本文講述幾點(diǎn)在地磅設計、制造、使用中最常遇到，但又往往被忽略或概念不清而造成的問(wèn)題和困難。希望大家能重視這 些基礎性問(wèn)題，并加強對地磅基本理論的研究。

在實(shí)際稱(chēng)重技術(shù)工作中，會(huì )發(fā)現由于違反了稱(chēng)重技術(shù)的基本概念， 導致研制產(chǎn)品的失敗和無(wú)法解決或不能理解工作中遇到的問(wèn)題。遺憾 的是往往一些衡器工作者不重視這些概念性的基本問(wèn)題，特別是現在 由于計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，很多人企圖通過(guò)計算機技術(shù)來(lái)解決由于 違反基本原理所帶來(lái)的困難，而實(shí)際上這是徒勞無(wú)益的。本文試圖對 一些基本概念做簡(jiǎn)要講述供大家參考、討論。

一、力矩平衡、靜不定系統

重力式稱(chēng)重系統和最常用的衡器。除了吊秤等極少數衡器，被測 物的重力與用來(lái)測力的器件，如傳感器，它們的力互為平行力，而不 是共點(diǎn)力，因此測力的數學(xué)方程是建立于力矩平衡的基礎上。由于習 慣的“直觀(guān)”思維，例如對汽車(chē)衡之類(lèi)的衡器，會(huì )直接把四只傳感器測 出力相加，就等于被稱(chēng)物的重量。這種習慣性的結果，就是在實(shí)際校 準汽車(chē)衡時(shí)，不按規定調整偏載，甚至不調偏載，其結果是同樣重量 的物體，當重心處于承載器的不同位置，顯示結果會(huì )有明顯的差異，

且示值超差。這種現象在調偏時(shí)，在四角放置檢定磚碼，通常均會(huì )發(fā)生。這是為什么呢？因為此時(shí)的汽車(chē)衡是靜不定系統。眾所周知，超 過(guò)三個(gè)以上支承測力點(diǎn)的系統，均為靜不定系統，例如汽車(chē)衡，此時(shí) 有四個(gè)支承傳感器，而只能得到三個(gè)平衡方程，因此無(wú)法求得四個(gè)稱(chēng) 重點(diǎn)受力的大小，即此時(shí)四支傳感器的力值相加的合力大小，并不等 于被稱(chēng)物的重力。

二、型式批準與檢定

地磅是屬于強制性管理的計量器具。對于新型產(chǎn)品和廠(chǎng)家初次生 產(chǎn)的產(chǎn)品，必須經(jīng)過(guò)法制計量部門(mén)對產(chǎn)品進(jìn)行型式批準，通過(guò)后才能 投產(chǎn)。對于新型產(chǎn)品，需對其衡器的原理、結構甚至某些特殊要求的 材料進(jìn)行審定。第二對是否有合理、可行的檢驗方法，并制定出試驗 文件才能進(jìn)行型式批準。對于廠(chǎng)家初次生產(chǎn)已有的衡器，則只需要按 照已有規程進(jìn)行型式批準。由于我國廠(chǎng)家所生產(chǎn)的衡器，幾乎都是已 有的衡器，往往有的廠(chǎng)家在所生產(chǎn)的衡器增加與原產(chǎn)品不同的可能影 響稱(chēng)重結果的部件，我們卻沒(méi)有對這些新加部分進(jìn)行審定。而在國外 對新型衡器的型式批準很?chē)栏?，例如在德國早?/span>1775年左右就有了 定型的傾斜杠桿秤，但直到1876年才通過(guò)型式批準正式使用。由于 計量法規的制約，影響了傾斜扛桿秤在德國的發(fā)展。另外應變式稱(chēng)重 傳感器的電子秤，直到傳感器的不確定度小于千分之一時(shí)，在1966 年才獲得型式批準。

型式批準的目的，只在于確認一種新型衡器在原理、結構型式是 合理的，對初次生產(chǎn)某種衡器的廠(chǎng)家還應確認它有生產(chǎn)這種衡器的能 力才能投產(chǎn)。

為了保證計量器具在足夠長(cháng)的時(shí)間內（測量的穩定性)，都可期 望得到正確的測量結果（測量的正確性），這在計量法中被稱(chēng)為測量 的確定性。為了保證計量器具的特性，需強制對使用的衡器進(jìn)行檢定。 檢定包括首次檢定和隨后檢定。

