本文着重讲解如何根据相对DR或Z和V.或Y两个参数来设计称重器, 并列举了两个实例,单只传感器和四只传感器的应用。并论证了用C3级传感器可以设计 n=4000分度的衡器。DR或Z和或Y这两个参数是设计衡器的主要依据。
称重传感器的品质决定了衡器的精度和可靠 性。所以说称重传感器是称重系统的心脏。衡器 特别是贸易用的衡器,都是属于国家强制检定的 计量器具,所以无论是使用何种原理的称重传感 器所制造的衡器,都必须满足国家标准或国际标 准。但至今除应变式称重传感器有依照非自动衡 器规则来制定的标准和检定规程,还没有其它类 型的称重传感器有与之相类似的标准和检定规程。 幸运的是,现在使用的衡器百分之九十左右都是 使用应变式传感器庆平除外。这对我们使用应 变传感器来设计和制造衡器带来了很大的方便。 本文主要讨论应变式传感器技术参数的有关问题。
为了便于了解应变式传感器与电子衡器间的 关系,即R60和R76间的关系,先简单介绍一下 有关历史。
1938年Simmons和Ruge发明了应变计,用来 测量应变,主要用于军工和工程方面。到1966年 PTB发表了将应变传感器用于机电结合称重装置 的文章,此时传感器的精度已达到0.1%,并通过 了产品认证。1976年PTB发表了应变式传感器首 次试验检定的文章,该检定是根据称重机IR3 OIML规则和71/316/EEC欧洲指令。然而此时是根 据应变式力传感器的技术指标来试验。它与衡器 的计量要求和技术指标之间存在差异和不同要求。 特别是之后电子衡器的迅速发展、应变式力传感 器单项的技术指标与非自动衡器用分段阶梯的最 大允许误差限间存在根本性的差异。迫切需要制 定能与非自动衡器计量要求和技术要求相适应的 称重传感器的标准和计量检定规程。从上世纪八 十年代初,OIML组织就着手编制适于非自动衡器 的称重传感器国际建议和适用电子衡器的非自动 衡器国际建议,即R60和R76号国际建议。1992 年版的R76号建议(包括1994的修订本的基本 规则是最接近非自动衡器计量称重要求的版本。 R60在1991年、1993年发布了包括有计算程序和 试验报告的建议。该建议是根据R76号建议的计 量要求和技术要求专门制定的适用于衡器要求的 传感器的国际建议。并在1995年巴黎召开的 “Weighing Towards the Year 2000” 的会上进行了首 次修改,并由PTB的B.MEIBNER以题为'"Reflections on NAMIs Module ‘ Load Cell 的文章 对R60的内容做了讲释,这篇文章对我们了解 R60以及与R76间的关系很有帮助。之后的修定 版本,在基本原则上没有改变。
R60的计量要求是根据R76制定与R76 —样 也是分为四个精度级别,A、B、C或D与非自动 衡器的四个级别I、II、III或IV相对应。对传感 器最大允许误差的分量系数PiC=0.7他可选定在 0.3〜0.8范围内,三级和四级秤和与之对应的C 级和D级传感器的误差限如表1所示。
非自动秤的梯形误差包络限是由下述试验确定:
非线性+滞后+静态温度试验 注意此误差不包括蠕变和零点温度的影响。 传感器的误差限基本上也是根据衡器的试验程序 确定。从原则上讲,根据这样对应关系,用C3级 传感器来设计三级秤可供贸易用秤是完全能 满足要求。给设计者带来很大方便。
由于技术进步以及微处理机在称重系统中的 运用,对传感器和衡器带来了以下四个方面的新 发展:
•平台秤用的单点称重传感器 •数字传感器 •多分度称重装置 •多范围量程称重装置。
所以在新的R60 (2000年版中增加了对数 字传感器的试验和两项非强制性的参数:相对DR 或Z和相对Vmn或Y。这两个参数虽然是非强制 性,但对我们设计衡器却非常重要。
因此,要求传感器需给出以下参数的补充认 证检定证书:
•传感器的最大秤量.Ema (kg •最大检定分度数.ni£Max
•最小检定分度值:Vmi„ (kg 根据OIML R60得到的Cmdkh值是以V为单 位,需根据下式计算得出DR值。
DR= (Cmsjcrx Em) /nMox •灵敏度: mv/v •输入电阻:Q •供电电压:V •防护等级 •电线长度
这些参数是设计衡器的基本参数,首先根据 衡器量程选择传感器的最大秤量。
传感器的检定分度数:ni£=E_/V 衡器的检定分度数:n=Mx/e 传感器额定量程:丑腿、Em,„
衡器的秤量范围:Mx, Min=20e 传感器检定分度值:V、V™
衡器检定分度值:e、e™
通常使用的衡器要求满足贸易n要求,即三 级秤的要求。为此应选用C3级传感器。对于C3 级传感器,当分度n=3000时,最大允许误差为衡 器最大允许误差的Plc倍,其中mpe为衡器的最大 允许误差,Plc为分量系数,通常p«=0.7。
必须记住对于C3级传感器的3000分度,并 不是它的最大不能超过的误差限的分度数。它的 最大分度数如咖^ 3000,由DR或Z值确定, Z=E_/ (2DR 和 Z Mxifa/e—对 C3 级传感器。nMra 值一般为3000至10000。由它决定了传感器的测 量结果不超过最大允许误差(m^的测量范围,可 分成的最大分度数nM«„。同时也确定了用它制造的 衡器的最小分度值e„„。
传感器的最小检定分度V™或Y也是设计衡 器的重要参数。V™为温度每变化5°C传感器零点 的漂移值,HJNmn。它决定了在传感器不超过 最大允许误差使用范围内的最大分度数。通常Y 值比Z值大两至三倍。应注意Y与nc无关,下面 是根据OIML R60文本中所举例来了解Y和Z的 具体数值。
Class C3、nLc=3000、Y=12000、Z=4000 E_=100Kg、300Kg、500Kg、5000Kg、10t、 30t 和 50tClass C6 : nL=6000、Y=18000、Z=6000 Emat=50Kg、100Kg、300Kg 和 500Kg 下面我们用实例来说明如何根据这些参数来 设计衡器。
根据欧洲EN45502、4, 2, 1,传感器的E- 和衡器的Max^,之间应满足下要求:
E—乏(MaxMjj+DL+IZSR+NUD+T) /N 式中:N—传感器的数目;
DL 死载荷;
IZSR——初始的零点的设置范围:
NUD 载荷非均匀分布,即角偏误差;
T——附加皮重。
并推荐对传感器容量的快速估计法。
Mxm„/N. E腿=0.25 …0.5
相对Vmn或Y和相对DR或Z是设计衡器非常 重要的两个参数。特别是设计多量程和多分度衡 器的根据。由此二参数决定所选的传感器是否满 足多量程衡器和多分度衡器的要求。
•多量程衡器MR
双量程 三量程:
DR=0.5e,由 至 0 (DRS e)
V,^„=1.0ell 由 开始至 0
Y=E—/V腿或
^min— emiJ 姨^
ZS 0.4MaxMat/emin (当 DR 未知时 双量程衡器:高Y值 三量程衡器:高Y值和高Z值 •多分度衡器MI 双分度一三分度:
DR=0.5e1 由 Maxi 至 0 ZEmJ (2DR ZS MaxM„/e„»
双分度衡器:高Y值和高Z值 三分度衡器:高Y值和特高Z值 再重复一下,Y和Z值与niC和阶梯误差限无 关。下面举实例在设计多量程和多分度衡器时, 如何确定Z和Y值。
•用100Kg单点式传感器,设计一台三量程
秤。