陳日興　李之炯

(上海大和衡器有限公司， 上海 201201)

0　引言

料斗秤在工業(yè)生產(chǎn)配料、物流控制與成本核算中起著舉足輕重的作用，它的日常檢定與計重準確度將直接影響到生產(chǎn)穩(wěn)定運行及產(chǎn)品的質(zhì)量。根據(jù)國際法制計量組織OIML的各類衡器的國際建議中對于稱量性能測試所使用砝碼的要求，現(xiàn)分別描述如下：

OIML R76-2006《非自動衡器》3.7.3“檢定用標準砝碼的替代”中規(guī)定：“如果衡器的測試在使用地點，可以用其他固定載荷替代標準砝碼，所提供的標準砝碼至少為最大秤量的1/2；如果重復(fù)性誤差不大于0.3e，標準砝碼可以減少到最大秤量的1/3；如果重復(fù)性誤差不大于0.2e，標準砝碼可以減少到最大秤量的1/5。重復(fù)性誤差是用量值約為替代物的載荷(砝碼或任意其它載荷)在承載器上施加3次確定的” 。在偏載測試中規(guī)定如果受載均勻的料斗秤可以僅做1/10Max的偏載[1]。

OIML R107-2007《非連續(xù)累計自動衡器》中雖然沒有規(guī)定靜態(tài)測試，但對于控制衡器卻規(guī)定了使用標準砝碼的測試，以便確定其準確度是否符合1/3或1/5的規(guī)定[2]。但是在中國國家標準GB/T 28013—2011《非連續(xù)累計自動衡器》5.1.2.2、6.1.3、8.2中增加了按OIML R76要求的靜態(tài)測試要求及方法[4]。

OIML R61-2005《重力式自動裝料衡器》中在型式評價中需要確定靜態(tài)的參考準確度等級，其中A.5.4“靜態(tài)稱重試驗方法”中描述：“向承載器逐漸加載從零點至Max，再逆順序卸載至零點。選擇的試驗載荷應(yīng)包括接近Max和Min的值以及6.2.1 c)中規(guī)定的符合本附錄要求的其它臨界載荷值”[3]。在中國國家標準GB/T 27738—2011《重力式自動裝料衡器》9.3.2中增加了出廠試驗應(yīng)進行靜態(tài)測試的要求[5]。

料斗類衡器長期以來一直采用傳統(tǒng)的砝碼標定方式，每次標定往往還需要掛裝不同的砝碼，小噸位的料斗秤尚可人工掛裝砝碼，而對于規(guī)格大到數(shù)十噸、甚至上百噸的料斗秤掛裝大規(guī)格的砝碼則需要借助砝碼提升機(如通過電動或電液推桿)來掛裝。這種方法存在很大的缺點與不足：標定方式笨重、繁瑣、占地大，需投入大量的人力、物力，標定時間長，往往無法滿足現(xiàn)代生產(chǎn)工藝的要求。這就需要我們尋求一種更加切實可行的檢定方法，以滿足用戶現(xiàn)場實際生產(chǎn)標定的需求。下面分別介紹兩種已取得國家專利的料斗秤標定裝置來探討料斗秤無砝碼標定方法的可行性。

1　方案一：料斗秤快速校驗裝置[6]

為了解決傳統(tǒng)工藝中的缺點與不足，前幾年國內(nèi)某鋼廠設(shè)計了一套用于冶金配料的料斗秤快速校驗裝置[6]。該裝置(見圖1)由校驗基座K兩側(cè)連接的垂直拉桿F與壓力承載器E構(gòu)成剛性框架，校驗基座K與壓力承載器E之間自下而上依次安放被校驗傳感器A、被校驗傳感器定位上基座、標準傳感器三叉式下基座B、千斤頂C、標準傳感器D。系統(tǒng)還包括高壓軟管H、分配閥I、液壓泵J及標定用稱重儀表、接線盒等。

