稱重技術(shù)的基本概念

在實(shí)際稱重技術(shù)工作中，會(huì)發(fā)現(xiàn)由于違反了稱重技術(shù)的基本概念，導(dǎo)致研制產(chǎn)品的失敗和無(wú)法解決或不能理解工作中遇到的問(wèn)題。遺憾的是往往一些衡器工作者不重視這些概念性的基本問(wèn)題，特別是現(xiàn)在由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，很多人企圖通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)解決由于違反基本原理所帶來(lái)的困難，而實(shí)際上這是徒勞無(wú)益的。

一、力矩平衡、靜不定系統(tǒng)

重力式稱重系統(tǒng)和常用的衡器。除了吊秤等極少數(shù)衡器，被測(cè)物的重力與用來(lái)測(cè)力的器件，如傳感器，它們的力互為平行力，而不是共點(diǎn)力，因此測(cè)力的數(shù)學(xué)方程是建立于力矩平衡的基礎(chǔ)上。由于習(xí)慣的“直觀”思維，例如對(duì)汽車衡之類的衡器，會(huì)直接把四只傳感器測(cè)出力相加，就等于被稱物的重量。這種習(xí)慣性的結(jié)果，就是在實(shí)際校準(zhǔn)汽車衡時(shí)，不按規(guī)定調(diào)整偏載，甚至不調(diào)偏載，其結(jié)果是同樣重量的物體，當(dāng)重心處于承載器的不同位置，顯示結(jié)果會(huì)有明顯的差異，且示值超差。這種現(xiàn)象在調(diào)偏時(shí)，在四角放置檢定磚碼，通常均會(huì)發(fā)生。這是為什么呢？因?yàn)榇藭r(shí)的汽車衡是靜不定系統(tǒng)。*，超過(guò)三個(gè)以上支承測(cè)力點(diǎn)的系統(tǒng)，均為靜不定系統(tǒng)，例如汽車衡，此時(shí)有四個(gè)支承傳感器，而只能得到三個(gè)平衡方程，因此無(wú)法求得四個(gè)稱重點(diǎn)受力的大小，即此時(shí)四支傳感器的力值相加的合力大小，并不等于被稱物的重力。

二、型式批準(zhǔn)與檢定

衡器是屬于強(qiáng)制性管理的計(jì)量器具。對(duì)于新型產(chǎn)品和廠家初次生產(chǎn)的產(chǎn)品，必須經(jīng)過(guò)法制計(jì)量部門對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行型式批準(zhǔn)，通過(guò)后才能投產(chǎn)。對(duì)于新型產(chǎn)品，需對(duì)其衡器的原理、結(jié)構(gòu)甚至某些特殊要求的材料進(jìn)行審定。第二對(duì)是否有合理、可行的檢驗(yàn)方法，并制定出試驗(yàn)文件才能進(jìn)行型式批準(zhǔn)。對(duì)于廠家初次生產(chǎn)已有的衡器，則只需要按照已有規(guī)程進(jìn)行型式批準(zhǔn)。由于我國(guó)廠家所生產(chǎn)的衡器，幾乎都是已有的衡器，往往有的廠家在所生產(chǎn)的衡器增加與原產(chǎn)品不同的可能影響稱重結(jié)果的部件，我們卻沒(méi)有對(duì)這些新加部分進(jìn)行審定。而在國(guó)外對(duì)新型衡器的型式批準(zhǔn)很嚴(yán)格，例如在德國(guó)早在 1775 年左右就有了定型的傾斜杠桿秤，但直到 1876 年才通過(guò)型式批準(zhǔn)正式使用。由于計(jì)量法規(guī)的制約，影響了傾斜扛桿秤在德國(guó)的發(fā)展。另外應(yīng)變式稱重傳感器的電子秤，直到傳感器的不確定度小于千分之一時(shí)，在 1966年才獲得型式批準(zhǔn)。

型式批準(zhǔn)的目的，只在于確認(rèn)一種新型衡器在原理、結(jié)構(gòu)型式是合理的，對(duì)初次生產(chǎn)某種衡器的廠家還應(yīng)確認(rèn)它有生產(chǎn)這種衡器的能力才能投產(chǎn)。

