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)非自動衡器的允差要求。因此可以認(rèn)為對 非自動衡器“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“沒有錯誤的顯示”。出現(xiàn)這種錯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。