1 前言

作为衡器的使用者而言, 并不关心衡器的工作原理, 主要是关心能否满足使用的要求和目的。而且衡器的发展和进步也是与用户需要和相关技术发展和进步分不开。我们将从使用者的角度来分析介绍各类衡器在实际使用中的一些要求和各类衡器在称重时精度的比较, 以及近年来随着需要和相关技术的发展对衡器的影响。
 

2 零售秤、计价 / 条码秤
定量包装秤和检验秤这一类秤是与老百姓日常生活最密切相关和使用最广泛的计量器具。它所面对的对象是属于在商品交换中的弱势群体, 因为顾客在购置商品时, 除凭经验外, 是不能判定所购货物的重量是否准确, 或满足国家的规定。所以这类衡器在世界各国都是属强制性管理的衡器, 从衡器分类, 零售秤和计价 / 条码秤属非自动衡器; 定量包装秤和检验秤属自动衡器。前者的误差限是采用分段阶梯形的绝对误差形式。对于商用衡器的准确度级, 属于非自动衡器的中准确度级和普通准确度级。各国又根据零售商品的价格规定需用衡器的准确度级和误差限。例如我国规定茶叶等价值高的商品, 在售出时的衡器的检定分度值不得大于 1 克, 即 e≤1g 。而对菜蔬等低值商品可使用普通准确度级别的四级秤。在我国农贸市场上大多使用最大秤量为 10 公斤的弹簧度盘秤来售

蔬菜、瓜果。这种弹簧秤的检定分度数和检定分度值分别为 n=500 和 e=20g , 使用精度为 ±40g 。对商用电子秤而言, 分度数通常最大为 n=3000 , 这样对分

度值为 e=1g 的秤, 最大称量仅为 3kg 。因此为解决此矛盾, 在国外已大量使用多分度值的电子秤, 大大扩展了秤的量程, 提高了称量精度。例如对一台最大称

量 Max=15kg 的三量程的电子秤,可具有如下称量范围:

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

下面可看出它与一台 Max=15kg , n=3000 , e=5g的单量程秤在首次检定时, 最大允许误差 mpe 的比较结果。
多分度秤( Max=15kg )

对 m=400g=400e 1 , mpe=0.5g

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

对 m=4250g=2125e 2 , mpe=3.0g

对 m=5100g=510e 3 , mpe=10g

对 m=15000g=1500e 3 , mpe=10g

单量程秤( Max=15kg )

0≤m≤2.5kg mpe=2.5g ;

2.5kg

10kg

但要注意多分度秤所使用的传感器对最小静载荷输出回程值, DR ( Minimum dead load outup re-turn ) 要比单量程秤所使用的传感器要求高, 前者为DR≤e 1 =1g , 而后者 DR≤e=5g 。
为了便于制作多分度秤, OIML R60 ( 2000 年版) 中, 给出一个非强制性附加参量, DR 或 Z 相对值( RelativeDRorZ ), Z=Emax/ ( 2×DR )。根据 OIMLR60 ( 2000 年版) 5.3.2 规定 DR 值不得超过传感器检定分度值的一半( 0.5V )。
目前我国能生产多分度秤或多量程秤的厂家并不多, 其原因多半是传感器未能真正达到 C3 级传感器的全部计量要求。

定量包装商品所面对的对象也同样是针对广大的老百姓, 所以它在使用对象上与零售秤、计价 / 条码秤是相同的。但所不同的是它的误差要求是根据OIML R87 《定量包装商品净含量》国际建议的要求来制定。定量包装商品, 用质量计量的商品, 涉及到定量包装秤和检验秤。与这两种秤有关的国际建议分别为 OIML R61 和 OIML R51 ( X )。这两种秤的误差限, 均采用按被称质量分段的相对误差与绝对误差相间的形式。图 1 给出在 100kg 称量范围内, 定量包装商品净含量允差、包装秤允差和检验秤允差与用非自动秤称量相同重量时允差间的关系。由图可看出非自动秤与定量包装秤的允差是对应的。
对于定量包装秤的精度, 与其说是由秤的结构决定的, 还不如说是由被包装物料的特性所决定。在国外为确定包装物料的误差限, 把物料分为若干等级。

a ) 不结块的物料( 液体、粉状、颗粒状等物料):

