Analyse van de redenen voor de significante verschillen in weeggegevens na het vervangen en repareren van analoge sensoren met hetzelfde meetbereik

Analyse van de redenen voor de significante verschillen in weeggegevens na het vervangen en repareren van analoge sensoren met hetzelfde meetbereik

In de dagelijkse werking en het onderhoud van industriële weegsystemen komt dit probleem vaak voor: na het vervangen of repareren van een analoge load cell, wijkt het weegresultaat aanzienlijk af, zelfs als het nominale bereik hetzelfde is als dat van de originele sensor. In sommige gevallen overschrijdt de fout zelfs het normale toelaatbare bereik, wat de meetnauwkeurigheid van de productie ernstig beïnvloedt.

Dit fenomeen lijkt eenvoudig, maar in feite houdt het nauw verband met subtiele verschillen in het productieproces, de controle van prestatieparameters en de nationale standaardvereisten van analoge load cells. Dit artikel, in combinatie met de Chinese nationale norm GB/T 7551-2019 Load Cells, begint bij de productie-eisen van de kernprestatieparameters van load cells en analyseert de diepere redenen voor gegevensafwijkingen, zelfs wanneer de bereiken identiek zijn.

1. Productie-eisen voor kernprestatieparameters van analoge load cells in nationale normen

De norm GB/T 7551-2019 Load Cells, als de kernnorm voor de productie en het testen van analoge load cells in China, specificeert duidelijk de fabricagenauwkeurigheidseisen voor meerdere belangrijke prestatieparameters van load cells met hetzelfde bereik. Deze parameters bepalen direct de weegnauwkeurigheid van de load cell en zijn ook de belangrijkste bron van latere gegevensverschillen.

Daaronder vallen de parameters die het meest gerelateerd zijn aan gegevensafwijkingen, voornamelijk de volgende vier categorieën:

(1) Gevoeligheid en temperatuurcoëfficiënt van de gevoeligheid

Gevoeligheid is een van de kernindicatoren van analoge load cells. Het verwijst naar de verandering in het uitgangssignaal van de sensor onder de nominale belasting (d.w.z. de bovengrens van de volledige schaal).

Volgens de norm is de typische gevoeligheid van analoge load cells over het algemeen
2,0 mV/V ± 0,02 mV/V (of andere vaste nominale waarden met toelaatbare kleine afwijkingen).

Tegelijkertijd specificeert de norm ook de limiet van de temperatuurcoëfficiënt van de gevoeligheid:
Binnen het bedrijfstemperatuurbereik van −10°C tot +40°C, moet de variatie van de gevoeligheid met de temperatuur ≤ zijn 0,002% FS/°C (FS = volledige schaal).

Dit betekent dat zelfs als twee load cells hetzelfde nominale bereik hebben, kleine verschillen in gevoeligheidswaarden (bijvoorbeeld de ene is 2,01 mV/V en de andere is 1,99 mV/V) of het niet voldoen aan de temperatuurcoëfficiënt van de gevoeligheid zullen leiden tot verschillende analoge uitgangssignalen (spanning/stroom) onder dezelfde belasting, wat uiteindelijk zal worden omgezet in afwijkingen in weeggegevens.

(2) Niet-lineariteitsfout

Niet-lineariteitsfout verwijst naar de maximale afwijking tussen de werkelijke relatie van het uitgangssignaal van de sensor en de belasting, en de ideale lineaire relatie.

De nationale norm vereist:

• Voor analoge load cells moet de niet-lineariteitsfout ≤ zijn 0,02% FS (Klasse C), of

• ≤ 0,01% FS (Klasse B).

Voor load cells met hetzelfde bereik kunnen verschillen in niet-lineariteit ontstaan door variaties in productieprocessen, zoals:

• Bewerkingsprecisie van het elastische element

• Vlakheid en dikte-uniformiteit van het rekstrookgebied

• Afwijkingen in de positie van de rekstrooklijm

Bijvoorbeeld:
De originele load cell heeft een niet-lineariteitsfout van 0,01% FS, terwijl de vervangen load cell 0,018% FS.
Bij een belasting dicht bij de volledige capaciteit (bijv. een load cell van 100 kg belast met 90 kg), kan het verschil in uitgangssignaal oplopen tot:
[(0,018% − 0,01%) × 100 kg = 0,008 kg]

Als het bereik groter is (bijv. 1000 kg), zal de afwijking verder toenemen tot:
[(0,018% − 0,01%) × 1000 kg = 0,08 kg]

Dit is al voldoende om de weegnauwkeurigheid aanzienlijk te beïnvloeden.

