Анализ причин значительных различий в данных взвешивания после замены и ремонта аналоговых датчиков с одинаковым диапазоном измерений

Анализ причин значительных расхождений в данных взвешивания после замены и ремонта аналоговых датчиков с одинаковым диапазоном измерения

В повседневной эксплуатации и техническом обслуживании промышленных весовых систем часто возникает следующая проблема: после замены или ремонта аналогового тензодатчика, даже если его номинальный диапазон такой же, как у исходного датчика, результат взвешивания все равно значительно отклоняется. В некоторых случаях погрешность даже превышает допустимый диапазон, что серьезно влияет на точность измерения продукции.

Это явление кажется простым, но на самом деле оно тесно связано с незначительными различиями в производственном процессе, контроле параметров производительности и требованиях национальных стандартов для аналоговых тензодатчиков. В этой статье, в сочетании с китайским национальным стандартом GB/T 7551-2019 Тензодатчики, начинается с производственных требований к основным параметрам производительности тензодатчиков и анализируются более глубокие причины отклонения данных, даже когда диапазоны идентичны.

1. Производственные требования к основным параметрам производительности аналоговых тензодатчиков в национальных стандартах

Стандарт GB/T 7551-2019 Тензодатчики, как основной стандарт для производства и испытаний аналоговых тензодатчиков в Китае, четко определяет требования к точности изготовления для нескольких ключевых параметров производительности тензодатчиков с одинаковым диапазоном. Эти параметры напрямую определяют точность взвешивания тензодатчика, а также являются ключевым источником последующих различий в данных.

Среди них параметры, наиболее тесно связанные с отклонением данных, в основном включают следующие четыре категории:

(1) Чувствительность и температурный коэффициент чувствительности

Чувствительность является одним из основных показателей аналоговых тензодатчиков. Она относится к изменению выходного сигнала датчика при номинальной нагрузке (т. е. верхнем пределе шкалы).

Согласно стандарту, типичная чувствительность аналоговых тензодатчиков обычно составляет
2,0 мВ/В ± 0,02 мВ/В (или другие фиксированные номинальные значения с допустимыми небольшими отклонениями).

В то же время стандарт также определяет предел температурного коэффициента чувствительности:
В рабочем диапазоне температур от −10°C до +40°C, изменение чувствительности с температурой должно быть ≤ 0,002% FS/°C (FS = полная шкала).

Это означает, что даже если два тензодатчика имеют одинаковый номинальный диапазон, небольшие различия в значениях чувствительности (например, один 2,01 мВ/В, а другой 1,99 мВ/В) или несоблюдение температурного коэффициента чувствительности приведут к различным аналоговым выходным сигналам (напряжение/ток) при одинаковой нагрузке, что в конечном итоге приведет к отклонениям в данных взвешивания.

(2) Погрешность нелинейности

Погрешность нелинейности относится к максимальному отклонению между фактической зависимостью выходного сигнала датчика и нагрузкой и идеальной линейной зависимостью.

Национальный стандарт требует:

• Для аналоговых тензодатчиков погрешность нелинейности должна быть ≤ 0,02% FS (класс C) или

• ≤ 0,01% FS (класс B).

Для тензодатчиков с одинаковым диапазоном различия в нелинейности могут возникнуть из-за изменений в производственных процессах, таких как:

• Точность обработки упругого элемента

• Равномерность плоскостности и толщины области тензодатчика

• Отклонения в положении приклеивания тензодатчика

Например:
Исходный тензодатчик имеет погрешность нелинейности 0,01% FS, а замененный - 0,018% FS.
При нагрузке, близкой к полной емкости (например, тензодатчик на 100 кг, нагруженный 90 кг), разница выходного сигнала может достигать:
[(0,018% − 0,01%) × 100 кг = 0,008 кг]

Если диапазон больше (например, 1000 кг), отклонение еще больше увеличится до:
[(0,018% − 0,01%) × 1000 кг = 0,08 кг]

Этого уже достаточно, чтобы существенно повлиять на точность взвешивания.

(3) Погрешность гистерезиса

Погрешность гистерезиса относится к максимальной разнице в выходном сигнале тензодатчика при одинаковой нагрузке в процессе загрузки и разгрузки.

Согласно национальному стандарту, погрешность гистерезиса должна быть:
≤ 0,02% FS (класс C) или
≤ 0,01% FS (класс B).