平均结块重量不大于单次定量称重的最大允差的12.5% 。

b ) 小结块物料( 结块性等级 Ⅰ ): 平均结块重量为单次定量称重的最大允差的 12.5% 到 25% 之间。

c ) 中结块物料( 结块性等级 Ⅱ ): 平均结块重量为单次定量称重的最大允差的 25% 到 100% 之间。

d ) 大结块物料( 结块性等级 Ⅲ ): 平均结块重量大于单次定量称重的最大允差。

e )难以输送的物料, 如奶粉、洗衣粉、汤料等。

f )炉渣、磷肥、粉煤灰、水泥、苏打及其它矿物粉料。

为了克服物料本身特性对定量包装秤精度的限制, 在上世纪八十年代发展的选择组合秤( SelectiveCombination Weighers ), 可以在很大程度上克服因物料本身特性带来的限制。选择组合秤是用全新的理念来完成定量称重。以往的定量 / 包装秤是通过控制加料的精确性, 提高准确度。如采用二或三次投料, 克服落料冲击力、飞料影响, 以及所谓加料中的“多普勒效应”。并设计了各类的加料机构。但这些方法都不能克服投料的随机性的影响, 以及物料尺寸与精度间的矛盾。而选择组合秤, 恰巧是利用投料的随机性和物料重量间的不一致, 用多个称重斗对一批随机投料的不同重量组合成所需的重量。在以往一些介绍选择组合秤的文章中, 都是介绍这种秤有多少种组合方法, 以及如何来组合。其实, 要制造这种秤在数学上的处理, 并不在于有多少组合方法。

因为对选择秤的组合问题, 即能有多少组合数, 是数学上众所周知的组合问题, 对有 n 个称重斗, 每次选 K 个斗来组合的选择组合秤, 共有 Z 种组合方法。

Z=n!
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  K ! ( n- K ) !

考虑到组合速度 K 一般选三至五。表 1 中给出以 K 和 n 为函数的可组合数目。
 

由概率论的观点来看, 选择组合方法可显著提高定量称重的精度是很明显的, 根据随机分布原理,在大量事件中, 其相对值或平均值的偏差分布是满足正态分布, 即事件的正、负偏差, 服从以平均值为中心的一对称的“钟形”曲线, 即正、负偏差的事件的量是相等的, 总是可以找到相互间的互补事件, 使组合值以平均值的偏差为最小, 甚至为零。所以欲制造组合秤的厂家, 在数据处理方面要研究的不是有多少组合方法, 而且根据物料本身的特性, 研究如何来组合。即研究物料在给定称重斗数的情况下, 重量分布的情况及物料本身重量的分布情况等。但要注意对于块状物料也会有高达半块重的欠重误差。表 2给出选择组合秤与物料的关系。 

定量 / 包装秤可以说是在衡器装置中结构形式最多样化和被称物料也最多样化的一类衡器。目前在我国的衡器厂家仅能生产很少几种。这类秤还包括了各种配料秤。
检验秤、比较衡、分选秤和等分秤等都是指能够以某种方式检验被称物的重量满足所规定重量时使用的秤, 在具体使用时, 这些名词都各有所指。我们主要是讨论检验秤。检验秤的概念含义很广, 任何可用来称重的衡器都可用作检验秤, 常用的非自动秤、前已经称量过的物品是否符合法定要求。但在这里我们只考虑自动检验秤。自动检验秤应遵照 OIMLR51 号国际建议。它的允差要求应与定量包装秤, 非自动秤及 R87 “定量包装商品的净含量”国际建议的允差要求, 如图 1 所示。检验秤往往并不测量被称物的质量, 而是只测量它与设定重量间的偏差, 并把偏差过大的物品剔除。
通常在自动定量包装秤之后都应设置一台检验秤, 以保证包装商品的重量满足法定要求。有的检验秤还将称重结果的信息反馈到前端的定量包装秤,当定量包装秤出现偏差时, 能得到及时的更正。为什么一般都要求在自动定量包装秤后设置检验秤呢?这是因为装料的随机性很大, 即使“通过”检验的秤,也不能保证每一次称重都符合计量要求。所以需要一个精度更高的秤对定量包装秤的产品进行检验是否符合要求。而在我国大多数的情况均省掉此项检验。因此在我国检验秤的产量很少, 只有几家外企或合资工厂能生产。在国外, 例如德国由于普遍在包装商品生产中使用检验秤, 对定量 / 包装秤都极少进行法定检定。只对生产线中的检验秤进行法定检定。
值得注意的是, 定量 / 包装秤和检验秤的称重对象是随机性的, 所以其误差均用相对值表示, 是建立在统计学基础上。在 OIML 组织对其制定国际建议时, 对误差限的规定, 检定方法都是依赖统计学。我国的衡器生产厂家极少考虑这方面的问题, 所以想在这两类衡器方面有更大的自主创新是有困难的。当今好的检验秤能够对数据进行统计计算、分析和显示。
 