(3) Hysteresisfout

Hysteresisfout verwijst naar het maximale verschil in het uitgangssignaal van een load cell onder dezelfde belasting tijdens de laad- en losprocessen.

Volgens de nationale norm moet de hysteresisfout zijn:
≤ 0,02% FS (Klasse C) of
≤ 0,01% FS (Klasse B).

Deze fout is voornamelijk afkomstig van de materiaaleigenschappen van het elastische element van de load cell (zoals mechanische hysteresis-eigenschappen) en inconsistenties in de hechtingseigenschappen van de rekstrook. Als de elastische structuur verschillende batches van legeringsmaterialen gebruikt, of als de uithardingseigenschappen van de lijm voor rekstroken inconsistent zijn, zullen de hysteresisfouten verschillen van die van de originele sensor.

Bijvoorbeeld, in frequente laad- en los-toepassingen (zoals dynamisch transportbandwegen):

• De originele load cell geeft 1,000 mV uit bij 50 kg belasting en 0,999 mV bij 50 kg lossen, wat resulteert in een hysteresisfout van 0,001 mV.

• De vervangende load cell geeft 1,000 mV uit bij 50 kg belasting en 0,997 mV bij 50 kg lossen, wat resulteert in een hysteresisfout van 0,003 mV.

Over een lange periode zal dit leiden tot herhalingsafwijkingen in de weeggegevens.

(4) Nuldrijf en nultemperatuurcoëfficiënt

Nuldrijf verwijst naar de variatie in het uitgangssignaal van de load cell in de loop van de tijd onder de onbelaste (nul) toestand.
De nultemperatuurcoëfficiënt geeft de grootte van de nulpuntsvariatie met temperatuurveranderingen aan.

Volgens de nationale norm moet de nultemperatuurcoëfficiënt ≤ zijn 0,002% FS/°C.

De nulstabiliteit van analoge load cells hangt grotendeels af van de temperatuurstabiliteit van de rekstrook en het compensatieontwerp van het circuit. Als de nieuwe load cell tijdens de productie geen voldoende temperatuurcompensatie ondergaat (bijv. afwijking in de selectie van compensatieweerstandswaarden), of als de temperatuurgevoeligheid van de rekstrook verschilt van die van de originele sensor, zullen veranderingen in de omgevingstemperatuur (zoals temperatuurverschillen tussen dag en nacht of thermische effecten van de werking van de apparatuur) aanzienlijke nulpuntsuitgangsafwijkingen veroorzaken.

Bijvoorbeeld:

• De originele load cell geeft 0,000 mV uit bij 20°C onder onbelaste toestand en 0,001 mV bij 30°C.

• De vervangende load cell geeft 0,000 mV uit bij 20°C en 0,003 mV bij 30°C.

Een temperatuurverandering van slechts 10°C resulteert in een signaaldrift van 0,002 mV, wat, wanneer omgezet in gewichtsgegevens, ervoor kan zorgen dat de weegschaal een positieve of negatieve waarde weergeeft bij nulbelasting, wat de werkelijke weegresultaten ernstig beïnvloedt.

2. Praktische scenario's en oorzaakanalyse van gegevensafwijkingen ondanks hetzelfde nominale bereik

Zelfs als het nominale bereik van de vervangende load cell identiek is aan dat van de originele, zullen tijdens de daadwerkelijke vervanging en het onderhoud de subtiele verschillen in de bovenstaande standaardparameters worden versterkt via de hele keten van
signaalacquisitie → transmissie → verwerking,
en uiteindelijk verschijnen als significante afwijkingen in weeggegevens.

