電子秤的穩定性、電子稱衡器的耐久性

主要 討論衡器的穩定性問題，本文作者讀后認為其論述的內容與我們所說 的衡器的耐久性是一致的。文中主要介紹了德國 PTB 對此問題認識， 分析和評價方法。

關鍵字：衡器的穩定性、衡器的耐久性，機械和電子元件的失效， 動態疲勞試驗 德國曼弗雷德·柯希克主編，鄒炳易譯的《稱重手冊》，由 Chu. U. Volkmam 編寫的第十章“衡器的測量穩定性問題”中所討論的問題， 實質上與我們所謂的衡器耐久性是一致的。

文中討論衡器“機械和電 子元件失效”對“穩定性”的影響，并通過型式批準檢定來保障測量 的穩定性。 穩定性一詞的德文是 Berubigung，該詞的原意是“鎮定”、“安定”， 也可延伸為“放心”，這與中文“耐久性”的詞意有一定差異。我們 在討論國際建議和國外的一些議題時，往往是由中文譯文的含義去討 論或爭論。由于中西文化上的差異，譯者對該原文的理解，加上我們 極少有機會參加國際上有關的會議，就導致我們對一些術語、參數認 識的偏差，甚至錯誤。然而第十章所討論的內容，我認為與我們所理 解的“耐久性”是等值的。

此書作者指出：“對于衡器和對于每一件技術物品一樣，不僅要 2 求它在新工作狀況下照樣正常工作，以及保證其特性與應用的范圍和 準確度相符，而且還要求它在一定的使用時期內，充分地維持這些特 性。”并對這種技術特性的能力，用“可靠性”這個概念表達。德文 可靠性 Zuveri?ssigkeit 一詞的原意是“可靠”、“可信任”。而作者認為 “對于計量器具，我們一般不說可靠性，而是代之以測量的穩定性， 或者說計量的確定性”。對衡器的穩定性的評價和檢定批準，主要是 針對衡器的結構型式，要求“此種結構型式有望得到正確的測量結果 和足夠的測量穩定性（測量的確定性）”，并要求對衡器的穩定性通過 型式批準“檢定以后 1、2 或 3 年的檢定有效期內，不顯示錯誤的稱 量結果”。按照德國計量法的規定，“

一臺衡器在檢定之前，其結構型 式必須是已經批準過的。” 作者認為“損害計量器具的測量穩定性的原因”主要有以下三方 面： · 過載，也就是在被測量或者環境條件所規定的范圍以外使用； · 因不斷重復（按規定）使用而造成的疲勞，如疲勞斷裂、摩擦、 磨損； · 經過較長的時間，由于腐蝕或其它變化而造成的老化，這種老 化與使用無關。

之所以提出計量器具測量穩定性的問題，是由于計量器具在“經 歷過不同的時間以后可能導致故障，也就是‘喪失完成特定功能的能 力’（DIN4004），這里所說的‘功能’是指衡器在一定的環境條件和 使用條件下，顯示出正確的重量值的能力”，上面是造成故障的三個 3 原因。我們的目的是如何通過“批準檢定”來評判衡器的“穩定性”， 其實要用試驗來評價計量器具或任何測量裝置的“穩定性”或“可靠 性”，是一個非常困難和復雜的問題。“可靠性”本身在工程領域中是 一個很大的學科。就上述三個引起衡器能力失效中，第三點就難通過 試驗方法來評判。對于衡器這類比較簡單的裝置，一般認為第二條是 造成功能失效的比較容易判斷的、可用試驗方法來表述的原因。通常 認為是由于“機械和電子元件的失效”。

機械元件的失效，主要是因 為磨損、疲勞等因素所致，是一種隨使用時間增加而漸變的過程，它 使測量值逐漸地超出允差限，發生所謂的漂移失效。電氣元件的失效， 若使用的元件未經老化處理，在開始使用時，電氣元件的失效率就會 很高，之后失效率才會下降至一個較低的平穩狀態。所以通常我們都 是使用經事先老化的電氣元件，來保證低的電氣元件的失效性。 對于判斷衡器的穩定性的檢驗，主要是針對“顯示出正確的重量 值的能力”的主體部件。而不包括其它輔助裝置。德國是早研究衡 器“穩定性”的國家，PTB 通過對衡器（非自動衡器）連續進行長時 間加載的疲勞負荷試驗，作為判定衡器穩定性的型式批準時的強制檢 定項目。

規定試驗要求在接近 Max 負荷條件下，對各準確度等級衡 器交替加荷和卸荷的次數： Ⅰ級衡器 50,000 次 Ⅱ級到Ⅲ級衡器 200,000 次 計價標簽機 1,000,000 次 國際法制計量組織（OIML）在 1992 年版 R76 號國際建議中，有 4 關“耐久性試驗”的條款就是依據 PTB 的規定制定。“在正常使用條 件下，使衡器經受約為 50% Max 載荷的重復加載荷與卸載荷，并且 加、卸載荷應達到 100,000 次，其頻率與速度應使衡器在加、卸載荷 時達到平衡”，其誤差不應大于大允許誤差的值。對于電氣元 件的失效性試驗可根據現行的有關電子元器件的試驗進行。所以，衡 器的電氣元件的失效原則上講對造成“穩定性”或“耐久性”故障無 關，造成衡器的“穩定性”和“耐久性”故障所引起的超過允許的誤 差限，主要是由機械元件的磨損疲勞所致。PTB 對衡器“穩定性”功 能檢驗試驗的研究主要也是針對衡器的機械元件。