Эта погрешность в основном возникает из-за свойств материала упругого элемента тензодатчика (например, механических характеристик гистерезиса) и несоответствий в свойствах склеивания тензодатчика. Если в упругой конструкции используются разные партии легированных материалов или характеристики отверждения клея для тензодатчиков не соответствуют друг другу, погрешности гистерезиса будут отличаться от погрешностей исходного датчика.

Например, при частом применении загрузки-разгрузки (например, динамическое взвешивание на конвейере):

• Исходный тензодатчик выдает 1,000 мВ при нагрузке 50 кг и 0,999 мВ при разгрузке 50 кг, что приводит к погрешности гистерезиса 0,001 мВ.

• Заменяющий тензодатчик выдает 1,000 мВ при нагрузке 50 кг и 0,997 мВ при разгрузке 50 кг, что приводит к погрешности гистерезиса 0,003 мВ.

При длительной эксплуатации это приведет к отклонениям повторяемости в данных взвешивания.

(4) Нулевой дрейф и температурный коэффициент нуля

Нулевой дрейф относится к изменению выходного сигнала тензодатчика с течением времени в условиях отсутствия нагрузки (нулевое состояние).
Температурный коэффициент нуля указывает величину изменения нуля при изменении температуры.

Согласно национальному стандарту, температурный коэффициент нуля должен быть ≤ 0,002% FS/°C.

Нулевая стабильность аналоговых тензодатчиков во многом зависит от температурной стабильности тензодатчика и конструкции компенсации схемы. Если новый тензодатчик не подвергается достаточной температурной компенсации во время производства (например, отклонение в выборе значений компенсационных резисторов) или если температурная чувствительность тензодатчика отличается от чувствительности исходного датчика, изменения температуры окружающей среды (например, разница температур днем и ночью или тепловые эффекты от работы оборудования) вызовут значительные отклонения выходного сигнала в нулевой точке.

Например:

• Исходный тензодатчик выдает 0,000 мВ при 20°C без нагрузки и 0,001 мВ при 30°C.

• Заменяющий тензодатчик выдает 0,000 мВ при 20°C и 0,003 мВ при 30°C.

Изменение температуры всего на 10°C приводит к дрейфу сигнала 0,002 мВ, что при преобразовании в данные веса может привести к отображению положительного или отрицательного значения на весах при нулевой нагрузке, что серьезно влияет на фактические результаты взвешивания.

2. Практические сценарии и анализ причин отклонений данных, несмотря на одинаковый номинальный диапазон

Даже если номинальный диапазон заменяющего тензодатчика идентичен диапазону исходного, во время фактической замены и технического обслуживания незначительные различия в вышеуказанных стандартных параметрах будут усилены через всю цепочку
сбор сигнала → передача → обработка,
и в конечном итоге проявятся как значительные отклонения в данных взвешивания.

Основываясь на фактических сценариях эксплуатации и технического обслуживания, конкретные причины можно разделить на следующие три категории:

**(I) Вариации производственного процесса: «Скрытые различия в производительности» датчиков одного диапазона**

Национальные стандарты определяют допустимые диапазоны для параметров производительности, но не требуют, чтобы параметры датчиков с одинаковым диапазоном были идентичными. Пока они попадают в пределы, датчики от разных производителей или партий все равно могут иметь незначительные различия, которые становятся непосредственно заметными после замены.

Например, завод использует аналоговый датчик на 100 кг (класс C). Исходный датчик от производителя A имеет чувствительность 2,005 мВ/В, погрешность нелинейности 0,012% FS и температурный коэффициент нуля 0,0015% FS/°C. Новый заменяющий датчик от производителя B имеет чувствительность 1,995 мВ/В, погрешность нелинейности 0,018% FS и температурный коэффициент нуля 0,0018% FS/°C. С точки зрения стандартов, оба соответствуют требованиям класса C. Однако на практике:

* При приложении нагрузки 50 кг выходной сигнал исходного датчика составляет (50 кг / 100 кг) × 2,005 мВ/В × Напряжение возбуждения (обычно 10 В) = 1,0025 мВ. Выход нового датчика составляет (50 кг / 100 кг) × 1,995 мВ/В × 10 В = 0,9975 мВ. Только разница в чувствительности вызывает отклонение сигнала 0,005 мВ, что соответствует отклонению данных веса 0,005 мВ ÷ (2,0 мВ/В × 10 В / 100 кг) = 0,025 кг.
* Если температура окружающей среды повышается с 20°C до 30°C, нулевой дрейф исходного датчика составляет 0,0015% FS/°C × 10°C × 100 кг = 0,15 кг, в то время как для нового датчика он составляет 0,0018% FS/°C × 10°C × 100 кг = 0,18 кг. Изменение температуры добавляет еще 0,03 кг отклонения. Общее отклонение достигает 0,055 кг. Если используется для упаковки пищевых продуктов (например, требуется точность ±0,05 кг), это напрямую приведет к тому, что продукты будут иметь избыточный или недостаточный вес.

