تحلیل دلایل تفاوت‌های قابل توجه در داده‌های وزن‌کشی پس از جایگزینی و تعمیر حسگرهای آنالوگ با محدوده اندازه‌گیری یکسان

تجزیه و تحلیل دلایل تفاوت های قابل توجهی در داده های وزن پس از تعویض و تعمیر سنسورهای آنالوگ با همان محدوده اندازه گیری

در عملیات روزانه و نگهداری سیستم های وزن صنعتی، این نوع مشکل اغلب رخ می دهد: پس از تعویض یا تعمیر یک سلول بار آنالوگ،حتی اگر محدوده اسمی آن با سنسور اصلی یکسان باشد.در برخی موارد، خطا حتی از محدوده مجاز عادی فراتر می رود و به طور جدی بر دقت اندازه گیری تولید تأثیر می گذارد.

این پدیده ساده به نظر می رسد، اما در واقع ارتباط نزدیکی با تفاوت های ظریف در فرآیند تولید دارد.کنترل پارامترهای عملکرد و الزامات استاندارد ملی سلول های بارگذاری آنالوگاین ماده در ترکیب با استاندارد ملی چینGB/T 7551-2019 سلول های بار، از الزامات تولید پارامترهای عملکرد اصلی سلول های بار گرفته می شود و دلایل عمیق تر انحراف داده ها را حتی زمانی که محدوده ها یکسان هستند، تجزیه و تحلیل می کند.

1- الزامات تولیدی برای پارامترهای عملکرد اصلی سلول های بار آنالوگ در استانداردهای ملی

استانداردGB/T 7551-2019 سلول های بار، به عنوان استاندارد اصلی برای تولید و آزمایش سلول های بار آنالوگ در چین،به وضوح الزامات دقت تولید را برای پارامترهای عملکرد کلیدی متعدد سلول های بار با همان محدوده مشخص می کند.این پارامترها به طور مستقیم دقت وزن سلول بار را تعیین می کنند و همچنین منبع اصلی تفاوت های داده های بعدی هستند.

در میان آن ها، پارامترهای مرتبط با انحراف داده به طور عمده شامل چهار دسته زیر هستند:

(1) حساسیت و ضریب دمای حساسیت

حساسیت یکی از شاخص های اصلی سلول های بار آنالوگ است. این به تغییر سیگنال خروجی سنسور تحت بار نامی (به عنوان مثال، حد بالای مقیاس کامل) اشاره دارد.

بر اساس استاندارد، حساسیت معمولی سلول های بار آنالوگ به طور کلی
2.0 mV/V ± 0.02 mV/V(یا سایر مقادیر اسمی ثابت با انحرافات کوچک مجاز).

در عین حال این استاندارد همچنین محدوده ضریب حساسیت دمایی را مشخص می کند:
در محدوده دمای عملیاتی-10°C تا +40°C، تغییر حساسیت با دمای باید ≤ باشد0.002٪ FS/°C(FS = مقیاس کامل)

این بدان معناست که حتی اگر دو سلول بار دارای محدوده نامی یکسان باشند، تفاوت های کوچک در مقادیر حساسیت (به عنوان مثال، یکی از آنها2.01 mV/Vو اون يکي هم1.99 mV/V) یا عدم رعایت ضریب حساسیت درجه حرارت منجر به سیگنال های خروجی آنالوگ مختلف ( ولتاژ / جریان) تحت یک بار یکسان می شود.که در نهایت به انحراف در داده های وزن تبدیل می شود..

(2) خطا غیر خطی

خطا غیر خطی به حداکثر انحراف بین رابطه واقعی سیگنال خروجی سنسور و بار و رابطه خطی ایده آل اشاره دارد.

استاندارد ملی مستلزم این است:

• برای سلول های بار آنالوگ، خطا غیر خطی باید ≤ باشد.0.02٪ FS(کلاس C) ، یا

• ≤0.01٪ FS(کلاس B)

برای سلول های بار با همان محدوده، اختلافات در غیر خطی بودن ممکن است به دلیل تغییرات در فرآیندهای تولید، مانند:

• دقت ماشینکاری عنصر الاستیک

• مسطحیت و یکسانی ضخامت ناحیه کشش سنج

• انحرافات در موقعیت اتصال کشش سنج

به عنوان مثال:
سلول بار اصلی دارای یک خط خطی غیر خطی است0.01٪ FS، در حالی که جایگزین شده است0.018% FS.
در بار نزدیک به ظرفیت کامل (به عنوان مثال یک سلول بار 100 کیلوگرم بار 90 کیلوگرم) ، تفاوت سیگنال خروجی می تواند به:
[ ((0.018٪ − 0.01٪) × 100 کیلوگرم = 0.008 کیلوگرم]

اگر محدوده بزرگتر باشد (به عنوان مثال، 1000 کیلوگرم) ، انحراف بیشتر به:
[(0.018% − 0.01%) × 1000 kg = 0.08 kg]

این برای تاثیر قابل توجهی بر دقت وزن کافی است.

