探討電子汽車(chē)衡非鑄鐵砝碼檢定方法（采用電磁力）

利用現(xiàn)代的電子技術(shù)和傳感技術(shù)研究一種電子汽車(chē)衡的快速檢定方法，以解決現(xiàn)實(shí)中砝碼檢定不能滿量程檢定、效率低下以及費(fèi)用高的問(wèn)題。

1 衡器檢定方法現(xiàn)狀及本檢定裝置的意義

國(guó)內(nèi)外技術(shù)水平現(xiàn)狀：當(dāng)前國(guó)內(nèi)外衡器檢定所使用的方法均采用砝碼 (比較*的標(biāo)準(zhǔn)器為檢衡車(chē)) 做標(biāo)準(zhǔn)器，此標(biāo)準(zhǔn)器在實(shí)際使用中存在幾點(diǎn)不足。

1.1 現(xiàn)實(shí)中很難達(dá)到檢定規(guī)程的要求

依據(jù)現(xiàn)行衡器檢定規(guī)程，檢定一臺(tái)衡器一般需要滿量程一半的標(biāo)準(zhǔn)砝碼，即檢定 100t 地中衡需要砝碼 50t，而各地縣級(jí)計(jì)量測(cè)試機(jī)構(gòu)所配備的砝碼一般在 5t 左右，不用替代法，只能檢定滿量程的 1/20，嚴(yán)重違反檢定規(guī)程;隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，80t、100t 大型衡器日益增多，此問(wèn)題急需解決。

1.2 現(xiàn)行檢定方法效率低下

以現(xiàn)行方法檢定大型衡器，即使在上述違反檢定規(guī)程的情況下，一天zui多檢定兩臺(tái)大型衡器。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大型衡器用戶猛增，為此必須尋找一種替代現(xiàn)行檢定手段。

1.3 檢定費(fèi)用高

現(xiàn)行檢定方法需人力搬倒或需起重設(shè)備，大型衡器用戶在檢定時(shí)需投入大量人力、物力和才力。

1.4 本檢定裝置的意義

可替代現(xiàn)行衡器檢定采用的砝碼 (或檢衡車(chē))，解決現(xiàn)行檢定方法存在的實(shí)際問(wèn)題，開(kāi)創(chuàng)衡器檢定新方法。

2 基本原理

以加力裝置對(duì)電子汽車(chē)衡檢定儀 (以下簡(jiǎn)稱檢定儀) 傳感器和被檢定衡器傳感器同時(shí)進(jìn)行串聯(lián)加力，傳感器輸出信號(hào)分別進(jìn)入檢定儀稱重顯示器和被檢定衡器稱重顯示器，比較檢定儀和被檢定衡器示值以確定被檢定衡器的誤差。

3 檢定儀的結(jié)構(gòu)

此結(jié)構(gòu)適用于電子汽車(chē)衡臺(tái)面為非鐵磁性物質(zhì)制造的電子汽車(chē)衡，電子汽車(chē)衡非砝碼檢定原理如圖 1 所示。

具體結(jié)構(gòu)：系統(tǒng)由高精度拉式稱重傳感器、高精度稱重顯示儀表、阻力梁、力架、電磁鐵、穩(wěn)流電源組成。改變穩(wěn)流電源的電流大小以改變磁力大小，電磁鐵產(chǎn)生的力同時(shí)加在了標(biāo)準(zhǔn)傳感器和電子汽車(chē)衡傳感器上，兩個(gè)系統(tǒng)的傳感器產(chǎn)生的信號(hào)分別進(jìn)入檢定儀顯示儀表和電子汽車(chē)衡顯示儀表，比較電子汽車(chē)衡顯示儀表的示值與檢定儀顯示儀表的示值，其示值的差值即為電子汽車(chē)衡的誤差。

滾動(dòng)車(chē)可以在臺(tái)面上自由移動(dòng)，當(dāng)上、下電磁鐵不正對(duì)時(shí)，上電磁鐵受到水平分力，在此分力的作用下，滾動(dòng)車(chē)自動(dòng)移動(dòng)直至不存在水平分力。標(biāo)準(zhǔn)傳感器與力架采取萬(wàn)向軸連接，以便消除標(biāo)準(zhǔn)傳感器受到的水平分力和力距作用。

導(dǎo)磁材料用于使上下兩個(gè)電磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)磁力線構(gòu)成磁力線回路使磁力線不泄露，以降低稱重傳感器的輸出信號(hào)受磁場(chǎng)的干擾程度。導(dǎo)磁材料采取柔性連接，防止?jié)L動(dòng)車(chē)自由活動(dòng)受到限制。

標(biāo)準(zhǔn)傳感器使用磁場(chǎng)屏蔽材料予以屏蔽，以減少稱重傳感器的輸出信號(hào)受磁場(chǎng)的干擾。滾動(dòng)車(chē)下面墊板，使板的坡度小于 1/500，以便于滾動(dòng)車(chē)可以自由移動(dòng)。

4 系統(tǒng)的研制及技術(shù)指標(biāo)

目標(biāo)：檢定儀達(dá)到能夠檢定ⅲ級(jí)衡器的要求。

(1) 加力系統(tǒng)由 4- 8 套相同加力裝置組成，單個(gè)加力系統(tǒng)承受 196kn的力。

(2) 稱重傳感器：非線性 0.01%、蠕變 0.01%、滯后 0.01%、重復(fù)性 0.01%、溫度對(duì)靈敏度的影響0.01%/10k、穩(wěn)定性 0.01%/ 年。量程為 20t 的數(shù)字傳感器。采用數(shù)字儀表，通過(guò)修正使每個(gè)傳感器的線性達(dá)到 0.002%，滯后 0.002%。

