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 erheblichen Unterschiede bei den Gewichtsdaten nach dem Austausch und der Reparatur analoger Sensoren mit demselben Messbereich

Im täglichen Betrieb und in der Wartung von industriellen Waagsystemen tritt häufig ein Problem dieser Art auf: Nach dem Austausch oder der Reparatur einer analogen Lastzelle wird dieauch wenn sein Nennbereich mit dem des Originalsensors identisch istIn einigen Fällen übersteigt der Fehler sogar den normal zulässigen Bereich, was die Messgenauigkeit der Produktion erheblich beeinträchtigt.

Dieses Phänomen erscheint einfach, aber in Wirklichkeit hängt es eng mit subtilen Unterschieden im Herstellungsprozess zusammen.Leistungsparameterkontrolle und nationale Normvorschriften für analoge LastzellenDieser Artikel wird in Kombination mit dem chinesischen nationalen StandardGB/T 7551-2019 Belastungszellen, beginnt mit den Fertigungsanforderungen an die Kernleistungsparameter von Lastzellen und analysiert die tieferen Gründe für die Abweichung der Daten, auch wenn die Bereiche identisch sind.

1. Herstellungsvoraussetzungen für Kernleistungsparameter analoger Lastzellen in nationalen Normen

Der StandardGB/T 7551-2019 Belastungszellen, als Kernstandard für die Herstellung und Prüfung analoger Lastzellen in China,die Anforderungen an die Genauigkeit der Herstellung für mehrere Leistungskennparameter von Lastzellen mit demselben Bereich eindeutig festlegt;Diese Parameter bestimmen unmittelbar die Gewichtungsgenauigkeit der Lastzelle und sind auch die Schlüsselquelle für nachfolgende Datenunterschiede.

Zu den Parametern, die am engsten mit der Abweichung der Daten zusammenhängen, gehören hauptsächlich die folgenden vier Kategorien:

(1) Empfindlichkeit und Temperaturkoeffizient der Empfindlichkeit

Die Empfindlichkeit ist einer der wichtigsten Indikatoren analoger Lastzellen und bezieht sich auf die Änderung des Ausgangssignals des Sensors unter der Nennlast (d. h. der oberen Grenze der vollen Skala).

Nach der Norm beträgt die typische Empfindlichkeit analoger Lastzellen im allgemeinen
2.0 mV/V ± 0,02 mV/V(oder andere feste Nennwerte mit zulässigen geringen Abweichungen).

Gleichzeitig wird in der Norm auch die Grenze des Temperaturkoeffizienten der Empfindlichkeit festgelegt:
Im Betriebstemperaturbereich von-10°C bis +40°C, muss die Empfindlichkeitsänderung bei Temperatur ≤00,002% FS/°C(FS = volle Skala).

Dies bedeutet, daß selbst wenn zwei Lastzellen denselben Nennbereich haben, kleine Unterschiede in den Empfindlichkeitswerten (z. B. eine20,01 mV/Vund der andere ist10,99 mV/V) oder die Nichteinhaltung des Empfindlichkeitstemperaturkoeffizienten führt zu unterschiedlichen analogen Ausgangssignalen (Spannung/Strom) unter derselben Last,die schließlich in Abweichungen bei den Gewichtsdaten umgerechnet werden.

(2) Nichtlinearitätsfehler

Nichtlinearitätsfehler bezieht sich auf die maximale Abweichung zwischen dem tatsächlichen Verhältnis des Sensorsignalausgangs und der Last und der idealen linearen Beziehung.

Die nationale Norm verlangt:

• Bei analogen Lastzellen sollte der Nichtlinearitätsfehler ≤ sein0.02% FS(Klasse C) oder

• ≤0.01% FS(Klasse B).

Bei Lastzellen mit demselben Bereich können aufgrund von Unterschieden in den Herstellungsprozessen Unterschiede in der Nichtlinearität auftreten, wie z. B.:

• Bearbeitungsgenauigkeit des elastischen Elements

• Einheitlichkeit der Fläche und der Dicke des Dehnungsmessbereichs

• Abweichungen in der Bindungsposition des Dehnungsmessers

Zum Beispiel:
Die ursprüngliche Lastzelle hat einen Nichtlinearität Fehler von0.01% FS, während die ersetzte0.018% FS.
Bei einer Belastung nahe der vollen Leistung (z. B. eine 100 kg schwere Lastzelle mit 90 kg Schwere) kann der Ausgangssignalunterschied folgende Werte erreichen:
[(0,018% − 0,01%) × 100 kg = 0,008 kg]

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

Dies reicht bereits aus, um die Gewichtungsgenauigkeit erheblich zu beeinflussen.