(3) خطای هیسترسیس

خطای هیسترسیس به حداکثر تفاوت در سیگنال خروجی یک سلول بار تحت همان بار در طول فرآیندهای بارگذاری و تخلیه اشاره دارد.

بر اساس استاندارد ملی، خطای هیسترز باید:
≤0.02٪ FS(کلاس C) یا
≤0.01٪ FS(کلاس B)

This error mainly originates from the material properties of the elastic element of the load cell (such as mechanical hysteresis characteristics) and inconsistencies in the bonding properties of the strain gaugeاگر ساختار لاستیکی از دسته های مختلف مواد آلیاژ استفاده می کند، یا ویژگی های سخت شدن چسب چسب برای کشش سنج ها متناقض است،اشتباهات هیسترسیس با سنسور اصلی متفاوت خواهد بود..

به عنوان مثال، در کاربردهای بارگذاری مکرر (مانند وزن کنویر پویا):

• خروجی سلول بار اصلی1.000 mVبا بارگذاری 50 کیلوگرم، و0.999 میلی ولتدر 50 کیلوگرم تخلیه، که منجر به یک خطای هیستریز می شود0.001 میلی ولت.

• خروجی سلول بار جایگزین1.000 mVبا بارگذاری 50 کیلوگرم، و0.997 میلی ولتدر 50 کیلوگرم تخلیه، که منجر به یک خطای هیستریز می شود0.003 mV.

در طول کار طولانی مدت، این امر منجر به انحراف تکرار در داده های وزن می شود.

(4) صفر حرکت و صفر درجه حرارت ضریب

حرکت صفر به تغییر سیگنال خروجی سلول بار در طول زمان در شرایط بدون بار (صفر) اشاره دارد.
ضریب دمای صفر نشان دهنده شدت تغییر نقطه صفر با تغییرات دمایی است.

بر اساس استاندارد ملی، ضریب دمای صفر باید ≤ باشد.0.002٪ FS/°C.

ثبات صفر سلول های بار آنالوگ تا حد زیادی بستگی به ثبات دمایی کشش سنج و طراحی جبران مدار دارد.اگر سلول بار جدید در طول تولید به اندازه کافی جبران دمایی نداشته باشد ((به عنوان مثال، انحراف در انتخاب مقادیر مقاومت تعویض) یا اگر حساسیت دمایی سنج فشار از سنسور اصلی متفاوت باشد،تغییرات دمای محیط زیست (مانند تفاوت دمای روز و شب یا اثرات حرارتی ناشی از عملکرد تجهیزات) باعث انحرافات قابل توجهی از خروجی نقطه صفر می شود..

به عنوان مثال:

• خروجی سلول بار اصلی0.000 mVدر 20 درجه سانتیگراد در حالت بدون بار، و0.001 میلی ولتدر 30 درجه سانتیگراد

• خروجی سلول بار جایگزین0.000 mVدر 20 درجه سانتیگراد، و0.003 mVدر 30 درجه سانتیگراد

تغییر دمای تنها 10 درجه سانتیگراد منجر به حرکت سیگنال از0.002 mV، که هنگامی که به داده های وزن تبدیل می شود، ممکن است باعث شود که مقیاس یک مقدار مثبت یا منفی را در بار صفر نشان دهد، که به طور جدی بر نتایج وزن واقعی تاثیر می گذارد.

2سناریوهای عملی و تجزیه و تحلیل علل انحراف داده ها با وجود یک محدوده رتبه بندی

حتی اگر محدوده نامی سلول بار جایگزین با سلول اصلی یکسان باشد، در طول جایگزینی و نگهداری واقعی،تفاوت های ظریف در پارامترهای استاندارد بالا در کل زنجیره تولید تقویت خواهد شد.
جمع آوری سیگنال → انتقال → پردازش,
و در نهایت به عنوان انحرافات قابل توجهی در داده های وزن ظاهر می شوند.

