1 前言

作為衡器的使用者而言, 並不關心衡器的工作原理, 主要是關心能否滿足使用的要求和目的。而且衡器的發展和進步也是與用戶需要和相關技術發展和進步分不開。我們將從使用者的角度來分析介紹各類衡器在實際使用中的一些要求和各類衡器在稱重時精度的比較, 以及近年來隨著需要和相關技術的發展對衡器的影響。
 

2 零售秤、計價 / 條碼秤
定量包裝秤和檢驗秤這一類秤是與老百姓日常生活最密切相關和使用最廣泛的計量器具。它所麵對的對象是屬於在商品交換中的弱勢群體, 因為顧客在購置商品時, 除憑經驗外, 是不能判定所購貨物的重量是否準確, 或滿足國家的規定。所以這類衡器在世界各國都是屬強製性管理的衡器, 從衡器分類, 零售秤和計價 / 條碼秤屬非自動衡器; 定量包裝秤和檢驗秤屬自動衡器。前者的誤差限是采用分段階梯形的絕對誤差形式。對於商用衡器的準確度級, 屬於非自動衡器的中準確度級和普通準確度級。各國又根據零售商品的價格規定需用衡器的準確度級和誤差限。例如我國規定茶葉等價值高的商品, 在售出時的衡器的檢定分度值不得大於 1 克, 即 e≤1g 。而對菜蔬等低值商品可使用普通準確度級別的四級秤。在我國農貿市場上大多使用最大秤量為 10 公斤的彈簧度盤秤來售

蔬菜、瓜果。這種彈簧秤的檢定分度數和檢定分度值分別為 n=500 和 e=20g , 使用精度為 ±40g 。對商用電子秤而言, 分度數通常最大為 n=3000 , 這樣對分

度值為 e=1g 的秤, 最大稱量僅為 3kg 。因此為解決此矛盾, 在國外已大量使用多分度值的電子秤, 大大擴展了秤的量程, 提高了稱量精度。例如對一台最大稱

量 Max=15kg 的三量程的電子秤,可具有如下稱量範圍:

Min 1 =20g , Max 1 =2kg , e 1 =1g , n 1 =2000

Min 2 >2kg , Max 2 =5kg , e 2 =2g , n 2 =2500

Min 3 >5kg , Max=Max 3 =15kg , e 3 =10g , n 3 =1500

下麵可看出它與一台 Max=15kg , n=3000 , e=5g的單量程秤在首次檢定時, 最大允許誤差 mpe 的比較結果。
多分度秤( Max=15kg )

對 m=400g=400e 1 , mpe=0.5g

對 m=1600g=1600e 1 , mpe=1.0g對 m=2100g=1050e 2 , mpe=2.0g

對 m=4250g=2125e 2 , mpe=3.0g

對 m=5100g=510e 3 , mpe=10g

對 m=15000g=1500e 3 , mpe=10g

單量程秤( Max=15kg )

0≤m≤2.5kg mpe=2.5g ;

2.5kg

10kg

但要注意多分度秤所使用的傳感器對最小靜載荷輸出回程值, DR ( Minimum dead load outup re-turn ) 要比單量程秤所使用的傳感器要求高, 前者為DR≤e 1 =1g , 而後者 DR≤e=5g 。
為了便於製作多分度秤, OIML R60 ( 2000 年版) 中, 給出一個非強製性附加參量, DR 或 Z 相對值( RelativeDRorZ ), Z=Emax/ ( 2×DR )。根據 OIMLR60 ( 2000 年版) 5.3.2 規定 DR 值不得超過傳感器檢定分度值的一半( 0.5V )。
目前我國能生產多分度秤或多量程秤的廠家並不多, 其原因多半是傳感器未能真正達到 C3 級傳感器的全部計量要求。

定量包裝商品所麵對的對象也同樣是針對廣大的老百姓, 所以它在使用對象上與零售秤、計價 / 條碼秤是相同的。但所不同的是它的誤差要求是根據OIML R87 《定量包裝商品淨含量》國際建議的要求來製定。定量包裝商品, 用質量計量的商品, 涉及到定量包裝秤和檢驗秤。與這兩種秤有關的國際建議分別為 OIML R61 和 OIML R51 ( X )。這兩種秤的誤差限, 均采用按被稱質量分段的相對誤差與絕對誤差相間的形式。圖 1 給出在 100kg 稱量範圍內, 定量包裝商品淨含量允差、包裝秤允差和檢驗秤允差與用非自動秤稱量相同重量時允差間的關係。由圖可看出非自動秤與定量包裝秤的允差是對應的。
對於定量包裝秤的精度, 與其說是由秤的結構決定的, 還不如說是由被包裝物料的特性所決定。在國外為確定包裝物料的誤差限, 把物料分為若幹等級。

a ) 不結塊的物料( 液體、粉狀、顆粒狀等物料):

