通過汽車衡、皮帶秤和配料秤，談談在校準中的一些值得討論的問題。介紹一些 近年對電子秤校準技術的動向和方法。
一、前言
在工業生產過程中使用著各種類型的電子秤，有 通用型的，也有很多是根據生產過程配套使用的特 殊結構的電子秤，這些配置在工業生產過程中的電子秤， 由于生產過程不可能隨意停頓和工藝過程的限制， 一般情況下對電子秤的校準都存在不同程度的困難。 工業生產過程中使用的很多衡器是工藝過程使用， 屬于非強制檢定電子秤。從原則上是由廠家自行檢定。 這樣對如何配置廠內的電子秤檢定資源、人員的檢定 培訓和對廠內電子秤的管理都是需要研討的問題。
二、電子秤校準的基本要求
電子秤是人們生活中使用最為廣泛的計量器具， 人們用它來測量物體的重量或質量。在物理學中質 量、長度和時間是三個基本物理量。“質量”的概念 是在1700年左右由牛頓作為經典力學引入的一個 “物理量”用來描述物體在運動時的“慣性”而我們 的感官不能直接感受質量。但早在公元前兩、三千 年人們就懂得杠桿平衡原理，即用簡單的等臂天平 來測量物體的重量或質量。現在的各種衡器同樣是 測量物體質量的計量器具。砝碼是質量計量的標準 器，通過它將約定的公斤基準砝碼的標準質量傳遞到各類電子秤來統一質量的量值。
大多數類型的電子秤都可通過砝碼來校準，對于 不能直接用砝碼校準的電子秤，如皮帶秤等自動衡器， 也需通過間接方法，使校準值能溯源到公斤基準砝 碼。使被校準衡器的稱量值能溯源到公斤基準砝碼， 是衡器校準的基本要素。電子秤校準的另一個基本要 素是校準的方法和程序應盡量與電子秤的實際稱重過 程一致。即滿足我們計量的“準確一致、正確使用”的 原則。至于溫度、濕度等影響因子和干擾因子，則是 根據電子秤使用的環境條件而定。
對于大型電子秤的檢定，需要配備數噸到數十噸 砝碼。這不論對用戶，還是對基層的計量部門往往所 配備的砝碼量都達不到法定檢定量的要求。另一方 面用戶要將這些砝碼定期送到計量部門也是件費 力、費時、費錢的事，這是一個普遍問題。
使用砝碼比較儀高精度大量程秤）通過與精度 高的砝碼比較來檢定大砝碼，己得到大家的認同，所 以有條件的用戶可以通過這種方法檢定所用砝碼， 甚至可自己購買裝置自行檢定，只需定期將該裝置 送計量部門檢定。
近年國外對非強制管理的衡器，即生產中工藝用電子秤，使用數字系統實現無砝碼校準。另一種方 法使用顯示器在校準時有放大稱重顯示值的功能， 例如PR1720現場總線轉換器Fieldbus Transmitter)
就有這種功能，可將示值的分辨率放大100,以提高 砝碼校準點精度，可減少標定砝碼的數量。這兩種 方法對一些設計成熟的衡器，如斗秤、罐秤以及鋼 鐵、冶金行業用的大量工藝秤都是很有效的。
三、對汽車衡校準的討論
靜態汽車衡是應用極廣泛的大型衡器，而且絕 大多數被用作貿易結算，它的準確性直接影響廠家 和用戶的利益。
汽車衡的特點如下：
?幾乎無例外的都處于室外工作、環境比較差。
?承載臺面至少在八米以上，最長的可達二十 四米以上，而寬度為三至四米。
?最大稱量最低也有二、三十噸，高的可達二百 噸以上。在稱重時，載荷分布在各類衡器中是最不 均勻的衡器。
正是由于汽車衡的這些特點，使得對它的使用 和校準中有一些值得探討的問題：