3 大型衡器

这些类型的衡器均不直接与老百姓的生活发生关系。这些衡器除用于工业生产、物流等外, 也大量用于商品贸易。

3.1 皮带秤和非连续累计秤

这两种衡器都是用来对散料 “连续”称重的衡器, 而且是称重能力最大的两种衡器, 实现每小时上百吨的称重能力是很常见的。对于皮带秤已能达到20 , 000 吨 / 小时的能力。非连续累计秤可达每小时一、二千吨。

 

非连续累计秤由一个储料斗、一个称量斗和一个卸料斗组成。有时也可以省去卸料斗。虽然, 非连续累计秤旧类为自动衡器类, 但实际上是“动态”静称重, 最终结果又有累计各秤误差互补的结果, 而且也无需像定量 / 包装秤要考虑落料的影响。所以非连续累计秤可具有很高的精度, 其误差限按相对误差表示, 即用累计载荷的百分比计算。精度级为 0.2 级; Max=500kg , d=0.5kg ; 最小累计载荷为Σ min =500kg , 初次检定的最大允差图。其中折线是读数的实际值, 斜线是百分比误差限。皮带秤是在厂矿、码头广泛使用的衡器, 这种秤的主要特点是, 它的精度在很大程度上取决于传输皮带的状况。因此, 国外皮带秤的厂家, 均给出对传输皮带和皮带秤架的安装要求。传统的皮带秤的结构, 可分为杠杆式和悬浮式两类, 杠杆式皮带秤由于结构复杂、支点、刀口摩擦力的影响, 抗偏载能力差、安装费时费力, 现已很少使用。全悬浮式皮带秤, 省去了支点、杠杆、称量框架等结构, 克服了杠杆式皮带秤的缺点, 使精度有了很大提高。老式的单辊皮带秤, 由于精度低、已几乎不使用。现今设计的单辊皮带秤, 具有精确度很高的称重辊, 圆度的偏差为 0.004″ , 而传统的皮带秤是使用传输皮带的 “标准”滚轴, 圆度的偏差为 0.030″~0.040″ , 并配有高度和称重托辊的调直螺钉。采用平形四边形原理的加载结构, 因此具有很好抗偏载能力。这种新型的单辊皮带秤其精度可达 OIMLR50 国际建议规定的 0.5 精度级, 安装、调节方便,省钱, 并可将数台单辊皮带秤串联安装组成多辊皮带秤可获得更高的精度。
以上的皮带秤均是基于用应变式传感器测量皮带物料重量。下面介绍一种用振弦式传感器测量皮带物料重量的皮带秤。这种由英国 某 公司生产的皮带秤就是用振弦式传感器测重, 此种皮带秤在我国已有多年使用的历史, 特别是在港口使用较多,这种皮带秤精度高, 称量大, 可达每小时万吨以上。

3.2 动态轨道衡和动态汽车衡

这两种衡器均是对行驶中的车辆进行称重的衡器, 它们之间除秤体结构不同外, 在称重原理上无大的差异。

动态轨道衡近一、二十年来基本上无重大的改进。国内近年在不断轨轨道衡生产方面有较大的发展。在国外不断轨轨道衡在二十多年以前就已用来监测车辆的超载和偏载, 也有用来测量整列车辆的重量, 很少用来测量单一车辆的重量, 被测车速可高达每小时一百公里以上。为了保证测量精确性, 根据

大量实际测量结果, 对有联挂的车辆的称重应满足以下条件:
! 有机车牵引, 货车的联挂为非直接的松散的有缓冲连接。

! 列车的速度应当是恒定的, 即称重时列车速

度的变化不得超过 0.15m/s ( 0.54km/h )。

! 车轮、弹簧和悬挂系统的机构状况应没问题。

国外对用不同型式的轨道衡称重时认可的精度

如下:

! 能对整车称重的单或多秤台轨道衡, 当车速在 5km/h 左右, 对有联挂的单个车辆的称重精度为0.1% 至 0.3% , 可达 0.2 精度级。

! 对轴或转向架称重的轨道衡, 相加后得到整车重量, 由于运动时车辆重心的位置变化, 一般准确度等级为 0.5 级。

! 不断轨轨道衡, 由于没有固定的称重基础, 因此不可能有很好的重复性, 并且不能用于静态校准和称重。它同样是对轮轴的多次测量相加平均得到车辆的重量, 为了提高测量精度对轮轴的称重可以高达二十次以上。不断轨轨道衡在国外规定不能用于商业目的计量。