首次檢定的目的在于使計量器具得到法定計量部門(mén)的認可、準許 使用。確認該衡器是否是型式批準型式的復制件，并可以審查該衡器 是否安裝和使用正確，具有法規所規定的功能。

隨后檢定，旨在查明計量器具上次檢定經(jīng)過(guò)一段時(shí)間使用后，其 精度和性能能否還維持原法規的要求。計量部門(mén)在統計某種衡器隨后 檢定數據，可以判斷對該類(lèi)衡器的檢定周期是否規定合理，并可對廠(chǎng) 家的衡器性能進(jìn)行評定后提出改進(jìn)意見(jiàn)。

三、限位

衡器或稱(chēng)重系統最基本的要求是載荷的作用力必須通過(guò)傳感器 的受力軸線(xiàn)，不能有橫向力和力矩。并要求在整個(gè)使用過(guò)程稱(chēng)重結構 的狀態(tài)不能發(fā)生改變，例如承載器、稱(chēng)重支架。要求保持傳感器的受 力狀態(tài)保持不變、稱(chēng)重系統或承載器的死載荷（由力矩平衡的空載受 力狀態(tài)）保持不變。在實(shí)際使用時(shí)，由于溫度的變化引起支承件橫向 位移、風(fēng)力引起的橫向力，以及沖擊造成橫向力或阻力所作用，以及 機械結構：如基礎、結構架、承載器、容器罐等、在負載應力的作用 下，都可能產(chǎn)生形變。這些因素均可影響測量精度。廣義而言，傳感 器的加載部件（壓頭），也是為了消除橫向干擾力的限位部件。而我 們通常只將在承載器和基礎或構架之間安裝所消除橫向力的裝置稱(chēng)

為限位器。

為了防止水平力的限位裝置有兩種不同的形式：

約束（Constrainers):約束是使用強制的手段消除水平力，不允 許在約束方向，稱(chēng)重結構、承載器傳感器之間有任何運動(dòng)。在整個(gè)稱(chēng) 重過(guò)程中都起作用。

制動(dòng)（限位）（stop):

起制動(dòng)作用的限位裝置，在稱(chēng)重過(guò)程中當承載器、稱(chēng)重機構受到 外界干擾力、沖擊力等的影響，使其發(fā)生位移，破壞了原來(lái)的稱(chēng)重狀 態(tài)。限位器的作用在于使橫向位移限制在可控內，當外界擾動(dòng)消失時(shí)， 衡器或稱(chēng)重裝置能恢復到原來(lái)的稱(chēng)重狀態(tài)。為了避免在外力作用時(shí)， 沖擊力過(guò)大造成稱(chēng)重結構的損傷甚至損壞。所以對限位器的“間隙” 調節是很臨界的。

對于傳感器的“限位”部件，通過(guò)包括球形壓頭、擺動(dòng)支座、自動(dòng) 定位滾珠支承座，橡皮支件等。組件、馬鞍形和鏈環(huán)等均屬于限位和 自復位限件部件。

碰撞螺栓限位，在我國幾乎是所有汽車(chē)衡使用的限位裝置。但這 類(lèi)限位存在的碰撞間隙，在運動(dòng)期間存在壓頭造成變形和損壞。若間 隙調得過(guò)小，在夏天往往使秤臺與基礎接觸造成力的分流甚至卡死， 引起測量誤差。有的生產(chǎn)廠(chǎng)家，把碰撞型限位用于動(dòng)態(tài)汽車(chē)衡更是非 常不合理。除了此種簡(jiǎn)易的限位結構，碰撞型還有不同的結構。 SCHENCK公司曾介紹過(guò)其它的碰撞型限位器。

約束型限位器，通過(guò)使用拉桿限位。這是一種兩端被固定(箝位）

的梁式蹺曲板和園柱形桿的最普遍的約束件。更為復雜的這類(lèi)限位器 在兩個(gè)固定端使用滾珠軸承或萬(wàn)向軸承或限位兩端使用球面柱結構 的更為復雜的約束限位。約束限位往往由于使用不當，反而引入明顯 的干擾力。甚至有人認為，兩端固定的所謂剛性箝位拉桿約束限位是 最差的限位方式。這主要原因是使用者調節不得要領(lǐng)所至。這類(lèi)約束 限位器要求非常精準的調節，才能避免垂直干擾力。即要求固定兩端 要精確保持在同一水平。拉桿之間不能有間隙，否則在受到?jīng)_擊會(huì )造 成秤體的永久形變，以至損壞。第二要注意，不是隨便用一根桿就可 達到好的限位效果。我們需要計算拉桿允許的垂直剛度和合適的蹺度， 下面給出一組推薦的數值。

