Analyse der Gründe für die signifikanten Unterschiede in den Wägedaten nach dem Austausch und der Reparatur von analogen Sensoren mit demselben Messbereich

Analyse der Gründe für die signifikanten Unterschiede in den Wägedaten nach dem Austausch und der Reparatur analoger Sensoren mit gleichem Messbereich

Im täglichen Betrieb und der Wartung industrieller Wägesysteme tritt dieses Problem häufig auf: Nach dem Austausch oder der Reparatur einer analogen Wägezelle weicht das Wägeergebnis, selbst wenn der Nennbereich derselbe wie beim ursprünglichen Sensor ist, immer noch erheblich ab. In einigen Fällen übersteigt der Fehler sogar den zulässigen Normalbereich, was die Messgenauigkeit der Produktion ernsthaft beeinträchtigt.

Dieses Phänomen scheint einfach, hängt aber tatsächlich eng mit subtilen Unterschieden im Herstellungsprozess, der Steuerung der Leistungsparameter und den Anforderungen der nationalen Normen für analoge Wägezellen zusammen. Dieser Artikel beginnt in Kombination mit der chinesischen nationalen Norm GB/T 7551-2019 Wägezellen, mit den Herstellungsanforderungen der Kernleistungsparameter von Wägezellen und analysiert die tieferen Gründe für Datenabweichungen, selbst wenn die Bereiche identisch sind.

1. Herstellungsanforderungen für Kernleistungsparameter analoger Wägezellen in nationalen Normen

Die Norm GB/T 7551-2019 Wägezellen, als Kernnorm für die Herstellung und Prüfung analoger Wägezellen in China, legt die Anforderungen an die Fertigungsgenauigkeit für mehrere wichtige Leistungsparameter von Wägezellen mit gleichem Bereich eindeutig fest. Diese Parameter bestimmen direkt die Wägegenauigkeit der Wägezelle und sind auch die Hauptquelle für spätere Datenunterschiede.

Unter diesen Parametern sind die Parameter, die am engsten mit Datenabweichungen zusammenhängen, hauptsächlich die folgenden vier Kategorien:

(1) Empfindlichkeit und Empfindlichkeitstemperaturkoeffizient

Die Empfindlichkeit ist einer der Kernindikatoren für analoge Wägezellen. Sie bezieht sich auf die Änderung des Ausgangssignals des Sensors unter der Nennlast (d. h. der oberen Grenze des Vollausschlags).

Gemäß der Norm beträgt die typische Empfindlichkeit analoger Wägezellen im Allgemeinen
2,0 mV/V ± 0,02 mV/V (oder andere feste Nennwerte mit zulässigen kleinen Abweichungen).

Gleichzeitig legt die Norm auch die Grenze des Empfindlichkeitstemperaturkoeffizienten fest:
Innerhalb des Betriebstemperaturbereichs von −10°C bis +40°C, muss die Änderung der Empfindlichkeit mit der Temperatur ≤ 0,002 % FS/°C (FS = Vollausschlag) betragen.

Dies bedeutet, dass selbst wenn zwei Wägezellen den gleichen Nennbereich haben, kleine Unterschiede in den Empfindlichkeitswerten (z. B. ist einer 2,01 mV/V und der andere 1,99 mV/V) oder die Nichteinhaltung des Empfindlichkeitstemperaturkoeffizienten zu unterschiedlichen analogen Ausgangssignalen (Spannung/Strom) unter der gleichen Last führen, was letztendlich in Abweichungen in den Wägedaten umgewandelt wird.

(2) Nichtlinearitätsfehler

Der Nichtlinearitätsfehler bezieht sich auf die maximale Abweichung zwischen der tatsächlichen Beziehung des Ausgangssignals des Sensors und der Last und der idealen linearen Beziehung.

Die nationale Norm fordert:

• Für analoge Wägezellen sollte der Nichtlinearitätsfehler ≤ 0,02 % FS (Klasse C) oder

• ≤ 0,01 % FS (Klasse B).

