通过汽车衡、皮带秤和配料秤，谈谈在校准中的一些值得讨论的问题。介绍一些 近年对电子秤校准技术的动向和方法。
一、前言
在工业生产过程中使用着各种类型的电子秤，有 通用型的，也有很多是根据生产过程配套使用的特 殊结构的电子秤，这些配置在工业生产过程中的电子秤， 由于生产过程不可能随意停顿和工艺过程的限制， 一般情况下对电子秤的校准都存在不同程度的困难。 工业生产过程中使用的很多衡器是工艺过程使用， 属于非强制检定电子秤。从原则上是由厂家自行检定。 这样对如何配置厂内的电子秤检定资源、人员的检定 培训和对厂内电子秤的管理都是需要研讨的问题。
二、电子秤校准的基本要求
电子秤是人们生活中使用最为广泛的计量器具， 人们用它来测量物体的重量或质量。在物理学中质 量、长度和时间是三个基本物理量。“质量”的概念 是在1700年左右由牛顿作为经典力学引入的一个 “物理量”用来描述物体在运动时的“惯性”而我们 的感官不能直接感受质量。但早在公元前两、三千 年人们就懂得杠杆平衡原理，即用简单的等臂天平 来测量物体的重量或质量。现在的各种衡器同样是 测量物体质量的计量器具。砝码是质量计量的标准 器，通过它将约定的公斤基准砝码的标准质量传递到各类电子秤来统一质量的量值。
大多数类型的电子秤都可通过砝码来校准，对于 不能直接用砝码校准的电子秤，如皮带秤等自动衡器， 也需通过间接方法，使校准值能溯源到公斤基准砝 码。使被校准衡器的称量值能溯源到公斤基准砝码， 是衡器校准的基本要素。电子秤校准的另一个基本要 素是校准的方法和程序应尽量与电子秤的实际称重过 程一致。即满足我们计量的“准确一致、正确使用”的 原则。至于温度、湿度等影响因子和干扰因子，则是 根据电子秤使用的环境条件而定。
对于大型电子秤的检定，需要配备数吨到数十吨 砝码。这不论对用户，还是对基层的计量部门往往所 配备的砝码量都达不到法定检定量的要求。另一方 面用户要将这些砝码定期送到计量部门也是件费 力、费时、费钱的事，这是一个普遍问题。
使用砝码比较仪高精度大量程秤）通过与精度 高的砝码比较来检定大砝码，己得到大家的认同，所 以有条件的用户可以通过这种方法检定所用砝码， 甚至可自己购买装置自行检定，只需定期将该装置 送计量部门检定。
近年国外对非强制管理的衡器，即生产中工艺用电子秤，使用数字系统实现无砝码校准。另一种方 法使用显示器在校准时有放大称重显示值的功能， 例如PR1720现场总线转换器Fieldbus Transmitter)
就有这种功能，可将示值的分辨率放大100,以提高 砝码校准点精度，可减少标定砝码的数量。这两种 方法对一些设计成熟的衡器，如斗秤、罐秤以及钢 铁、冶金行业用的大量工艺秤都是很有效的。
三、对汽车衡校准的讨论
静态汽车衡是应用极广泛的大型衡器，而且绝 大多数被用作贸易结算，它的准确性直接影响厂家 和用户的利益。
汽车衡的特点如下：
?几乎无例外的都处于室外工作、环境比较差。
?承载台面至少在八米以上，最长的可达二十 四米以上，而宽度为三至四米。
?最大称量最低也有二、三十吨，高的可达二百 吨以上。在称重时，载荷分布在各类衡器中是最不 均匀的衡器。
正是由于汽车衡的这些特点，使得对它的使用 和校准中有一些值得探讨的问题：
汽车衡所用传感器与汽车衡使用环境之间 温度差异显著的问题。根据OIMLR60国际建议和 国内标准、检定规程都规定传感器的检定温度为 -10°C至+40°C，即使用温度。而汽车衡的使用温度， 就北京地区而言保守讲为-10°C至60°C。显著超过 传感器的使用温度。这样就产生一个问题，在超过 传感器使用温度，汽车衡是否还能保证其规定的准 确度？若不能，最大可能造成多大的误差？在电子秤 中，传感器的品质起着决定性作用，它的误差分配因 子为p=0.7是误差分配因子中最高的。因此，传感器 的使用温度与汽车衡使用温度间的显著差异的矛盾 是值得探讨的问题。
汽车衡在称重时是处在明显的不均匀承载 状态，车辆是以轮轴为载荷“单位”按一定间隔分布 的非均匀载荷体，重量主要集中于车辆的装货箱部 分。
