電子汽車衡作為一種較為常用的大型衡器, 廣泛應(yīng)用于采礦業(yè)、加工制造業(yè)、倉儲(chǔ)物流業(yè)等各行各業(yè)。在貿(mào)易結(jié)算、能源資源計(jì)量、大宗物料稱重等領(lǐng)域我們都能見到它的身影。汽車衡的用途非常廣泛, 重要性毋庸置疑, 因此, 其稱重是否準(zhǔn)確直接影響到各相關(guān)方的切身利益。但由于汽車衡多屬于露天使用的計(jì)量器具, 其環(huán)境條件跟室內(nèi)使用的電子秤比起來要差的很多, 所以電子汽車衡跟其它電子衡器相比就有了自己的特殊性。這種特殊性要求汽車衡從設(shè)計(jì)制造、安裝調(diào)試到維護(hù)保養(yǎng)都要更加嚴(yán)格, 這樣才能適應(yīng)各種環(huán)境條件的要求。然而很多汽車衡的使用者 (或購買者、用戶) 由于缺乏必要的認(rèn)識(shí), 喜歡讓汽車衡制造企業(yè)技術(shù)人員或者計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)檢定人員把檢定分度值 (根據(jù)JJG 539-2016《數(shù)字指示秤》檢定規(guī)程5.2的規(guī)定, 檢定分度值應(yīng)與實(shí)際分度值等價(jià), 本文為敘述方便, 只使用檢定分度值這一概念) 調(diào)的很小, 認(rèn)為這樣就可以不用多花錢也能實(shí)現(xiàn)比較精確的測(cè)量。但其實(shí), 這樣做往往是沒有效果的。下面筆者就分析一下為什么不能錯(cuò)誤的設(shè)置上海電子汽車衡的分度值, 以及如何正確設(shè)置分度值。

分度值問題產(chǎn)生的原因
這里先從汽車衡的結(jié)構(gòu)談起。目前我國(guó)電子汽車衡的制造廠家數(shù)量很多, 但他們的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)都是差不多的, 都是由秤臺(tái) (承載器) +稱重傳感器 (包括接線盒) +稱重顯示儀表組成的。儀表在汽車衡安裝結(jié)束后就要進(jìn)行調(diào)試和標(biāo)定, 這樣才能正常使用。在標(biāo)定時(shí)就有一項(xiàng)內(nèi)容是設(shè)置分度值的大小。很多用戶在購買汽車衡時(shí), 都喜歡要求廠家的技術(shù)人員把分度值調(diào)到他們自認(rèn)為比較合適的大小, 這個(gè)值通常都比國(guó)家技術(shù)規(guī)范 (JJG 539-2016《數(shù)字指示秤》檢定規(guī)程) 的規(guī)定要小很多。他們覺得這樣做會(huì)使得稱量更加準(zhǔn)確, 在貿(mào)易結(jié)算時(shí)自己就不會(huì)吃虧, 自己的經(jīng)濟(jì)利益就會(huì)得到保障, 而且還不用增加費(fèi)用。事實(shí)真的是這樣嗎?

傳感器對(duì)分度值的限制
我們先看看傳感器。汽車衡除了有秤臺(tái)和儀表以外, 重要的就是稱重傳感器了。它的作用就是把秤臺(tái)對(duì)傳感器的壓力轉(zhuǎn)化為電信號(hào), 并傳送到儀表, 由儀表主板再進(jìn)行加工轉(zhuǎn)換從而轉(zhuǎn)變?yōu)槲覀兡茏R(shí)別的質(zhì)量值。也就是說, 控制物體稱重準(zhǔn)確與否的, 是傳感器和儀表。我們可以通過這兩種途徑來提高汽車衡的準(zhǔn)確度, 一是改變顯示儀表的分度值, 二是采用更高準(zhǔn)確度等級(jí)的稱重傳感器。其中傳感器是真正起關(guān)鍵作用的設(shè)備, 它的等級(jí)決定了汽車衡的準(zhǔn)確度。但由于采購更高等級(jí)的傳感器成本較高, 不如直接通過儀表修改分度值來得方便, 所以比較普遍的做法就是修改儀表的分度值, 使之看起來顯得更加精確。但是這只是“看起來”而已, 其實(shí)不然。

