电子汽车衡作为一种较为常用的大型衡器, 广泛应用于采矿业、加工制造业、仓储物流业等各行各业。在贸易结算、能源资源计量、大宗物料称重等领域我们都能见到它的身影。汽车衡的用途非常广泛, 重要性毋庸置疑, 因此, 其称重是否准确直接影响到各相关方的切身利益。但由于汽车衡多属于露天使用的计量器具, 其环境条件跟室内使用的电子秤比起来要差的很多, 所以电子汽车衡跟其它电子衡器相比就有了自己的特殊性。这种特殊性要求汽车衡从设计制造、安装调试到维护保养都要更加严格, 这样才能适应各种环境条件的要求。然而很多汽车衡的使用者 (或购买者、用户) 由于缺乏必要的认识, 喜欢让汽车衡制造企业技术人员或者计量技术机构检定人员把检定分度值 (根据jjg 539-2016《数字指示秤》检定规程5.2的规定, 检定分度值应与实际分度值等价, 本文为叙述方便, 只使用检定分度值这一概念) 调的很小, 认为这样就可以不用多花钱也能实现比较精确的测量。但其实, 这样做往往是没有效果的。下面笔者就分析一下为什么不能错误的设置上海电子汽车衡的分度值, 以及如何正确设置分度值。
分度值问题产生的原因
这里先从汽车衡的结构谈起。目前我国电子汽车衡的制造厂家数量很多, 但他们的产品结构都是差不多的, 都是由秤台 (承载器) +称重传感器 (包括接线盒) +称重显示仪表组成的。仪表在汽车衡安装结束后就要进行调试和标定, 这样才能正常使用。在标定时就有一项内容是设置分度值的大小。很多用户在购买汽车衡时, 都喜欢要求厂家的技术人员把分度值调到他们自认为比较合适的大小, 这个值通常都比国家技术规范 (jjg 539-2016《数字指示秤》检定规程) 的规定要小很多。他们觉得这样做会使得称量更加准确, 在贸易结算时自己就不会吃亏, 自己的经济利益就会得到保障, 而且还不用增加费用。事实真的是这样吗?
传感器对分度值的限制
我们先看看传感器。汽车衡除了有秤台和仪表以外, 重要的就是称重传感器了。它的作用就是把秤台对传感器的压力转化为电信号, 并传送到仪表, 由仪表主板再进行加工转换从而转变为我们能识别的质量值。也就是说, 控制物体称重准确与否的, 是传感器和仪表。我们可以通过这两种途径来提高汽车衡的准确度, 一是改变显示仪表的分度值, 二是采用更高准确度等级的称重传感器。其中传感器是真正起关键作用的设备, 它的等级决定了汽车衡的准确度。但由于采购更高等级的传感器成本较高, 不如直接通过仪表修改分度值来得方便, 所以比较普遍的做法就是修改仪表的分度值, 使之看起来显得更加精确。但是这只是“看起来”而已, 其实不然。
我们拿一台较为常见的型号为scs-120的电子汽车衡为例。这种汽车衡的大秤量为120t, 通常由3节秤台组成, 配备8只传感器。据笔者所知, 除非特别要求, 汽车衡制造厂家给电子汽车衡配备的称重传感器等级出于成本考虑一般都是c3级的。c代表中低等准确度, 3代表3000个检定分度数。jjg 669-2003《称重传感器》检定规程4.6.2规定, 这种级别的传感器大检定分度数nmax=3000。另外, jjg 539-2016《数字指示秤》检定规程第6.4.2条有这样一句规定:若n>3000时, 应注明“不允许室外使用”。换句话说就是室外用的电子汽车衡 (几乎所有的电子汽车衡都是室外使用) 检定分度数不允许超过3000。
再有, 根据《数字指示秤》检定规程5.1关于秤的等级的规定, 秤的检定分度数大不能超过10000, 超过了那就属于天平了 (参见jjg 1036-2008《电子天平》检定规程5.4.2关于天平准确度级别的规定, 这两个规程明确区分了电子秤和电子天平) 。同理c级称重传感器的检定分度数大也不得超过10000, 而超过10000则为b级传感器 (参见jjg 669-2003《称重传感器》检定规程4.1:称重传感器分级原则) , 综合这三个规程来看, 人为这样设置就是把汽车衡当更高准确度级别的电子天平使用, 这其实是不现实的。