我国对汽车衡的校准是按照所谓标称秤量 (nominal capatity)的方式来进行。即检定时将砝码均 匀的放置在秤台上，并使用“四角”加载法检测偏载， 与校准平台秤的方法相同，与汽车衡使用时称重状 态相差甚远。上世纪八十年代，美国的衡器生产厂 家和使用者就注意到这样问题，按标称秤量方式校 准的衡器，在某些情况下会遭受到预想不到的结构 上的损坏。当然有些厂家会对用户说明对被称重车 辆轴重的限制，即对衡器承受局部载荷的限制量，但 在当时美国政府管理部门并未对此作出规定，为了 探求解决汽车衡负载量的一致方法，于1987年在称 重与测量国际会议NCWM)的技术要求和公差委员 会上对此问题进行了讨论。提出汽车衡分段局部) 载荷量，标称载荷量和中间跨越载荷量的概念，它们 在等精度条件下所能称量的最大载荷值是不相同 的。与此同时，衡器制造协会SMA)提出了汽车衡标 称秤量与集中载荷称量 ( concentrated load capacity) 之间的关系。
标称秤量≤CLCX N-0.5)
其中：CLC是集中载荷称量的简写；
N是秤的分段数，按传感器支撑中间跨距 区分的分段数。
美国除要求汽车衡标出标称载荷外，还要求标 出CLC量。这不仅能真正保证衡器的准确性，而且 能保证衡器使用的安全性。另外根据美国44号手册 还规定汽车衡跨距的最大载荷量，该载荷量是按照 联邦高速公路管理局，根据车辆的载重量，轴载荷量 以及轮轴的排列制定的。对此有兴趣的读者可阅读 美国44号手册的有关内容，此问题也是值得国内厂 家和用户对汽车衡的检定、生产和使用方面探讨的 内容。
(3)通常汽车衡的称重台面可以处于自由浮动状态或静止状态。前者是由限位螺栓限制秤台的活动范围，后者是用拉杆限位器限制秤台在水平方向的移动，保证秤台的受力状态。在此需要考虑的是，在称重时，车辆对秤台冲击力的影响，为了使读者对此冲力的大小有一个概念，下面举例说明，一台3mX8m，称量30t的汽车衡，称重台重约10t。当一辆重20t的汽车，以1km/h=27.8cm/s的速度驶上秤台时，可能产生的冲力。此速度大约相当人的步行速度。此时车辆的动量为:nru=20f1km/h=556(9 kg-m/s)一般而言，车辆驶上秤台后，在零点几秒至三、五秒时间内会停顿。按物理学的冲量原理，由此将产生一
至五、六吨的冲击力。对于使用拉杆限位的秤台，冲力主要作用于拉杆；对限位螺栓的秤台，冲力的很大成分将作用于传感器;这样大的冲力长期作用对传感器的损害是不能忽略的。因此不仅会影响汽车衡
的精度，还会降低汽车衡的使用寿命。
四、皮带秤的校准
本节主要讨论传输皮带秤，即国际建议的“连续 累计自动衡器”在校准和使用中的一些问题。对配料 或定量给料皮带秤的类似问题不做重点讲述。
传输皮带秤，以下简称皮带秤，是对大宗散料计 量的主要衡器，它是所有电子秤中称量能力最大的衡 器，每小时的连续称量能力可达数万吨，是港口、电 厂、冶金、矿山计量大宗散料的最主要的电子秤。由于 它称重原理的特殊性，成为各类电子秤在使用中对其 准确度质疑最大的衡器。这主要是因为，在现场与皮 带秤的称重机配合使用的皮带输送机的工作状态是 千变万化的，往往是不能由衡器生产厂家所控制的。 电子秤厂家仅生产皮带秤的称重机，而由皮带输送机 所造成的“皮带效应”是厂家不易控制的，“皮带效 应”是皮带秤的主要误差来源。
为了描述皮带秤的称重原理，曾有不少人得出 了对皮带秤简化模型称重状态的解析数学表达式， 但至今仍停留在一维的模型，而不是三维的空间模 型。
简单而言，作用在皮带秤称重传感器上的力F, 减去皮带自重的作用力Fq,就是物料的作用力，
上式的后面两项是由于“皮带效应”引起的附加 干扰力。第一项是假定皮带是完全柔性，由于托辊不 等因素的修正系数。第二项k2是由于皮带的刚性， 厚度和托辊滚筒形状有关的附加作用力。曾有不少 人对“皮带效应”的这两种影响得到不同的数学表示 式,遗憾的是由于“皮带效应”的复杂性，均不能与实 际有很好一致性，很难用来指导皮带秤的实际应用。
另一方面，由于“皮带效应”对每台特定的皮带 秤而言，它引入附加力的固有性，所以在皮带秤实际 称重时，作为系统误差来处理。然而在处理中，困难 在于皮带秤是动态称重秤，而且称重状态复杂，企图 将“皮带效应”作为系统误差，如同静态称重的“置 零”，“非线性”进行完全修正都比较困难，这是因为:
