《衡器系统设计时传感器和仪表的选型原则》
上海大和衡器有限公司 陈日兴

问题提出：
在衡器方案设计时，往往在确定准确度等级等指标后，不知如何选择传感器和称重仪表？有时自认为已正确选择了称重传感器和称重仪表，但是在实际测试中，衡器的计量性能指标还是无法保证，请指教在传感器和仪表的选型中，有何诀窍？

问题解答：
在衡器方案设计时，往往确定衡器准确度等级后，需要掌握以下选择传感器和仪表的选型原则：
1．传感器和仪表的选型中与衡器相关的计量参数
（1）衡器的主要参数：最大秤量、最小秤量、准确度等级、最大检定分度数n、工作温度范围、承载器的静载荷、去皮重量等。
（2）衡器的误差分配系数：p12+ p22+ p32+ p42+ p52……≤1
其中：p1、p2、p3、p4、p5…pi——衡器的误差分配因子，0.3≤pi≤0.8。
2．衡器最大秤量修正系数 Q
一般来说，衡器的最大秤量修正系数Q应大于1，主要是针对偏载（载荷的不均匀分布）、承载器的静载荷、初始置零范围及添加皮重可能产生的影响的考虑。
Q = (Max+ DL + ISZR + NUD + T+...) / Max
其中：Max ——衡器的最大秤量；
DL —— 承载器的静载荷，由衡器方案设计时确定；
ISZR ——初始置零范围，一般为20% Max；
NUD ——承载器的载荷不均匀分布值。一般可以按典型结构的衡器进行假设。
 带杠杆及单传感器的衡器，或传感器对称排列的料斗，承载器上没有易造成偏载的装置 NUD = 0 %Max
 其它典型衡器 NUD = 20%Max
 对于叉车秤，单轨吊秤及汽车衡 NUD = 50％Max
 多秤台衡器，组合数固定 NUD = 50%Max（累计最大秤量）
多秤台衡器，组合数是可变 NUD = 50%Max（单秤台最大秤量）
T —— 衡器方案设计时按添加皮重法设计的重量值。
当然衡器的最大秤量修正系数Q还可以根据不同衡器的实际使用状况，再分别加上冲击系数、超载系数、风压系数等。
3．称重传感器选型
3.1 准确度等级
准确度等级，包括称重传感器（LC）温度范围及湿热稳定和蠕变指标，必须满足衡器的要求。
准确度等级 参考标准
衡器WI OIML R76
传感器LC A A*), B B*), C C, D OIML R60
*) 如果温度范围足够宽，并且湿热的稳定性和蠕变指标只能满足较低准确度等级要求。
3.2 传感器最大允许误差分配系数pLC
如果衡器系统设计时没有规定称重传感器的误差分配系数，那么pLC = 0.7。称重传感器的误差分配系数可以是0.3≤pLC≤0.8。
3.3 工作温度范围
如果衡器系统设计方案中没有规定称重传感器的工作温度范围，那么温度范围下限Tmin = -10℃及温度范围上限Tmax = 40℃。根据衡器系统设计方案，也可以对温度范围做出限定，但工作温度范围不得小于30℃。
3.4 传感器最大秤量
称重传感器的最大秤量Emax应满足下述条件：
Emax≥Q × Max × R / N
其中：Q ——衡器最大秤量修正系数；
Max——衡器的最大秤量；
R —— 衡器载荷传递装置的缩比；
N —— 衡器传感器支撑点的数量。
3.5 传感器最小静载荷
因承载器所产生的最小载荷必须等于或大于称重传感器的最小静载荷Emin (许多称重传感器有Emin = 0)：
Emin≤DL×R / N
其中：Emin—— 传感器的最小静载荷；
DL —— 承载器的静载荷，由衡器方案设计时确定。
3.6 传感器最大分度数nLC
（1）对于每只称重传感器，称重传感器的最大分度数nLC应不小于衡器的检定分度数 n：
nLC≥n
（2）对于多称量范围、多分度值衡器，下述要求适用于任何单独的称量范围或局部称重范围：
nLC≥ni