平均結塊重量不大於單次定量稱重的最大允差的12.5% 。

b ) 小結塊物料( 結塊性等級 Ⅰ ): 平均結塊重量為單次定量稱重的最大允差的 12.5% 到 25% 之間。

c ) 中結塊物料( 結塊性等級 Ⅱ ): 平均結塊重量為單次定量稱重的最大允差的 25% 到 100% 之間。

d ) 大結塊物料( 結塊性等級 Ⅲ ): 平均結塊重量大於單次定量稱重的最大允差。

e )難以輸送的物料, 如奶粉、洗衣粉、湯料等。

f )爐渣、磷肥、粉煤灰、水泥、蘇打及其它礦物粉料。

為了克服物料本身特性對定量包裝秤精度的限製, 在上世紀八十年代發展的選擇組合秤( SelectiveCombination Weighers ), 可以在很大程度上克服因物料本身特性帶來的限製。選擇組合秤是用全新的理念來完成定量稱重。以往的定量 / 包裝秤是通過控製加料的精確性, 提高準確度。如采用二或三次投料, 克服落料衝擊力、飛料影響, 以及所謂加料中的“多普勒效應”。並設計了各類的加料機構。但這些方法都不能克服投料的隨機性的影響, 以及物料尺寸與精度間的矛盾。而選擇組合秤, 恰巧是利用投料的隨機性和物料重量間的不一致, 用多個稱重鬥對一批隨機投料的不同重量組合成所需的重量。在以往一些介紹選擇組合秤的文章中, 都是介紹這種秤有多少種組合方法, 以及如何來組合。其實, 要製造這種秤在數學上的處理, 並不在於有多少組合方法。

因為對選擇秤的組合問題, 即能有多少組合數, 是數學上眾所周知的組合問題, 對有 n 個稱重鬥, 每次選 K 個鬥來組合的選擇組合秤, 共有 Z 種組合方法。

Z=n!
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  K ! ( n- K ) !

考慮到組合速度 K 一般選三至五。表 1 中給出以 K 和 n 為函數的可組合數目。
 

由概率論的觀點來看, 選擇組合方法可顯著提高定量稱重的精度是很明顯的, 根據隨機分布原理,在大量事件中, 其相對值或平均值的偏差分布是滿足正態分布, 即事件的正、負偏差, 服從以平均值為中心的一對稱的“鍾形”曲線, 即正、負偏差的事件的量是相等的, 總是可以找到相互間的互補事件, 使組合值以平均值的偏差為最小, 甚至為零。所以欲製造組合秤的廠家, 在數據處理方麵要研究的不是有多少組合方法, 而且根據物料本身的特性, 研究如何來組合。即研究物料在給定稱重鬥數的情況下, 重量分布的情況及物料本身重量的分布情況等。但要注意對於塊狀物料也會有高達半塊重的欠重誤差。表 2給出選擇組合秤與物料的關係。 

定量 / 包裝秤可以說是在衡器裝置中結構形式最多樣化和被稱物料也最多樣化的一類衡器。目前在我國的衡器廠家僅能生產很少幾種。這類秤還包括了各種配料秤。
檢驗秤、比較衡、分選秤和等分秤等都是指能夠以某種方式檢驗被稱物的重量滿足所規定重量時使用的秤, 在具體使用時, 這些名詞都各有所指。我們主要是討論檢驗秤。檢驗秤的概念含義很廣, 任何可用來稱重的衡器都可用作檢驗秤, 常用的非自動秤、前已經稱量過的物品是否符合法定要求。但在這裏我們隻考慮自動檢驗秤。自動檢驗秤應遵照 OIMLR51 號國際建議。它的允差要求應與定量包裝秤, 非自動秤及 R87 “定量包裝商品的淨含量”國際建議的允差要求, 如圖 1 所示。檢驗秤往往並不測量被稱物的質量, 而是隻測量它與設定重量間的偏差, 並把偏差過大的物品剔除。
通常在自動定量包裝秤之後都應設置一台檢驗秤, 以保證包裝商品的重量滿足法定要求。有的檢驗秤還將稱重結果的信息反饋到前端的定量包裝秤,當定量包裝秤出現偏差時, 能得到及時的更正。為什麽一般都要求在自動定量包裝秤後設置檢驗秤呢?這是因為裝料的隨機性很大, 即使“通過”檢驗的秤,也不能保證每一次稱重都符合計量要求。所以需要一個精度更高的秤對定量包裝秤的產品進行檢驗是否符合要求。而在我國大多數的情況均省掉此項檢驗。因此在我國檢驗秤的產量很少, 隻有幾家外企或合資工廠能生產。在國外, 例如德國由於普遍在包裝商品生產中使用檢驗秤, 對定量 / 包裝秤都極少進行法定檢定。隻對生產線中的檢驗秤進行法定檢定。
值得注意的是, 定量 / 包裝秤和檢驗秤的稱重對象是隨機性的, 所以其誤差均用相對值表示, 是建立在統計學基礎上。在 OIML 組織對其製定國際建議時, 對誤差限的規定, 檢定方法都是依賴統計學。我國的衡器生產廠家極少考慮這方麵的問題, 所以想在這兩類衡器方麵有更大的自主創新是有困難的。當今好的檢驗秤能夠對數據進行統計計算、分析和顯示。
 