بر اساس سناریوهای عملیاتی و نگهداری واقعی، علل خاص را می توان به سه دسته زیر تقسیم کرد:

**(I) تغییرات فرآیند تولید: "تفاوت عملکرد پنهان" در سنسورهای یک محدوده مشابه**

استانداردهای ملی محدوده های مجاز برای پارامترهای عملکرد را مشخص می کنند اما از پارامترهای سنسورها با همان محدوده نمی خواهند که یکسان باشند.حسگرهای تولید کننده های مختلف یا دسته های مختلف هنوز هم می توانند تفاوت های جزئی داشته باشند.، که بعد از تعویض به طور مستقیم در معرض قرار می گیرند.

به عنوان مثال یک کارخانه از یک سنسور آنالوگ 100 کیلوگرم (کلاس C) استفاده می کند. سنسور اصلی از تولید کننده A دارای حساسیت 2.005 mV / V، یک خط خطی 0.012٪ FS است،و یک ضریب دمای صفر 0.0015٪ FS/°C. سنسور تازه جایگزین شده از تولید کننده B دارای حساسیت 1.995 mV/V، خط خطی 0.018٪ FS و ضریب دمای صفر 0.0018٪ FS/°C است.از منظر استانداردها، هر دو مورد الزامات کلاس C را برآورده می کنند.

* هنگامی که یک بار 50 کیلوگرم اعمال می شود، سیگنال خروجی سنسور اصلی (50 کیلوگرم / 100 کیلوگرم) × 2.005 mV / V × ولتاژ تحریک (معمولا 10V) = 1.0025 mV است. خروجی سنسور جدید (50 کیلوگرم / 100 کیلوگرم) × 1 است.995 mV/V × 10V = 0.9975 میلی ولت. تفاوت حساسیت به تنهایی باعث انحراف سیگنال 0.005 میلی ولت می شود که مربوط به انحراف داده وزن 0.005 میلی ولت ÷ (2.0 میلی ولت / V × 10 ولت / 100 کیلوگرم) = 0.025 کیلوگرم است.
* اگر دمای محیط از 20°C به 30°C افزایش یابد، حرکت صفر سنسور اصلی 0.0015٪ FS/°C × 10°C × 100kg = 0.15 kg است، در حالی که برای سنسور جدید 0.0018% FS/°C × 10°C × 100kg = 0.18 کیلوگرم. تغییر دما 0.03 کیلوگرم دیگر انحراف را اضافه می کند. انحراف کل ترکیبی به 0.055 کیلوگرم می رسد. اگر برای بسته بندی مواد غذایی استفاده شود (به عنوان مثال نیاز به دقت ± 0.05 کیلوگرم)این به طور مستقیم باعث می شود که محصولات بیش از حد یا کمتر از وزن باشند..

علاوه بر این، برخی از تولیدکنندگان کوچکتر، برای کاهش هزینه ها، ممکن است پارامترها را به طور دقیق مطابق با استانداردهای ملی کالیبراسیون نکنند. به عنوان مثال، انحراف حساسیت واقعی ممکن است به صفر برسد.05 mV/V (بیش از نیاز استاندارد ±0.02 mV / V) ، اما سنسور هنوز به عنوان "مجموعه 100 کیلوگرم" برچسب گذاری شده است. تفاوت داده ها پس از جایگزینی با چنین سنسورها حتی بیشتر خواهد بود.

**(II) فرآیند نصب و کالیبراسیون: عدم برآورده شدن "متطلبات سازگاری سیگنال" سیستم اصلی**

دقت داده های سنسورهای آنالوگ نه تنها به عملکرد خود آنها بستگی دارد بلکه به روش نصب و کالیبراسیون سیستم نیز ارتباط نزدیک دارد.حتی اگر پارامترهای یک سنسور جایگزین با استانداردهای ملی مطابقت داشته باشد، عدم عملکرد مطابق با الزامات سازگاری سیستم اصلی در هنگام تعویض می تواند منجر به انحراف داده شود.