Bei Wägezellen mit gleichem Bereich können Unterschiede in der Nichtlinearität aufgrund von Variationen in den Herstellungsprozessen auftreten, wie z. B.:

• Bearbeitungsgenauigkeit des elastischen Elements

• Ebenheit und Gleichmäßigkeit der Dicke des Dehnungsmessstreifenbereichs

• Abweichungen in der Position der Dehnungsmessstreifenbindung

Zum Beispiel:
Die ursprüngliche Wägezelle hat einen Nichtlinearitätsfehler von 0,01 % FS, während die ersetzte einen von 0,018 % FS betragen.
Bei einer Last nahe der vollen Kapazität (z. B. eine 100-kg-Wägezelle mit 90 kg belastet) kann die Ausgangssignaldifferenz erreichen:
[(0,018 % − 0,01 %) × 100 kg = 0,008 kg]

Wenn der Bereich größer ist (z. B. 1000 kg), dehnt sich die Abweichung weiter aus auf:
[(0,018 % − 0,01 %) × 1000 kg = 0,08 kg]

Dies reicht bereits aus, um die Wägegenauigkeit erheblich zu beeinträchtigen.

(3) Hysterese-Fehler

Der Hysterese-Fehler bezieht sich auf die maximale Differenz im Ausgangssignal einer Wägezelle unter der gleichen Last während des Lade- und Entladevorgangs.

Gemäß der nationalen Norm sollte der Hysterese-Fehler betragen:
≤ 0,02 % FS (Klasse C) oder
≤ 0,01 % FS (Klasse B).

Dieser Fehler rührt hauptsächlich von den Materialeigenschaften des elastischen Elements der Wägezelle (wie z. B. mechanische Hystereseeigenschaften) und Inkonsistenzen in den Bindungseigenschaften des Dehnungsmessstreifens her. Wenn die elastische Struktur verschiedene Chargen von Legierungsmaterialien verwendet oder die Aushärtungseigenschaften des Bindeklebstoffs für Dehnungsmessstreifen inkonsistent sind, unterscheiden sich die Hysterese-Fehler von denen des ursprünglichen Sensors.

Zum Beispiel bei häufigen Lade- und Entladeanwendungen (wie z. B. dynamisches Förderbandwiegen):

• Die ursprüngliche Wägezelle gibt 1,000 mV bei 50 kg Belastung und 0,999 mV bei 50 kg Entladung aus, was zu einem Hysterese-Fehler von 0,001 mV betragen.

• Die Ersatzwägezelle gibt 1,000 mV bei 50 kg Belastung und 0,997 mV bei 50 kg Entladung aus, was zu einem Hysterese-Fehler von 0,003 mV betragen.

Im Langzeitbetrieb führt dies zu Wiederholbarkeitsabweichungen in den Wägedaten.

(4) Nullpunktdrift und Nullpunkt-Temperaturkoeffizient

Die Nullpunktdrift bezieht sich auf die Variation des Ausgangssignals der Wägezelle im Laufe der Zeit unter lastfreien (Null-)Bedingungen.
Der Nullpunkt-Temperaturkoeffizient gibt die Größe der Nullpunktvariation mit Temperaturänderungen an.

Gemäß der nationalen Norm sollte der Nullpunkt-Temperaturkoeffizient ≤ 0,002 % FS/°C betragen.

Die Nullpunktstabilität analoger Wägezellen hängt weitgehend von der Temperaturstabilität des Dehnungsmessstreifens und der Kompensationsauslegung der Schaltung ab. Wenn die neue Wägezelle während der Herstellung keine ausreichende Temperaturkompensation erfährt (z. B. Abweichung bei der Auswahl der Kompensationswiderstandswerte) oder wenn sich die Temperaturempfindlichkeit des Dehnungsmessstreifens von der des ursprünglichen Sensors unterscheidet, führen Temperaturänderungen der Umgebung (z. B. Tag-Nacht-Temperaturunterschiede oder thermische Effekte durch den Gerätebetrieb) zu erheblichen Nullpunktausgangsabweichungen.