3 大型衡器

這些類型的衡器均不直接與老百姓的生活發生關係。這些衡器除用於工業生產、物流等外, 也大量用於商品貿易。

3.1 皮帶秤和非連續累計秤

這兩種衡器都是用來對散料 “連續”稱重的衡器, 而且是稱重能力最大的兩種衡器, 實現每小時上百噸的稱重能力是很常見的。對於皮帶秤已能達到20 , 000 噸 / 小時的能力。非連續累計秤可達每小時一、二千噸。

非連續累計秤由一個儲料鬥、一個稱量鬥和一個卸料鬥組成。有時也可以省去卸料鬥。雖然, 非連續累計秤舊類為自動衡器類, 但實際上是“動態”靜稱重, 最終結果又有累計各秤誤差互補的結果, 而且也無需像定量 / 包裝秤要考慮落料的影響。所以非連續累計秤可具有很高的精度, 其誤差限按相對誤差表示, 即用累計載荷的百分比計算。精度級為 0.2 級; Max=500kg , d=0.5kg ; 最小累計載荷為Σ min =500kg , 初次檢定的最大允差圖。其中折線是讀數的實際值, 斜線是百分比誤差限。皮帶秤是在廠礦、碼頭廣泛使用的衡器, 這種秤的主要特點是, 它的精度在很大程度上取決於傳輸皮帶的狀況。因此, 國外皮帶秤的廠家, 均給出對傳輸皮帶和皮帶秤架的安裝要求。傳統的皮帶秤的結構, 可分為杠杆式和懸浮式兩類, 杠杆式皮帶秤由於結構複雜、支點、刀口摩擦力的影響, 抗偏載能力差、安裝費時費力, 現已很少使用。全懸浮式皮帶秤, 省去了支點、杠杆、稱量框架等結構, 克服了杠杆式皮帶秤的缺點, 使精度有了很大提高。老式的單輥皮帶秤, 由於精度低、已幾乎不使用。現今設計的單輥皮帶秤, 具有精確度很高的稱重輥, 圓度的偏差為 0.004″ , 而傳統的皮帶秤是使用傳輸皮帶的 “標準”滾軸, 圓度的偏差為 0.030″~0.040″ , 並配有高度和稱重托輥的調直螺釘。采用平形四邊形原理的加載結構, 因此具有很好抗偏載能力。這種新型的單輥皮帶秤其精度可達 OIMLR50 國際建議規定的 0.5 精度級, 安裝、調節方便,省錢, 並可將數台單輥皮帶秤串聯安裝組成多輥皮帶秤可獲得更高的精度。
以上的皮帶秤均是基於用應變式傳感器測量皮帶物料重量。下麵介紹一種用振弦式傳感器測量皮帶物料重量的皮帶秤。這種由英國 某 公司生產的皮帶秤就是用振弦式傳感器測重, 此種皮帶秤在我國已有多年使用的曆史, 特別是在港口使用較多,這種皮帶秤精度高, 稱量大, 可達每小時萬噸以上。

3.2 動態軌道衡和動態汽車衡

這兩種衡器均是對行駛中的車輛進行稱重的衡器, 它們之間除秤體結構不同外, 在稱重原理上無大的差異。

動態軌道衡近一、二十年來基本上無重大的改進。國內近年在不斷軌軌道衡生產方麵有較大的發展。在國外不斷軌軌道衡在二十多年以前就已用來監測車輛的超載和偏載, 也有用來測量整列車輛的重量, 很少用來測量單一車輛的重量, 被測車速可高達每小時一百公裏以上。為了保證測量精確性, 根據

大量實際測量結果, 對有聯掛的車輛的稱重應滿足以下條件:
! 有機車牽引, 貨車的聯掛為非直接的鬆散的有緩衝連接。

! 列車的速度應當是恒定的, 即稱重時列車速

度的變化不得超過 0.15m/s ( 0.54km/h )。

! 車輪、彈簧和懸掛係統的機構狀況應沒問題。

國外對用不同型式的軌道衡稱重時認可的精度

如下:

