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電子衡器是利用物體在重力作用下彈性體產(chǎn)生變形來(lái)測(cè)定重力的量值, 稱重的結(jié)果反映了一定質(zhì)量的物體所受重力的大小。衡量結(jié)果與重力加速度有關(guān), 由于各地重力加速度值不同, 會(huì)使同一臺(tái)秤在兩地之間的示值不同。如有一批一萬(wàn)多噸的鋼材從遼寧水運(yùn)到漳州, 進(jìn)出貨用船上自備一臺(tái)最大秤量為 30t、分度值為 10kg 的電子吊秤進(jìn)行驗(yàn)收, 發(fā)現(xiàn)同一批貨重量相差近 20t。因此, 探討重力加速度對(duì)電子衡器準(zhǔn)確度的影響是必要的。在此, 針對(duì)重力加速度變化對(duì)稱量影響的幾種情況及處理方法談?wù)勛约旱目捶? 與同行共同探討交流。

1 質(zhì)量( m) 與重量( g) 的關(guān)系

質(zhì)量是物體所含物質(zhì)的多少, 是物體所具有的一種物理屬性。在力學(xué)范疇內(nèi), 質(zhì)量不隨物體所處地理位置變化而變化, 質(zhì)量 m 是一個(gè)恒量。

重量即重力, 是物體受地球吸引并指向地心的力, 物體所受的重力的大小通常稱為物體的重量。傳統(tǒng)的說(shuō)法習(xí)慣, 仍將質(zhì)量當(dāng)做重量。由牛頓第二定律可知, g=mg( 式中: g 為重力加速度) , 物體重量的大小和各地的重力加速度有關(guān)且與重力加速度成正比。故同一地點(diǎn), 由于重力加速度的值是相同的, 相同質(zhì)量的兩個(gè)物體的重量相等。由于重力加速度在不同緯度、海拔、地徑是不同的, 從 g=9.80665×( 1- 0.00265cos2φ) (/ 1+2h/r) ,

其中:r—地球半徑( 6371×103m)

h—測(cè)量地的海拔高度

φ—測(cè)量地的緯度

可知, 重力加速度跟緯度成正比, 跟海拔高度成反比。

2 稱重原理及重力加速度對(duì)電子秤性能的影響

根據(jù)力學(xué)原理可把稱重分為利用力的動(dòng)力效應(yīng)稱重和利用力的靜力效應(yīng)稱重。

2.1 動(dòng)力效應(yīng)稱重, 也稱為重力平衡法稱

重, 就是利用已知物體在地球重力場(chǎng)中的重力加速度和質(zhì)量的大小來(lái)計(jì)量被稱物體的質(zhì)量。如機(jī)械杠桿秤、天平就是利用杠桿平衡原理進(jìn)行計(jì)量。如圖所示:

由杠桿平衡原理可知, m1×l1×g1=m2×l2×g2。由于衡量物與被衡量物之間距離很近, 重力加速度之間的差值可忽略不計(jì), 即 g1=g2, 則 m1=m2×l2/l1, 由此可知, 當(dāng)杠桿平衡時(shí), 被衡量物的質(zhì)量等于杠桿比與已知砝碼質(zhì)量的乘積, 衡量結(jié)果是物體的質(zhì)量, 結(jié)果與重力加速度無(wú)關(guān)。

2.2 靜力效應(yīng)稱重, 也稱為重力變形法稱重,

就是利用物體在重力作用下彈性體產(chǎn)生變形或內(nèi)應(yīng)力的大小來(lái)測(cè)定重力的量值, 如電子秤、彈簧秤就是利用重力變形法進(jìn)行稱重計(jì)量, 如圖所示:

由于電子秤是將信號(hào) δv0放大后經(jīng) a/d 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào), 再經(jīng)單片機(jī)處理后直接顯示重力值, 即

f=k×δv0, 因?yàn)?δv0=cmg, 所以 f=k×cmg①

其中:

f—顯示值

k—模數(shù)轉(zhuǎn)換系數(shù)

c—比例常數(shù)

從①式中可看出電子秤的稱重結(jié)果反映了一定質(zhì)量的物體所受重力的大小。

若假設(shè)一臺(tái)電子秤在 a 地稱量一質(zhì)量為 m 的物體, 即

fa=kcmga②

到了 b 地再同樣稱量質(zhì)量為 m 的物體,fb=kcmgb③

根據(jù)②和③式可得出

fa/fb=kcmga/kcmgb=ga/gb④

從④式可看出, 電子秤是用重力來(lái)標(biāo)定的, 顯示結(jié)果為重量, 也反映了各地重力加速度值不同, 會(huì)使同一臺(tái)秤在兩地之間的示值不同。衡量結(jié)果與重力加速度有關(guān)。