為了保證計(jì)量器具在足夠長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)（測(cè)量的穩(wěn)定性），都可期望得到正確的測(cè)量結(jié)果（測(cè)量的正確性），這在計(jì)量法中被稱為測(cè)量的確定性。為了保證計(jì)量器具的特性，需強(qiáng)制對(duì)使用的衡器進(jìn)行檢定。

檢定包括初次檢定和隨后檢定。

初次檢定的目的在于使計(jì)量器具得到法定計(jì)量部門的認(rèn)可、準(zhǔn)許使用。確認(rèn)該衡器是否是型式批準(zhǔn)型式的復(fù)制件，并可以審查該衡器是否安裝和使用正確，具有法規(guī)所規(guī)定的功能。

隨后檢定，旨在查明計(jì)量器具上次檢定經(jīng)過(guò)一段時(shí)間使用后，其精度和性能能否還維持原法規(guī)的要求。計(jì)量部門在統(tǒng)計(jì)某種衡器隨后檢定數(shù)據(jù)，可以判斷對(duì)該類衡器的檢定周期是否規(guī)定合理，并可對(duì)廠家的衡器性能進(jìn)行評(píng)定后提出改進(jìn)意見(jiàn)。

三、限位

衡器或稱重系統(tǒng)基本的要求是載荷的作用力必須通過(guò)傳感器的受力軸線，不能有橫向力和力矩。并要求在整個(gè)使用過(guò)程稱重結(jié)構(gòu)的狀態(tài)不能發(fā)生改變，例如承載器、稱重支架。要求保持傳感器的受力狀態(tài)保持不變、稱重系統(tǒng)或承載器的死載荷（由力矩平衡的空載受力狀態(tài)）保持不變。在實(shí)際使用時(shí)，由于溫度的變化引起支承件橫向位移、風(fēng)力引起的橫向力，以及沖擊造成橫向力或阻力所作用，以及機(jī)械結(jié)構(gòu)：如基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)架、承載器、容器罐等、在負(fù)載應(yīng)力的作用下，都可能產(chǎn)生形變。這些因素均可影響測(cè)量精度。廣義而言，傳感器的加載部件（壓頭），也是為了消除橫向干擾力的限位部件。而我們通常只將在承載器和基礎(chǔ)或構(gòu)架之間安裝所消除橫向力的裝置稱為限位器。

為了防止水平力的限位裝置有兩種不同的形式：約束（Constrainers）：約束是使用強(qiáng)制的手段消除水平力，不允許在約束方向，稱重結(jié)構(gòu)、承載器傳感器之間有任何運(yùn)動(dòng)。在整個(gè)稱重過(guò)程中都起作用。

制動(dòng)（限位）（stop）：

起制動(dòng)作用的限位裝置，在稱重過(guò)程中當(dāng)承載器、稱重機(jī)構(gòu)受到外界干擾力、沖擊力等的影響，使其發(fā)生位移，破壞了原來(lái)的稱重狀態(tài)。限位器的作用在于使橫向位移限制在可控內(nèi)，當(dāng)外界擾動(dòng)消失時(shí)，衡器或稱重裝置能恢復(fù)到原來(lái)的稱重狀態(tài)。為了避免在外力作用時(shí)，沖擊力過(guò)大造成稱重結(jié)構(gòu)的損傷甚至損壞。所以對(duì)限位器的“間隙”調(diào)節(jié)是很臨界的。

對(duì)于傳感器的“限位”部件，通過(guò)包括球形壓頭、擺動(dòng)支座、自動(dòng)定位滾珠支承座，橡皮支件等。組件、馬鞍形和鏈環(huán)等均屬于限位和自復(fù)位限件部件。

碰撞螺栓限位，在我國(guó)幾乎是所有汽車衡使用的限位裝置。但這類限位存在的碰撞間隙，在運(yùn)動(dòng)期間存在壓頭造成變形和損壞。若間隙調(diào)得過(guò)小，在夏天往往使秤臺(tái)與基礎(chǔ)接觸造成力的分流甚至卡死，引起測(cè)量誤差。有的生產(chǎn)廠家，把碰撞型限位用于動(dòng)態(tài)汽車衡更是非常不合理。除了此種簡(jiǎn)易的限位結(jié)構(gòu)，碰撞型還有不同的結(jié)構(gòu)。