Zum Beispiel:

• Die ursprüngliche Wägezelle gibt 0,000 mV bei 20°C unter Lastfreiheit und 0,001 mV bei 30°C aus.

• Die Ersatzwägezelle gibt 0,000 mV bei 20°C und 0,003 mV bei 30°C aus.

Eine Temperaturänderung von nur 10°C führt zu einer Signaldrift von 0,002 mV, was, wenn es in Gewichtsdaten umgerechnet wird, dazu führen kann, dass die Waage bei Nullbelastung einen positiven oder negativen Wert anzeigt, was die tatsächlichen Wägeergebnisse ernsthaft beeinträchtigt.

2. Praktische Szenarien und Ursachenanalyse von Datenabweichungen trotz gleichem Nennbereich

Selbst wenn der Nennbereich der Ersatzwägezelle mit dem der ursprünglichen identisch ist, werden die subtilen Unterschiede in den oben genannten Standardparametern während des tatsächlichen Austauschs und der Wartung über die gesamte Kette von
Signalerfassung → Übertragung → Verarbeitung, verstärkt
und erscheinen letztendlich als signifikante Abweichungen in den Wägedaten.

Basierend auf den tatsächlichen Betriebs- und Wartungsszenarien können die spezifischen Ursachen in die folgenden drei Kategorien eingeteilt werden:

**(I) Variationen im Produktionsprozess: „Verborgene Leistungsunterschiede“ bei Sensoren des gleichen Bereichs**

Nationale Normen legen die zulässigen Bereiche für Leistungsparameter fest, verlangen aber nicht, dass Parameter von Sensoren mit gleichem Bereich identisch sind. Solange sie innerhalb der Grenzen liegen, können Sensoren von verschiedenen Herstellern oder Chargen immer noch geringfügige Unterschiede aufweisen, die nach dem Austausch direkt sichtbar werden.

Beispielsweise verwendet eine Fabrik einen 100-kg-Analogsensor (Klasse C). Der ursprüngliche Sensor von Hersteller A hat eine Empfindlichkeit von 2,005 mV/V, einen Nichtlinearitätsfehler von 0,012 % FS und einen Nullpunkt-Temperaturkoeffizienten von 0,0015 % FS/°C. Der neu ersetzte Sensor von Hersteller B hat eine Empfindlichkeit von 1,995 mV/V, einen Nichtlinearitätsfehler von 0,018 % FS und einen Nullpunkt-Temperaturkoeffizienten von 0,0018 % FS/°C. Aus Sicht der Normen erfüllen beide die Anforderungen der Klasse C. In der praktischen Anwendung jedoch:

* Bei einer Last von 50 kg beträgt das Ausgangssignal des ursprünglichen Sensors (50 kg / 100 kg) × 2,005 mV/V × Erregerspannung (typischerweise 10 V) = 1,0025 mV. Der neue Sensorausgang beträgt (50 kg / 100 kg) × 1,995 mV/V × 10 V = 0,9975 mV. Allein die Empfindlichkeitsdifferenz verursacht eine Signalabweichung von 0,005 mV, was einer Gewichtsdatenabweichung von 0,005 mV ÷ (2,0 mV/V × 10 V / 100 kg) = 0,025 kg entspricht.
* Wenn die Umgebungstemperatur von 20°C auf 30°C ansteigt, beträgt die Nullpunktdrift des ursprünglichen Sensors 0,0015 % FS/°C × 10°C × 100 kg = 0,15 kg, während sie für den neuen Sensor 0,0018 % FS/°C × 10°C × 100 kg = 0,18 kg beträgt. Die Temperaturänderung fügt weitere 0,03 kg Abweichung hinzu. Die kombinierte Gesamtabweichung erreicht 0,055 kg. Bei Verwendung für Lebensmittelverpackungen (z. B. mit einer Genauigkeit von ±0,05 kg) würde dies direkt dazu führen, dass Produkte über- oder untergewichtig sind.

