2025-11-28
تحليل أسباب الاختلافات الكبيرة في بيانات الوزن بعد استبدال وإصلاح المستشعرات التناظرية بنفس نطاق القياس
في التشغيل والصيانة اليومية لأنظمة الوزن الصناعية، غالبًا ما تواجه هذه المشكلة: بعد استبدال أو إصلاح خلية تحميل تناظرية، حتى لو كان نطاقها الاسمي هو نفسه نطاق المستشعر الأصلي، فإن نتيجة الوزن لا تزال تنحرف بشكل كبير. في بعض الحالات، يتجاوز الخطأ النطاق المسموح به العادي، مما يؤثر بشكل خطير على دقة القياس للإنتاج.
تبدو هذه الظاهرة بسيطة، ولكنها في الواقع مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بالاختلافات الدقيقة في عملية التصنيع، والتحكم في معلمات الأداء ومتطلبات المعايير الوطنية لخلايا التحميل التناظرية. هذه المقالة، بالاشتراك مع المعيار الوطني الصيني GB/T 7551-2019 خلايا التحميل، تبدأ من متطلبات تصنيع معلمات الأداء الأساسية لخلايا التحميل، وتحلل الأسباب الأعمق لانحراف البيانات حتى عندما تكون النطاقات متطابقة.
المعيار GB/T 7551-2019 خلايا التحميل، كمعيار أساسي لإنتاج واختبار خلايا التحميل التناظرية في الصين، يحدد بوضوح متطلبات دقة التصنيع للعديد من معلمات الأداء الرئيسية لخلايا التحميل بنفس النطاق. تحدد هذه المعلمات مباشرة دقة وزن خلية التحميل، وهي أيضًا المصدر الرئيسي للاختلافات اللاحقة في البيانات.
من بينها، تشمل المعلمات الأكثر ارتباطًا بانحراف البيانات بشكل أساسي الفئات الأربع التالية:
الحساسية هي أحد المؤشرات الأساسية لخلايا التحميل التناظرية. يشير إلى التغيير في إشارة الإخراج للمستشعر تحت الحمل المقنن (أي الحد الأعلى للنطاق الكامل).
وفقًا للمعيار، تكون الحساسية النموذجية لخلايا التحميل التناظرية بشكل عام
2.0 mV/V ± 0.02 mV/V (أو قيم اسمية ثابتة أخرى مع انحرافات صغيرة مسموح بها).
في الوقت نفسه، يحدد المعيار أيضًا حد معامل درجة حرارة الحساسية:
ضمن نطاق درجة حرارة التشغيل من −10°C إلى +40°C، يجب أن يكون اختلاف الحساسية مع درجة الحرارة ≤ 0.002% FS/°C (FS = النطاق الكامل).
هذا يعني أنه حتى إذا كان لخليتي تحميل نفس النطاق الاسمي، فإن الاختلافات الصغيرة في قيم الحساسية (على سبيل المثال، أحدهما هو 2.01 mV/V والآخر هو 1.99 mV/V) أو عدم الامتثال لمعامل درجة حرارة الحساسية سيؤدي إلى إشارات إخراج تناظرية مختلفة (الجهد/التيار) تحت نفس الحمل، والتي سيتم تحويلها في النهاية إلى انحرافات في بيانات الوزن.
يشير خطأ اللاخطية إلى الحد الأقصى للانحراف بين العلاقة الفعلية لإشارة إخراج المستشعر والحمل، والعلاقة الخطية المثالية.
المعيار الوطني يتطلب:
بالنسبة لخلايا التحميل التناظرية، يجب أن يكون خطأ اللاخطية ≤ 0.02% FS (الفئة C)، أو
≤ 0.01% FS (الفئة B).