1**موقعیت نصب و انحراف حالت بار **
سیگنال خروجی یک سنسور آنالوگ به طور مستقیم با جهت نیروی و صاف بودن نصب مرتبط است. استانداردهای ملی مستلزم آن است که در طول نصب سنسور،بار باید عمودی بر مرکز عنصر الاستیک عمل کند.، و خطای مسطحیت سطح نصب باید ≤ 0.1 mm/m باشد. اگر سنسور جایگزین با تغییر موقعیت نصب شده باشد (به عنوان مثال،تغییر 5mm از موقعیت اصلی مرکز) یا اگر سطح نصب برابر نیست (eبه عنوان مثال، نیروی واقعی بر روی سنسور با "اتجاه بار نامی" محدوده نامی آن هماهنگ نمی شود.یک سنسور 100 کیلوگرم ممکن است 98 کیلوگرم بار عمودی را تجربه کند اما همچنین 2 کیلوگرم نیروی جانبی اضافی را تحمل کند، که باعث می شود سیگنال خروجی کمتر از حد معمول باشد و به عنوان "معایب داده وزن" نشان داده شود.
علاوه بر این، در سناریوهایی که شامل مجموعه های چند سنسور (به عنوان مثال، در وسایل نقلیه، هپر) است، استانداردهای ملی نیاز دارند که انحراف یکنواخت توزیع بار بین سنسورها ≤ 1٪ FS باشد.هنگام تعویض یک سنسور، ارتفاع آن تنظیم نمی شود (به عنوان مثال، ایجاد تفاوت ارتفاع بیش از 0.5mm در مقایسه با سنسورهای دیگر) ، بار ممکن است بر روی سنسورهای دیگر متمرکز شود و باعث شود سنسور جدید کم بار باشد.در نتیجه داده های وزن کلی کمتر از انتظار است.

**2 عدم انجام مجدد کالیبراسیون سیستم**

سیگنال از یک سنسور آنالوگ باید قبل از اینکه بتواند به داده های وزن تبدیل شود، توسط یک ابزار "تضخیم - فیلتر - تبدیل آنالوگ به دیجیتال" انجام شود.استانداردهای ملی مستلزم آن است که یک سیستم سنجش آنالوگ پس از تعویض یک سنسور باید از "تعدیل سیستم" دوباره برخوردار شود.این شامل بارگذاری وزنهای استاندارد و تنظیم عامل تقویت ابزار و ارزش جبران نقطه صفر برای مطابقت سیگنال خروجی سنسور با وزن استاندارد است.

اگر کالیبراسیون پس از تعویض انجام نشود و ابزار همچنان از پارامترهای سنسور اصلی استفاده کند (به عنوان مثال، حساسیت سنسور اصلی 2 است).005 mV/V در مقابل سنسور جدید.995 mV/V) ، وزن محاسبه شده توسط ابزار انحراف پیدا می کند. به عنوان مثال، هنگامی که وزن استاندارد 50 کیلوگرم بارگذاری می شود، سنسور جدید 0.9975mV (مانند مورد قبلی) را تولید می کند.اما اگر ابزار هنوز بر اساس 2 محاسبهحساسیت 0.005 mV / V، وزن حاصل 0.9975mV ÷ (2.005mV / V × 10V / 100kg) ≈ 49.75kg است، که با انحراف 0.25kg ∼a بسیار بیشتر از محدوده استاندارد مجاز با 50kg واقعی متفاوت است.

برخی از کاربران به اشتباه معتقدند که "سینسورها با همان محدوده می توانند به طور مستقیم جایگزین شوند" و مرحله کالیبراسیون سیستم را نادیده می گیرند، که یک علت رایج تفاوت داده ها است.

**(III) پیری و فرسایش: "تفاوت کاهش عملکرد" بین سنسورهای قدیمی و جدید**

پس از استفاده طولانی مدت، سنسورهای آنالوگ تغییرات پارامتر عملکرد را از حالت اولیه خود به دلیل پیری و فرسایش تجربه می کنند. سنسورهای جدید در "وضعیت عملکرد اولیه" خود هستند." حتي اگر محدوده همينه، تفاوت پارامتر بین سنسورهای قدیمی و جدید می تواند منجر به انحراف داده شود، پدیده ای که به ویژه در هنگام جایگزینی سنسورهای بیش از 5 ساله استفاده می شود.

با توجه به استانداردهای ملی، عمر معمول سنسور آنالوگ 10 سال است. با این حال، تخریب عملکرد در محیط های خشن (به عنوان مثال، دمای بالا، رطوبت، گرد و غبار) تسریع می شود:
* عنصر لاستیکی ممکن است تحت بار طولانی مدت دچار "شکستگی پلاستیکی" شود که منجر به کاهش حساسیت می شود (به عنوان مثال، از 2.0 mV / V به 1.98 mV / V).
* پیری لایه پیوند سنج کششی می تواند خطای هیستریز را افزایش دهد (به عنوان مثال، از 0.01٪ FS به 0.03٪ FS).
* اکسیداسیون مقاومت های جبران در مدار می تواند انحراف صفر را تشدید کند (به عنوان مثال، از 0.001 mV / h به 0.005 mV / h).