Darüber hinaus kalibrieren einige kleinere Hersteller zur Kostensenkung die Parameter möglicherweise nicht streng nach nationalen Normen. Beispielsweise könnte die tatsächliche Empfindlichkeitsabweichung 0,05 mV/V erreichen (was die Standardanforderung von ±0,02 mV/V übersteigt), aber der Sensor wird immer noch als „100 kg Bereich“ bezeichnet. Datenunterschiede nach dem Austausch mit solchen Sensoren wären noch ausgeprägter.

**(II) Installations- und Kalibrierungsprozesse: Nichterfüllung der „Signalanpassungsanforderungen“ des ursprünglichen Systems**

Die Genauigkeit der Daten von analogen Sensoren hängt nicht nur von ihrer eigenen Leistung ab, sondern steht auch in engem Zusammenhang mit der Installationsmethode und der Systemkalibrierung. Selbst wenn die Parameter eines Ersatzsensors den nationalen Normen entsprechen, kann die Nichtbeachtung der Anpassungsanforderungen des ursprünglichen Systems während des Austauschs zu Datenabweichungen führen.

1. **Abweichung der Installationsposition und des Lastzustands**
Das Ausgangssignal eines analogen Sensors steht in direktem Zusammenhang mit der Richtung der Kraft und der Ebenheit der Installation. Nationale Normen schreiben vor, dass die Last während der Sensorinstallation senkrecht auf die Mitte des elastischen Elements wirken muss und der Ebenheitsfehler der Montagefläche ≤ 0,1 mm/m betragen muss. Wenn der Ersatzsensor mit einer Positionsverschiebung installiert wird (z. B. 5 mm Verschiebung von der ursprünglichen Mittelposition) oder wenn die Montagefläche nicht eben ist (z. B. eine Neigung von 0,2 mm/m aufweist), richtet sich die tatsächliche Kraft auf den Sensor nicht nach der „Nennlastrichtung“ seines Nennbereichs. Beispielsweise könnte ein 100-kg-Sensor eine vertikale Last von 98 kg erfahren, aber auch eine zusätzliche Seitenkraft von 2 kg tragen, wodurch das Ausgangssignal niedriger als normal ist, was sich als „Wägedatenabweichung“ manifestiert.
Darüber hinaus schreiben nationale Normen in Szenarien mit mehreren Sensoranordnungen (z. B. in Fahrzeugen, Trichtern) vor, dass die Abweichung der Lastverteilungsgleichmäßigkeit zwischen den Sensoren ≤ 1 % FS betragen muss. Wenn beim Austausch eines Sensors seine Höhe nicht angepasst wird (z. B. eine Höhendifferenz von mehr als 0,5 mm im Vergleich zu anderen Sensoren erzeugt), kann sich die Last auf die anderen Sensoren konzentrieren, wodurch der neue Sensor unterlastet wird. Dies führt dazu, dass die gesamten Wägedaten niedriger als erwartet sind.

**2. Keine erneute Systemkalibrierung**

Das Signal von einem analogen Sensor muss von einem Instrument „verstärkt - gefiltert - analog-digital gewandelt“ werden, bevor es in Wägedaten umgewandelt werden kann. Nationale Normen schreiben vor, dass ein analoges Wägesystem nach dem Austausch eines Sensors eine erneute „Systemkalibrierung“ durchführen muss. Dies beinhaltet das Laden von Standardgewichten und das Anpassen des Verstärkungsfaktors und des Nullpunktkompensationswerts des Instruments, um das Ausgangssignal des Sensors an das Standardgewicht anzupassen.