A.被校驗傳感器；B.三叉式下基座；C.千斤頂；D.標準傳感器；E.壓力承載器；F.垂直拉桿；G.電纜線；H.高壓軟管；I.分配閥；J.液壓泵

上述料斗秤快速校驗裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)點如下：

1)該方案液壓泵作為系統(tǒng)受力來源，取代砝碼的重力；2)方便拆卸安裝，在完成一臺料斗秤的檢定后，拆卸分解可迅速安裝到另外一臺待測料斗秤，據(jù)說在十五分鐘內(nèi)就可以完成一臺料斗秤的全部校驗過程；3)同步受力的千斤頂同時對標準傳感器和被校驗傳感器施加壓力；4)三叉式傳感器下基座受力穩(wěn)定，并確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性；5)垂直拉桿作為垂直限位起到了橫向受力穩(wěn)定的保護作用；6)校驗基座的預(yù)埋處理，使得系統(tǒng)具有了足夠的拉力強度，確保系統(tǒng)加壓時結(jié)構(gòu)不會斷裂；7)同步千斤頂行程的選擇，充分考慮了傳感器與校驗結(jié)構(gòu)的變形量，使結(jié)構(gòu)更加牢固。

工作時千斤頂經(jīng)高壓油管、分配閥與液壓泵連接，信號電纜連接傳感器和顯示儀表。但是這種裝置具有如下不足之處：

a.該裝置使用時，料斗秤傳感器與標定用傳感器的安裝要求高(要求串聯(lián)且同心)，如果安裝不同心，互相會產(chǎn)生干擾，影響標定的準確性；

b.該裝置使用時，標定裝置可能需要多套標定用的傳感器、千斤頂、液壓泵及稱重儀表，造成裝置成本高，且由于標定用傳感器及儀表的測量精度的些許差別可能影響總體稱量準確度；

c.該裝置使用時，標定裝置不能卸下(由于料斗秤傳感器與標定用傳感器的安裝要求高，而且必須串聯(lián)且同心)，若要拆卸，將會破壞原安裝狀態(tài)；

d.該裝置使用時，標定傳感器為模擬傳感器，其傳輸距離短、抗干擾能力弱，在標定過程中，由于現(xiàn)場的模擬傳感器的毫伏級弱電流傳輸，無法克服電磁與強電干擾所帶來的稱量準確度的影響；

e.該裝置使用時，采用千斤頂油壓加載方式和結(jié)構(gòu)，由于油壓加載的壓力波動，將影響計量的穩(wěn)定性。

2　方案二：基于數(shù)字傳感器的料斗秤標定裝置[7]

由上海大和衡器有限公司申請的一種基于數(shù)字傳感器的料斗秤標定裝置[7]，主要解決上述現(xiàn)有模擬傳感器的料斗秤標定裝置所存在的缺陷。該種基于數(shù)字傳感器的料斗秤標定裝置(見圖2)包括下端可與料斗秤架臺1連接的框架5，該框架上設(shè)置緩沖器4，緩沖器下方設(shè)置有數(shù)字式稱重傳感器6，該數(shù)字式稱重傳感器通過傳感器固定橡膠3定位，其下端通過連接件7連接千斤頂8上端，該千斤頂下端通過定位件9與料斗支架2連接。

1.架臺；2.料斗支架；3.傳感器固定橡膠；4.緩沖器；5.框架；6.稱重傳感器；7.連接件；8.千斤頂；9.千斤頂定位器

所述的框架5是標定裝置的關(guān)鍵部件，受到較為復(fù)雜的拉、壓應(yīng)力的作用，其剛度及穩(wěn)定性顯得尤為重要，在設(shè)計時首先選擇相對重量較輕的H鋼(或槽鋼，若選用槽鋼，則采取兩件槽鋼相對焊接在一起的結(jié)構(gòu))，根據(jù)穩(wěn)定性的要求，并在受力集中部分進行相應(yīng)加強，然后根據(jù)H鋼(槽鋼)的抗彎截面系數(shù)、許用應(yīng)力等力學(xué)技術(shù)參數(shù)，以滿足強度與穩(wěn)定性的使用要求。除了必須滿足強度與剛度的要求外，同時還必須滿足安全、輕便、準確的要求。