SCHENCK 公司曾介紹過(guò)其它的碰撞型限位器。

約束型限位器，通過(guò)使用拉桿限位。這是一種兩端被固定（箝位）的梁式蹺曲板和園柱形桿的普遍的約束件。更為復(fù)雜的這類限位器在兩個(gè)固定端使用滾珠軸承或萬(wàn)向軸承或限位兩端使用球面柱結(jié)構(gòu)的更為復(fù)雜的約束限位。約束限位往往由于使用不當(dāng)，反而引入明顯的干擾力。甚至有人認(rèn)為，兩端固定的所謂剛性箝位拉桿約束限位是差的限位方式。這主要原因是使用者調(diào)節(jié)不得要領(lǐng)所至。這類約束限位器要求非常的調(diào)節(jié)，才能避免垂直干擾力。即要求固定兩端要精確保持在同一水平。拉桿之間不能有間隙，否則在受到?jīng)_擊會(huì)造成秤體的形變，以至損壞。第二要注意，不是隨便用一根桿就可達(dá)到好的限位效果。我們需要計(jì)算拉桿允許的垂直剛度和合適的蹺度。

計(jì)算的原則要求在水平方向非常硬，有足夠的剛度，在垂直方向相當(dāng)柔軟，拉桿彎曲不產(chǎn)生附加力。為了保證拉桿的準(zhǔn)直在兩固定端應(yīng)使用球形環(huán)狀墊圈。

箝位式拉桿類限位，不是越多越好。雖然物體有六個(gè)自由度，三個(gè)平移、三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)。作為稱重系統(tǒng)實(shí)際上只有五個(gè)自由度。超過(guò)需要的約束反而會(huì)產(chǎn)生不需要的軸向力。一般在水平方向有三個(gè)限位器就足夠，再多不僅會(huì)產(chǎn)生不需要的水平力，甚至?xí)ㄋ?。因此只有認(rèn)真設(shè)計(jì)、安裝到位和精細(xì)調(diào)整，約束限位才能得到所要求的效果。

四、動(dòng)態(tài)稱重

根據(jù)“衡器術(shù)語(yǔ)”對(duì)動(dòng)態(tài)稱重的解釋：“在稱量期間，載荷相對(duì)于衡器存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的稱量。動(dòng)態(tài)稱量可分為連續(xù)和非連續(xù)兩種”。然而，在不同時(shí)期出版的“衡器術(shù)語(yǔ)”，對(duì)動(dòng)態(tài)稱重一詞的解釋有所差異。

按照建議，除 R76 號(hào)之外的衡器均定義為自動(dòng)衡器，并認(rèn)為其中 R50、R61、R106 和 R134 屬于動(dòng)態(tài)稱重（WIM），R51 可靜態(tài)稱重也可動(dòng)態(tài)稱重。而 R107 與 R76 屬靜態(tài)稱重。從概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)的觀點(diǎn)，對(duì)靜態(tài)稱重的測(cè)量是通過(guò)測(cè)量結(jié)果的分布函數(shù)來(lái)描述，而動(dòng)態(tài)稱重的測(cè)量對(duì)象是一隨機(jī)過(guò)程，它的統(tǒng)計(jì)特性不能從一個(gè)記錄的統(tǒng)計(jì)特性來(lái)得到，而只能從一組記錄求得。從物理的角度，R60、R51，R106 和 R134 的稱重過(guò)程主要是屬于隨機(jī)振動(dòng)過(guò)程，通常我們是通過(guò)“濾波”或其它數(shù)字信號(hào)處理的方法來(lái)求得被稱物的實(shí)際重量。而 R61由于下落物料是一隨機(jī)過(guò)程，所以對(duì)它的數(shù)據(jù)處理也按隨機(jī)過(guò)程方法來(lái)對(duì)待，動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)與靜態(tài)稱重相比較，除了同樣要求精度或準(zhǔn)確度、重復(fù)性和可靠性外，還多一項(xiàng)要求，系統(tǒng)的快速響應(yīng)（Fastresponse）。