Wenn nach dem Austausch keine Kalibrierung durchgeführt wird und das Instrument weiterhin die Parameter des ursprünglichen Sensors verwendet (z. B. die Empfindlichkeit des ursprünglichen Sensors von 2,005 mV/V gegenüber der des neuen Sensors von 1,995 mV/V), weicht das vom Instrument berechnete Gewicht ab. Wenn beispielsweise ein 50-kg-Standardgewicht geladen wird, gibt der neue Sensor 0,9975 mV aus (wie im vorherigen Fall), aber wenn das Instrument immer noch auf der Grundlage der Empfindlichkeit von 2,005 mV/V berechnet, beträgt das resultierende Gewicht 0,9975 mV ÷ (2,005 mV/V × 10 V / 100 kg) ≈ 49,75 kg, was sich von den tatsächlichen 50 kg um 0,25 kg unterscheidet – eine Abweichung, die den zulässigen Standardbereich weit übersteigt.

Einige Benutzer glauben fälschlicherweise, dass „Sensoren mit gleichem Bereich direkt ausgetauscht werden können“ und übersehen den Systemkalibrierungsschritt, was eine häufige Ursache für Datenabweichungen ist.

**(III) Alterung und Verschleiß: „Leistungszerfallsunterschiede“ zwischen alten und neuen Sensoren**

Nach längerem Gebrauch erfahren analoge Sensoren aufgrund von Alterung und Verschleiß Verschiebungen der Leistungsparameter von ihrem ursprünglichen Zustand. Neue Sensoren befinden sich in ihrem „Anfangsleistungszustand“. Selbst wenn der Bereich gleich ist, können die Parameterunterschiede zwischen den alten und neuen Sensoren zu Datenabweichungen führen – ein Phänomen, das besonders deutlich wird, wenn Sensoren ausgetauscht werden, die seit über 5 Jahren in Gebrauch sind.

Gemäß den nationalen Normen beträgt die typische Lebensdauer eines analogen Sensors 10 Jahre. Der Leistungszerfall beschleunigt sich jedoch in rauen Umgebungen (z. B. hohe Temperatur, Feuchtigkeit, Staub):
* Das elastische Element kann sich unter Langzeitbelastung „plastisch verformen“, was zu einer verringerten Empfindlichkeit führt (z. B. von 2,0 mV/V auf 1,98 mV/V).
* Die Alterung der Dehnungsmessstreifen-Bindeschicht kann den Hysterese-Fehler erhöhen (z. B. von 0,01 % FS auf 0,03 % FS).
* Die Oxidation von Kompensationswiderständen in der Schaltung kann die Nullpunktdrift verschlimmern (z. B. von 0,001 mV/h auf 0,005 mV/h).

Wenn ein neuer Sensor installiert wird, entsprechen seine Parameter den „Anforderungen“ der nationalen Norm (z. B. Empfindlichkeit 2,005 mV/V, Hysterese-Fehler 0,012 % FS). Das Systeminstrument hat sich jedoch möglicherweise an die „zerfallenen Parameter“ des alten Sensors angepasst (z. B. Berechnung auf der Grundlage einer effektiven Empfindlichkeit von 1,98 mV/V). Wenn keine Neukalibrierung erfolgt, wird das Ausgangssignal des neuen Sensors vom Instrument „überverstärkt“, was sich als „schwerere Wägedaten“ manifestiert. Unter einer Last von 50 kg gibt der neue Sensor beispielsweise 1,0025 mV aus. Wenn das Instrument mit der Empfindlichkeit des alten Sensors von 1,98 mV/V berechnet, beträgt das resultierende Gewicht 1,0025 mV ÷ (1,98 mV/V × 10 V / 100 kg) ≈ 50,63 kg, was sich von den tatsächlichen 50 kg um 0,63 kg unterscheidet.