! 能對整車稱重的單或多秤台軌道衡, 當車速在 5km/h 左右, 對有聯掛的單個車輛的稱重精度為0.1% 至 0.3% , 可達 0.2 精度級。

! 對軸或轉向架稱重的軌道衡, 相加後得到整車重量, 由於運動時車輛重心的位置變化, 一般準確度等級為 0.5 級。

! 不斷軌軌道衡, 由於沒有固定的稱重基礎, 因此不可能有很好的重複性, 並且不能用於靜態校準和稱重。它同樣是對輪軸的多次測量相加平均得到車輛的重量, 為了提高測量精度對輪軸的稱重可以高達二十次以上。不斷軌軌道衡在國外規定不能用於商業目的計量。

近年國內為了對卡車車輛超載的監測, 對公路路麵的保護, 對行駛中卡車的動態稱重技術有了很大發展。目前對動態公路車輛動態稱重係統可分為

三類: 壓電式, 主要用於對高速行駛車輛超載的監測和對輪胎力的測量, 收集對路麵受力情況的監測, 被測行駛車輛的速度可高達每小時一百公裏以上。彎曲應變稱重板, 主要用於車輛超載、偏載的監測。由於是便攜式, 對不同的路麵情況, 測量結果會有較明顯的差異。以上兩種係統, 從原則上講, 是不能用於商業計量。第三類是由應變式傳感器測重, 具有固定基礎的動態汽車衡, 這種動態汽車衡精度高、重複性好, 車輛的速度一般不超過 16km/h 可用於商業計量和計重收費。

3.3 倉儲、大罐和鋼水大包秤

這些類別的衡器多為非強製檢定的衡器, 它們的容量可達到百噸以上, 因此這類衡器的困難主要是如何定標或檢定。所以這類衡器有的顯示器並不顯示容器內的實際重量, 而是顯示出現存物料為初始物料量的百分值。近年發展起來的使用數字式稱重係統的不使用砝碼的定標或檢定方法, 也是解決該問題的有效方法。
 

4 衡器稱重結果的比較

對貿易和工業使用的衡器, 一般而言其精度在0.1% 就已能滿足要求, 但由於各類衡器對誤差限的定義是不相同的, 因此在實際使用中稱量相同重量的物料時, 其誤差會有很大的差異。對自動衡器而言, 非連續累計秤的精度最高。一般來說非自動衡器的精度高於自動衡器。

5 衡器發展

總的來說對衡器精度, 特別是商用和工業生產中使用衡器達 0.1% 左右已能滿足要求, 但對衡器的可靠性, 環境的適應性方麵有了很大的發展和進步。在國外像皮帶秤等大型衡器使用中的檢定周期達五年以上, 對射頻電磁場輻射試驗的嚴酷度由約十年前的 3V/m 場強, 要求提高到目前的 10V/m , 且頻率範圍也加寬了一倍左右, 還增加了射頻電磁場傳導抗擾度測試和加強了抗幹擾因子試驗的嚴酷度。另一方麵, 從表麵上看, 對各類衡器的精度級定義和允差的要求基本沒有改變, 但隨著商貿、物流和工業自動化的發展和進步, 對衡器功能的要求越來越多, 特別是工業自動化發展的要求, 現今衡器和稱重儀表除具有 RS232 、 RS485/422 或 TTY 串行通信接口外, 還備有滿足自動控製網絡係統的現場總線係統,如德國 Sartorius 集團 gwt 的 PR1720 現場總線轉換器就備有 PROFIBUS , Inter Bus-s 和 CAN-Bus 的現場總線係統。

有些衡器在我國發展比較快, 例如無線傳輸的吊秤, 由於我國對無線發射控製較國外鬆, 因此無線傳輸吊秤的使用要比國外廣泛得多。家庭用衡器, 如廚房秤、體重秤、“口袋”秤等, 由於我國勞動力廉價等因素, 發展也特別快, 已成為這類衡器在世界上最大的生產國和出口國。十多年裏由於新建大量糧倉,使得國內非連續累計秤有了很大的發展。近年為監測公路車輛超載和計重收費也推動了動態汽車衡的發展。雖然國內目前生產的各種衡器已基本能滿足國內商品和工業生產的要求, 但對一些技術含量較高的衡器, 如多頭秤、校驗秤、轉子秤等還沒有完全自主的生產能力。另外現有產品在可靠性、使用壽命方麵與國外產品比較還有很大差距。
 

6 結束語

國內某一種衡器的發展在很大程度上是取決於國內的需要或國家對某行業政策的傾斜, 以及能否打開國外市場。另外廠家能否將現有產品組成與生產自動線相適應的產品, 也是發展衡器產業的重要途徑。由於各種衡器的誤差限的定義不同, 最大允許誤差的大小也不同。這樣在用不同類的衡器稱量同一重量的物料時, 其結果間會有明顯的差異。另外同一台衡器在稱量不同物料, 如顆粒大小不同, 溫度不同的物料時, 也會有不同的結果。所以在使用衡器時, 用戶要注意該衡器的精度級是在什麽試驗條件下, 用什麽物料測定的。

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