（3）传感器最小静载荷输出恢复DR
 对于多称量范围衡器，同一传感器用于多于一个称量范围时，应满足条件：
DR×E / Emax≤ e1 ×R / N
或：. DR / Emax ≤ e1 / Max
当DR未知时，应满足条件nLC≥0.4 ×Max r / e1。
 对于多分度值衡器，应满足条件：
DR ×E / Emax≤0.5 ×e1×R / N 即 DR / Emax  0.5 ×e1 / Max
其中：E = Max × R / N 是衡器加载至Max时加在单个称重传感器上的部分载荷。
当DR未知时，应满足条件nLC≥Max / e1。
3.7 传感器最小检定分度值
称重传感器最小检定分度值vmin不应大于衡器检定分度值e乘以载荷传递装置的缩比R，再除以称重
传感器数量N的平方根：
vmin ≤ e1 ×R /
对于多称量范围衡器，相同的传感器用于多于一个称量范围时，或多分度值衡器，e用e1代替。
3.8 传感器输入阻抗
传感器的输入电阻RLC 受到称重仪表的限制。RLC / N 必须满足称重仪表输入电阻范围RL min到RL max。
3.9 传感器额定输出
传感器在用Emax加载后，对应输入电压下的输出信号的变化一般采用 mV/V 表示。
为了更方便于计算，OIML R 60 中引入了下面的相对值：
Y = E max / v min
Z = E max / (2•DR)

4．称重仪表的选型
4.1 准确度等级
称重仪表准确度等级，包括温度范围及湿热稳定性指标，必须满足衡器的要求。
准确度等级 参考标准
衡器WI OIML R76
称重仪表IND *) *) OIML R76
*) 如果温度范围足够宽，并且湿热的稳定性指标只能满足较低准确度等级的要求。
4.2 称重仪表的最大允许误差系数
如果衡器系统设计时没有规定称重仪表的最大允许误差系数，那么pind = 0.5。根据衡器系统设计要求，该系数可以为0.3≤pind ≤0.8。
4.3 工作温度范围
如果衡器系统设计时没有规定称重仪表的温度范围，那么温度范围下限值Tmin = -10℃，温度范围上限值Tmax = 40℃。根据衡器系统设计要求，可以对温度范围进行限制, 但工作温度范围不得小于30℃。
4.4 最大检定分度数
对于每台称重仪表，其最大分度数nind应不小于衡器的检定分度数n：
nind ≥ n
对于多称量范围或多分度值衡器，该要求适用于任何单独的称量范围或局部称重范围：
nind ≥ ni
如果可以用于多称量范围或多分度值衡器，这些功能必须包括在受检定的称重仪表中。
4.5 与衡器相关的称重仪表电气参数
Uexc (V) 称重传感器激励电压
Umin (mV) 称重仪表的正常最小输入电压
Δumin (V) 称重仪表每个检定分度值的最小输入电压
UMRmin (mV) 称重仪表测量范围最低电压
UMRmax (mV) 称重仪表测量范围最高电压
RLmin () 连接传感器的最小输出阻抗
RLmax () 连接传感器的最大输出阻抗
4.6 称重仪表每个检定分度值的最小输入电压验算
(1) 称重仪表的正常最小输入电压(衡器空载) Umin验算
Umin = C×Uexc×R×DL /(Emax×N )
其中：Uexc—— 传感器的激励电压；
C —— 传感器的额定输出；
R —— 衡器载荷传递装置的缩比；
DL —— 衡器承载器的静载荷，由衡器方案设计时确定；
Emax—— 传感器的最大秤量；
N—— 衡器传感器支撑点的数量。
(2) 称重仪表的每检定分度的最小输入电压Δumin验算
Δumin = C×Uexc×R×e /(Emax×N )
其中：C —— 传感器的额定输出；
Uexc—— 传感器的激励电压；
R —— 衡器载荷传递装置的缩比；