بالنسبة لخلايا التحميل بنفس النطاق، قد تنشأ اختلافات في اللاخطية بسبب الاختلافات في عمليات التصنيع، مثل:
دقة تشغيل العنصر المرن
التسطيح والتوحيد في سمك منطقة مقياس الإجهاد
الانحرافات في موضع ربط مقياس الإجهاد
على سبيل المثال:
خلية التحميل الأصلية بها خطأ لاخطية قدره 0.01% FS، بينما تحتوي الخلية المستبدلة على 0.018% FS.
عند حمل قريب من السعة الكاملة (على سبيل المثال، خلية تحميل بوزن 100 كجم محملة بـ 90 كجم)، يمكن أن يصل فرق إشارة الإخراج إلى:
[(0.018% − 0.01%) × 100 kg = 0.008 kg]
إذا كان النطاق أكبر (على سبيل المثال، 1000 كجم)، فسوف يتوسع الانحراف إلى:
[(0.018% − 0.01%) × 1000 kg = 0.08 kg]
هذا يكفي بالفعل للتأثير بشكل كبير على دقة الوزن.
يشير خطأ التباطؤ إلى الحد الأقصى للاختلاف في إشارة الإخراج لخلية التحميل تحت نفس الحمل أثناء عمليتي التحميل والتفريغ.
وفقًا للمعيار الوطني، يجب أن يكون خطأ التباطؤ:
≤ 0.02% FS (الفئة C) أو
≤ 0.01% FS (الفئة B).
ينشأ هذا الخطأ بشكل أساسي من الخصائص المادية للعنصر المرن لخلية التحميل (مثل خصائص التباطؤ الميكانيكي) والتناقضات في خصائص الترابط لمقياس الإجهاد. إذا استخدم الهيكل المرن دفعات مختلفة من مواد السبائك، أو كانت خصائص المعالجة اللاصقة لمقاييس الإجهاد غير متسقة، فسوف تختلف أخطاء التباطؤ عن تلك الخاصة بالمستشعر الأصلي.
على سبيل المثال، في تطبيقات التحميل والتفريغ المتكررة (مثل وزن الناقل الديناميكي):
تخرج خلية التحميل الأصلية 1.000 mV عند تحميل 50 كجم، و 0.999 mV عند تفريغ 50 كجم، مما يؤدي إلى خطأ تباطؤ قدره 0.001 mV.
تخرج خلية التحميل البديلة 1.000 mV عند تحميل 50 كجم، و 0.997 mV عند تفريغ 50 كجم، مما يؤدي إلى خطأ تباطؤ قدره 0.003 mV.
على المدى الطويل، سيؤدي هذا إلى انحرافات في إمكانية تكرار بيانات الوزن.
يشير الانجراف الصفري إلى التباين في إشارة الإخراج لخلية التحميل بمرور الوقت في حالة عدم التحميل (الصفر).
يشير معامل درجة حرارة الصفر إلى حجم التباين في النقطة الصفرية مع تغيرات درجة الحرارة.
وفقًا للمعيار الوطني، يجب أن يكون معامل درجة حرارة الصفر ≤ 0.002% FS/°C.
تعتمد استقرار الصفر لخلايا التحميل التناظرية إلى حد كبير على استقرار درجة حرارة مقياس الإجهاد وتصميم التعويض للدائرة. إذا لم تخضع خلية التحميل الجديدة لتعويض درجة الحرارة الكافي أثناء الإنتاج (على سبيل المثال، الانحراف في اختيار قيم مقاومة التعويض)، أو إذا اختلفت حساسية درجة حرارة مقياس الإجهاد عن تلك الخاصة بالمستشعر الأصلي، فإن تغيرات درجة الحرارة المحيطة (مثل اختلافات درجة الحرارة بين النهار والليل أو التأثيرات الحرارية من تشغيل المعدات) ستتسبب في انحرافات كبيرة في الإخراج عند النقطة الصفرية.
على سبيل المثال:
تخرج خلية التحميل الأصلية 0.000 mV عند 20°C تحت عدم التحميل، و 0.001 mV عند 30°C.