(3) Hysteresefehler

Der Hysteresefehler bezieht sich auf die maximale Differenz des Ausgangssignals einer Lastzelle unter derselben Last während des Lade- und Entladevorgangs.

Gemäß der nationalen Norm sollte der Hysteresefehler folgendermaßen liegen:
≤0.02% FS(Klasse C) oder
≤0.01% FS(Klasse 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 gauge. wenn die elastische Struktur verschiedene Chargen aus Legierungsmaterialien verwendet oder die Härteeigenschaften des Klebes für Dehnungsmessgeräte inkonsistent sind,Hysteresefehler unterscheiden sich von denen des ursprünglichen Sensors.

Zum Beispiel bei häufigen Lade­Entlade­Anwendungen (z. B. dynamisches Gewichtungskonveyor):

• Die ursprünglichen Ausgänge der Lastzelle1.000 mVbei 50 kg Belastung und00,999 mVbei 50 kg Entladen, was zu einem Hysteresefehler von00,001 mV.

• Die Ausgänge der Ersatzlastzelle1.000 mVbei 50 kg Belastung und00,997 mVbei 50 kg Entladen, was zu einem Hysteresefehler von00,003 mV.

Dies führt im langfristigen Betrieb zu Wiederholbarkeits-Abweichungen der Gewichtungsdaten.

(4) Null-Drift- und Null-Temperaturkoeffizient

Nullverschiebung bezieht sich auf die Veränderung des Ausgangssignals der Lastzelle im Laufe der Zeit unter dem Zustand ohne Last (Null).
Der Nulltemperaturkoeffizient gibt die Größe der Nullpunktvariation bei Temperaturänderungen an.

Nach der nationalen Norm sollte der Nulltemperaturkoeffizient ≤ sein00,002% FS/°C.

Die Nullstabilität analoger Lastzellen hängt weitgehend von der Temperaturstabilität des Dehnungsmessers und der Kompensationskonstruktion der Schaltung ab.Wenn die neue Lastzelle während der Produktion nicht ausreichend Temperaturkompensation erhält (e.z.B. Abweichung bei der Auswahl der Kompensationswiderstandswerte) oder wenn sich die Temperaturempfindlichkeit des Dehnungsmessgeräts von der des Originalsensors unterscheidet,Änderungen der Umgebungstemperatur (z. B. Temperaturunterschiede bei Tag/Nacht oder thermische Auswirkungen des Betriebs von Geräten) führen zu erheblichen Abweichungen des Nullpunktes der Leistung.

Zum Beispiel:

• Die ursprünglichen Ausgänge der Lastzelle0.000 mVbei 20 °C ohne Belastung und00,001 mVbei 30°C.

• Die Ausgänge der Ersatzlastzelle0.000 mVbei 20°C und00,003 mVbei 30°C.

Eine Temperaturänderung von nur 10°C führt zu einer Signalverschiebung von00,002 mV, die, wenn sie in Gewichtsdaten umgewandelt werden, dazu führen können, dass die Waage bei Nulllast einen positiven oder negativen Wert anzeigt, was die tatsächlichen Wägungsergebnisse ernsthaft beeinträchtigt.

2. Praktische Szenarien und Ursachenanalyse von Datenunterschieden trotz gleicher Rate

Selbst wenn die Nennbreite der Ersatzlastzelle mit der der Originalzelle identisch ist, während des tatsächlichen Austauschs und der Wartung,die subtilen Unterschiede in den obigen Standardparametern werden durch die gesamte Kette der
Signalgewinnung → Übertragung → Verarbeitung,
und schließlich als signifikante Abweichungen bei den Gewichtsdaten erscheinen.