e —— 衡器检定分度值，对于多称量范围或多分度值衡器，e = e1；
Emax—— 传感器的最大秤量；
N—— 衡器传感器支撑点的数量。
5．连接电缆的选型
称重仪表与传感器或传感器接线盒（使用六线制的称重仪表应具有传感器反馈补偿功能）之间的附加电缆必须在称重仪表说明书中进行规定。
最简单的方法是在称重仪表说明书中规定电缆材料（铜，铝等）的单位横截面(m/mm²)电缆长度的值。否则必须计算电缆长度(m)、截面积(mm2)、导电材料参数和每股芯线最大电阻()。
5.1 电缆电阻变化计算
应测量零点与最大载荷之间的量程。首先应计算衡器在最大工作温度范围内所对应的电缆电阻变化：
RTemp = Rcable × × (Tmax – Tmin)
其中：RTemp—— 最大工作温度范围所对应的电缆电阻变化（单位为Ω）；
Rcable ——单股电缆电阻值，Rcable = ( ×L) / A
其中：ρ ——材料的电阻率（例如铜：ρcopper = 0.0175Ωmm2/m）
L—— 电缆长度（单位为m）
A —— 单股电缆的横截面（单位为mm2）
 —— 电缆材料电阻率的温度系数1/K，例如：铜α=0.0039 1/K
Tmax – Tmin ——最大使用温度范围
5.2 电缆温度影响引起的称量变化
为了确定温度对电缆影响引起的称量变化限值，应考虑对称重仪表温度试验的结果。温度引起的最大称量误差不应大于衡器最大允许误差绝对值乘以pi的三分之一。
span(T) ≤ pi × mpe - Emax(T)
其中：span(T) —— 温度变化对电缆影响引起的称量变化值。span(T) 必须满足以下条件：
span(T) ≤ 1/3 (pi × mpe)
如果称重仪表不能满足这些条件，电缆最大电阻即电缆最大长度必须减少，或者必须选择大的横截面电缆。应对称重仪表与称重传感器或称重传感器接线盒之间的附加电缆（只适用于使用六线制系统的称重仪表，例如反馈补偿系统）做下列规定：
材料（铜、铝等）、长度（m）、截面积（mm2）、或材料（铜、铝等）固定后规定的电缆长度(m/mm2)、或每路电缆的最大电阻。
6．称重仪表、称重传感器兼容性设计选型实例——汽车衡
（1）衡器准确度等级
最大秤量 Max 60 t
检定分度值 e = 20 kg
称重传感器数量 N = 4
没有杠杆 R = 1
承载器的静载荷 DL = 12 t
初始置零范围 IZSR = 10 t
不均匀分布载荷的修正 NUD = 30 t
添加皮重 T+ = 0
温度范围 -10 °C 到 +40 °C
电缆长度 L = 100 m
电缆横截面 A = 0.75 mm2
（2）称重仪表准确度等级
最大检定分度数 nind = 3000
称重传感器激励电压 Uexc = 12 V
最小输入电压 Umin = 1 mV
每检定分度的最小输入电压 Δumin = 1 µV / e
接入称重传感器的最小/最大输出电阻 30 Ω 到 1000 Ω
温度范围 -10 °C 到+40 °C
最大允许误差系数 pind = 0.5
电缆连接 6线
电缆单位横截面的长度最大值 (L/A)max = 150 m/mm2
（3）称重传感器准确度等级 C 级3000分度
最大秤量 Emax = 30 t
最小静载荷 Emin = 2 t
额定输出 C = 2 mV/V
最大检定分度数 nLC = 3000
比率Emax / vmin Y = 6000
比率Emax / (2•DR) Z = 3000
单只称重传感器的输入电阻 RLC = 350 Ω
温度范围 -10 °C 到+40 °C
最大允许误差系数 pLC = 0.7
连接单元最大允许误差系数 pcon = 0.5
（4）兼容性检查（实例）---由于表格无法粘贴，本帖中省略