تخرج خلية التحميل البديلة 0.000 mV عند 20°C، و 0.003 mV عند 30°C.
تغير درجة الحرارة بمقدار 10°C فقط يؤدي إلى انحراف إشارة قدره 0.002 mV، والذي، عند تحويله إلى بيانات وزن، قد يتسبب في عرض المقياس لقيمة موجبة أو سالبة عند عدم التحميل، مما يؤثر بشكل خطير على نتائج الوزن الفعلية.
حتى إذا كان النطاق المقنن لخلية التحميل البديلة مطابقًا لنطاق الخلية الأصلية، فإنه أثناء الاستبدال والصيانة الفعلية، سيتم تضخيم الاختلافات الدقيقة في معلمات المعيار المذكورة أعلاه من خلال السلسلة بأكملها من
اقتناء الإشارة → الإرسال → المعالجة،
وتظهر في النهاية على شكل انحرافات كبيرة في بيانات الوزن.
بناءً على سيناريوهات التشغيل والصيانة الفعلية، يمكن تصنيف الأسباب المحددة إلى الفئات الثلاث التالية:
**(I) اختلافات عملية الإنتاج: "الاختلافات المخفية في الأداء" في المستشعرات من نفس النطاق**
تحدد المعايير الوطنية النطاقات المسموح بها لمعلمات الأداء ولكنها لا تتطلب أن تكون معلمات المستشعرات بنفس النطاق متطابقة. طالما أنها تقع ضمن الحدود، لا يزال بإمكان المستشعرات من الشركات المصنعة أو الدفعات المختلفة أن يكون لديها اختلافات طفيفة، والتي تصبح مكشوفة بشكل مباشر بعد الاستبدال.
على سبيل المثال، يستخدم المصنع مستشعرًا تناظريًا بوزن 100 كجم (الفئة C). المستشعر الأصلي من الشركة المصنعة A لديه حساسية تبلغ 2.005 mV/V، وخطأ لاخطية يبلغ 0.012% FS، ومعامل درجة حرارة صفرية يبلغ 0.0015% FS/°C. المستشعر المستبدل حديثًا من الشركة المصنعة B لديه حساسية تبلغ 1.995 mV/V، وخطأ لاخطية يبلغ 0.018% FS، ومعامل درجة حرارة صفرية يبلغ 0.0018% FS/°C. من منظور المعايير، كلاهما يفي بمتطلبات الفئة C. ومع ذلك، في التطبيق العملي:
* عند تطبيق حمل 50 كجم، تكون إشارة إخراج المستشعر الأصلي (50 كجم / 100 كجم) × 2.005 mV/V × جهد الإثارة (عادةً 10 فولت) = 1.0025 mV. إخراج المستشعر الجديد هو (50 كجم / 100 كجم) × 1.995 mV/V × 10V = 0.9975 mV. يسبب اختلاف الحساسية وحده انحرافًا في الإشارة قدره 0.005 mV، وهو ما يتوافق مع انحراف بيانات وزن قدره 0.005mV ÷ (2.0 mV/V × 10V / 100kg) = 0.025 kg.
* إذا زادت درجة الحرارة المحيطة من 20°C إلى 30°C، فإن الانجراف الصفري للمستشعر الأصلي هو 0.0015% FS/°C × 10°C × 100kg = 0.15 kg، بينما بالنسبة للمستشعر الجديد فهو 0.0018% FS/°C × 10°C × 100kg = 0.18 kg. تضيف التغيرات في درجة الحرارة 0.03 كجم أخرى من الانحراف. يصل إجمالي الانحراف المجمع إلى 0.055 كجم. إذا تم استخدامه لتغليف المواد الغذائية (على سبيل المثال، يتطلب دقة ±0.05 كجم)، فسوف يتسبب هذا بشكل مباشر في أن تكون المنتجات زائدة الوزن أو ناقصة الوزن.