Op basis van de werkelijke werking en onderhoudsscenario's kunnen de specifieke oorzaken worden ingedeeld in de volgende drie categorieën:

**(I) Variaties in het productieproces: "Verborgen prestatieverschillen" in sensoren van hetzelfde bereik**

Nationale normen specificeren de toelaatbare bereiken voor prestatieparameters, maar vereisen niet dat parameters van sensoren met hetzelfde bereik identiek zijn. Zolang ze binnen de limieten vallen, kunnen sensoren van verschillende fabrikanten of batches nog steeds kleine verschillen vertonen, die direct zichtbaar worden na vervanging.

Een fabriek gebruikt bijvoorbeeld een analoge sensor van 100 kg (Klasse C). De originele sensor van fabrikant A heeft een gevoeligheid van 2,005 mV/V, een niet-lineariteitsfout van 0,012% FS en een nultemperatuurcoëfficiënt van 0,0015% FS/°C. De nieuw vervangen sensor van fabrikant B heeft een gevoeligheid van 1,995 mV/V, een niet-lineariteitsfout van 0,018% FS en een nultemperatuurcoëfficiënt van 0,0018% FS/°C. Vanuit een normenperspectief voldoen beide aan de Klasse C-eisen. In de praktijk:

* Wanneer een belasting van 50 kg wordt toegepast, is het uitgangssignaal van de originele sensor (50 kg / 100 kg) × 2,005 mV/V × Excitatiespanning (meestal 10V) = 1,0025 mV. De nieuwe sensoruitgang is (50 kg / 100 kg) × 1,995 mV/V × 10V = 0,9975 mV. Alleen al het gevoeligheidsverschil veroorzaakt een signaalafwijking van 0,005 mV, wat overeenkomt met een gewichtsgegevensafwijking van 0,005 mV ÷ (2,0 mV/V × 10V / 100 kg) = 0,025 kg.
* Als de omgevingstemperatuur stijgt van 20°C naar 30°C, is de nuldrijf van de originele sensor 0,0015% FS/°C × 10°C × 100 kg = 0,15 kg, terwijl deze voor de nieuwe sensor 0,0018% FS/°C × 10°C × 100 kg = 0,18 kg is. De temperatuurverandering voegt nog eens 0,03 kg afwijking toe. De totale gecombineerde afwijking bereikt 0,055 kg. Als dit wordt gebruikt voor voedselverpakkingen (bijv. met een nauwkeurigheid van ±0,05 kg), zou dit er direct voor zorgen dat producten te zwaar of te licht zijn.

Verder zouden sommige kleinere fabrikanten, om de kosten te verlagen, parameters mogelijk niet strikt kalibreren volgens de nationale normen. De werkelijke gevoeligheidsafwijking kan bijvoorbeeld 0,05 mV/V bereiken (de normvereiste van ±0,02 mV/V overschrijden), maar de sensor wordt nog steeds geëtiketteerd als "100 kg bereik". Gegevensverschillen na vervanging door dergelijke sensoren zouden nog duidelijker zijn.

**(II) Installatie- en kalibratieprocessen: Niet voldoen aan de "signaalaanpassingsvereisten" van het originele systeem**

De nauwkeurigheid van gegevens van analoge sensoren hangt niet alleen af van hun eigen prestaties, maar houdt ook nauw verband met de installatiemethode en de systeemkalibratie. Zelfs als de parameters van een vervangende sensor voldoen aan de nationale normen, kan het niet werken volgens de aanpassingsvereisten van het originele systeem tijdens de vervanging leiden tot gegevensafwijkingen.

1. **Afwijking van de installatiepositie en de belastingstoestand**
Het uitgangssignaal van een analoge sensor houdt rechtstreeks verband met de richting van de kracht en de vlakheid van de installatie. Nationale normen vereisen dat tijdens de installatie van de sensor de belasting verticaal op het midden van het elastische element moet werken en dat de vlakheidsfout van het montageoppervlak ≤ 0,1 mm/m moet zijn. Als de vervangende sensor met een positieverschuiving wordt geïnstalleerd (bijv. 5 mm verschuiving ten opzichte van de originele middenpositie) of als het montageoppervlak niet waterpas is (bijv. met een helling van 0,2 mm/m), zal de werkelijke kracht op de sensor niet overeenkomen met de "nominale belastingsrichting" van zijn nominale bereik. Een sensor van 100 kg kan bijvoorbeeld een verticale belasting van 98 kg ervaren, maar ook een extra zijwaartse kracht van 2 kg dragen, waardoor het uitgangssignaal lager is dan normaal, wat zich manifesteert als een "weeggegevensafwijking".
Bovendien vereisen nationale normen in scenario's met meerdere sensorassemblages (bijv. in voertuigen, trechters) dat de uniformiteitsafwijking van de belastingverdeling tussen sensoren ≤ 1% FS is. Als bij het vervangen van één sensor de hoogte niet wordt aangepast (bijv. het creëren van een hoogteverschil van meer dan 0,5 mm in vergelijking met andere sensoren), kan de belasting zich concentreren op de andere sensoren, waardoor de nieuwe sensor te weinig wordt belast. Dit resulteert in lagere weeggegevens dan verwacht.

