？其主要原因可能就是沒有給此法正名吧。
    ⑤ 力源的穩定問題
    力源的穩定性是反映系統控制性能的重要指標，也關系到整機計量性能的準確度問題。許多地方使用簡單的液壓千斤頂作為力源，使用疊加法檢測衡器，由于各個環節在外力作用下都在發生變形，所以作用于傳力系統上的力是彈性的，這樣從稱重顯示器上就讀不到一個穩定的示值，很難說清楚測量的準確度是多少了。目前在疊加式力標準機上用于補償力值變化的方法，主要有壓電陶瓷裝置和電液伺服控制裝置。但是使用這兩種控制裝置的疊加檢測系統造價比較高，推廣使用比較困難，建議研制普及型的產品。
    (2)計算法
    ① 理論基礎：
    計算法的理論基礎是：

	載荷當量值
輸出信號＝供橋電壓×稱重傳感器靈敏度×
	稱重傳感器數量×稱重傳感器最大秤量

    ② 方法步驟：
       a 首先，檢測出空載狀態時的輸出信號值；
       b 其次，加1/10最大秤量標準砝碼，并檢測出此時的輸出信號值；
       c 然后，再連續加兩個1/10最大秤量標準砝碼，檢測出此時的輸出信號值，并比較其線性；
       d 如果有條件，可再加一定量值的標準砝碼，測出其輸出信號值，且與前線性進行比較。
    ③ 相關影響量：
       a 供橋電壓的偏差值修正；
       b 稱重傳感器靈敏度偏差值修正。
    ④ 基本條件：
    采用計算法的前提條件是生產地位必須提供以下基本器件的相關參數：
       a 稱重傳感器準確度是多少；
       b 稱重顯示控制器線性指標是多少；
       c 承載器設計剛度的計算數據；
       d 衡器基礎的承載力要足夠。
    也可以講，計算法是一種綜合控制法，我們可以根據制造單位所提供的承載器計算參數，將有限的標準砝碼集中放置于承載器的局部位置，用百分表或鋼尺測量出承載器的變形量，來核對制造單位所提供的計算參數，這樣檢測者不但得到該稱量值的計量誤差，也同時得到該衡的承載能力指標。
    (3)工廠檢測法
    有些朋友認為數字式衡器可以在出廠前將有關參數設置進稱重顯示器和數字式傳感器中，產品到使用現場就沒有必要測試了。這種方法對于允許誤差大的產品，可能是可行的。但由于受到產品結構和現場安裝條件的限制，可能測試結果會超出最大允許誤差，不易推行。
    ① 稱重傳感器安裝位置有偏差，各只稱重傳感器的承受載荷有不同變化；
    ② 承載器設計結構與實際有出入；
    ③ 加工工藝控制有問題，承載器結構形變大小不一；
    ④ 基礎高度不一致；
    ⑤ 基礎施工工藝控制有問題等。
    3.幾種檢測方法的比較
    為了方便的比較各種檢測方法，特從它們的適用范圍、使用效果、使用成本幾個方面進行比較。

項目	標準砝碼法	替代法	集成式檢測法	疊加法	計算法
使用范圍	適用于小量程的衡器	適用于大量程的衡器	適用于自動衡器	適用于大量程的衡器	適用于大量程的專用衡器
使用效果	量值傳遞可靠	量值傳遞可靠但檢測 時間較長，使一些誤 差產生疊加	對于量程大的自 動衡器來講，檢 測時省時省力	量值傳遞可靠，檢測 時省時省力	能滿足專用衡器的計量性 能檢測且省時省力
使用成本	高	中	中	低	低

四、 今后的工作
    1.立法問題
    今后我們需要做的首要工作是立法工作。
    在《中華人民共和國標準化法》中規定：工業產品的設計、生產、檢驗、包裝、儲存、運輸、使用的方法或者生產、儲存、運輸過程中的安全、衛生要求應當制定標準。
    在《中華人民共和國計量法》中規定：計量檢定必須按照國家計量檢定系統表進行。國家計量檢定系統由國務院計量行政部門制定。計量檢定必須執行計量檢定規程。
    在R76《非自動衡器》國際建議中針對檢定標準器的問題，列出三條內容，一是砝碼、二是輔助檢定裝置、三是標準砝碼的替代。其中3.7.2輔助檢定裝置中規定：如果衡器配備輔助檢定裝置，或以單獨的輔助裝置檢定時，則該裝置的最大允許誤差應為所檢載荷最大允許誤差的1/3。
    而這個內容在JJG555-96《非自動秤通用檢定規程》中是沒有的，這也就是我們要求立法的依據。“輔助檢定裝置”是一種什么樣的東西呢，這在國際建議中沒有講，但其講：該裝置的最大允許誤差應為所檢載荷最大允許誤差的1/3。那么，我們前面所講的幾種方法是否可行，是否還有其他方法呢？這就應在立法前對這些方法進行測試篩選。
    2.數據測試
    建議在修訂產品標準和檢定規程之前，國家有關行政管理部門應組織有關專家，針對幾種采用輔助檢定裝置檢測的方法進行研究分析，對行之有效的方法定出鑒定大綱，然后再組織人員進行較大范圍的測試，在對此數據進行分析后再交有關技術委員會研究。
    以上是個人一點不成熟的想法，在此寫出來與同行交流的目的是為了拋磚引玉，大家集思廣益，使大型衡器的檢測工作簡單、可靠且準確。

參考文獻

    1.國際法制計量組織 R76《非自動衡器》
    2.國際法制計量組織 R61《重力式自動裝料衡器》
    3.國際法制計量組織 R107《非連續累計自動衡器》
    4.國際法制計量組織 R134《動態公路車輛自動衡器》
    5.JJG555-96《非自動秤通用檢定規程》
    6.JJG539-97《數字指示秤》
    7.陳龍海 平臺秤非砝碼檢定方法的探討 全國第二屆測力與稱重技術學習論文會 論文集
    8.夏國泰 大中型衡器非砝碼校驗的探討 全國第二屆測力與稱重技術學習論文會 論文集
    9.陳先林 對電子衡器生產廠家的兩點建議 衡器 2004年 第4期
    10.肖興華 料斗電子秤非砝碼校準方法 計量信息報 2004年第496期
    11.謝顯奇 疊加式力標準機在衡器行業的應用和進展 首屆全國稱重技術研討會 論文集