2.3 從以上兩種稱量法可知, 靜力效應(yīng)稱重的結(jié)果與重力加速度有關(guān)。由于我國(guó)地域遼闊, 緯度跨度大, 地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 重力加速度是隨緯度增大而增大, 隨海拔增加而減小, 在我國(guó)陸地上南北緯度之間的跨度約為 32°, 重力加速度變化量 dg/g 可達(dá)到0.27%; 海拔高度相差四千多米, 重力加速度變化量dg/g 可達(dá)到 0.34%; 也就是說(shuō), 我國(guó)同一臺(tái)電子秤在?？诘氖局当仍谀拥氖局敌?0.27%, 即每一千克變化量為 2.7 克; 在拉薩的示值比在漠河的示值小0.34%, 即每一千克變化量為 3.4 克, 這么大的變化量是不可忽略的。由于我國(guó)商業(yè)秤是ⅲ級(jí)秤, 這樣,同一臺(tái)電子秤在一個(gè)地區(qū)內(nèi)是合格的, 在另一個(gè)地區(qū)或許就會(huì)超差, 使衡器的準(zhǔn)確度得不到保證。如漳州有一家日資企業(yè)自帶設(shè)備從事食用菌生產(chǎn), 包裝用的電子秤直接從日本進(jìn)口又沒有經(jīng)過(guò)校準(zhǔn), 成品到日本后均出現(xiàn)正偏差, 后來(lái)將電子秤送我所檢定,檢定員發(fā)現(xiàn)最大秤量 600g 分度值 0.1g 的電子秤竟然負(fù)偏差 1.4g。所以, 探討重力加速度對(duì)重力秤量法的衡器秤量性能的影響是十分必要的。以下是各省會(huì)城市重力加速度值:

3 重力加速度變化對(duì)稱量結(jié)果影響的處理

3.1 重力加速度變化對(duì)稱量結(jié)果影響的幾種情況:

3.1.1 當(dāng)重力加速度變化量 dg/g< 5×10-4, 即1000g 變化量小于 0.5g, 這符合ⅲ級(jí)秤誤差要求, 可以在出廠檢定時(shí)不予考慮, 比如在漳州生產(chǎn)的電子衡器在福建省內(nèi)銷售, 只需在出廠前校準(zhǔn)一次, 即可達(dá)到所需的準(zhǔn)確度。

3.1.2 當(dāng)重力加速度變化量所引起的誤差大于衡器允許誤差時(shí), 衡器到使用地后必須重新校準(zhǔn), 即無(wú)論制造者在何地, 必須保證衡器使用地區(qū)的準(zhǔn)確度。例如在漳州已校準(zhǔn)最大秤量為 6kg, 分度值為 2g的電子秤到哈爾濱使用, 根據(jù)公式④, fa/fb=ga/gb, 由于重力加速度所產(chǎn)生的誤差已不能滿足電子秤準(zhǔn)確度的要求, 如下表 2 所示:

3.2 重力加速度變化對(duì)稱量結(jié)果影響的處理方法

3.2.1 利用電子衡器本身設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行重力補(bǔ)償, 如某衡器廠生產(chǎn)的 acs 系列電子計(jì)價(jià)秤可以直接輸入使用地的重力加速度, 由單片機(jī)自動(dòng)處理后進(jìn)行異地校準(zhǔn)。

3.2.2 利用電子衡器本身設(shè)置一組二進(jìn)數(shù)開關(guān), 通過(guò)改變開關(guān)的狀態(tài)來(lái)改變放大倍數(shù), 對(duì)重力加速度變化帶來(lái)的誤差進(jìn)行修正, 也可用電位器進(jìn)行調(diào)整。

3.2.3 生產(chǎn)廠家可以根據(jù)本地與電子秤使用地之間重力加速度的差值進(jìn)行折算, 如表 2 所示,6000g 電子秤在漳州用 6010.4g 標(biāo)準(zhǔn)砝碼標(biāo)定為6000g, 到哈爾濱就可滿足準(zhǔn)確度的要求, 這樣就可消除重力加速度所帶來(lái)的誤差。

3.2.4 用自動(dòng)標(biāo)定方法進(jìn)行消除。電子秤到使用地后, 在電子秤上放置一定質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)砝碼, 通過(guò)鍵盤輸入操作系統(tǒng), 經(jīng)過(guò)微處理而獲得砝碼的標(biāo)稱值?，F(xiàn)在的電子秤基本都使用自動(dòng)標(biāo)定方法, 校準(zhǔn)既簡(jiǎn)單又明了。

總之, 重力加速度變化對(duì)衡器秤量的影響應(yīng)引起生產(chǎn)廠家的高度重視, 不斷改進(jìn), 以滿足電子衡器的準(zhǔn)確度。