我們拿一臺(tái)較為常見的型號(hào)為SCS-120的電子汽車衡為例。這種汽車衡的大秤量為120t, 通常由3節(jié)秤臺(tái)組成, 配備8只傳感器。據(jù)筆者所知, 除非特別要求, 汽車衡制造廠家給電子汽車衡配備的稱重傳感器等級(jí)出于成本考慮一般都是C3級(jí)的。C代表中低等準(zhǔn)確度, 3代表3000個(gè)檢定分度數(shù)。JJG 669-2003《稱重傳感器》檢定規(guī)程4.6.2規(guī)定, 這種級(jí)別的傳感器大檢定分度數(shù)nMAX=3000。另外, JJG 539-2016《數(shù)字指示秤》檢定規(guī)程第6.4.2條有這樣一句規(guī)定:若n>3000時(shí), 應(yīng)注明“不允許室外使用”。換句話說就是室外用的電子汽車衡 (幾乎所有的電子汽車衡都是室外使用) 檢定分度數(shù)不允許超過3000。

再有, 根據(jù)《數(shù)字指示秤》檢定規(guī)程5.1關(guān)于秤的等級(jí)的規(guī)定, 秤的檢定分度數(shù)大不能超過10000, 超過了那就屬于天平了 (參見JJG 1036-2008《電子天平》檢定規(guī)程5.4.2關(guān)于天平準(zhǔn)確度級(jí)別的規(guī)定, 這兩個(gè)規(guī)程明確區(qū)分了電子秤和電子天平) 。同理C級(jí)稱重傳感器的檢定分度數(shù)大也不得超過10000, 而超過10000則為B級(jí)傳感器 (參見JJG 669-2003《稱重傳感器》檢定規(guī)程4.1:稱重傳感器分級(jí)原則) , 綜合這三個(gè)規(guī)程來看, 人為這樣設(shè)置就是把汽車衡當(dāng)更高準(zhǔn)確度級(jí)別的電子天平使用, 這其實(shí)是不現(xiàn)實(shí)的。

這些是技術(shù)規(guī)范的有關(guān)要求, 再看看技術(shù)設(shè)計(jì)上的有關(guān)限制。我們通過簡(jiǎn)單的計(jì)算可以看出問題。以把分度值設(shè)為10kg的120t汽車衡為例, 它一般可選8只30t或50t的C3級(jí)傳感器, 以50t的為例, 其靈敏度為2m V/V。稱重顯示儀表的激勵(lì)電壓為12V, 每個(gè)檢定分度值對(duì)應(yīng)的小輸入電壓一般為1μV。汽車衡的檢定分度數(shù)為大秤量÷分度值=12000, 那么根據(jù)計(jì)算公式:每個(gè)檢定分度值輸出電壓=激勵(lì)電壓×靈敏度×大秤量÷ (傳感器個(gè)數(shù)×單只傳感器量程×檢定分度數(shù)) , 該汽車衡每個(gè)檢定分度值輸出電壓為0.6μV, 該值比儀表每個(gè)檢定分度值對(duì)應(yīng)的小輸入電壓還小, 也就是傳感器這樣小的電壓變化儀表根本反應(yīng)不出來。再者, C3級(jí)傳感器的技術(shù)參數(shù)決定了它的分度數(shù)為3000, 這種級(jí)別50t的單只傳感器檢定分度值應(yīng)該不低于16.7kg, 但儀表數(shù)值只能顯示為1、2、5及其整數(shù)倍, 所以本例應(yīng)設(shè)置為20kg, 8只傳感器組合因汽車衡量程擴(kuò)大到120t, 分度值也只能擴(kuò)大到50kg (檢定分度值與大秤量的關(guān)系, 如表1所示) , 它們都比10kg的設(shè)定值大的多, 因此該汽車衡是無法正常工作的。這就從物理學(xué)角度決定了汽車衡的分度值受到傳感器的制約, 不能隨意減小。

 氣流對(duì)汽車衡的影響
上文已經(jīng)說過, 現(xiàn)在我們見到過的絕大多數(shù)電子汽車衡由于工作性質(zhì)的原因幾乎都安裝在露天, 有的秤臺(tái)上面加裝了防雨頂棚, 但仍屬于室外使用。我們知道, 室外的物體都很容易受氣流的影響, 汽車衡也不例外, 具體影響到多大程度呢?據(jù)筆者所知, 目前國(guó)內(nèi)還沒有人對(duì)此做過流體力學(xué)甚至是風(fēng)洞試驗(yàn)。究其原因, 一個(gè)是成本原因, 一個(gè)是影響因素太多, 如密度、壓強(qiáng)、速度、流量、角度等等, 很難精確計(jì)算出來。本文用一個(gè)示意圖結(jié)合伯努利方程做了一個(gè)大致推算。氣流 (風(fēng)力) 對(duì)秤臺(tái)的影響示意圖, 如圖1所示 (長(zhǎng)方形為秤臺(tái)側(cè)面剖面圖, 兩個(gè)三角形為稱重傳感器, 夾角30°對(duì)應(yīng)的直角三角形短邊代表迎風(fēng)面) 。

