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重力加速度对电子衡器准确度的影响研究

来源:欧宝娱乐|中国有限公司  发布时间:2017-11-17 14:38:49

电子衡器是利用物体在重力作用下弹性体产生变形来测定重力的量值, 称重的结果反映了一定质量的物体所受重力的大小。衡量结果与重力加速度有关, 由于各地重力加速度值不同, 会使同一台秤在两地之间的示值不同。如有一批一万多吨的钢材从辽宁水运到漳州, 进出货用船上自备一台最大秤量为 30t、分度值为 10kg 的电子吊秤进行验收, 发现同一批货重量相差近 20t。因此, 探讨重力加速度对电子衡器准确度的影响是必要的。在此, 针对重力加速度变化对称量影响的几种情况及处理方法谈谈自己的看法, 与同行共同探讨交流。

1 质量( m) 与重量( g) 的关系

质量是物体所含物质的多少, 是物体所具有的一种物理属性。在力学范畴内, 质量不随物体所处地理位置变化而变化, 质量 m 是一个恒量。

重量即重力, 是物体受地球吸引并指向地心的力, 物体所受的重力的大小通常称为物体的重量。传统的说法习惯, 仍将质量当做重量。由牛顿第二定律可知, g=mg( 式中: g 为重力加速度) , 物体重量的大小和各地的重力加速度有关且与重力加速度成正比。故同一地点, 由于重力加速度的值是相同的, 相同质量的两个物体的重量相等。由于重力加速度在不同纬度、海拔、地径是不同的, 从 g=9.80665×( 1- 0.00265cos2φ) (/ 1+2h/r) ,

其中:r—地球半径( 6371×103m)

h—测量地的海拔高度

φ—测量地的纬度

可知, 重力加速度跟纬度成正比, 跟海拔高度成反比。

2 称重原理及重力加速度对电子秤性能的影响

根据力学原理可把称重分为利用力的动力效应称重和利用力的静力效应称重。

2.1 动力效应称重, 也称为重力平衡法称

重, 就是利用已知物体在地球重力场中的重力加速度和质量的大小来计量被称物体的质量。如机械杠杆秤、天平就是利用杠杆平衡原理进行计量。如图所示:

由杠杆平衡原理可知, m1×l1×g1=m2×l2×g2。由于衡量物与被衡量物之间距离很近, 重力加速度之间的差值可忽略不计, 即 g1=g2, 则 m1=m2×l2/l1, 由此可知, 当杠杆平衡时, 被衡量物的质量等于杠杆比与已知砝码质量的乘积, 衡量结果是物体的质量, 结果与重力加速度无关。

2.2 静力效应称重, 也称为重力变形法称重,

就是利用物体在重力作用下弹性体产生变形或内应力的大小来测定重力的量值, 如电子秤、弹簧秤就是利用重力变形法进行称重计量, 如图所示:

由于电子秤是将信号 δv0放大后经 a/d 转换器转换成数字信号, 再经单片机处理后直接显示重力值, 即

f=k×δv0, 因为 δv0=cmg, 所以 f=k×cmg①

其中:

f—显示值

k—模数转换系数

c—比例常数

从①式中可看出电子秤的称重结果反映了一定质量的物体所受重力的大小。

若假设一台电子秤在 a 地称量一质量为 m 的物体, 即

fa=kcmga②

到了 b 地再同样称量质量为 m 的物体,fb=kcmgb③

根据②和③式可得出

fa/fb=kcmga/kcmgb=ga/gb④

从④式可看出, 电子秤是用重力来标定的, 显示结果为重量, 也反映了各地重力加速度值不同, 会使同一台秤在两地之间的示值不同。衡量结果与重力加速度有关。

2.3 从以上两种称量法可知, 静力效应称重的结果与重力加速度有关。由于我国地域辽阔, 纬度跨度大, 地质结构复杂, 重力加速度是随纬度增大而增大, 随海拔增加而减小, 在我国陆地上南北纬度之间的跨度约为 32°, 重力加速度变化量 dg/g 可达到0.27%; 海拔高度相差四千多米, 重力加速度变化量dg/g 可达到 0.34%; 也就是说, 我国同一台电子秤在海口的示值比在漠河的示值小 0.27%, 即每一千克变化量为 2.7 克; 在拉萨的示值比在漠河的示值小0.34%, 即每一千克变化量为 3.4 克, 这么大的变化量是不可忽略的。由于我国商业秤是ⅲ级秤, 这样,同一台电子秤在一个地区内是合格的, 在另一个地区或许就会超差, 使衡器的准确度得不到保证。如漳州有一家日资企业自带设备从事食用菌生产, 包装用的电子秤直接从日本进口又没有经过校准, 成品到日本后均出现正偏差, 后来将电子秤送我所检定,检定员发现最大秤量 600g 分度值 0.1g 的电子秤竟然负偏差 1.4g。所以, 探讨重力加速度对重力秤量法的衡器秤量性能的影响是十分必要的。以下是各省会城市重力加速度值:

3 重力加速度变化对称量结果影响的处理

3.1 重力加速度变化对称量结果影响的几种情况:

3.1.1 当重力加速度变化量 dg/g< 5×10-4, 即1000g 变化量小于 0.5g, 这符合ⅲ级秤误差要求, 可以在出厂检定时不予考虑, 比如在漳州生产的电子衡器在福建省内销售, 只需在出厂前校准一次, 即可达到所需的准确度。

3.1.2 当重力加速度变化量所引起的误差大于衡器允许误差时, 衡器到使用地后必须重新校准, 即无论制造者在何地, 必须保证衡器使用地区的准确度。例如在漳州已校准最大秤量为 6kg, 分度值为 2g的电子秤到哈尔滨使用, 根据公式④, fa/fb=ga/gb, 由于重力加速度所产生的误差已不能满足电子秤准确度的要求, 如下表 2 所示:

3.2 重力加速度变化对称量结果影响的处理方法

3.2.1 利用电子衡器本身设计软件进行重力补偿, 如某衡器厂生产的 acs 系列电子计价秤可以直接输入使用地的重力加速度, 由单片机自动处理后进行异地校准。

3.2.2 利用电子衡器本身设置一组二进数开关, 通过改变开关的状态来改变放大倍数, 对重力加速度变化带来的误差进行修正, 也可用电位器进行调整。

3.2.3 生产厂家可以根据本地与电子秤使用地之间重力加速度的差值进行折算, 如表 2 所示,6000g 电子秤在漳州用 6010.4g 标准砝码标定为6000g, 到哈尔滨就可满足准确度的要求, 这样就可消除重力加速度所带来的误差。

3.2.4 用自动标定方法进行消除。电子秤到使用地后, 在电子秤上放置一定质量的标准砝码, 通过键盘输入操作系统, 经过微处理而获得砝码的标称值。现在的电子秤基本都使用自动标定方法, 校准既简单又明了。

总之, 重力加速度变化对衡器秤量的影响应引起生产厂家的高度重视, 不断改进, 以满足电子衡器的准确度。


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