هنگامی که یک سنسور جدید نصب می شود، پارامترهای آن مطابق با "تقاضیات اولیه" استاندارد ملی است (به عنوان مثال حساسیت 2.005 mV / V، خطای هیستریز 0.012٪ FS).ابزار سیستم ممکن است به "پارامترهای تخریب شده" سنسور قدیمی (e.g، محاسبه بر اساس حساسیت موثر 1.98 mV/V) در صورت عدم کالیبراسیون مجدد، سیگنال خروجی سنسور جدید توسط ابزار بیش از حد تقویت می شود،که به عنوان "داده های وزن سنگین تر" نشان داده می شود.به عنوان مثال، تحت بار 50 کیلوگرم، سنسور جدید 1.0025mV را تولید می کند. اگر ابزار با استفاده از حساسیت سنسور قدیمی 1.98 mV / V محاسبه شود، وزن حاصل 1.0025mV ÷ (1.98mV/V × 10V / 100kg) ≈ 50.63 کيلوگرم که با 50 کيلوگرم واقعي با 0.63 کيلوگرم فرق داره

**III. راه حل: کاهش اختلافات داده از طریق انطباق با استانداردها و بهینه سازی عملیاتی**

برای جلوگیری از اختلاف داده ها پس از تعویض سنسورهای آنالوگ در همان محدوده در طول تعمیرات، مدیریت کل فرآیند از "انتخاب - نصب - کالیبراسیون" ضروری است."با رعایت دقیق الزامات استاندارد ملی در حالی که بهینه سازی عملیات بر اساس سناریوی کاربردی واقعی:

**(I) انتخاب: اولویت بندی محصولات سازگار با پارامترهای تطابق **

* در هنگام تعویض، اولویت باید به محصولات از "تولید کننده و مدل مشابه" به عنوان سنسور اصلی داده شود تا پارامترهای مانند حساسیت، خطا غیر خطی،و ضریب های دمایی سازگار هستند (معایب ≤ 0.01mV/V یا 0.005% FS)
* اگر همان مدل در دسترس نباشد، لازم است گزارش های آزمایش پارامتر را از تولید کننده مطابق با "GB/T 7551-2019" درخواست کنید، با تمرکز بر تأیید شاخص های کلیدی مانند حساسیت،خطای غیر خطی، و ضریب دمای صفر، اطمینان از حداقل انحراف (به عنوان مثال، انحراف حساسیت ≤ 0.005mV/V).

**(II) نصب: رعایت دقیق الزامات استاندارد برای اطمینان از توزیع یکنواخت بار**

* قبل از نصب، مسطحیت سطح نصب را بررسی کنید (برای اطمینان از خطا ≤ 0.1mm/m از سطح استفاده کنید). در طول نصب، اطمینان حاصل کنید که نیروی عمودی بر روی سنسور عمل می کند، از نیروهای جانبی اجتناب کنید..
* برای مجموعه های چند سنسور، از اندازه گیری های ارتفاع برای تنظیم تفاوت ارتفاع بین سنسورها به ≤ 0.2mm استفاده کنید، اطمینان از توزیع حتی بار.

**(III) کالیبراسیون: کالیبراسیون سیستم پس از تعویض اجباری است**

* بر اساس استاندارد ملی "GB/T 14249.1-2008 ابزار وزن - الزامات فنی عمومی"، پس از تعویض یک سنسور آنالوگ،"تعدیل چند نقطه ای" باید با استفاده از وزنهای استاندارد (طبقه دقت حداقل M1) انجام شود.از جمله حداقل پنج امتیاز: صفر، 25٪ FS، 50٪ FS، 75٪ FS و 100٪ FS.
* عامل تقویت و جبران نقطه صفر را از طریق ابزار تنظیم کنید تا خطا داده های وزن در هر نقطه کالیبراسیون در محدوده مجاز استاندارد ملی باشد (به عنوان مثال،برای ابزارهای کلاس IIIخطا مجاز ≤ 0.1% است.

**IV. خلاصه **

The occurrence of weighing data discrepancies after replacing analog sensors of the same range essentially stems from the conflict between the "parameter deviations permitted by national standards" and the "precision requirements of practical application scenarios،" همراه با نظارت های عملیاتی در نصب و کالیبراسیون.

اگرچه "GB/T 7551-2019" یک چارچوب سازگار برای تولید سنسور فراهم می کند، اما تفاوت های ظریف عملکرد را در میان محصولات از همان رده از بین نمی برد.این تغییرات در عمل از طریق زنجیره پردازش سیگنال تقویت می شوند، که در نهایت بر دقت وزن تاثیر می گذارد.