1）不同载荷时，由于传感器的形变量，秤架的变 形，以及托辊的状态，均使得皮带秤的准直度发生变 化。
2)不同载荷时，皮带的张力不同，气候对皮带张 力的影响也是不能忽略的，特别是湿度的影响，使张 力变化量增大。
3)这些影响使得皮带秤的“置零”不准确度，“非线 性”修正的不准确度不可能很高，是构成测量误差的 主要因素。
根据JJG195-2002国家计量检定规程中“计量 性能要求”的零点稳定度就可看出“皮带效应”的影 响有多大。
对于模拟试验的要求是，五次试验，每次三分钟。其累计值的最大值与最小值之差，不得超过最大流量下一小时累计载荷值的上述百分数。而对于现场试验，则要求在最大流量条件下皮带转三整圈，并使尽量接近三分钟，且在此时间的累计值不得大于该皮带秤的最小累计载荷Σmin。试验累计器的示值与初始显示值间的差不得超过此试验期间最大流量下累计载荷值的上述百分数。
由上述的计量指标可看出模拟试验与现场试验下零点的偏差，几乎差了 一百倍。模拟试验的零点稳定性代表了显示器的性能，而在现场试验时由于皮带传输机的影响，也即是“皮带效应”的影响，使零点
的偏差变为主要的误差源。我们还可以从另一个角度来看“皮带效应”的影响，以0.5级皮带秤为例。在 首次检定时的最大允许误差为0.25%，由此可得到 物料试验重复性的误差Δ。
可见即使在物料试验时，误差的主要来源仍然 是皮带本身的影响。它的大小与零点偏差几乎相等。 “皮带效应”的影响主要取决于皮带传输机的性能, 如传输支架的准直、刚性、皮带的长度以及皮带传输 机与皮带秤称重装置的匹配状态。还取决于皮带上 传送物料重量等诸多因素。这些影响一方面皮带在 运行中产生振动，对称重桥形成明显的干涉力，另一 方面在不同流量物料称重时产生不同的准直状态， 使皮带张力改变，是造成皮带秤非线性的主要原因。 因此可得到以下结论：
1)由于对皮带秤空载时的准直/置零只能补偿 掉“皮带效应”引起的部分附加力，且不同载荷下皮 带的准直也不一样，张力也不一样。这样模拟试验， 无论是采用链码还是环码都不能替代实物校验。实 物校验是正确校验皮带秤的唯一方法。
2）根据上面分析，皮带秤的主要误差取决于“皮 带效应” 一般而言由现场试验的零载荷的最大偏差 值无需实物校验，就可基本上决定该台皮带秤的精 度级。
3）皮带传输机的质量对皮带秤的精度起着至关 重要的作用。在我国以往的文章和书本中绝大多数 是对皮带秤的称重秤架的技术条件和安装条件提出 要求及规定，对皮带传输机的要求提及很少。而在国 外对此确有明确、严格的规定，例美国44号手册在 皮带系统的“用户要求”一节，对安装和维护问题作 了规定。
4）对皮带秤定期进行零载荷最大偏差的检测是 保证和维护皮带秤是否保证正常运行的好方法和评 定皮带秤是否正常工作的依据。
五、配料秤的校准
配料秤是工业领域广泛使用的衡器，而且种类 很多。从计量管理的角度看，均属于非强制管理的工 艺秤。但是国际上并没有针对配料秤的OIML国际 建议。虽然对它们的检定可借鉴相关的国际建议，然 而由于它在现场中使用的多样性，有时很难按现有 的国际建议来区分它属于哪一类衡器。例如在水泥 也可用来做定量称重，一秤完成多种物料的配比称 重。值得注意的是，对于配料秤用户所关心的重点是 相互配比物料的相对精度，而不是每种配料的准确度。
我以为目前OIML国际计量组织制定的八个国 际建议，即从最先的非自动衡器到最近的动态汽车 衡国际建议，主要是满足在贸易、经济核算和某些特 定要求的法制强制管理方面的要求。例如有关动态 汽车衡国际建议的制定。早在上世纪八十年代初，动 态汽车衡就有较广泛的运用，而在近年由于按车辆 载重收费和控制车辆超载的要求才制定了该项国际 建议。而与配料秤有关的三个建议，即非连续累计 秤、连续累计秤皮带秤）和定量秤，前两个建议是针 对大宗物料计量。定量秤的精度级别是遵照OIML 国际建议第87号“定量包装商品净含量”来划分，是 一种按百分比误差和绝对误差相间比较异类的形式 划分精度等级，以及按照商品随机抽样的原则来确 定误差。我认为对于称量料斗型的配料秤，按百分比 误差来评定是比较合理的，不一定按非连续累计秤 和定量秤来确定精度级和计算误差。可按一般随机 误差法来计算。