所述的緩沖器4采用了彈簧鋼板疊加式緩沖器。彈簧鋼板疊加式緩沖器一般是設(shè)計用于汽車的避震措施上，主要考慮如何消除汽車在高速運行中由于路面不平整而產(chǎn)生的震動。而本方案是在料斗秤中，考慮到在加載過程中由于沖擊而使稱重信號波動帶來的不穩(wěn)定，可能影響計量準確度。因此，我們認為并非采用一般料斗秤所常用的橡膠緩沖墊，而是將汽車的避震緩沖器用于衡器行業(yè)料斗秤的標定裝置，應(yīng)該是一種創(chuàng)新的舉措。

本方案采用了一套獨特的多通道控制儀表實時同步對多個不同位置加載結(jié)構(gòu)的標定程序，其直接效果是既提高了標定裝置的精度，又提高了標定效率。

如圖3所示，本方案所述的數(shù)字式稱重傳感器通過接線盒連接到儀表箱的插座上。對于該標定裝置電氣方面的要求體現(xiàn)為：該儀表的顯示數(shù)據(jù)就是該料斗秤的標準標定數(shù)據(jù)，儀表的選型直接關(guān)系到數(shù)據(jù)的精度，是個重要的環(huán)節(jié)，該標定系統(tǒng)的儀表應(yīng)選擇高精度數(shù)字式稱量儀表，其稱量準確度比料斗秤儀表至少要高三倍。由于本方案采用了多通道標定專用儀表，可同時顯示最多六個標準傳感器的單個重量值和所有標準傳感器的累積重量值。

圖3　三點支撐電子料斗秤標定裝置電氣接線圖

標定用數(shù)字式稱重傳感器的選擇，在滿足量程的范圍內(nèi)，既要保證標定準確度，又要保障系統(tǒng)的受力平衡與系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在稱重傳感器的選擇中，還要充分考慮到該系統(tǒng)裝置的標定量程范圍，并根據(jù)料斗秤量程的大小選擇規(guī)格不同的傳感器，以達到不同規(guī)格料斗秤的標定要求。料斗秤標定裝置采用了數(shù)字式稱重傳感器。數(shù)字式傳感器由于輸出的是數(shù)字信號，因此克服了模擬式稱重傳感器的信號小、傳輸距離短、抗干擾能力差等缺點，該傳感器具備了數(shù)字補償智能化技術(shù)，具有優(yōu)異的負荷復(fù)現(xiàn)性和長期穩(wěn)定性。由于數(shù)字式稱重傳感器可以事先在標準測力機上完成數(shù)字標定，使現(xiàn)場可進行無砝碼標定。

方案一和方案二比較如表1所示。

表1　方案一和方案二比較

續(xù)表

圖4　三點支撐數(shù)字傳感器料斗秤標定裝置安裝實例

現(xiàn)以三支點的料斗秤為例(見圖4)，料斗周圍a、b、c部位裝有三只料斗秤所用的稱重傳感器，其中數(shù)字傳感器料斗秤標定裝置位于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個部位，分別裝有三個標準數(shù)字稱重傳感器。且三個位置的標定用標準傳感器通過接線盒接入一個標定用多通道儀表。

因為每個標定裝置在出廠前都依照所需標定的料斗秤的稱量值，通過測力機進行過單獨標定，同時也記錄了標定時標定用儀表顯示的每個標定裝置的重量值W1S、W2S、W3S。因此現(xiàn)場的工作量大為減少，只需一邊對照標定儀表顯示的單個標定裝置的重量值，一邊操作千斤頂對每個標定裝置加力，直至每個標定裝置上承受的力與在廠內(nèi)測力機標定時記錄的值W1S、W2S、W3S相同時，即可停止操作千斤頂。然后在標定儀表的累計窗顯示三個標定裝置的累加值∑S：

∑S=W1S+W2S+W3S

將∑S和料斗秤儀表同步顯示的重量值∑W進行比較，得出料斗秤當前總重量的差值Δ：

Δ=∑W-∑S

然后通過對料斗秤儀表進行量程的標定或修改儀表量程值(依照差值Δ，對量程系數(shù)進行操作)，用以消除兩者的誤差。當兩個儀表顯示的重量值一致時，說明料斗秤在該載荷的標定完成。上述標定過程同時適用于每一級載荷的標定過程。整個過程簡單方便，既省去了大量拆裝標定裝置以及單個位置分別標定的工作量，同時也減少了拆裝標定裝置所帶來的安裝誤差和累加各位置重量值時的人為誤差，提高料斗秤的計量準確度。