拉桿長(cháng)度450mm。

計算的原則要求在水平方向非常硬，有足夠的剛度，在垂直方向 相當柔軟，拉桿彎曲不產(chǎn)生附加力。為了保證拉桿的準直在兩固定端 應使用球形環(huán)狀墊圈。

箝位式拉桿類(lèi)限位，不是越多越好。雖然物體有六個(gè)自由度，三 個(gè)平移、三個(gè)轉動(dòng)。作為稱(chēng)重系統實(shí)際上只有五個(gè)自由度。超過(guò)需要 的約束反而會(huì )產(chǎn)生不需要的軸向力。一般在水平方向有三個(gè)限位器就 足夠，再多不僅會(huì )產(chǎn)生不需要的水平力，甚至會(huì )卡死。因此只有認真 設計、安裝到位和精細調整，約束限位才能得到所要求的效果。

四、動(dòng)態(tài)稱(chēng)重

根據“衡器術(shù)語(yǔ)”對動(dòng)態(tài)稱(chēng)重的解釋?zhuān)?/span>“在稱(chēng)量期間，載荷相對于 衡器存在相對運動(dòng)的稱(chēng)量。動(dòng)態(tài)稱(chēng)量可分為連續和非連續兩種”。然 而，在不同時(shí)期出版的“衡器術(shù)語(yǔ)”，對動(dòng)態(tài)稱(chēng)重一詞的解釋有所差異。 按照國際建議，除R76號之外的衡器均定義為自動(dòng)衡器，并認為其 中R50、R61、R106和R134屬于動(dòng)態(tài)稱(chēng)重（WIM)，R51可靜態(tài)稱(chēng) 重也可動(dòng)態(tài)稱(chēng)重。而R107與R76屬靜態(tài)稱(chēng)重。從概率論和數理統計 的觀(guān)點(diǎn)，對靜態(tài)稱(chēng)重的測量是通過(guò)測量結果的分布函數來(lái)描述，而動(dòng) 態(tài)稱(chēng)重的測量對象是一隨機過(guò)程，它的統計特性不能從一個(gè)記錄的統 計特性來(lái)得到，而只能從一組記錄求得。從物理的角度，R60、R51， R106和R134的稱(chēng)重過(guò)程主要是屬于隨機振動(dòng)過(guò)程，通常我們是通過(guò) “濾波”或其它數字信號處理的方法來(lái)求得被稱(chēng)物的實(shí)際重量。而R61 由于下落物料是一隨機過(guò)程，所以對它的數據處理也按隨機過(guò)程方法 來(lái)對待，動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統與靜態(tài)稱(chēng)重相比較，除了同樣要求精度或準確 度、重復性和可靠性外，還多一項要求，系統的快速響應（Fast response)。

對于一個(gè)稱(chēng)重系統，研究它的動(dòng)態(tài)特性，作為一階近似，即為有

其中E是系統達到平衡點(diǎn)的“預定速率”，它的數值與達到“靜平 衡點(diǎn)”的精度有關(guān)。它越小、在ts時(shí)間達到最終“靜平衡點(diǎn)”的時(shí)間越 小。

調定時(shí)間ts與固有頻率_成反比。所以為縮短調定時(shí)間ts，就需 要增大K值或減少m值。然而靜平衡位置都會(huì )隨著(zhù)K值的增大而變

小，從而使秤的靈敏度減小。另一方面，秤的剛性通常會(huì )隨著(zhù)m值 的減少而降低，從而使秤的準確度也隨之降低。鑒于上述因素、固有 頻率《。在衡器的設計中是非常重要的。我們早年為上鋼五廠(chǎng)設計的 軌道衡，秤臺的固有頻率為60HZ左右，前置濾波器的下限頻為10HZ， 以適應10km/h下的機車(chē)動(dòng)態(tài)稱(chēng)重。