汽車衡所用傳感器與汽車衡使用環境之間 溫度差異顯著的問題。根據OIMLR60國際建議和 國內標準、檢定規程都規定傳感器的檢定溫度為 -10°C至+40°C，即使用溫度。而汽車衡的使用溫度， 就北京地區而言保守講為-10°C至60°C。顯著超過 傳感器的使用溫度。這樣就產生一個問題，在超過 傳感器使用溫度，汽車衡是否還能保證其規定的準 確度？若不能，最大可能造成多大的誤差？在電子秤 中，傳感器的品質起著決定性作用，它的誤差分配因 子為p=0.7是誤差分配因子中最高的。因此，傳感器 的使用溫度與汽車衡使用溫度間的顯著差異的矛盾 是值得探討的問題。
汽車衡在稱重時是處在明顯的不均勻承載 狀態，車輛是以輪軸為載荷“單位”按一定間隔分布 的非均勻載荷體，重量主要集中于車輛的裝貨箱部 分。
我國對汽車衡的校準是按照所謂標稱秤量 (nominal capatity)的方式來進行。即檢定時將砝碼均 勻的放置在秤臺上，并使用“四角”加載法檢測偏載， 與校準平臺秤的方法相同，與汽車衡使用時稱重狀 態相差甚遠。上世紀八十年代，美國的衡器生產廠 家和使用者就注意到這樣問題，按標稱秤量方式校 準的衡器，在某些情況下會遭受到預想不到的結構 上的損壞。當然有些廠家會對用戶說明對被稱重車 輛軸重的限制，即對衡器承受局部載荷的限制量，但 在當時美國政府管理部門并未對此作出規定，為了 探求解決汽車衡負載量的一致方法，于1987年在稱 重與測量國際會議NCWM)的技術要求和公差委員 會上對此問題進行了討論。提出汽車衡分段局部) 載荷量，標稱載荷量和中間跨越載荷量的概念，它們 在等精度條件下所能稱量的最大載荷值是不相同 的。與此同時，衡器制造協會SMA)提出了汽車衡標 稱秤量與集中載荷稱量 ( concentrated load capacity) 之間的關系。
標稱秤量≤CLCX N-0.5)
其中：CLC是集中載荷稱量的簡寫；
N是秤的分段數，按傳感器支撐中間跨距 區分的分段數。
美國除要求汽車衡標出標稱載荷外，還要求標 出CLC量。這不僅能真正保證衡器的準確性，而且 能保證衡器使用的安全性。另外根據美國44號手冊 還規定汽車衡跨距的最大載荷量，該載荷量是按照 聯邦高速公路管理局，根據車輛的載重量，軸載荷量 以及輪軸的排列制定的。對此有興趣的讀者可閱讀 美國44號手冊的有關內容，此問題也是值得國內廠 家和用戶對汽車衡的檢定、生產和使用方面探討的 內容。
(3)通常汽車衡的稱重臺面可以處于自由浮動狀態或靜止狀態。前者是由限位螺栓限制秤臺的活動范圍，后者是用拉桿限位器限制秤臺在水平方向的移動，保證秤臺的受力狀態。在此需要考慮的是，在稱重時，車輛對秤臺沖擊力的影響，為了使讀者對此沖力的大小有一個概念，下面舉例說明，一臺3mX8m，稱量30t的汽車衡，稱重臺重約10t。當一輛重20t的汽車，以1km/h=27.8cm/s的速度駛上秤臺時，可能產生的沖力。此速度大約相當人的步行速度。此時車輛的動量為:nru=20f1km/h=556(9 kg-m/s)一般而言，車輛駛上秤臺后，在零點幾秒至三、五秒時間內會停頓。按物理學的沖量原理，由此將產生一
至五、六噸的沖擊力。對于使用拉桿限位的秤臺，沖力主要作用于拉桿；對限位螺栓的秤臺，沖力的很大成分將作用于傳感器;這樣大的沖力長期作用對傳感器的損害是不能忽略的。因此不僅會影響汽車衡
的精度，還會降低汽車衡的使用壽命。
四、皮帶秤的校準