Кроме того, некоторые небольшие производители, чтобы снизить затраты, могут не строго калибровать параметры в соответствии с национальными стандартами. Например, фактическое отклонение чувствительности может достигать 0,05 мВ/В (превышая стандартное требование ±0,02 мВ/В), но датчик все равно маркируется как «диапазон 100 кг». Различия в данных после замены такими датчиками будут еще более выраженными.

**(II) Процессы установки и калибровки: Несоблюдение «требований адаптации сигнала» исходной системы**

Точность данных от аналоговых датчиков зависит не только от их собственной производительности, но и тесно связана со способом установки и калибровкой системы. Даже если параметры заменяющего датчика соответствуют национальным стандартам, несоблюдение требований адаптации исходной системы во время замены может привести к отклонениям данных.

1. **Отклонение положения установки и состояния нагрузки**
Выходной сигнал аналогового датчика напрямую связан с направлением силы и плоскостностью установки. Национальные стандарты требуют, чтобы во время установки датчика нагрузка действовала вертикально на центр упругого элемента, а погрешность плоскостности монтажной поверхности должна быть ≤ 0,1 мм/м. Если заменяющий датчик установлен со смещением положения (например, смещение на 5 мм от исходного центрального положения) или если монтажная поверхность не выровнена (например, имеет наклон 0,2 мм/м), фактическая сила, действующая на датчик, не будет соответствовать «номинальному направлению нагрузки» его номинального диапазона. Например, датчик на 100 кг может испытывать вертикальную нагрузку 98 кг, но также нести дополнительную боковую силу 2 кг, что приводит к тому, что выходной сигнал будет ниже нормы, проявляясь как «отклонение данных взвешивания».
Кроме того, в сценариях, включающих несколько сборок датчиков (например, в транспортных средствах, бункерах), национальные стандарты требуют, чтобы отклонение равномерности распределения нагрузки между датчиками было ≤ 1% FS. Если при замене одного датчика его высота не отрегулирована (например, создается разница в высоте, превышающая 0,5 мм по сравнению с другими датчиками), нагрузка может сконцентрироваться на других датчиках, оставляя новый датчик недогруженным. Это приводит к тому, что общие данные взвешивания будут ниже ожидаемых.

**2. Невыполнение повторной калибровки системы**

Сигнал от аналогового датчика должен пройти «усиление - фильтрацию - аналого-цифровое преобразование» прибором, прежде чем он может быть преобразован в данные взвешивания. Национальные стандарты требуют, чтобы аналоговая весовая система должна пройти повторную «калибровку системы» после замены датчика. Это включает в себя загрузку стандартных весов и регулировку коэффициента усиления прибора и значения компенсации нуля, чтобы соответствовать выходному сигналу датчика стандартному весу.

Если калибровка не выполняется после замены, и прибор продолжает использовать параметры исходного датчика (например, чувствительность исходного датчика 2,005 мВ/В по сравнению с 1,995 мВ/В нового датчика), вес, рассчитанный прибором, будет отклонен. Например, при загрузке стандартного веса 50 кг новый датчик выдает 0,9975 мВ (как и в предыдущем случае), но если прибор все еще рассчитывает на основе чувствительности 2,005 мВ/В, результирующий вес составляет 0,9975 мВ ÷ (2,005 мВ/В × 10 В / 100 кг) ≈ 49,75 кг, что отличается от фактических 50 кг на 0,25 кг — отклонение, намного превышающее допустимый стандартный диапазон.

Некоторые пользователи ошибочно полагают, что «датчики с одинаковым диапазоном можно заменить напрямую» и упускают из виду шаг калибровки системы, что является распространенной причиной расхождений в данных.

**(III) Старение и износ: «Различия в ухудшении производительности» между старыми и новыми датчиками**

После длительного использования аналоговые датчики испытывают смещение параметров производительности от своего первоначального состояния из-за старения и износа. Новые датчики находятся в своем «первоначальном состоянии производительности». Даже если диапазон одинаков, различия в параметрах между старыми и новыми датчиками могут привести к отклонениям данных — явление, особенно очевидное при замене датчиков, которые использовались более 5 лет.