(3) 單個(gè)加力系統(tǒng)需提供 196kn壓力。

(4) 力架的設(shè)計(jì)：要求承受 196kn壓力。

(5) 阻力梁：能承受足夠的拉力和彎矩。

(6) 確保所加壓力鉛直的設(shè)計(jì)：下電磁鐵的軸心與鉛垂線夾角小于 0.2 度。

(7) 標(biāo)準(zhǔn)稱重顯示器內(nèi)部設(shè)置力 - - 質(zhì)量轉(zhuǎn)換功能，根據(jù)當(dāng)?shù)鼐暥群秃０斡?jì)算當(dāng)?shù)刂亓铀俣?/span>[1]。

(8) 為減小傳感器、力架的蠕變誤差，在檢定時(shí)，統(tǒng)一規(guī)定加壓時(shí)間為 10 分鐘[2]，在標(biāo)定檢定系統(tǒng)時(shí)也規(guī)定加壓時(shí)間為 10 分鐘，這樣由于蠕變產(chǎn)生的相對(duì)誤差減小到±5×10- 5。

(9) 為減小溫度對(duì)靈敏度的影響，標(biāo)準(zhǔn)裝置在標(biāo)定時(shí)按溫度段進(jìn)行標(biāo)定，從 - 10℃至 +30℃每0℃為一段進(jìn)行標(biāo)定 (以適應(yīng)于 - 10℃至 +40℃的使用環(huán)境)。對(duì)每個(gè)傳感器的溫度特性進(jìn)行檢驗(yàn)，繪制溫度特性曲線以便對(duì)傳感器進(jìn)行溫度修正，采用數(shù)字儀表使傳感器的溫度對(duì)靈敏度的影響減小到 0.002%/10k。

(10) 穩(wěn)流電源：精度十萬(wàn)分之一。

5 不確定度分析

以 30 噸秤，稱量在 8 噸時(shí)為例計(jì)算。

5.1 使用檢定儀檢定衡器的不確定度分析

5.1.1 測(cè)量方法

用檢定儀的量值作為標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行檢定。其示值誤差是被檢定衡器的示值與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，按公式進(jìn)行計(jì)算。

5.1.2 數(shù)學(xué)模型

電子汽車(chē)衡的示值誤差

5.1.3 方差和靈敏度系數(shù)

依方程

5.1.4 標(biāo)準(zhǔn)不確定度一覽表 (以 8 噸為例)如表 1。

5.1.5 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量的分析與計(jì)算 (以 8噸為例)

5.1.5.1 電子汽車(chē)衡示值引入的不確定度分量u(i)

(1) 電子汽車(chē)衡是數(shù)顯重量，因?qū)⑵浞侄戎翟O(shè)定為 1 千克(或者使用小砝碼通過(guò)閃變點(diǎn)確定示值)，所以其數(shù)字分辨力為 1kg，設(shè)其服從均勻分布，則

2) 示值重復(fù)性引入的不確定度分量由實(shí)驗(yàn)可知：u(i2)=2.58kg

(3) 零點(diǎn)誤差引入的不確定度分量

設(shè)零點(diǎn)在 – 3—+3 千克之間變化，設(shè)其符合正態(tài)分布，則零點(diǎn)引入的不確定度分量為 1kg。

以上分量線性無(wú)關(guān)，則

5.1.5.2 檢定儀引入的不確定度分量

(1) 傳感器的引入的誤差

按照設(shè)計(jì)方案，單個(gè)傳感器的綜合誤差為0.0134% ， 6 只傳感器的綜合誤差為 20 ×103×1.34× ，設(shè)誤差服從正態(tài)分布，則相應(yīng)不確定度分量為：u(1)=0.36kg。

(2) 稱重顯示器引入的誤差

數(shù)字示值分辨力：因?yàn)榉侄戎禐?/span> 1kg，設(shè)誤差服從均勻分布，則相應(yīng)不確定度分量為 u(32)=

(3) 砝碼8 噸 m1級(jí)砝碼的不確定度為 u(61)=0.1414kg，設(shè)該誤差服從正態(tài)分布，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度為 u(61)=0.047kg。

所以檢定儀引入的不確定度分量為

5.1.6 合成不確定度

uc=2.82kg

5.1.7 擴(kuò)展不確定度(k=3)

 u95=3×2.82=8.46kg

6 結(jié)論

本電子汽車(chē)衡的總不確定度為 8.46kg，其在使用中的zui大允許誤差值為 30kg，6.40kg＜ (1/3×30) kg，符合檢定系統(tǒng)要求。

7 效率分析

以檢定 60 噸衡器，檢定機(jī)構(gòu)距衡器安裝地點(diǎn)10 公里為例進(jìn)行計(jì)算如表 2。

由計(jì)算可知：檢定儀用時(shí) 2.67 小時(shí)，砝碼用時(shí) 13.8 小時(shí)，檢衡車(chē)用時(shí) 7.3 小時(shí);相對(duì)砝碼，使用檢定儀可提率 4 倍，相對(duì)檢衡車(chē)，可提率 1.7 倍。

8 待討論的問(wèn)題

本檢定系統(tǒng)是否適用于鐵磁性材料制造的衡器?因?yàn)楸鞠到y(tǒng)上下電磁鐵采用了導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)，其磁力線絕大部分集中在上下兩個(gè)電磁鐵之間的空間，剩余部分磁力線大部分也穿過(guò)了秤體 (因?yàn)樯想姶盆F離秤面很接近)，故所有磁力線幾乎全部穿過(guò)秤體。所以秤體受上下兩個(gè)磁鐵的力相互抵消，秤體不受磁場(chǎng)力的作用，所以本系統(tǒng)應(yīng)該可以適用于鐵磁性材料制造的電子汽車(chē)衡。