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再談稱重傳感器的使用問題

再談稱重傳感器的使用問題
濟南金鐘電子衡器股份有限公司 沈立人
【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,如果在設計過程中對稱重傳感器,特別是數字式稱重傳感器的一些基本參數;使用過程中不能全面考慮到環境的溫度、濕度影響;在安裝過程中不能正確執行工藝文件;就會直接影響到整臺衡器的計量性能。
【關鍵詞】 稱重傳感器;數字式稱重傳感器;熱脹冷縮;靈敏度;安裝;防護
目前我們遇到一些電子汽車衡的質量問題,雖然從直接現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,我在過去多年內根據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”、“數字式稱重傳感器使用的注意事項”、“數字式電子衡器之我見”等多篇有關文章,這次結合近年來多次參加培訓班講課時學員的反映,將認為容易出現問題的和經常發生的一些知識,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計產生一個的影響,但是對如何選擇稱重傳感器產生的影響就更大。我們知道,由于稱重傳感器結構受力特點所確定,金屬的線膨脹系數: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,其變化應為:18000mm×60×11.4/10-6=12.312mm。
這樣就出現兩個問題:
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節的,而這里所講的這個間距是不可
第十一屆稱重技術研討會論文集
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稱重科技 2012.5·南京
調節的,是在制造基礎時就已經固定的了。所以一定需要在制造基礎時,考慮到使用現場可能的溫
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,比普通單膜片結構要好一些;雙球面結構的比單球面結構的要好一些)。
這里必須注意以上只是從外形上辨別的,從結構原理上的排列次序為:
柱式正應力→梁式正應力→單剪應力→雙剪應力。
從以上抗偏載性能的排列次序可以清楚地看出,在使用柱式結構的稱重傳感器時應該注意熱脹
冷縮的問題,比如所選用的產品其規定的偏載角度是多少?是否能夠滿足稱量性能的要求?
有的制造企業在產品樣本上介紹,其生產的柱式稱重傳感器性能范圍在3°之內能夠保證計量性
能,這是一種負責任企業的表現。但是,我不知他們是如何測試出來的,因為據我淺顯的知識所了
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)結構、單剪
切梁(懸臂式)結構、平行梁結構的靈敏度通常為2mV/V,柱式結構的靈敏度通常為1mV/V,另
有一小部分懸臂梁結構、S 型的靈敏度為3mV/V。
動態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品;一般靜態稱量用的衡器,如,汽車衡、平臺秤等產品,由
于相對沖擊載荷較小,使用靈敏度2mV/V 的稱重傳感器;一些采用杠桿系統的,或者一些不易產
生偏載影響的料斗秤、稱量液態物質的衡器,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,針對不同結構的衡器只是給出了一個修正系數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、交變應力影響
許多衡器產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,在設計選擇稱重傳感器是留有一定的安全余量。但是,像汽
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稱重傳感器與稱重儀表篇
車衡、軌道衡等一些衡器,其不但受到沖擊載荷的影響,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,在某些環境下對一些產品結構所產生的破壞力有時大于瞬時作用力,在這樣作用下產生的破壞被成為“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,還是安裝在基礎結構上,都必須達到在重量對承重點作用后,其固定點不會發生松動,所以固定點選用的螺栓材質、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)見下表1。
表1 螺栓預緊力與其強度和規格的關系(F單位為kg)
直徑
預緊力F
強度
M8
M10
M12
M16
M20
M24
M27
M30
M36
5.6級
1020
1620
2360
4400
6860
9880
12900
15700
19400
普通
6.8級
1610
2550
3710
6900
10800
15500
20200
24700
35900
8.8級
2120
3360
4890
9110
14700
21200
27500
33700
49000
高強度
10.9級
3040
4810
7000
13000
20300
29300
38100
46600
67800
例如,選用10.9級M24的高強度螺栓,
旋轉力 ??0.22429300140640140TkdFkgmmkgmmkgm==××?=?≈?
2、安裝力矩對稱重傳感器應力的影響
對于某些結構的稱重傳感器來講,由于其應變區與安裝位置間隔比較近,在設計時又沒有考慮隔離區,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束后再修正,因為固定稱重傳感器的螺釘位置與應變片粘貼位置同側面,且距離比較近,如果設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變區之間設計了一道隔離槽,就是為了減少安裝力矩對計量性能的影響。
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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,規定做濕熱循環試驗;
③對標記有“S H”符號的稱重傳感器,規定做濕熱穩定試驗。
從以上標準和規程中可以看出,兩者的區別之一是“溫度”影響。防水和防塵試驗的標準環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定。第二,是水的表面漲力和蒸汽滲透能力的區別。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。而在濕熱穩態試驗時,是當溫度升高至規定值后,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直入,從而影響產品的計量性能。第三,是時間問題。在防護等級IPX7中規定:“試驗持續時間至少為30min”,而在“CH”的試驗中規定:“每一個循環持續24h的12個濕熱循環組成”;在“SH”的試驗中規定:“在規定的較高溫度和85%相對濕度條件下,保持溫度、濕度穩定兩天后進行”。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“數字式稱重傳感器”和“數字化稱重傳感器”,都不是真正意義上的“數字傳感器”,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生脫胎換骨的變化,模擬稱重傳感器中使用的技術指標,在數字式稱重傳感器中也是同等應該遵守的。其中對“靈敏度” 的定義是稱重傳感器響應(輸出)的變化對相應的激勵(施加的載荷)變化的比。用“mV/V”表示。
在過去,大家都按這個規定來考慮“模擬式稱重傳感器”的指標的,可是怎么到了“數字式稱重傳感器”,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
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稱重傳感器與稱重儀表篇
一個模數轉換(A/D)指標。
在設計電子衡器時,選用什么規格的稱重傳感器,這個“靈敏度”指標應該是一個重要參數。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、稱重傳感器的結構、稱重傳感器的安裝等方面,針對不同衡器產品應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,不論修正系數如何選擇,一定要注意稱重傳感器的“靈敏度”指標。 maxEminv
現在許多數字式稱重傳感器的指標中,將數字模塊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,對一些選用數字式稱重傳感器的設計者帶來了困難。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。絕對不是象某些產品樣本上寫的那樣,maxDmaxEmaxEminDminEminE10000/maxminEv=。
六、結論
以上談到的一些關于稱重傳感器方面的問題,一些問題是制造單位從產品宣傳上有意回避自身的薄弱環節,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《平衡電壓數字接口電路的電氣特性》國家標準。

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