配料皮带秤虽然在称重原理上与传输皮带秤相 同，但使用目的不同。OIML的R50号国际建议，我 认为主要是针对传输皮带秤而制定的。它们之间的 不同与称量料斗式配料秤一样，因为称重的准确度 与配料的准确度是两个不同的概念。称重准确度定 义为显示器的读数值与被称物真实重量的误差值。 配料准确度定义为实际称重值与配料的预定值之间 的差值。所以对配料皮带秤而言，最小累计载荷 (即所能配料的最小量值是最为重要的技术指 标。对于恒定流量的配料皮带秤，严格讲对物料的称 重精度不是主要的，对物流均匀度的控制是第一位。 即使是对控制皮带运行速度的皮带秤， 对物料的称 重精度也不像传输皮带秤的称重精度那样起决定性 的作用。
总之我认为对配料秤的检定， 应当根据实际要 求，不应硬套相应的检定规程。但基本的要求和误差 的估计是不能违背称重的基本原理要求。
六、结束语
厂矿、港口、仓储使用的电子秤，大型和非标的特 殊衡器居多，加上使用环境的限制，以及要求所使电子秤的校验和维修时间越短越好，特别是在自动化生产线中使用的电子秤更是希望能具有在线校准、在 线诊断的功能，这都对工业电子秤的校准和维修提出 新的课题。
我认为要解决工业电子秤在现场使用时校准和维 护的问题应从下面一些方面入手。
1）各电子秤生产厂家，应严格按照经过严格产品 认证的电子秤标准生产每一台电子秤，做到每一台产品 质量的一致性和可靠性。这样才有可能实现无砝码 校准和使校准砝码量降至最少的可能。
2）由于现在显示仪表、传感器的长期稳定性巳 非常之高，以及传感器在使用时，在国外巳采用组合 的模块形式，使得电子秤的回零很好，使其能很好的保 持初始称重条件。这样大大提高了稳定性，置零精度 和重复性，使可能实现自诊断和自校验等技术。例 如，大家熟知荷兰MOLEN公司的SCS系统的非自 动累计粮食秤，使用两支传感器背靠背串联受力，来 诊断该秤的工作是否正常，其判断精度为一个分度 值，这就要求该称重系统的稳定性和重复性很高。
3）使用新技术，如使用数字系统实现无砝码校 准；在衡器校准时，显示仪表有增大显示分辨率的功 能，这样可减少标准砝码的数量；使用具有电流校准
(Current Calibration)参数的传感器，可大大提高传 感器并联的一致匹配性，在更换传感器时可以免除 重新校准仍能保持原来的校准精度的技术, 以及其 它的自校验，自诊断技术的运用。
4）对于皮带秤，根据前文的分析，其测量误差主 要取决于“皮带效应”的影响，根据对皮带秤零载荷 的最大偏差的测量，就可以基本上确定该皮带秤的 误差。在国外每天或每次使用皮带秤之前都要求测 量皮带秤的零载荷的最大偏差，并详细记录，若零点 无明显变化，就说明皮带秤工作正常。在定期配合链 码，环码或挂码的模拟实验，检查皮带秤的线性。这 样就可大大延长皮带秤的实物校准周期。国外有的 国家对皮带秤的检定周期可达五年以上。因为大型 皮带秤，流量可达每小时两万吨以上，做一次实物校 准不仅费时、费力而且费用是非常之高。
5)对工业电子秤的校准，不要仅教条的参照 OIML国际建议，还应参考其它国家的校准标准，如 美国的44号手册，欧洲的计量器具指令。再根据工 业衡器的使用特性，合理的对一些工业衡器进行校 准。例如有的工业衡器很难进行偏载试验，在44号 手册中就规定此类衡器可不进行偏载试验，在44号 手册中对III级秤是分为III级和IIIL级，即把大载荷 衡器和小载荷衡器区分对待。在试验时也不全同。对 大型衡器的最小载荷实验，若使用试验砝码Test weighs)规定为12.5%或5000kg,若使用试验负载 (Test load)则规定为25%。这与OIML的规定是不同 的。对大型罐秤校准经常由于无法放置砝码或无法 放置足够的砝码，在没有无砝码校准技术时，曾规定 可用流量计来校验。
当然对于国家强制管理的用于贸易结算的秤， 还是应当严格遵照国家规定的检定规程进行校验， 但我认为对非强制管理的工艺类衡器，一方面是应 当根据使用的实际情况，遵照国际建议的原则进行 校验，另一方面也应当总结一套适合工业用秤的校 验方法，使其达到在不同地方、不同场合对此类衡器 校准程序能有一致性和可比较性。
以上是我的一些看法。供大家参考。
