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電子秤的穩(wěn)定性、電子稱衡器的耐久性
電子秤的穩(wěn)定性、電子稱衡器的耐久性
一章主要 討論衡器的穩(wěn)定性問題，本文作者讀后認(rèn)為其論述的內(nèi)容與我們所說 的衡器的耐久性是一致的。文中主要介紹了德國 PTB 對此問題認(rèn)識， 分析和評價(jià)方法。
關(guān)鍵字：衡器的穩(wěn)定性、衡器的耐久性，機(jī)械和電子元件的失效， 動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn) 德國曼弗雷德·柯?？酥骶帲u炳易譯的《稱重手冊》，由 Chu. U. Volkmam 編寫的第十章“衡器的測量穩(wěn)定性問題”中所討論的問題， 實(shí)質(zhì)上與我們所謂的衡器耐久性是一致的。
文中討論衡器“機(jī)械和電 子元件失效”對“穩(wěn)定性”的影響，并通過型式批準(zhǔn)檢定來保障測量 的穩(wěn)定性。 穩(wěn)定性一詞的德文是 Berubigung，該詞的原意是“鎮(zhèn)定”、“安定”， 也可延伸為“放心”，這與中文“耐久性”的詞意有一定差異。我們 在討論建議和國外的一些議題時(shí)，往往是由中文譯文的含義去討 論或爭論。由于中西文化上的差異，譯者對該原文的理解，加上我們 極少有機(jī)會參加上有關(guān)的會議，就導(dǎo)致我們對一些術(shù)語、參數(shù)認(rèn) 識的偏差，甚至錯(cuò)誤。然而第十章所討論的內(nèi)容，我認(rèn)為與我們所理 解的“耐久性”是等值的。
此書作者指出：“對于衡器和對于每一件技術(shù)物品一樣，不僅要 2 求它在新工作狀況下照樣正常工作，以及保證其特性與應(yīng)用的范圍和 準(zhǔn)確度相符，而且還要求它在一定的使用時(shí)期內(nèi)，充分地維持這些特 性。”并對這種技術(shù)特性的能力，用“可靠性”這個(gè)概念表達(dá)。德文 可靠性 Zuveriässigkeit 一詞的原意是“可靠”、“可信任”。而作者認(rèn)為 “對于計(jì)量器具，我們一般不說可靠性，而是代之以測量的穩(wěn)定性， 或者說計(jì)量的確定性”。對衡器的穩(wěn)定性的評價(jià)和檢定批準(zhǔn)，主要是 針對衡器的結(jié)構(gòu)型式，要求“此種結(jié)構(gòu)型式有望得到正確的測量結(jié)果 和足夠的測量穩(wěn)定性（測量的確定性）”，并要求對衡器的穩(wěn)定性通過 型式批準(zhǔn)“檢定以后 1、2 或 3 年的檢定有效期內(nèi)，不顯示錯(cuò)誤的稱 量結(jié)果”。按照德國計(jì)量法的規(guī)定，“
一臺衡器在檢定之前，其結(jié)構(gòu)型 式必須是已經(jīng)批準(zhǔn)過的。” 作者認(rèn)為“損害計(jì)量器具的測量穩(wěn)定性的原因”主要有以下三方 面： · 過載，也就是在被測量或者環(huán)境條件所規(guī)定的范圍以外使用； · 因不斷重復(fù)（按規(guī)定）使用而造成的疲勞，如疲勞斷裂、摩擦、 磨損； · 經(jīng)過較長的時(shí)間，由于腐蝕或其它變化而造成的老化，這種老 化與使用無關(guān)。
之所以提出計(jì)量器具測量穩(wěn)定性的問題，是由于計(jì)量器具在“經(jīng) 歷過不同的時(shí)間以后可能導(dǎo)致故障，也就是‘喪失完成特定功能的能 力’（DIN4004），這里所說的‘功能’是指衡器在一定的環(huán)境條件和 使用條件下，顯示出正確的重量值的能力”，上面是造成故障的三個(gè) 3 原因。我們的目的是如何通過“批準(zhǔn)檢定”來評判衡器的“穩(wěn)定性”， 其實(shí)要用試驗(yàn)來評價(jià)計(jì)量器具或任何測量裝置的“穩(wěn)定性”或“可靠 性”，是一個(gè)非常困難和復(fù)雜的問題。“可靠性”本身在工程領(lǐng)域中是 一個(gè)很大的學(xué)科。就上述三個(gè)引起衡器能力失效中，第三點(diǎn)就難通過 試驗(yàn)方法來評判。對于衡器這類比較簡單的裝置，一般認(rèn)為第二條是 造成功能失效的比較容易判斷的、可用試驗(yàn)方法來表述的原因。通常 認(rèn)為是由于“機(jī)械和電子元件的失效”。