Auf der Grundlage der tatsächlichen Betriebs- und Wartungsszenarien können die spezifischen Ursachen in folgende drei Kategorien eingeteilt werden:

**(I) Produktionsprozessvariationen: "versteckte Leistungsunterschiede" bei Sensoren derselben Reichweite**

Die nationalen Normen legen die zulässigen Leistungsbereiche fest, verlangen jedoch nicht, daß die Parameter von Sensoren mit demselben Bereich identisch sind.Sensoren verschiedener Hersteller oder Chargen können immer noch kleine Unterschiede aufweisen, die nach dem Austausch direkt ausgesetzt werden.

Zum Beispiel verwendet eine Fabrik einen 100 kg schweren analogen Sensor (Klasse C). Der Originalsensor des Herstellers A hat eine Empfindlichkeit von 2,005 mV/V, einen nichtlinearen Fehler von 0,012% FS,und ein Nulltemperaturkoeffizient von 0Der neu ersetzte Sensor des Herstellers B hat eine Empfindlichkeit von 1,995 mV/V, einen Nichtlinearitätsfehler von 0,018% FS und einen Nulltemperaturkoeffizienten von 0,0018% FS/°C.Aus Standardsperspektive, erfüllen beide die Anforderungen der Klasse C. In der Praxis jedoch:

* Wenn eine Last von 50 kg aufgetragen wird, beträgt das ursprüngliche Sensorausgangssignal (50kg/100kg) × 2,005 mV/V × Erregungsspannung (typischerweise 10V) = 1,0025 mV. Das neue Sensorausgangsignal beträgt (50kg/100kg) × 1.995 mV/V × 10V = 0.9975 mV. Allein der Unterschied in der Empfindlichkeit verursacht eine Signalabweichung von 0,005 mV, was einer Abweichung der Gewichtsdaten von 0,005 mV ÷ (2,0 mV/V × 10V/100 kg) = 0,025 kg entspricht.
* Wenn die Umgebungstemperatur von 20°C auf 30°C steigt, beträgt der Nullverschiebungsgrad des ursprünglichen Sensors 0,0015% FS/°C × 10°C × 100kg = 0,15 kg, während er für den neuen Sensor 0 beträgt.0018% FS/°C × 10°C × 100 kg = 0.18 kg. Die Temperaturänderung führt zu einer weiteren Abweichung von 0,03 kg. Die kombinierte Gesamtabweichung beträgt 0,055 kg. Bei Verwendung für Lebensmittelverpackungen (z. B. mit einer Genauigkeit von ±0,05 kg)Dies würde unmittelbar dazu führen, dass die Erzeugnisse übergewichtig oder untergewichtig sind..

Darüber hinaus können einige kleinere Hersteller, um Kosten zu senken, die Parameter möglicherweise nicht streng nach nationalen Normen kalibrieren.05 mV/V (mehr als die Standardanforderung von ±0Die Datendifferenzen nach dem Ersetzen durch solche Sensoren wären noch ausgeprägter.

**(II) Installations- und Kalibrierprozesse: Nicht Erfüllung der "Anpassungsanforderungen an das Signal" des Originalsystems**

Die Genauigkeit der Daten von analogen Sensoren hängt nicht nur von ihrer Leistung ab, sondern hängt auch eng mit der Installationsmethode und der Systemkalibrierung zusammen.Selbst wenn die Parameter eines Ersatzzensors den nationalen Normen entsprechen, kann ein Fehlen des Betriebs gemäß den Anpassungsanforderungen des ursprünglichen Systems während des Austauschs zu Abweichungen bei den Daten führen.