近年国内为了对卡车车辆超载的监测, 对公路路面的保护, 对行驶中卡车的动态称重技术有了很大发展。目前对动态公路车辆动态称重系统可分为

 

三类: 压电式, 主要用于对高速行驶车辆超载的监测和对轮胎力的测量, 收集对路面受力情况的监测, 被测行驶车辆的速度可高达每小时一百公里以上。弯曲应变称重板, 主要用于车辆超载、偏载的监测。由于是便携式, 对不同的路面情况, 测量结果会有较明显的差异。以上两种系统, 从原则上讲, 是不能用于商业计量。第三类是由应变式传感器测重, 具有固定基础的动态汽车衡, 这种动态汽车衡精度高、重复性好, 车辆的速度一般不超过 16km/h 可用于商业计量和计重收费。

3.3 仓储、大罐和钢水大包秤

这些类别的衡器多为非强制检定的衡器, 它们的容量可达到百吨以上, 因此这类衡器的困难主要是如何定标或检定。所以这类衡器有的显示器并不显示容器内的实际重量, 而是显示出现存物料为初始物料量的百分值。近年发展起来的使用数字式称重系统的不使用砝码的定标或检定方法, 也是解决该问题的有效方法。
 

4 衡器称重结果的比较

对贸易和工业使用的衡器, 一般而言其精度在0.1% 就已能满足要求, 但由于各类衡器对误差限的定义是不相同的, 因此在实际使用中称量相同重量的物料时, 其误差会有很大的差异。对自动衡器而言, 非连续累计秤的精度最高。一般来说非自动衡器的精度高于自动衡器。

5 衡器发展

总的来说对衡器精度, 特别是商用和工业生产中使用衡器达 0.1% 左右已能满足要求, 但对衡器的可靠性, 环境的适应性方面有了很大的发展和进步。在国外像皮带秤等大型衡器使用中的检定周期达五年以上, 对射频电磁场辐射试验的严酷度由约十年前的 3V/m 场强, 要求提高到目前的 10V/m , 且频率范围也加宽了一倍左右, 还增加了射频电磁场传导抗扰度测试和加强了抗干扰因子试验的严酷度。另一方面, 从表面上看, 对各类衡器的精度级定义和允差的要求基本没有改变, 但随着商贸、物流和工业自动化的发展和进步, 对衡器功能的要求越来越多, 特别是工业自动化发展的要求, 现今衡器和称重仪表除具有 RS232 、 RS485/422 或 TTY 串行通信接口外, 还备有满足自动控制网络系统的现场总线系统,如德国 Sartorius 集团 gwt 的 PR1720 现场总线转换器就备有 PROFIBUS , Inter Bus-s 和 CAN-Bus 的现场总线系统。

有些衡器在我国发展比较快, 例如无线传输的吊秤, 由于我国对无线发射控制较国外松, 因此无线传输吊秤的使用要比国外广泛得多。家庭用衡器, 如厨房秤、体重秤、“口袋”秤等, 由于我国劳动力廉价等因素, 发展也特别快, 已成为这类衡器在世界上最大的生产国和出口国。十多年里由于新建大量粮仓,使得国内非连续累计秤有了很大的发展。近年为监测公路车辆超载和计重收费也推动了动态汽车衡的发展。虽然国内目前生产的各种衡器已基本能满足国内商品和工业生产的要求, 但对一些技术含量较高的衡器, 如多头秤、校验秤、转子秤等还没有完全自主的生产能力。另外现有产品在可靠性、使用寿命方面与国外产品比较还有很大差距。
 

6 结束语

国内某一种衡器的发展在很大程度上是取决于国内的需要或国家对某行业政策的倾斜, 以及能否打开国外市场。另外厂家能否将现有产品组成与生产自动线相适应的产品, 也是发展衡器产业的重要途径。由于各种衡器的误差限的定义不同, 最大允许误差的大小也不同。这样在用不同类的衡器称量同一重量的物料时, 其结果间会有明显的差异。另外同一台衡器在称量不同物料, 如颗粒大小不同, 温度不同的物料时, 也会有不同的结果。所以在使用衡器时, 用户要注意该衡器的精度级是在什么试验条件下, 用什么物料测定的。

 

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