機(jī)械元件的失效，主要是因 為磨損、疲勞等因素所致，是一種隨使用時(shí)間增加而漸變的過程，它 使測量值逐漸地超出允差限，發(fā)生所謂的漂移失效。電氣元件的失效， 若使用的元件未經(jīng)老化處理，在開始使用時(shí)，電氣元件的失效率就會 很高，之后失效率才會下降至一個(gè)較低的平穩(wěn)狀態(tài)。所以通常我們都 是使用經(jīng)事先老化的電氣元件，來保證低的電氣元件的失效性。 對于判斷衡器的穩(wěn)定性的檢驗(yàn)，主要是針對“顯示出正確的重量 值的能力”的主體部件。而不包括其它輔助裝置。德國是早研究衡 器“穩(wěn)定性”的國家，PTB 通過對衡器（非自動(dòng)衡器）連續(xù)進(jìn)行長時(shí) 間加載的疲勞負(fù)荷試驗(yàn)，作為判定衡器穩(wěn)定性的型式批準(zhǔn)時(shí)的強(qiáng)制檢 定項(xiàng)目。
規(guī)定試驗(yàn)要求在接近 Max 負(fù)荷條件下，對各準(zhǔn)確度等級衡 器交替加荷和卸荷的次數(shù)： Ⅰ級衡器 50,000 次 Ⅱ級到Ⅲ級衡器 200,000 次 計(jì)價(jià)標(biāo)簽機(jī) 1,000,000 次 法制計(jì)量組織（OIML）在 1992 年版 R76 號建議中，有 4 關(guān)“耐久性試驗(yàn)”的條款就是依據(jù) PTB 的規(guī)定制定。“在正常使用條 件下，使衡器經(jīng)受約為 50% Max 載荷的重復(fù)加載荷與卸載荷，并且 加、卸載荷應(yīng)達(dá)到 100,000 次，其頻率與速度應(yīng)使衡器在加、卸載荷 時(shí)達(dá)到平衡”，其誤差不應(yīng)大于大允許誤差的值。對于電氣元 件的失效性試驗(yàn)可根據(jù)現(xiàn)行的有關(guān)電子元器件的試驗(yàn)進(jìn)行。所以，衡 器的電氣元件的失效原則上講對造成“穩(wěn)定性”或“耐久性”故障無 關(guān)，造成衡器的“穩(wěn)定性”和“耐久性”故障所引起的超過允許的誤 差限，主要是由機(jī)械元件的磨損疲勞所致。PTB 對衡器“穩(wěn)定性”功 能檢驗(yàn)試驗(yàn)的研究主要也是針對衡器的機(jī)械元件。
法制計(jì)量組織（OIML）公布的有關(guān)衡器的七個(gè)建議， 除多斗組合秤外，所有其他衡器的承載器的機(jī)械構(gòu)造原則上與 R76 號非自動(dòng)衡器的承載器的構(gòu)造相同，而且在它們的建議中都要求 其靜態(tài)計(jì)量指標(biāo)能達(dá)到相應(yīng)非自動(dòng)衡器的允差要求。因此可以認(rèn)為對 非自動(dòng)衡器“穩(wěn)定性”或“耐久性”的試驗(yàn)是帶有普遍性的，是對衡 器“穩(wěn)定性”或“耐久性”性能的基本要求。 根據(jù) OIML R76 號建議，以及德國 PTB 是將耐久性測試（穩(wěn) 定性）列為衡器型式批準(zhǔn)的試驗(yàn)項(xiàng)目。型式批準(zhǔn)試驗(yàn)包括計(jì)量要求、 功能試驗(yàn)和“大量的技術(shù)試驗(yàn)，主要包括動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)、溫度試驗(yàn)， 以及干擾量和影響量的作用試驗(yàn)。PTB 型式評價(jià)規(guī)定：“對于構(gòu)造簡 單的機(jī)械式衡器，我們在檢定時(shí)，只需要查明該衡器是否遵守在 E 09 中規(guī)定有關(guān)結(jié)構(gòu)上的條款就行了。對于構(gòu)造較復(fù)雜和新設(shè)計(jì)的機(jī)械式 衡器，將對各部件提出的強(qiáng)度上的證明，并進(jìn)行長時(shí)間的疲勞負(fù)荷試 5 驗(yàn)”。通過這種對結(jié)構(gòu)型式試驗(yàn)，是為了“有望得到正確的測量結(jié)果 和足夠的測量穩(wěn)定性（測量的確定性）”。
所以耐久性試驗(yàn)的目的是“來 預(yù)見該系列的產(chǎn)品在檢定的有效周期以內(nèi)的一致的性狀”。在德國對 于“計(jì)量器具的檢定有效期 2 年”，而對于絕大多數(shù)衡器“檢定的有 效期一般是 2 年”。 耐久性試驗(yàn)是針對衡器生產(chǎn)廠的新產(chǎn)品，或該廠家初次生產(chǎn)的產(chǎn) 品在準(zhǔn)許投產(chǎn)時(shí)能夠證明其產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)上，使其保證衡器在檢定有效 期內(nèi)具有正確的測量結(jié)果和足夠的測量穩(wěn)定性，而無須在使用中再重 復(fù)的性能試驗(yàn)，這與衡器在使用中隨后檢定的性質(zhì)和內(nèi)容有根本性的 區(qū)別。