對(duì)于一個(gè)稱重系統(tǒng)，研究它的動(dòng)態(tài)特性，作為一階近似，即為阻尼簡(jiǎn)單彈性系統(tǒng)。

五、校驗(yàn)

皮帶秤這類常用大型衡器，在校驗(yàn)時(shí)往往由于校準(zhǔn)物料過(guò)大。用來(lái)校驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)物料大大小于檢定規(guī)程要求的數(shù)量往往常使用環(huán)碼、鏈碼等模擬試驗(yàn)裝置來(lái)替代皮帶秤的實(shí)物校驗(yàn)。僅用一種物料校驗(yàn)的結(jié)果確定定量包裝秤的精度級(jí)別，這些校驗(yàn)都是述背 OIML 建議和國(guó)內(nèi)檢定規(guī)程的規(guī)定。這些做法，有的是由于條件限制，然而不少情況則是由于對(duì)基本概念不清所至。例如在提出用環(huán)碼替代皮帶秤的實(shí)物校驗(yàn)，雖然一方面是環(huán)碼生產(chǎn)廠家的意愿，而一些計(jì)量部門的人由于對(duì)實(shí)物校驗(yàn)的實(shí)質(zhì)不了解，結(jié)果花了不少的人力、物力、也無(wú)法實(shí)現(xiàn)用環(huán)碼替代實(shí)物校驗(yàn)。違背規(guī)程要求對(duì)衡器校驗(yàn)，結(jié)果是對(duì)優(yōu)良的衡器也不能使反映出到設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確度，甚至說(shuō)不清測(cè)量誤差有多大。

實(shí)際上對(duì)衡器的首檢，隨后檢定以及為了保證衡器在使用中的準(zhǔn)確性，按照檢定規(guī)程對(duì)衡器進(jìn)行校驗(yàn)，是確保衡器正確使用所必須遵守底線。既使在條件不具備時(shí)，也應(yīng)根據(jù)檢定規(guī)程的基本計(jì)量要求和衡器特點(diǎn)，對(duì)被校驗(yàn)給出科學(xué)合理的不確定度以確定該衡器能認(rèn)可的誤差并應(yīng)將所用的方法、原理記錄在案。

六、結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)衡器所需的基本概念做了說(shuō)明，首先強(qiáng)調(diào)我們常見(jiàn)的絕大多數(shù)衡器是建立在力矩平衡的基礎(chǔ)上。

其次，現(xiàn)公布的七個(gè) OIML 建議包含了絕大多數(shù)衡器類別。建議中規(guī)定的技術(shù)要求和計(jì)量要求是各類衡器的基本要求，是設(shè)計(jì)和制造這些衡器的基本依據(jù)。如果所創(chuàng)造的衡器偏離了該建議的基本理念和要求，不太可能制造出優(yōu)良的衡器。衡器的好壞只有經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)才能鑒別，如何遵照建議檢驗(yàn)衡器是在實(shí)際使用時(shí)確保計(jì)量公正性的基礎(chǔ)。

后，廣義的限位是保證正確使用傳感器和衡器機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)，使能確保傳感器受力合理，機(jī)械結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中的穩(wěn)定性和重復(fù)性。沒(méi)有優(yōu)良的限位實(shí)現(xiàn)的衡器是不可能。后，隨著工業(yè)技術(shù)發(fā)展衡器已逐漸成為生產(chǎn)過(guò)程環(huán)節(jié)的一個(gè)組成部分，動(dòng)態(tài)稱重就顯得越來(lái)越突出。因此不能再停留在靜態(tài)稱重的概念來(lái)設(shè)計(jì)和制造動(dòng)態(tài)秤。只有將能描述動(dòng)態(tài)稱重的概念，如秤的傳遞函數(shù)、快速響應(yīng)時(shí)間、傳感器或稱重結(jié)構(gòu)的振動(dòng)模態(tài)、富利葉變換、信號(hào)處理理念等引入動(dòng)態(tài)稱重衡器的設(shè)計(jì)，才能使動(dòng)態(tài)稱重中遇到的問(wèn)題得到解決，使動(dòng)態(tài)稱重得到發(fā)展。