**2. Het niet opnieuw uitvoeren van systeemkalibratie**

Het signaal van een analoge sensor moet "versterking - filtering - analoog-naar-digitaal conversie" ondergaan door een instrument voordat het kan worden omgezet in weeggegevens. Nationale normen vereisen dat een analoog weegsysteem na het vervangen van een sensor opnieuw "systeemkalibratie" moet ondergaan. Dit omvat het laden van standaardgewichten en het aanpassen van de versterkingsfactor en de nulpuntscompensatiewaarde van het instrument om het uitgangssignaal van de sensor af te stemmen op het standaardgewicht.

Als er na vervanging geen kalibratie wordt uitgevoerd en het instrument de parameters van de originele sensor blijft gebruiken (bijv. de gevoeligheid van de originele sensor van 2,005 mV/V versus de 1,995 mV/V van de nieuwe sensor), zal het gewicht dat door het instrument wordt berekend, afwijken. Wanneer bijvoorbeeld een standaardgewicht van 50 kg wordt geladen, geeft de nieuwe sensor 0,9975 mV uit (zoals in het vorige geval), maar als het instrument nog steeds berekent op basis van de gevoeligheid van 2,005 mV/V, is het resulterende gewicht 0,9975 mV ÷ (2,005 mV/V × 10V / 100 kg) ≈ 49,75 kg, wat verschilt van de werkelijke 50 kg met 0,25 kg - een afwijking die het toegestane bereik van de norm ver overschrijdt.

Sommige gebruikers denken ten onrechte dat "sensoren met hetzelfde bereik direct kunnen worden vervangen" en overzien de stap van systeemkalibratie, wat een veelvoorkomende oorzaak is van gegevensverschillen.

**(III) Veroudering en slijtage: "Verschillen in prestatievermindering" tussen oude en nieuwe sensoren**

Na langdurig gebruik ervaren analoge sensoren prestatieparameterverschuivingen ten opzichte van hun oorspronkelijke staat als gevolg van veroudering en slijtage. Nieuwe sensoren bevinden zich in hun "initiële prestatietoestand". Zelfs als het bereik hetzelfde is, kunnen de parameterverschillen tussen de oude en nieuwe sensoren leiden tot gegevensafwijkingen - een fenomeen dat vooral duidelijk is bij het vervangen van sensoren die al meer dan 5 jaar in gebruik zijn.

Volgens de nationale normen is de typische levensduur van een analoge sensor 10 jaar. De prestatievermindering versnelt echter in ruwe omgevingen (bijv. hoge temperatuur, vochtigheid, stof):
* Het elastische element kan "plastische vervorming" ondergaan bij langdurige belasting, wat leidt tot een verminderde gevoeligheid (bijv. van 2,0 mV/V naar 1,98 mV/V).
* Veroudering van de rekstrooklijmlaag kan de hysteresisfout vergroten (bijv. van 0,01% FS naar 0,03% FS).
* Oxidatie van compensatieweerstanden in het circuit kan de nuldrijf verergeren (bijv. van 0,001 mV/h naar 0,005 mV/h).