本節主要討論傳輸皮帶秤，即國際建議的“連續 累計自動衡器”在校準和使用中的一些問題。對配料 或定量給料皮帶秤的類似問題不做重點講述。
傳輸皮帶秤，以下簡稱皮帶秤，是對大宗散料計 量的主要衡器，它是所有電子秤中稱量能力最大的衡 器，每小時的連續稱量能力可達數萬噸，是港口、電 廠、冶金、礦山計量大宗散料的最主要的電子秤。由于 它稱重原理的特殊性，成為各類電子秤在使用中對其 準確度質疑最大的衡器。這主要是因為，在現場與皮 帶秤的稱重機配合使用的皮帶輸送機的工作狀態是 千變萬化的，往往是不能由衡器生產廠家所控制的。 電子秤廠家僅生產皮帶秤的稱重機，而由皮帶輸送機 所造成的“皮帶效應”是廠家不易控制的，“皮帶效 應”是皮帶秤的主要誤差來源。
為了描述皮帶秤的稱重原理，曾有不少人得出 了對皮帶秤簡化模型稱重狀態的解析數學表達式， 但至今仍停留在一維的模型，而不是三維的空間模 型。
簡單而言，作用在皮帶秤稱重傳感器上的力F, 減去皮帶自重的作用力Fq,就是物料的作用力，
上式的后面兩項是由于“皮帶效應”引起的附加 干擾力。第一項是假定皮帶是完全柔性，由于托輥不 等因素的修正系數。第二項k2是由于皮帶的剛性， 厚度和托輥滾筒形狀有關的附加作用力。曾有不少 人對“皮帶效應”的這兩種影響得到不同的數學表示 式,遺憾的是由于“皮帶效應”的復雜性，均不能與實 際有很好一致性，很難用來指導皮帶秤的實際應用。
另一方面，由于“皮帶效應”對每臺特定的皮帶 秤而言，它引入附加力的固有性，所以在皮帶秤實際 稱重時，作為系統誤差來處理。然而在處理中，困難 在于皮帶秤是動態稱重秤，而且稱重狀態復雜，企圖 將“皮帶效應”作為系統誤差，如同靜態稱重的“置 零”，“非線性”進行完全修正都比較困難，這是因為:
1）不同載荷時，由于傳感器的形變量，秤架的變 形，以及托輥的狀態，均使得皮帶秤的準直度發生變 化。
2)不同載荷時，皮帶的張力不同，氣候對皮帶張 力的影響也是不能忽略的，特別是濕度的影響，使張 力變化量增大。
3)這些影響使得皮帶秤的“置零”不準確度，“非線 性”修正的不準確度不可能很高，是構成測量誤差的 主要因素。
根據JJG195-2002國家計量檢定規程中“計量 性能要求”的零點穩定度就可看出“皮帶效應”的影 響有多大。
對于模擬試驗的要求是，五次試驗，每次三分鐘。其累計值的最大值與最小值之差，不得超過最大流量下一小時累計載荷值的上述百分數。而對于現場試驗，則要求在最大流量條件下皮帶轉三整圈，并使盡量接近三分鐘，且在此時間的累計值不得大于該皮帶秤的最小累計載荷Σmin。試驗累計器的示值與初始顯示值間的差不得超過此試驗期間最大流量下累計載荷值的上述百分數。
由上述的計量指標可看出模擬試驗與現場試驗下零點的偏差，幾乎差了 一百倍。模擬試驗的零點穩定性代表了顯示器的性能，而在現場試驗時由于皮帶傳輸機的影響，也即是“皮帶效應”的影響，使零點
的偏差變為主要的誤差源。我們還可以從另一個角度來看“皮帶效應”的影響，以0.5級皮帶秤為例。在 首次檢定時的最大允許誤差為0.25%，由此可得到 物料試驗重復性的誤差Δ。
可見即使在物料試驗時，誤差的主要來源仍然 是皮帶本身的影響。它的大小與零點偏差幾乎相等。 “皮帶效應”的影響主要取決于皮帶傳輸機的性能, 如傳輸支架的準直、剛性、皮帶的長度以及皮帶傳輸 機與皮帶秤稱重裝置的匹配狀態。還取決于皮帶上 傳送物料重量等諸多因素。這些影響一方面皮帶在 運行中產生振動，對稱重橋形成明顯的干涉力，另一 方面在不同流量物料稱重時產生不同的準直狀態， 使皮帶張力改變，是造成皮帶秤非線性的主要原因。 因此可得到以下結論：