國際法制計量組織（OIML）公布的有關衡器的七個國際建議， 除多斗組合秤外，所有其他衡器的承載器的機械構造原則上與 R76 號非自動衡器的承載器的構造相同，而且在它們的國際建議中都要求 其靜態計量指標能達到相應非自動衡器的允差要求。因此可以認為對 非自動衡器“穩定性”或“耐久性”的試驗是帶有普遍性的，是對衡 器“穩定性”或“耐久性”性能的基本要求。 根據 OIML R76 號國際建議，以及德國 PTB 是將耐久性測試（穩 定性）列為衡器型式批準的試驗項目。型式批準試驗包括計量要求、 功能試驗和“大量的技術試驗，主要包括動態疲勞試驗、溫度試驗， 以及干擾量和影響量的作用試驗。PTB 型式評價規定：“對于構造簡 單的機械式衡器，我們在檢定時，只需要查明該衡器是否遵守在 E 09 中規定有關結構上的條款就行了。對于構造較復雜和新設計的機械式 衡器，將對各部件提出的強度上的證明，并進行長時間的疲勞負荷試 5 驗”。通過這種對結構型式試驗，是為了“有望得到正確的測量結果 和足夠的測量穩定性（測量的確定性）”。

所以耐久性試驗的目的是“來 預見該系列的產品在檢定的有效周期以內的一致的性狀”。在德國對 于“計量器具的檢定有效期 2 年”，而對于絕大多數衡器“檢定的有 效期一般是 2 年”。 耐久性試驗是針對衡器生產廠的新產品，或該廠家初次生產的產 品在準許投產時能夠證明其產品在結構上，使其保證衡器在檢定有效 期內具有正確的測量結果和足夠的測量穩定性，而無須在使用中再重 復的性能試驗，這與衡器在使用中隨后檢定的性質和內容有根本性的 區別。

耐久性試驗應該是對“顯示出正確的重量值的能力”的稱重的 主體部件在室內環境可控的、可重復和可比對的條件下進行試驗，例 如：我以為對皮帶秤的耐久性也應該在室內，在某一特定的可控制皮 帶張力，速度和載荷的試驗臺上進行耐久性試驗，主要也是測定皮帶 秤稱重臺的耐磨損、耐疲勞的能力，皮帶秤的承載器與一般承載器 大的區別，載荷是通過皮帶施加在秤臺上的稱重托輥。皮帶秤的稱重 精度，很大程度上取決于稱重托輥的質量，所以使用中稱重托輥的磨 損對測量精度的影響是非常明顯的。 從對《稱重手冊》第十章閱讀的體會，感到我們在對衡器的某些 問題的認知和理解上，與國外的認知是有差異的，從文章下面提到的 兩方面也是我們很少有人注意到。

在德國認為“絕大部分衡器都是用于商業貿易的，其稱重作業絕 大部分都是可以重復的，甚至當連續工作的衡器失誤時，如果無法稱 6 重的話，也‘只是’涉及經濟利益。涉及人身和生命原因，而對衡器 的可供使用性要求很高的情況，頂多也只是在醫療工作上的不可重復 性稱重中，或許才會出現”，并要求前一類衡器“始終正確顯示”，后 一類衡器“沒有錯誤的顯示”。出現這種錯誤對電子衡器主要是由于 電子器件失效。為了使用戶在使用衡器出現“功能故障”時能被確認 出來，一般要求： a） 輸出一個對于稱量結果的報警信號，而衡器此時或許還能 繼續使用； b） 沒有稱量結果，衡器靜止下來； c） 利用其它組件，或者說第二套線路，承擔起被干擾了的功 能。

國外的衡器要求備有能識別上述故障的檢查電路，按情況 a）和 情況 b）而設計的線路，實現了所謂功能故障識別性（FFE），按情況 c）設計的線路則實現所謂功能故障的保險（FFE）。在醫療衛生等方 面，往往測量結果的特定性不可重復，為了保證計量確定性，要采用 價錢很貴的“可靠性元件”。使用 FFE 是解決這個問題的一種可取的 較經濟實用的辦法。力圖防止在大量電子元件中只有一件失效時，導 致測量值的錯誤，并能使衡器工程師藉此能及時毫不費力地識別故障。 而對于“始終正確地顯示”的衡器，一般要求檢定有效期為兩年， 在此期間內通過隨后檢定，來判定衡器是否仍符合計量特性。對廠家 出廠的某類衡器的有效期是這樣確定的：“即當我們對那些一般尚未 超過檢定有效期的計量器具進行檢定時，結果將發現，超過檢定誤差 7 限的器具只占大約 5%以內，這個注解等于挑明了，允許有占多大比 例的計量器具實際上超過使用誤差限，即超過量允許有多大。” 由此可看出德國對衡器“耐久性”試驗型式批準的基本要求。 以上是我讀此文章的體會，供大家參考。文章較多地引用了譯者 的原文，因為《稱重手冊》一書出版較早（1992 年），也只印了一千 本。

可能很多人手中無此書，直接引用原文，可幫助讀者理解作者的 本意。 后記：我寫本文的目的主要是對《稱重手冊》第十章內容的理解， 并不討論耐久性試驗問題的本身，文中的一些名詞也是用譯文的用語， 可能與我們的用法不一致，不習慣。這個問題有待目前還在從事衡器 工作的同仁們去解決。老實說，有關“耐久性誤差”的定義以及到底 是歸屬在“型式試驗”，還是歸屬在“使用中的試驗”來判斷，即使 在 OIML 中也無科學、準確的定義。