Wanneer een nieuwe sensor wordt geïnstalleerd, voldoen de parameters aan de "initiële vereisten" van de nationale norm (bijv. gevoeligheid 2,005 mV/V, hysteresisfout 0,012% FS). Het instrument van het systeem kan zich echter hebben aangepast aan de "verouderde parameters" van de oude sensor (bijv. berekenen op basis van een effectieve gevoeligheid van 1,98 mV/V). Indien niet opnieuw gekalibreerd, wordt het uitgangssignaal van de nieuwe sensor door het instrument "overversterkt", wat zich manifesteert als "zwaardere weeggegevens". Onder een belasting van 50 kg geeft de nieuwe sensor bijvoorbeeld 1,0025 mV uit. Als het instrument berekent met behulp van de gevoeligheid van de oude sensor van 1,98 mV/V, is het resulterende gewicht 1,0025 mV ÷ (1,98 mV/V × 10V / 100 kg) ≈ 50,63 kg, wat verschilt van de werkelijke 50 kg met 0,63 kg.

**III. Oplossingen: vermindering van gegevensverschillen door naleving van de normen en operationele optimalisatie**

Om gegevensverschillen na het vervangen van analoge sensoren van hetzelfde bereik tijdens onderhoud te voorkomen, is het essentieel om het hele proces van "selectie - installatie - kalibratie" te beheren, waarbij de nationale standaardvereisten strikt worden nageleefd en tegelijkertijd de operaties worden geoptimaliseerd op basis van het werkelijke toepassingsscenario:

**(I) Selectie: geef prioriteit aan conforme producten met bijpassende parameters**

* Tijdens de vervanging moet prioriteit worden gegeven aan producten van "dezelfde fabrikant en hetzelfde model" als de originele sensor om ervoor te zorgen dat parameters zoals gevoeligheid, niet-lineariteitsfout en temperatuurcoëfficiënten consistent zijn (afwijking ≤ 0,01 mV/V of 0,005% FS).
* Als hetzelfde model niet beschikbaar is, is het noodzakelijk om parameter testrapporten van de fabrikant aan te vragen die voldoen aan "GB/T 7551-2019", waarbij de nadruk ligt op het verifiëren van belangrijke indicatoren zoals gevoeligheid, niet-lineariteitsfout en nultemperatuurcoëfficiënt, om ervoor te zorgen dat afwijkingen worden geminimaliseerd (bijv. gevoeligheidsafwijking ≤ 0,005 mV/V).

**(II) Installatie: houd u strikt aan de standaardvereisten om een ​​gelijkmatige belastingverdeling te garanderen**

* Controleer vóór de installatie de vlakheid van het montageoppervlak (gebruik een waterpas om ervoor te zorgen dat de fout ≤ 0,1 mm/m is). Zorg er tijdens de installatie voor dat de kracht verticaal op de sensor werkt en vermijd zijwaartse krachten.
* Gebruik voor assemblages met meerdere sensoren hoogtemeters om het hoogteverschil tussen sensoren aan te passen tot ≤ 0,2 mm, waardoor een gelijkmatige belastingverdeling wordt gewaarborgd.

**(III) Kalibratie: systeemkalibratie is verplicht na vervanging**

* Volgens de nationale norm "GB/T 14249.1-2008 Weeginstrumenten - Algemene technische vereisten" moet na het vervangen van een analoge sensor "meerpuntskalibratie" worden uitgevoerd met behulp van standaardgewichten (nauwkeurigheidsklasse niet lager dan M1), inclusief ten minste vijf punten: nul, 25% FS, 50% FS, 75% FS en 100% FS.
* Pas de versterkingsfactor en de nulpuntscompensatie aan via het instrument, zodat de weeggegevensfout op elk kalibratiepunt binnen het bereik ligt dat is toegestaan ​​door de nationale norm (bijv. voor Klasse III-instrumenten is de toegestane fout ≤ 0,1%).

**IV. Samenvatting**

Het optreden van weeggegevensverschillen na het vervangen van analoge sensoren van hetzelfde bereik vloeit in wezen voort uit het conflict tussen de "parameterafwijkingen die zijn toegestaan ​​door nationale normen" en de "precisie-eisen van praktische toepassingsscenario's", in combinatie met operationele verzuimen bij installatie en kalibratie.

Hoewel "GB/T 7551-2019" een compliant kader biedt voor de productie van sensoren, elimineert het de subtiele prestatieverschillen tussen producten van hetzelfde bereik niet. Deze variaties worden in de praktijk versterkt via de signaalverwerkingsketen, wat uiteindelijk de weegnauwkeurigheid beïnvloedt.