1)由于對皮帶秤空載時的準直/置零只能補償 掉“皮帶效應”引起的部分附加力，且不同載荷下皮 帶的準直也不一樣，張力也不一樣。這樣模擬試驗， 無論是采用鏈碼還是環碼都不能替代實物校驗。實 物校驗是正確校驗皮帶秤的唯一方法。
2）根據上面分析，皮帶秤的主要誤差取決于“皮 帶效應” 一般而言由現場試驗的零載荷的最大偏差 值無需實物校驗，就可基本上決定該臺皮帶秤的精 度級。
3）皮帶傳輸機的質量對皮帶秤的精度起著至關 重要的作用。在我國以往的文章和書本中絕大多數 是對皮帶秤的稱重秤架的技術條件和安裝條件提出 要求及規定，對皮帶傳輸機的要求提及很少。而在國 外對此確有明確、嚴格的規定，例美國44號手冊在 皮帶系統的“用戶要求”一節，對安裝和維護問題作 了規定。
4）對皮帶秤定期進行零載荷最大偏差的檢測是 保證和維護皮帶秤是否保證正常運行的好方法和評 定皮帶秤是否正常工作的依據。
五、配料秤的校準
配料秤是工業領域廣泛使用的衡器，而且種類 很多。從計量管理的角度看，均屬于非強制管理的工 藝秤。但是國際上并沒有針對配料秤的OIML國際 建議。雖然對它們的檢定可借鑒相關的國際建議，然 而由于它在現場中使用的多樣性，有時很難按現有 的國際建議來區分它屬于哪一類衡器。例如在水泥 也可用來做定量稱重，一秤完成多種物料的配比稱 重。值得注意的是，對于配料秤用戶所關心的重點是 相互配比物料的相對精度，而不是每種配料的準確度。
我以為目前OIML國際計量組織制定的八個國 際建議，即從最先的非自動衡器到最近的動態汽車 衡國際建議，主要是滿足在貿易、經濟核算和某些特 定要求的法制強制管理方面的要求。例如有關動態 汽車衡國際建議的制定。早在上世紀八十年代初，動 態汽車衡就有較廣泛的運用，而在近年由于按車輛 載重收費和控制車輛超載的要求才制定了該項國際 建議。而與配料秤有關的三個建議，即非連續累計 秤、連續累計秤皮帶秤）和定量秤，前兩個建議是針 對大宗物料計量。定量秤的精度級別是遵照OIML 國際建議第87號“定量包裝商品凈含量”來劃分，是 一種按百分比誤差和絕對誤差相間比較異類的形式 劃分精度等級，以及按照商品隨機抽樣的原則來確 定誤差。我認為對于稱量料斗型的配料秤，按百分比 誤差來評定是比較合理的，不一定按非連續累計秤 和定量秤來確定精度級和計算誤差?？砂匆话汶S機 誤差法來計算。
配料皮帶秤雖然在稱重原理上與傳輸皮帶秤相 同，但使用目的不同。OIML的R50號國際建議，我 認為主要是針對傳輸皮帶秤而制定的。它們之間的 不同與稱量料斗式配料秤一樣，因為稱重的準確度 與配料的準確度是兩個不同的概念。稱重準確度定 義為顯示器的讀數值與被稱物真實重量的誤差值。 配料準確度定義為實際稱重值與配料的預定值之間 的差值。所以對配料皮帶秤而言，最小累計載荷 (即所能配料的最小量值是最為重要的技術指 標。對于恒定流量的配料皮帶秤，嚴格講對物料的稱 重精度不是主要的，對物流均勻度的控制是第一位。 即使是對控制皮帶運行速度的皮帶秤， 對物料的稱 重精度也不像傳輸皮帶秤的稱重精度那樣起決定性 的作用。
總之我認為對配料秤的檢定， 應當根據實際要 求，不應硬套相應的檢定規程。但基本的要求和誤差 的估計是不能違背稱重的基本原理要求。
