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《称重手册》第十章解读


摘要:德国曼弗雷德·柯希克主编的《称重手册》中第十章主要 讨论衡器的稳定性问题,本文作者读后认为其论述的内容与我们所说 的衡器的耐久性是一致的。文中主要介绍了德国 PTB 对此问题认识, 分析和评价方法。

关键字:衡器的稳定性、衡器的耐久性,机械和电子元件的失效, 动态疲劳试验
       
       德国曼弗雷德·柯希克主编,邹炳易译的《称重手册》,由 Chu. U. Volkmam 编写的第十章“衡器的测量稳定性问题”中所讨论的问题, 实质上与我们所谓的衡器耐久性是一致的。文中讨论衡器“机械和电 子元件失效”对“稳定性”的影响,并通过型式批准检定来保障测量 的稳定性。
     
       稳定性一词的德文是 Berubigung,该词的原意是“镇定”、“安定”, 也可延伸为“放心”,这与中文“耐久性”的词意有一定差异。我们 在讨论国际建议和国外的一些议题时,往往是由中文译文的含义去讨 论或争论。由于中西文化上的差异,译者对该原文的理解,加上我们 极少有机会参加国际上有关的会议,就导致我们对一些术语、参数认 识的偏差,甚至错误。然而第十章所讨论的内容,我认为与我们所理 解的“耐久性”是等值的。
 
       此书作者指出:“对于衡器和对于每一件技术物品一样,不仅要 2 求它在新工作状况下照样正常工作,以及保证其特性与应用的范围和 准确度相符,而且还要求它在一定的使用时期内,充分地维持这些特 性。”并对这种技术特性的能力,用“可靠性”这个概念表达。德文 可靠性 Zuveriässigkeit 一词的原意是“可靠”、“可信任”。而作者认为 “对于计量器具,我们一般不说可靠性,而是代之以测量的稳定性, 或者说计量的确定性”。对衡器的稳定性的评价和检定批准,主要是 针对衡器的结构型式,要求“此种结构型式有望得到正确的测量结果 和足够的测量稳定性(测量的确定性)”,并要求对衡器的稳定性通过 型式批准“检定以后 1、2 或 3 年的检定有效期内,不显示错误的称 量结果”。按照德国计量法的规定,“一台衡器在检定之前,其结构型 式必须是已经批准过的。”

       作者认为“损害计量器具的测量稳定性的原因”主要有以下三方 面:

· 过载,也就是在被测量或者环境条件所规定的范围以外使用;

· 因不断重复(按规定)使用而造成的疲劳,如疲劳断裂、摩擦、 磨损;

· 经过较长的时间,由于腐蚀或其它变化而造成的老化,这种老 化与使用无关。
   
      之所以提出计量器具测量稳定性的问题,是由于计量器具在“经 历过不同的时间以后可能导致故障,也就是‘丧失完成特定功能的能 力’(DIN4004),这里所说的‘功能’是指衡器在一定的环境条件和 使用条件下,显示出正确的重量值的能力”,上面是造成故障的三个 3 原因。我们的目的是如何通过“批准检定”来评判衡器的“稳定性”, 其实要用试验来评价计量器具或任何测量装置的“稳定性”或“可靠 性”,是一个非常困难和复杂的问题。“可靠性”本身在工程领域中是 一个很大的学科。就上述三个引起衡器能力失效中,第三点就难通过 试验方法来评判。对于衡器这类比较简单的装置,一般认为第二条是 造成功能失效的比较容易判断的、可用试验方法来表述的原因。通常 认为是由于“机械和电子元件的失效”。机械元件的失效,主要是因 为磨损、疲劳等因素所致,是一种随使用时间增加而渐变的过程,它 使测量值逐渐地超出允差限,发生所谓的漂移失效。电气元件的失效, 若使用的元件未经老化处理,在开始使用时,电气元件的失效率就会 很高,之后失效率才会下降至一个较低的平稳状态。所以通常我们都 是使用经事先老化的电气元件,来保证低的电气元件的失效性。

        对于判断衡器的稳定性的检验,主要是针对“显示出正确的重量 值的能力”的主体部件。而不包括其它辅助装置。德国是最早研究衡 器“稳定性”的国家,PTB 通过对衡器(非自动衡器)连续进行长时 间加载的疲劳负荷试验,作为判定衡器稳定性的型式批准时的强制检 定项目。规定试验要求在接近 Max 负荷条件下,对各准确度等级衡 器交替加荷和卸荷的次数:
                                                                                                                         Ⅰ级衡器 50,000 次
                                                                                                                         Ⅱ级到Ⅲ级衡器 200,000 次
                                                                                                                         计价标签机 1,000,000 次
       
       国际法制计量组织(OIML)在 1992 年版 R76 号国际建议中,有 4 关“耐久性试验”的条款就是依据 PTB 的规定制定。“在正常使用条 件下,使衡器经受约为 50% Max 载荷的重复加载荷与卸载荷,并且 加、卸载荷应达到 100,000 次,其频率与速度应使衡器在加、卸载荷 时达到平衡”,其误差不应大于最大允许误差的绝对值。对于电气元 件的失效性试验可根据现行的有关电子元器件的试验进行。所以,衡 器的电气元件的失效原则上讲对造成“稳定性”或“耐久性”故障无 关,造成衡器的“稳定性”和“耐久性”故障所引起的超过允许的误 差限,主要是由机械元件的磨损疲劳所致。PTB 对衡器“稳定性”功 能检验试验的研究主要也是针对衡器的机械元件。