**III. Lösungen: Reduzierung von Datenabweichungen durch Einhaltung von Standards und Betriebsoptimierung**

Um Datenabweichungen nach dem Austausch analoger Sensoren des gleichen Bereichs während der Wartung zu vermeiden, ist es unerlässlich, den gesamten Prozess von „Auswahl - Installation - Kalibrierung“ zu verwalten, die Anforderungen der nationalen Normen strikt einzuhalten und gleichzeitig den Betrieb basierend auf dem tatsächlichen Anwendungsszenario zu optimieren:

**(I) Auswahl: Produkte mit passenden Parametern bevorzugen**

* Beim Austausch sollten Produkte vom „gleichen Hersteller und gleichen Modell“ wie der ursprüngliche Sensor bevorzugt werden, um sicherzustellen, dass Parameter wie Empfindlichkeit, Nichtlinearitätsfehler und Temperaturkoeffizienten konsistent sind (Abweichung ≤ 0,01 mV/V oder 0,005 % FS).
* Wenn das gleiche Modell nicht verfügbar ist, ist es erforderlich, Parameterprüfberichte vom Hersteller gemäß „GB/T 7551-2019“ anzufordern und sich auf die Überprüfung von Schlüsselindikatoren wie Empfindlichkeit, Nichtlinearitätsfehler und Nullpunkt-Temperaturkoeffizient zu konzentrieren, um sicherzustellen, dass Abweichungen minimiert werden (z. B. Empfindlichkeitsabweichung ≤ 0,005 mV/V).

**(II) Installation: Halten Sie sich strikt an die Standardanforderungen, um eine gleichmäßige Lastverteilung zu gewährleisten**

* Überprüfen Sie vor der Installation die Ebenheit der Montagefläche (verwenden Sie eine Wasserwaage, um sicherzustellen, dass der Fehler ≤ 0,1 mm/m ist). Stellen Sie während der Installation sicher, dass die Kraft senkrecht auf den Sensor wirkt und vermeiden Sie Seitenkräfte.
* Verwenden Sie bei Mehrsensoranordnungen Höhenlehren, um die Höhendifferenz zwischen den Sensoren auf ≤ 0,2 mm einzustellen, um eine gleichmäßige Lastverteilung zu gewährleisten.

**(III) Kalibrierung: Systemkalibrierung ist nach dem Austausch obligatorisch**

* Gemäß der nationalen Norm „GB/T 14249.1-2008 Wägeinstrumente – Allgemeine technische Anforderungen“ muss nach dem Austausch eines analogen Sensors eine „Mehrpunktkalibrierung“ mit Standardgewichten (Genauigkeitsklasse nicht niedriger als M1) durchgeführt werden, einschließlich mindestens fünf Punkten: Null, 25 % FS, 50 % FS, 75 % FS und 100 % FS.
* Passen Sie den Verstärkungsfaktor und die Nullpunktkompensation über das Instrument so an, dass der Wägedatenfehler an jedem Kalibrierungspunkt innerhalb des von der nationalen Norm zulässigen Bereichs liegt (z. B. für Instrumente der Klasse III beträgt der zulässige Fehler ≤ 0,1 %).

**IV. Zusammenfassung**

Das Auftreten von Wägedatenabweichungen nach dem Austausch analoger Sensoren des gleichen Bereichs beruht im Wesentlichen auf dem Konflikt zwischen den „von nationalen Normen zugelassenen Parameterabweichungen“ und den „Präzisionsanforderungen praktischer Anwendungsszenarien“ in Verbindung mit betrieblichen Versäumnissen bei der Installation und Kalibrierung.

Obwohl „GB/T 7551-2019“ einen konformen Rahmen für die Sensorherstellung bietet, beseitigt es nicht die subtilen Leistungsvariationen zwischen Produkten des gleichen Bereichs. Diese Variationen werden in der Praxis über die Signalverarbeitungskette verstärkt, was sich letztendlich auf die Wägegenauigkeit auswirkt.