R61是屬于在稱(chēng)重過(guò)程中，被稱(chēng)物的質(zhì)量是隨時(shí)間改變。測量誤 差與物料下落的高度、流量、流速、顆粒度和物料的物理、幾何特性 有關(guān)。我曾寫(xiě)過(guò)一篇文章對這方面做了基礎性的計算，在此就不累述。

至于皮帶秤承載器的響應的計算，我在“皮帶秤承載器響應特性 曲線(xiàn)”文章中介紹過(guò)。此響應曲線(xiàn)對傳輸皮帶秤的影響無(wú)多大意義。 但對定量皮帶秤即所謂配料皮帶秤，確很重要，因為它的響應是處于 配料秤自動(dòng)控制的環(huán)路內，對秤的控制性能的控制精度，甚至穩定性 都有明顯影響。

五、校驗

皮帶秤這類(lèi)常用大型衡器，在校驗時(shí)往往由于校準物料過(guò)大。用 來(lái)校驗的標準物料大大小于檢定規程要求的數量往往常使用環(huán)碼、鏈 碼等模擬試驗裝置來(lái)替代皮帶秤的實(shí)物校驗。僅用一種物料校驗的結 果確定定量包裝秤的精度級別，這些校驗都是述背OIML國際建議和 國內檢定規程的規定。這些做法，有的是由于條件限制，然而不少情 況則是由于對基本概念不清所至。例如在提出用環(huán)碼替代皮帶秤的實(shí) 物校驗，雖然一方面是環(huán)碼生產(chǎn)廠(chǎng)家的意愿，而一些計量部門(mén)的人由 于對實(shí)物校驗的實(shí)質(zhì)不了解，結果花了不少的人力、物力、也無(wú)法實(shí)

現用環(huán)碼替代實(shí)物校驗。違背規程要求對衡器校驗，結果是對優(yōu)良的 衡器也不能使反映出到設計的準確度，甚至說(shuō)不清測量誤差有多大。 實(shí)際上對衡器的首檢，隨后檢定以及為了保證衡器在使用中的準確性， 按照檢定規程對衡器進(jìn)行校驗，是確保衡器正確使用所必須遵守底線(xiàn)。 既使在條件不具備時(shí)，也應根據檢定規程的基本計量要求和衡器特點(diǎn)， 對被校驗給出科學(xué)合理的不確定度以確定該衡器能認可的誤差并應 將所用的方法、原理記錄在案。

六、結束語(yǔ)

本文對衡器所需的基本概念做了說(shuō)明，首先強調我們常見(jiàn)的絕大 多數衡器是建立在力矩平衡的基礎上。第二，現公布的七個(gè)OIML國 際建議包含了絕大多數衡器類(lèi)別。建議中規定的技術(shù)要求和計量要求 是各類(lèi)衡器的基本要求，是設計和制造這些衡器的基本依據。如果所 創(chuàng )造的衡器偏離了該建議的基本理念和要求，不太可能制造出優(yōu)良的 衡器。衡器的好壞只有經(jīng)過(guò)檢驗才能鑒別，如何遵照國際建議檢驗衡 器是在實(shí)際使用時(shí)確保計量公正性的基礎。第三，廣義的限位是保證 正確使用傳感器和衡器機械結構穩定性的基礎，使能確保傳感器受力 合理，機械結構在使用過(guò)程中的穩定性和重復性。沒(méi)有優(yōu)良的限位實(shí) 現高精度的衡器是不可能。最后，隨著(zhù)工業(yè)技術(shù)發(fā)展衡器已逐漸成為 生產(chǎn)過(guò)程環(huán)節的一個(gè)組成部分，動(dòng)態(tài)稱(chēng)重就顯得越來(lái)越突出。因此不 能再停留在靜態(tài)稱(chēng)重的概念來(lái)設計和制造動(dòng)態(tài)秤。只有將能描述動(dòng)態(tài) 稱(chēng)重的概念，如秤的傳遞函數、快速響應時(shí)間、傳感器或稱(chēng)重結構的 振動(dòng)模態(tài)、富利葉變換、信號處理理念等引入動(dòng)態(tài)稱(chēng)重衡器的設計，才能使動(dòng)態(tài)稱(chēng)重中遇到的問(wèn)題得到解決，使動(dòng)態(tài)稱(chēng)重得到發(fā)展。