这些是技术规范的有关要求, 再看看技术设计上的有关限制。我们通过简单的计算可以看出问题。以把分度值设为10kg的120t汽车衡为例, 它一般可选8只30t或50t的c3级传感器, 以50t的为例, 其灵敏度为2m v/v。称重显示仪表的激励电压为12v, 每个检定分度值对应的小输入电压一般为1μv。汽车衡的检定分度数为大秤量÷分度值=12000, 那么根据计算公式:每个检定分度值输出电压=激励电压×灵敏度×大秤量÷ (传感器个数×单只传感器量程×检定分度数) , 该汽车衡每个检定分度值输出电压为0.6μv, 该值比仪表每个检定分度值对应的小输入电压还小, 也就是传感器这样小的电压变化仪表根本反应不出来。再者, c3级传感器的技术参数决定了它的分度数为3000, 这种级别50t的单只传感器检定分度值应该不低于16.7kg, 但仪表数值只能显示为1、2、5及其整数倍, 所以本例应设置为20kg, 8只传感器组合因汽车衡量程扩大到120t, 分度值也只能扩大到50kg (检定分度值与大秤量的关系, 如表1所示) , 它们都比10kg的设定值大的多, 因此该汽车衡是无法正常工作的。这就从物理学角度决定了汽车衡的分度值受到传感器的制约, 不能随意减小。
气流对汽车衡的影响
上文已经说过, 现在我们见到过的绝大多数电子汽车衡由于工作性质的原因几乎都安装在露天, 有的秤台上面加装了防雨顶棚, 但仍属于室外使用。我们知道, 室外的物体都很容易受气流的影响, 汽车衡也不例外, 具体影响到多大程度呢?据笔者所知, 目前国内还没有人对此做过流体力学甚至是风洞试验。究其原因, 一个是成本原因, 一个是影响因素太多, 如密度、压强、速度、流量、角度等等, 很难精确计算出来。本文用一个示意图结合伯努利方程做了一个大致推算。气流 (风力) 对秤台的影响示意图, 如图1所示 (长方形为秤台侧面剖面图, 两个三角形为称重传感器, 夹角30°对应的直角三角形短边代表迎风面) 。
根据伯努利方程, 风的动压为0.5×空气密度×风速的平方。这样我们可以直观的看出, 风力对秤台的压强与风速的平方成正比。一台120t的汽车衡3节秤台面积至少为63m2, 假设风力对秤台的夹角为30° (如图1所示) , 由于直角三角形30°角对应的短边应为秤台长度的一半, 则可以算出相应的迎风面积 (受力面积) 应为32m2。我们以四级风为例, 它的大速度为7.9m/s, 按7计算, 得出压强32n/m2, 三级风大速度5.4m/s, 按5计算, 得出16n/m2。按32m2的迎风面积计算, 相应的压力为四级风1024n、三级风512n。如果风力是以一定的角度向下吹向秤台, 则会产生一部分垂直分力, 向下角度越大垂直分力越大, 上文已经假设角度为30°, 则对应的垂直分力分别为四级风512n、三级风256n。分别相当于52kg和26kg的物体作用于秤台上面。通常在室外很容易就能达到或超过三级风力。也就是说, 如果分度值设置过小, 随随便便一点风力, 就会使物体的质量显示产生跳变。如果角度为0即说明风力平行于秤台, 这时流过秤台上方的风速大于下方的风速, 会产生向上的浮力, 这类似于飞机起飞时的场景, 这时也会使得物体质量值不能稳定显示, 在此不再详述。
其他制约条件
现在大多数汽车衡为了控制成本都是全钢秤, u型钢为主流, *取代了槽钢、工字钢等型钢秤。u型钢做出来的汽车衡秤台以120t为例, 通常要比型钢秤的秤台要轻2t～2.5t左右, 更容易受到风力等外界因素的干扰。另外由于现在的汽车衡秤体质量良莠不齐, 安装基础质量也各不相同, 再加上室外工作, 各种辐射干扰很多, 传感器输出温度补偿不*等, 人为降低分度值并不能如用户期望的那样提高称量准确度。即使是新秤, 各方面条件都合格也未必都能保证提高秤的准确度, 甚至有可能引起如漂移、示值不稳等问题。
我们从上文分析可以看出, 120t的汽车衡, 检定分度值应该是50kg, 而不是20kg或10kg。
所以根据c3级传感器的设计标准和数字指示秤检定规程的约束, 必须坚持nmax=3000的原则。实际安装的汽车衡型式必须与型式批准报告相一致, 不得任意缩小分度值, 不然很难保证汽车衡能正常使用。下面给出汽车衡大秤量与对应的检定分度值的关系。