علاوة على ذلك، قد لا تقوم بعض الشركات المصنعة الأصغر حجمًا، لتقليل التكاليف، بمعايرة المعلمات بدقة وفقًا للمعايير الوطنية. على سبيل المثال، قد يصل الانحراف الفعلي في الحساسية إلى 0.05 mV/V (يتجاوز متطلبات المعيار البالغة ±0.02 mV/V)، ومع ذلك يتم تصنيف المستشعر على أنه "نطاق 100 كجم". ستكون اختلافات البيانات بعد الاستبدال بمثل هذه المستشعرات أكثر وضوحًا.
**(II) عمليات التركيب والمعايرة: عدم تلبية "متطلبات تكييف الإشارة" للنظام الأصلي**
لا تعتمد دقة البيانات من المستشعرات التناظرية فقط على أدائها الخاص، ولكنها مرتبطة أيضًا ارتباطًا وثيقًا بطريقة التثبيت ومعايرة النظام. حتى إذا كانت معلمات المستشعر البديل تتوافق مع المعايير الوطنية، فإن عدم التشغيل وفقًا لمتطلبات التكيف الخاصة بالنظام الأصلي أثناء الاستبدال يمكن أن يؤدي إلى انحرافات في البيانات.
1. **موضع التثبيت وانحراف حالة التحميل**
تتعلق إشارة الإخراج لمستشعر تناظري مباشرة باتجاه القوة وتسوية التثبيت. تتطلب المعايير الوطنية أنه أثناء تركيب المستشعر، يجب أن يعمل الحمل رأسيًا على مركز العنصر المرن، ويجب أن يكون خطأ تسوية سطح التركيب ≤ 0.1 مم/متر. إذا تم تثبيت المستشعر البديل بإزاحة موضعية (على سبيل المثال، إزاحة 5 مم من الموضع المركزي الأصلي) أو إذا لم يكن سطح التركيب مستويًا (على سبيل المثال، وجود ميل 0.2 مم/متر)، فلن تتماشى القوة الفعلية على المستشعر مع "اتجاه الحمل المقنن" لنطاقه الاسمي. على سبيل المثال، قد يواجه مستشعر بوزن 100 كجم حملًا رأسيًا يبلغ 98 كجم ولكنه يتحمل أيضًا قوة جانبية إضافية تبلغ 2 كجم، مما يتسبب في أن تكون إشارة الإخراج أقل من المعتاد، مما يظهر على شكل "انحراف في بيانات الوزن".
بالإضافة إلى ذلك، في السيناريوهات التي تتضمن تجميعات متعددة للمستشعرات (على سبيل المثال، في المركبات، القواديس)، تتطلب المعايير الوطنية أن يكون انحراف توحيد توزيع الحمل بين المستشعرات ≤ 1% FS. إذا لم يتم تعديل ارتفاع مستشعر واحد عند استبداله (على سبيل المثال، إنشاء فرق في الارتفاع يتجاوز 0.5 مم مقارنة بالمستشعرات الأخرى)، فقد يتركز الحمل على المستشعرات الأخرى، مما يترك المستشعر الجديد محملًا بشكل أقل. ينتج عن هذا انخفاض إجمالي بيانات الوزن عما هو متوقع.
**2. عدم إعادة إجراء معايرة النظام**
يجب أن تخضع الإشارة من مستشعر تناظري لـ "التضخيم - الترشيح - التحويل التناظري إلى رقمي" بواسطة أداة قبل أن يمكن تحويلها إلى بيانات وزن. تتطلب المعايير الوطنية أنه يجب أن يخضع نظام الوزن التناظري لإعادة "معايرة النظام" بعد استبدال المستشعر. يتضمن هذا تحميل أوزان قياسية وضبط عامل التضخيم وقيمة تعويض النقطة الصفرية للأداة لمطابقة إشارة إخراج المستشعر بالوزن القياسي.