另外，因為生產(chǎn)廠廠內(nèi)用標準測力機進行標定時，是整個對成套標定裝置(千斤頂+緩沖裝置+傳感器)進行標定，并不是簡單地對單個傳感器進行標定，所以直接模擬了現(xiàn)場的標定壞境，使得現(xiàn)場標定裝置功效更加接近標準砝碼加載狀況，并提高最終的標定準確度，確保料斗秤的稱量準確度。

3　結(jié)論與建議

從上述傳感器料斗秤標定裝置的兩個不同的方案介紹中，可以看出基于稱重傳感器的料斗秤標定裝置，特別是基于數(shù)字式稱重傳感器的料斗秤標定裝置，主要解決國際法制計量組織OIML R76《非自動衡器》、OIML R107《非連續(xù)自動衡器》、OIML R61《重力式自動裝料衡器》中對于料斗秤的靜態(tài)稱量或控制衡器的標定需要砝碼的困難，特別是對于大規(guī)格的料斗秤的現(xiàn)場計量標定。上述料斗秤標定裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、制造和使用成本低廉的優(yōu)點，使用時縮短標定時間與周期，簡化標定方式，節(jié)省大量的人力、物力，具有廣泛的使用價值和推廣前景。

當然要使上述基于稱重傳感器的料斗秤標定裝置完全代替砝碼是不現(xiàn)實的，特別是對于小于0.1%的相對百分誤差的料斗秤。因為就算是數(shù)字式稱重傳感器而言，畢竟測力機中的標定數(shù)據(jù)在現(xiàn)場的復(fù)現(xiàn)與現(xiàn)場的環(huán)境還是有不同之處，即使標定裝置設(shè)計得再完美，由于現(xiàn)場的使用環(huán)境和安裝條件的不同給標準傳感器的測量數(shù)據(jù)帶來的影響也是不可忽視的。另外，從上述的分析中也可以看出料斗秤標定裝置的設(shè)計好壞也會給標準傳感器的測量數(shù)據(jù)帶來影響。根據(jù)冶金行業(yè)的實際使用經(jīng)驗，上述基于稱重傳感器的料斗秤標定裝置，用在大于0.1%的相對百分誤差的料斗秤時，可以作為現(xiàn)場靜態(tài)計量性能的砝碼標定的替代；而對于小于0.1%的相對百分誤差的料斗秤，上述方法作為標定比對或使用驗證更具推廣價值。該標定裝置目前已經(jīng)在國內(nèi)一些大型冶金企業(yè)，諸如上海寶鋼、山西太鋼等大型配料料斗秤的現(xiàn)場靜態(tài)標定上發(fā)揮了積極有效的作用。

建議國際法制計量組織OIML R76《非自動衡器》、OIML R107《非連續(xù)累計自動衡器》、OIML R61《重力式自動裝料衡器》與相應(yīng)的國家標準中增加對于大型料斗秤的現(xiàn)場計量性能測試或使用中檢驗的測試方法，可以采用基于數(shù)字式稱重傳感器的料斗秤標定裝置進行“標定比對或使用驗證”的內(nèi)容。

[1]國際法制計量組織國際建議OIML R76-2006非自動衡器

[2]國際法制計量組織國際建議OIML R107-2007非連續(xù)自動衡器

[3]國際法制計量組織國際建議OIML R61-2004重力式自動裝料衡器

[4]中國國家標準GB/T 28013—2011非連續(xù)累計自動衡器

[5]中國國家標準GB/T 27738—2011重力式自動裝料衡器

[6]萊蕪鋼鐵集團有限公司.料斗秤快速校驗裝置.中國實用新型專利，CN2861988Y.2007-01-24

[7]上海大和衡器有限公司.一種基于數(shù)字傳感器的料斗秤標定裝置.中國發(fā)明專利，CN101598593A.2012-03-21