1. **Stand der Anlage und Abweichung vom Lastzustand**
Das Ausgangssignal eines analogen Sensors hängt unmittelbar mit der Kraftrichtung und der Flachheit der Montage zusammen.Die Last muss vertikal auf die Mitte des elastischen Elements wirken., und der Flachheitsfehler der Montagefläche sollte ≤ 0,1 mm/m betragen.5 mm von der ursprünglichen Mittelposition entfernt) oder wenn die Montageoberfläche nicht ausgeglichen ist (e.z.B. mit einer Neigung von 0,2 mm/m) wird die tatsächliche Kraft auf dem Sensor nicht mit der "Nennlastrichtung" seines Nennbereichs übereinstimmen.Ein 100 kg schwerer Sensor kann 98 kg vertikale Belastung erleiden, aber auch zusätzliche 2 kg seitliche Kraft tragen, wodurch das Ausgangssignal niedriger als normal ist und sich als "Wagen-Daten-Abweichung" manifestiert.
Zusätzlich sind in Szenarien, in denen mehrere Sensorenbaugruppen (z. B. in Fahrzeugen, Hoppern) verwendet werden, nach den nationalen Normen die Abweichung der Lastverteilung zwischen den Sensoren ≤ 1% FS.beim Austausch eines SensorsWenn die Höhe des Sensors nicht eingestellt wird (z. B. ein Höhenunterschied von mehr als 0,5 mm im Vergleich zu anderen Sensoren entsteht), kann sich die Last auf die anderen Sensoren konzentrieren und der neue Sensor unterbelastet bleiben.Dies führt dazu, dass die Gesamtgewichtungsdaten niedriger sind als erwartet..

**2. Nicht Wiederaufnahme der Systemkalibrierung**

Das Signal eines analogen Sensors muss durch ein Gerät "Verstärkung - Filterung - analoge-digitale Umwandlung" durchlaufen, bevor es in Wägungsdaten umgewandelt werden kann.Die nationalen Normen schreiben vor, daß ein analogues Wiegesystem nach dem Ersetzen eines Sensors einer "Systemkalibrierung" unterzogen werden muß.Dabei werden Standardgewichte geladen und der Verstärkungsfaktor des Geräts und der Nullpunktkompensationswert so eingestellt, daß das Ausgangssignal des Sensors mit dem Standardgewicht übereinstimmt.

Wenn die Kalibrierung nach dem Austausch nicht durchgeführt wird und das Gerät weiterhin die Parameter des ursprünglichen Sensors verwendet (z. B. die Empfindlichkeit des ursprünglichen Sensors von 2.005 mV/V gegenüber dem neuen SensorWenn der neue Sensor mit einem Standardgewicht von 50 kg belastet wird, erzeugt er 0,9975 mV (wie im vorherigen Fall).Aber wenn das Instrument immer noch auf der Grundlage der 2 berechnetBei einer Empfindlichkeit von 0,005 mV/V beträgt das gewonnene Gewicht 0,9975 mV ÷ (2,005 mV/V × 10 V / 100 kg) ≈ 49,75 kg, was sich von den tatsächlichen 50 kg um eine Abweichung von 0,25 kg ≈ 1 weit über dem zulässigen Standardbereich unterscheidet.

Einige Benutzer glauben fälschlicherweise, dass "Sensoren mit demselben Bereich direkt ersetzt werden können" und übersehen den Systemkalibrierungsschritt, der eine häufige Ursache für Datenunterschiede ist.

**(III) Alterung und Verschleiß: "Leistungsverschiedenheiten zwischen alten und neuen Sensoren**

Nach langfristiger Nutzung erleben analoge Sensoren aufgrund von Alterung und Verschleiß Leistungsparameterverschiebungen von ihrem Ausgangszustand." Selbst wenn die Reichweite gleich ist, können die Parameterunterschiede zwischen den alten und den neuen Sensoren zu Abweichungen der Daten führen - ein Phänomen, das besonders bei dem Austausch von Sensoren, die seit mehr als 5 Jahren in Betrieb sind, sichtbar ist.

Nach nationalen Standards beträgt die typische Lebensdauer eines analogen Sensors 10 Jahre.
* Das elastische Element kann unter langfristiger Belastung einer "plastikalischen Verformung" unterliegen, was zu einer verringerten Empfindlichkeit führt (z. B. von 2,0 mV/V auf 1,98 mV/V).
* Die Alterung der Dehnungsmess-Bindungsschicht kann den Hysteresefehler erhöhen (z. B. von 0,01% FS auf 0,03% FS).
* Die Oxidation von Kompensationswiderständen im Stromkreis kann die Nullverschiebung verschärfen (z. B. von 0,001 mV/h auf 0,005 mV/h).