إذا لم يتم إجراء المعايرة بعد الاستبدال، وتستمر الأداة في استخدام معلمات المستشعر الأصلي (على سبيل المثال، حساسية المستشعر الأصلي البالغة 2.005 mV/V مقابل 1.995 mV/V للمستشعر الجديد)، فسوف ينحرف الوزن الذي تحسبه الأداة. على سبيل المثال، عند تحميل وزن قياسي يبلغ 50 كجم، يخرج المستشعر الجديد 0.9975mV (كما في الحالة السابقة)، ولكن إذا استمرت الأداة في الحساب بناءً على حساسية 2.005 mV/V، فإن الوزن الناتج هو 0.9975mV ÷ (2.005mV/V × 10V / 100kg) ≈ 49.75kg، والذي يختلف عن 50 كجم الفعلية بمقدار 0.25 كجم - وهو انحراف يتجاوز بكثير النطاق المسموح به القياسي.
يعتقد بعض المستخدمين خطأً أن "المستشعرات بنفس النطاق يمكن استبدالها مباشرة" ويتجاهلون خطوة معايرة النظام، وهو سبب شائع للاختلافات في البيانات.
**(III) الشيخوخة والتآكل: "اختلافات تدهور الأداء" بين المستشعرات القديمة والجديدة**
بعد الاستخدام طويل الأمد، تشهد المستشعرات التناظرية تحولات في معلمات الأداء من حالتها الأولية بسبب الشيخوخة والتآكل. المستشعرات الجديدة في "حالة الأداء الأولية". حتى إذا كان النطاق هو نفسه، يمكن أن تؤدي اختلافات المعلمات بين المستشعرات القديمة والجديدة إلى انحرافات في البيانات - وهي ظاهرة تتضح بشكل خاص عند استبدال المستشعرات التي كانت قيد الاستخدام لأكثر من 5 سنوات.
وفقًا للمعايير الوطنية، يبلغ متوسط العمر الافتراضي للمستشعر التناظري 10 سنوات. ومع ذلك، يتسارع تدهور الأداء في البيئات القاسية (على سبيل المثال، درجة الحرارة المرتفعة والرطوبة والغبار):
* قد يخضع العنصر المرن لـ "التشوه البلاستيكي" تحت الحمل طويل الأمد، مما يؤدي إلى انخفاض الحساسية (على سبيل المثال، من 2.0 mV/V إلى 1.98 mV/V).
* يمكن أن يؤدي تقادم طبقة ربط مقياس الإجهاد إلى زيادة خطأ التباطؤ (على سبيل المثال، من 0.01% FS إلى 0.03% FS).
* يمكن أن يؤدي أكسدة مقاومات التعويض في الدائرة إلى تفاقم الانجراف الصفري (على سبيل المثال، من 0.001 mV/h إلى 0.005 mV/h).
عند تثبيت مستشعر جديد، تتوافق معالمه مع "المتطلبات الأولية" للمعايير الوطنية (على سبيل المثال، الحساسية 2.005 mV/V، خطأ التباطؤ 0.012% FS). ومع ذلك، قد تكون أداة النظام قد تكيفت مع "المعلمات المتدهورة" للمستشعر القديم (على سبيل المثال، الحساب بناءً على حساسية فعالة تبلغ 1.98 mV/V). إذا لم تتم إعادة المعايرة، فسيتم "تضخيم" إشارة إخراج المستشعر الجديد بشكل مفرط بواسطة الأداة، مما يظهر على شكل "بيانات وزن أثقل". على سبيل المثال، تحت حمل 50 كجم، يخرج المستشعر الجديد 1.0025mV. إذا كانت الأداة تحسب باستخدام حساسية المستشعر القديم البالغة 1.98 mV/V، فإن الوزن الناتج هو 1.0025mV ÷ (1.98mV/V × 10V / 100kg) ≈ 50.63kg، ويختلف عن 50 كجم الفعلية بمقدار 0.63 كجم.