       国际法制计量组织(OIML)公布的有关衡器的七个国际建议, 除多斗组合秤外,所有其他衡器的承载器的机械构造原则上与 R76 号非自动衡器的承载器的构造相同,而且在它们的国际建议中都要求 其静态计量指标能达到相应非自动衡器的允差要求。因此可以认为对 非自动衡器“稳定性”或“耐久性”的试验是带有普遍性的,是对衡 器“稳定性”或“耐久性”性能的基本要求。

      根据 OIML R76 号国际建议,以及德国 PTB 是将耐久性测试(稳 定性)列为衡器型式批准的试验项目。型式批准试验包括计量要求、 功能试验和“大量的技术试验,主要包括动态疲劳试验、温度试验, 以及干扰量和影响量的作用试验。PTB 型式评价规定:“对于构造简 单的机械式衡器,我们在检定时,只需要查明该衡器是否遵守在 E 09 中规定有关结构上的条款就行了。对于构造较复杂和新设计的机械式 衡器,将对各部件提出的强度上的证明,并进行长时间的疲劳负荷试 5 验”。通过这种对结构型式试验,是为了“有望得到正确的测量结果 和足够的测量稳定性(测量的确定性)”。所以耐久性试验的目的是“来 预见该系列的产品在检定的有效周期以内的一致的性状”。在德国对 于“计量器具的检定有效期 2 年”,而对于绝大多数衡器“检定的有 效期一般是 2 年”。

       耐久性试验是针对衡器生产厂的新产品,或该厂家初次生产的产 品在准许投产时能够证明其产品在结构上,使其保证衡器在检定有效 期内具有正确的测量结果和足够的测量稳定性,而无须在使用中再重 复的性能试验,这与衡器在使用中随后检定的性质和内容有根本性的 区别。耐久性试验应该是对“显示出正确的重量值的能力”的称重的 主体部件在室内环境可控的、可重复和可比对的条件下进行试验,例 如:我以为对皮带秤的耐久性也应该在室内,在某一特定的可控制皮 带张力,速度和载荷的试验台上进行耐久性试验,主要也是测定皮带 秤称重台的耐磨损、耐疲劳的能力,皮带秤的承载器与一般承载器最 大的区别,载荷是通过皮带施加在秤台上的称重托辊。皮带秤的称重 精度,很大程度上取决于称重托辊的质量,所以使用中称重托辊的磨 损对测量精度的影响是非常明显的。

       从对《称重手册》第十章阅读的体会,感到我们在对衡器的某些 问题的认知和理解上,与国外的认知是有差异的,从文章下面提到的 两方面也是我们很少有人注意到。

       在德国认为“绝大部分衡器都是用于商业贸易的,其称重作业绝 大部分都是可以重复的,甚至当连续工作的衡器失误时,如果无法称 6 重的话,也‘只是’涉及经济利益。涉及人身和生命原因,而对衡器 的可供使用性要求很高的情况,顶多也只是在医疗工作上的不可重复 性称重中,或许才会出现”,并要求前一类衡器“始终正确显示”,后 一类衡器“没有错误的显示”。出现这种错误对电子衡器主要是由于 电子器件失效。为了使用户在使用衡器出现“功能故障”时能被确认 出来,一般要求:

 a) 输出一个对于称量结果的报警信号,而衡器此时或许还能 继续使用;
 b) 没有称量结果,衡器静止下来;
 c) 利用其它组件,或者说第二套线路,承担起被干扰了的功 能。

       国外的衡器要求备有能识别上述故障的检查电路,按情况 a)和 情况 b)而设计的线路,实现了所谓功能故障识别性(FFE),按情况 c)设计的线路则实现所谓功能故障的保险(FFE)。在医疗卫生等方 面,往往测量结果的特定性不可重复,为了保证计量确定性,要采用 价钱很贵的“可靠性元件”。使用 FFE 是解决这个问题的一种可取的 较经济实用的办法。力图防止在大量电子元件中只有一件失效时,导 致测量值的错误,并能使衡器工程师藉此能及时毫不费力地识别故障。

       而对于“始终正确地显示”的衡器,一般要求检定有效期为两年, 在此期间内通过随后检定,来判定衡器是否仍符合计量特性。对厂家 出厂的某类衡器的有效期是这样确定的:“即当我们对那些一般尚未 超过检定有效期的计量器具进行检定时,结果将发现,超过检定误差 7 限的器具只占大约 5%以内,这个注解等于挑明了,允许有占多大比 例的计量器具实际上超过使用误差限,即超过量允许有多大。”

       由此可看出德国对衡器“耐久性”试验型式批准的基本要求。

       以上是我读此文章的体会,供大家参考。文章较多地引用了译者 的原文,因为《称重手册》一书出版较早(1992 年),也只印了一千 本。可能很多人手中无此书,直接引用原文,可帮助读者理解作者的 本意。 后记:我写本文的目的主要是对《称重手册》第十章内容的理解, 并不讨论耐久性试验问题的本身,文中的一些名词也是用译文的用语, 可能与我们的用法不一致,不习惯。这个问题有待目前还在从事衡器 工作的同仁们去解决。老实说,有关“耐久性误差”的定义以及到底 是归属在“型式试验”,还是归属在“使用中的试验”来判断,即使 在 OIML 中也无科学、准确的定义。
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