Wenn ein neuer Sensor installiert wird, entsprechen seine Parameter den "anfänglichen Anforderungen" der nationalen Norm (z. B. Empfindlichkeit 2,005 mV/V, Hysteresefehler 0,012% FS).Das Instrument des Systems kann sich an die "zerfallenen Parameter" des alten Sensors angepasst haben (e.g., berechnet auf der Grundlage einer effektiven Empfindlichkeit von 1,98 mV/V). Wird der neue Sensor nicht neu kalibriert, wird das Ausgangssignal vom Gerät "überverstärkt".sich als "schwerere Gewichtungsdaten" manifestieren." Zum Beispiel erzeugt der neue Sensor unter einer Last von 50 kg 1,0025 mV. Berechnet das Gerät mit der Empfindlichkeit des alten Sensors von 1,98 mV/V, so beträgt das gewonnene Gewicht 1,0025 mV ÷ (1.98mV/V × 10V / 100kg) ≈ 500,63 kg, die sich von den tatsächlichen 50 kg um 0,63 kg unterscheiden.

**III. Lösungen: Verringerung von Datenunterschieden durch Standardkonformität und Betriebsoptimierung**

Um Datenunterschiede nach dem Austausch analoger Sensoren des gleichen Bereichs während der Wartung zu vermeiden, ist es wichtig, den gesamten Prozess von "Auswahl - Installation - Kalibrierung," streng an die nationalen Standardanforderungen festhalten und gleichzeitig die Operationen auf der Grundlage des tatsächlichen Anwendungsszenarios optimieren:

**(I) Auswahl: Priorisierung von konformen Produkten mit entsprechenden Parametern**

* Beim Austausch sollte Vorrang den Produkten des "selben Herstellers und gleichen Modells" wie dem Originalsensor eingeräumt werden, um Parameter wie Empfindlichkeit, Nichtlinearität,und Temperaturkoeffizienten sind konsistent (Abweichung ≤ 00,01 mV/V oder 0,005% FS).
* Wenn das gleiche Modell nicht verfügbar ist, ist es notwendig, vom Hersteller Parameterprüfberichte gemäß "GB/T 7551-2019" anzufordern, wobei der Schwerpunkt auf der Überprüfung wichtiger Indikatoren wie Empfindlichkeit,Nichtlinearitätsfehler, und ein Nulltemperaturkoeffizient, um Abweichungen auf ein Minimum zu reduzieren (z. B. Empfindlichkeitsabweichung ≤ 0,005 mV/V).

**(II) Montage: Strenge Einhaltung der Standardanforderungen, um eine einheitliche Lastverteilung zu gewährleisten**

* Vor der Montage überprüfen Sie die Flachheit der Montageoberfläche (verwenden Sie eine Ebene, um einen Fehler von ≤ 0,1 mm/m zu gewährleisten)..
* Bei Mehrsensorbaugruppen wird mit Höhenmessgeräten der Höhenunterschied zwischen den Sensoren auf ≤ 0,2 mm eingestellt, um eine gleichmäßige Lastverteilung sicherzustellen.

**(III) Kalibrierung: Nach dem Austausch ist die Systemkalibrierung obligatorisch**

* Gemäß der nationalen Norm "GB/T 14249.1-2008 Gewichtsgeräte - Allgemeine technische Anforderungen" nach Ersatz eines analogen SensorsDie "Mehrpunktkalibrierung" muss mit Standardgewichten durchgeführt werden (Genauigkeitsklasse nicht niedriger als M1)., darunter mindestens fünf Punkte: Null, 25% FS, 50% FS, 75% FS und 100% FS.
* Der Verstärkungsfaktor und die Nullpunktkompensation werden über das Gerät so eingestellt, daß der Fehler der Gewichtungsdaten an jedem Kalibrierpunkt innerhalb des von der nationalen Norm zulässigen Bereichs liegt (z. B.für Instrumente der Klasse III, beträgt der zulässige Fehler ≤ 0,1%).

**IV. Zusammenfassung**

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," zusammen mit Betriebsüberprüfungen bei der Installation und Kalibrierung.

Obwohl "GB/T 7551-2019" einen konformen Rahmen für die Sensorproduktion bietet, beseitigt er nicht die subtilen Leistungsunterschiede zwischen Produkten der gleichen Palette.Diese Variationen werden in der Praxis durch die Signalverarbeitungskette verstärkt., was letztendlich die Gewichtungsgenauigkeit beeinträchtigt.