耐久性試驗(yàn)應(yīng)該是對“顯示出正確的重量值的能力”的稱重的 主體部件在室內(nèi)環(huán)境可控的、可重復(fù)和可比對的條件下進(jìn)行試驗(yàn)，例 如：我以為對皮帶秤的耐久性也應(yīng)該在室內(nèi)，在某一特定的可控制皮 帶張力，速度和載荷的試驗(yàn)臺上進(jìn)行耐久性試驗(yàn)，主要也是測定皮帶 秤稱重臺的耐磨損、耐疲勞的能力，皮帶秤的承載器與一般承載器 大的區(qū)別，載荷是通過皮帶施加在秤臺上的稱重托輥。皮帶秤的稱重 精度，很大程度上取決于稱重托輥的質(zhì)量，所以使用中稱重托輥的磨 損對測量精度的影響是非常明顯的。 從對《稱重手冊》第十章閱讀的體會，感到我們在對衡器的某些 問題的認(rèn)知和理解上，與國外的認(rèn)知是有差異的，從文章下面提到的 兩方面也是我們很少有人注意到。
在德國認(rèn)為“絕大部分衡器都是用于商業(yè)貿(mào)易的，其稱重作業(yè)絕 大部分都是可以重復(fù)的，甚至當(dāng)連續(xù)工作的衡器失誤時(shí)，如果無法稱 6 重的話，也‘只是’涉及經(jīng)濟(jì)利益。涉及人身和生命原因，而對衡器 的可供使用性要求很高的情況，頂多也只是在醫(yī)療工作上的不可重復(fù) 性稱重中，或許才會出現(xiàn)”，并要求前一類衡器“始終正確顯示”，后 一類衡器“沒有錯(cuò)誤的顯示”。出現(xiàn)這種錯(cuò)誤對電子衡器主要是由于 電子器件失效。為了使用戶在使用衡器出現(xiàn)“功能故障”時(shí)能被確認(rèn) 出來，一般要求： a） 輸出一個(gè)對于稱量結(jié)果的報(bào)警信號，而衡器此時(shí)或許還能 繼續(xù)使用； b） 沒有稱量結(jié)果，衡器靜止下來； c） 利用其它組件，或者說第二套線路，承擔(dān)起被干擾了的功 能。
國外的衡器要求備有能識別上述故障的檢查電路，按情況 a）和 情況 b）而設(shè)計(jì)的線路，實(shí)現(xiàn)了所謂功能故障識別性（FFE），按情況 c）設(shè)計(jì)的線路則實(shí)現(xiàn)所謂功能故障的保險(xiǎn)（FFE）。在醫(yī)療衛(wèi)生等方 面，往往測量結(jié)果的特定性不可重復(fù)，為了保證計(jì)量確定性，要采用 價(jià)錢很貴的“可靠性元件”。使用 FFE 是解決這個(gè)問題的一種可取的 較經(jīng)濟(jì)實(shí)用的辦法。力圖防止在大量電子元件中只有一件失效時(shí)，導(dǎo) 致測量值的錯(cuò)誤，并能使衡器工程師藉此能及時(shí)毫不費(fèi)力地識別故障。 而對于“始終正確地顯示”的衡器，一般要求檢定有效期為兩年， 在此期間內(nèi)通過隨后檢定，來判定衡器是否仍符合計(jì)量特性。對廠家 出廠的某類衡器的有效期是這樣確定的：“即當(dāng)我們對那些一般尚未 超過檢定有效期的計(jì)量器具進(jìn)行檢定時(shí)，結(jié)果將發(fā)現(xiàn)，超過檢定誤差 7 限的器具只占大約 5%以內(nèi)，這個(gè)注解等于挑明了，允許有占多大比 例的計(jì)量器具實(shí)際上超過使用誤差限，即超過量允許有多大。” 由此可看出德國對衡器“耐久性”試驗(yàn)型式批準(zhǔn)的基本要求。 以上是我讀此文章的體會，供大家參考。文章較多地引用了譯者 的原文，因?yàn)椤斗Q重手冊》一書出版較早（1992 年），也只印了一千 本。
可能很多人手中無此書，直接引用原文，可幫助讀者理解作者的 本意。 后記：我寫本文的目的主要是對《稱重手冊》第十章內(nèi)容的理解， 并不討論耐久性試驗(yàn)問題的本身，文中的一些名詞也是用譯文的用語， 可能與我們的用法不一致，不習(xí)慣。這個(gè)問題有待目前還在從事衡器 工作的同仁們?nèi)ソ鉀Q。老實(shí)說，有關(guān)“耐久性誤差”的定義以及到底 是歸屬在“型式試驗(yàn)”，還是歸屬在“使用中的試驗(yàn)”來判斷，即使 在 OIML 中也無科學(xué)、準(zhǔn)確的定義。