**III. الحلول: تقليل التناقضات في البيانات من خلال الامتثال للمعايير والتحسين التشغيلي**
لمنع التناقضات في البيانات بعد استبدال المستشعرات التناظرية بنفس النطاق أثناء الصيانة، من الضروري إدارة العملية بأكملها من "الاختيار - التثبيت - المعايرة"، والالتزام الصارم بمتطلبات المعايير الوطنية مع تحسين العمليات بناءً على سيناريو التطبيق الفعلي:
**(I) الاختيار: إعطاء الأولوية للمنتجات المتوافقة ذات المعلمات المتطابقة**
* أثناء الاستبدال، يجب إعطاء الأولوية للمنتجات من "نفس الشركة المصنعة ونفس الطراز" مثل المستشعر الأصلي لضمان اتساق المعلمات مثل الحساسية وخطأ اللاخطية ومعاملات درجة الحرارة (الانحراف ≤ 0.01mV/V أو 0.005% FS).
* إذا كان نفس الطراز غير متوفر، فمن الضروري طلب تقارير اختبار المعلمات من الشركة المصنعة المتوافقة مع "GB/T 7551-2019"، مع التركيز على التحقق من المؤشرات الرئيسية مثل الحساسية وخطأ اللاخطية ومعامل درجة الحرارة الصفرية، مما يضمن تقليل الانحرافات (على سبيل المثال، انحراف الحساسية ≤ 0.005mV/V).
**(II) التثبيت: الالتزام الصارم بمتطلبات المعايير لضمان توزيع الحمل الموحد**
* قبل التثبيت، تحقق من تسوية سطح التركيب (استخدم مستوى لضمان الخطأ ≤ 0.1 مم/متر). أثناء التثبيت، تأكد من أن القوة تعمل رأسيًا على المستشعر، وتجنب القوى الجانبية.
* بالنسبة لتجميعات المستشعرات المتعددة، استخدم مقاييس الارتفاع لضبط فرق الارتفاع بين المستشعرات إلى ≤ 0.2 مم، مما يضمن توزيع الحمل بالتساوي.
**(III) المعايرة: معايرة النظام إلزامية بعد الاستبدال**
* وفقًا للمعايير الوطنية "GB/T 14249.1-2008 أدوات الوزن - المتطلبات الفنية العامة"، بعد استبدال مستشعر تناظري، يجب إجراء "معايرة متعددة النقاط" باستخدام أوزان قياسية (فئة الدقة ليست أقل من M1)، بما في ذلك ما لا يقل عن خمس نقاط: صفر، 25% FS، 50% FS، 75% FS، و 100% FS.
* اضبط عامل التضخيم وتعويض النقطة الصفرية عبر الأداة بحيث يكون خطأ بيانات الوزن في كل نقطة معايرة ضمن النطاق المسموح به للمعايير الوطنية (على سبيل المثال، بالنسبة لأدوات الفئة III، الخطأ المسموح به هو ≤ 0.1%).
**IV. ملخص**
ينبع حدوث التناقضات في بيانات الوزن بعد استبدال المستشعرات التناظرية بنفس النطاق بشكل أساسي من التعارض بين "انحرافات المعلمات المسموح بها بموجب المعايير الوطنية" و "متطلبات الدقة لسيناريوهات التطبيقات العملية"، إلى جانب الإشراف التشغيلي في التثبيت والمعايرة.
على الرغم من أن "GB/T 7551-2019" يوفر إطار عمل متوافق لإنتاج المستشعرات، إلا أنه لا يقضي على الاختلافات الدقيقة في الأداء بين المنتجات من نفس النطاق. يتم تضخيم هذه الاختلافات في الممارسة من خلال سلسلة معالجة الإشارات، مما يؤثر في النهاية على دقة الوزن.