六、結束語
廠礦、港口、倉儲使用的電子秤，大型和非標的特 殊衡器居多，加上使用環境的限制，以及要求所使電子秤的校驗和維修時間越短越好，特別是在自動化生產線中使用的電子秤更是希望能具有在線校準、在 線診斷的功能，這都對工業電子秤的校準和維修提出 新的課題。
我認為要解決工業電子秤在現場使用時校準和維 護的問題應從下面一些方面入手。
1）各電子秤生產廠家，應嚴格按照經過嚴格產品 認證的電子秤標準生產每一臺電子秤，做到每一臺產品 質量的一致性和可靠性。這樣才有可能實現無砝碼 校準和使校準砝碼量降至最少的可能。
2）由于現在顯示儀表、傳感器的長期穩定性巳 非常之高，以及傳感器在使用時，在國外巳采用組合 的模塊形式，使得電子秤的回零很好，使其能很好的保 持初始稱重條件。這樣大大提高了穩定性，置零精度 和重復性，使可能實現自診斷和自校驗等技術。例 如，大家熟知荷蘭MOLEN公司的SCS系統的非自 動累計糧食秤，使用兩支傳感器背靠背串聯受力，來 診斷該秤的工作是否正常，其判斷精度為一個分度 值，這就要求該稱重系統的穩定性和重復性很高。
3）使用新技術，如使用數字系統實現無砝碼校 準；在衡器校準時，顯示儀表有增大顯示分辨率的功 能，這樣可減少標準砝碼的數量；使用具有電流校準
(Current Calibration)參數的傳感器，可大大提高傳 感器并聯的一致匹配性，在更換傳感器時可以免除 重新校準仍能保持原來的校準精度的技術, 以及其 它的自校驗，自診斷技術的運用。
4）對于皮帶秤，根據前文的分析，其測量誤差主 要取決于“皮帶效應”的影響，根據對皮帶秤零載荷 的最大偏差的測量，就可以基本上確定該皮帶秤的 誤差。在國外每天或每次使用皮帶秤之前都要求測 量皮帶秤的零載荷的最大偏差，并詳細記錄，若零點 無明顯變化，就說明皮帶秤工作正常。在定期配合鏈 碼，環碼或掛碼的模擬實驗，檢查皮帶秤的線性。這 樣就可大大延長皮帶秤的實物校準周期。國外有的 國家對皮帶秤的檢定周期可達五年以上。因為大型 皮帶秤，流量可達每小時兩萬噸以上，做一次實物校 準不僅費時、費力而且費用是非常之高。
5)對工業電子秤的校準，不要僅教條的參照 OIML國際建議，還應參考其它國家的校準標準，如 美國的44號手冊，歐洲的計量器具指令。再根據工 業衡器的使用特性，合理的對一些工業衡器進行校 準。例如有的工業衡器很難進行偏載試驗，在44號 手冊中就規定此類衡器可不進行偏載試驗，在44號 手冊中對III級秤是分為III級和IIIL級，即把大載荷 衡器和小載荷衡器區分對待。在試驗時也不全同。對 大型衡器的最小載荷實驗，若使用試驗砝碼Test weighs)規定為12.5%或5000kg,若使用試驗負載 (Test load)則規定為25%。這與OIML的規定是不同 的。對大型罐秤校準經常由于無法放置砝碼或無法 放置足夠的砝碼，在沒有無砝碼校準技術時，曾規定 可用流量計來校驗。
當然對于國家強制管理的用于貿易結算的秤， 還是應當嚴格遵照國家規定的檢定規程進行校驗， 但我認為對非強制管理的工藝類衡器，一方面是應 當根據使用的實際情況，遵照國際建議的原則進行 校驗，另一方面也應當總結一套適合工業用秤的校 驗方法，使其達到在不同地方、不同場合對此類衡器 校準程序能有一致性和可比較性。
以上是我的一些看法。供大家參考。