Согласно национальным стандартам, типичный срок службы аналогового датчика составляет 10 лет. Однако ухудшение производительности ускоряется в суровых условиях (например, высокая температура, влажность, пыль):
* Упругий элемент может подвергаться «пластической деформации» при длительной нагрузке, что приводит к снижению чувствительности (например, с 2,0 мВ/В до 1,98 мВ/В).
* Старение слоя склеивания тензодатчика может увеличить погрешность гистерезиса (например, с 0,01% FS до 0,03% FS).
* Окисление компенсационных резисторов в цепи может усугубить нулевой дрейф (например, с 0,001 мВ/ч до 0,005 мВ/ч).

Когда устанавливается новый датчик, его параметры соответствуют «первоначальным требованиям» национального стандарта (например, чувствительность 2,005 мВ/В, погрешность гистерезиса 0,012% FS). Однако прибор системы, возможно, адаптировался к «ухудшенным параметрам» старого датчика (например, расчет на основе эффективной чувствительности 1,98 мВ/В). Если не выполнить повторную калибровку, выходной сигнал нового датчика будет «чрезмерно усилен» прибором, проявляясь как «более тяжелые данные взвешивания». Например, при нагрузке 50 кг новый датчик выдает 1,0025 мВ. Если прибор рассчитывает, используя чувствительность старого датчика 1,98 мВ/В, результирующий вес составляет 1,0025 мВ ÷ (1,98 мВ/В × 10 В / 100 кг) ≈ 50,63 кг, что отличается от фактических 50 кг на 0,63 кг.

**III. Решения: Снижение расхождений в данных за счет соответствия стандартам и оптимизации эксплуатации**

Чтобы предотвратить расхождения в данных после замены аналоговых датчиков одного и того же диапазона во время технического обслуживания, необходимо управлять всем процессом от «выбора - установки - калибровки», строго соблюдая требования национальных стандартов, оптимизируя операции в зависимости от фактического сценария применения:

**(I) Выбор: Отдавайте предпочтение соответствующим продуктам с согласованными параметрами**

* Во время замены следует отдавать предпочтение продуктам от «того же производителя и той же модели», что и исходный датчик, чтобы обеспечить согласованность таких параметров, как чувствительность, погрешность нелинейности и температурные коэффициенты (отклонение ≤ 0,01 мВ/В или 0,005% FS).
* Если та же модель недоступна, необходимо запросить отчеты об испытаниях параметров от производителя, соответствующие «GB/T 7551-2019», уделяя особое внимание проверке ключевых показателей, таких как чувствительность, погрешность нелинейности и температурный коэффициент нуля, обеспечивая минимизацию отклонений (например, отклонение чувствительности ≤ 0,005 мВ/В).

**(II) Установка: Строго соблюдайте требования стандарта для обеспечения равномерного распределения нагрузки**

* Перед установкой проверьте плоскостность монтажной поверхности (используйте уровень, чтобы обеспечить погрешность ≤ 0,1 мм/м). Во время установки убедитесь, что сила действует вертикально на датчик, избегая боковых сил.
* Для сборок с несколькими датчиками используйте измерители высоты для регулировки разницы в высоте между датчиками до ≤ 0,2 мм, обеспечивая равномерное распределение нагрузки.

**(III) Калибровка: Калибровка системы обязательна после замены**

* В соответствии с национальным стандартом «GB/T 14249.1-2008 Весовые приборы - Общие технические требования», после замены аналогового датчика необходимо выполнить «многоточечную калибровку», используя стандартные веса (класс точности не ниже M1), включая не менее пяти точек: ноль, 25% FS, 50% FS, 75% FS и 100% FS.
* Отрегулируйте коэффициент усиления и компенсацию нуля с помощью прибора, чтобы погрешность данных взвешивания в каждой точке калибровки находилась в пределах, разрешенных национальным стандартом (например, для приборов класса III допустимая погрешность составляет ≤ 0,1%).

**IV. Резюме**

Возникновение расхождений в данных взвешивания после замены аналоговых датчиков одного и того же диапазона по существу вытекает из конфликта между «отклонениями параметров, разрешенными национальными стандартами», и «требованиями к точности практических сценариев применения», в сочетании с операционными упущениями при установке и калибровке.

Хотя «GB/T 7551-2019» обеспечивает соответствующую основу для производства датчиков, он не устраняет незначительные изменения производительности между продуктами одного и того же диапазона. Эти изменения усиливаются на практике через цепочку обработки сигнала, в конечном итоге влияя на точность взвешивания.