根據(jù)伯努利方程, 風(fēng)的動(dòng)壓為0.5×空氣密度×風(fēng)速的平方。這樣我們可以直觀的看出, 風(fēng)力對(duì)秤臺(tái)的壓強(qiáng)與風(fēng)速的平方成正比。一臺(tái)120t的汽車衡3節(jié)秤臺(tái)面積至少為63m2, 假設(shè)風(fēng)力對(duì)秤臺(tái)的夾角為30° (如圖1所示) , 由于直角三角形30°角對(duì)應(yīng)的短邊應(yīng)為秤臺(tái)長(zhǎng)度的一半, 則可以算出相應(yīng)的迎風(fēng)面積 (受力面積) 應(yīng)為32m2。我們以四級(jí)風(fēng)為例, 它的大速度為7.9m/s, 按7計(jì)算, 得出壓強(qiáng)32N/m2, 三級(jí)風(fēng)大速度5.4m/s, 按5計(jì)算, 得出16N/m2。按32m2的迎風(fēng)面積計(jì)算, 相應(yīng)的壓力為四級(jí)風(fēng)1024N、三級(jí)風(fēng)512N。如果風(fēng)力是以一定的角度向下吹向秤臺(tái), 則會(huì)產(chǎn)生一部分垂直分力, 向下角度越大垂直分力越大, 上文已經(jīng)假設(shè)角度為30°, 則對(duì)應(yīng)的垂直分力分別為四級(jí)風(fēng)512N、三級(jí)風(fēng)256N。分別相當(dāng)于52kg和26kg的物體作用于秤臺(tái)上面。通常在室外很容易就能達(dá)到或超過三級(jí)風(fēng)力。也就是說, 如果分度值設(shè)置過小, 隨隨便便一點(diǎn)風(fēng)力, 就會(huì)使物體的質(zhì)量顯示產(chǎn)生跳變。如果角度為0即說明風(fēng)力平行于秤臺(tái), 這時(shí)流過秤臺(tái)上方的風(fēng)速大于下方的風(fēng)速, 會(huì)產(chǎn)生向上的浮力, 這類似于飛機(jī)起飛時(shí)的場(chǎng)景, 這時(shí)也會(huì)使得物體質(zhì)量值不能穩(wěn)定顯示, 在此不再詳述。

其他制約條件
現(xiàn)在大多數(shù)汽車衡為了控制成本都是全鋼秤, U型鋼為主流, *取代了槽鋼、工字鋼等型鋼秤。U型鋼做出來的汽車衡秤臺(tái)以120t為例, 通常要比型鋼秤的秤臺(tái)要輕2t～2.5t左右, 更容易受到風(fēng)力等外界因素的干擾。另外由于現(xiàn)在的汽車衡秤體質(zhì)量良莠不齊, 安裝基礎(chǔ)質(zhì)量也各不相同, 再加上室外工作, 各種輻射干擾很多, 傳感器輸出溫度補(bǔ)償不*等, 人為降低分度值并不能如用戶期望的那樣提高稱量準(zhǔn)確度。即使是新秤, 各方面條件都合格也未必都能保證提高秤的準(zhǔn)確度, 甚至有可能引起如漂移、示值不穩(wěn)等問題。

我們從上文分析可以看出, 120t的汽車衡, 檢定分度值應(yīng)該是50kg, 而不是20kg或10kg。

所以根據(jù)C3級(jí)傳感器的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)字指示秤檢定規(guī)程的約束, 必須堅(jiān)持nMAX=3000的原則。實(shí)際安裝的汽車衡型式必須與型式批準(zhǔn)報(bào)告相一致, 不得任意縮小分度值, 不然很難保證汽車衡能正常使用。下面給出汽車衡大秤量與對(duì)應(yīng)的檢定分度值的關(guān)系。