Análise das razões para as diferenças significativas nos dados de pesagem após a substituição e reparo de sensores analógicos com a mesma faixa de medição
Na operação e manutenção diária de sistemas de pesagem industrial, este tipo de problema é frequentemente encontrado: após a substituição ou reparo de uma célula de carga analógica, mesmo que sua faixa nominal seja a mesma do sensor original, o resultado da pesagem ainda desvia significativamente. Em alguns casos, o erro excede até mesmo a faixa permissível normal, afetando seriamente a precisão da medição da produção.
Este fenômeno parece simples, mas na verdade está intimamente relacionado a diferenças sutis no processo de fabricação, controle de parâmetros de desempenho e requisitos de padrões nacionais de células de carga analógicas. Este artigo, em combinação com o padrão nacional chinês GB/T 7551-2019 Células de Carga, parte dos requisitos de fabricação dos principais parâmetros de desempenho das células de carga e analisa as razões mais profundas para o desvio de dados, mesmo quando as faixas são idênticas.
1. Requisitos de Fabricação para os Principais Parâmetros de Desempenho das Células de Carga Analógicas em Padrões Nacionais
O padrão GB/T 7551-2019 Células de Carga, como o padrão principal para a produção e teste de células de carga analógicas na China, especifica claramente os requisitos de precisão de fabricação para múltiplos parâmetros de desempenho chave de células de carga com a mesma faixa. Esses parâmetros determinam diretamente a precisão da pesagem da célula de carga e também são a principal fonte de diferenças subsequentes nos dados.
Entre eles, os parâmetros mais intimamente relacionados ao desvio de dados incluem principalmente as quatro categorias a seguir:
(1) Sensibilidade e Coeficiente de Temperatura da Sensibilidade
A sensibilidade é um dos principais indicadores das células de carga analógicas. Refere-se à mudança no sinal de saída do sensor sob a carga nominal (ou seja, o limite superior da escala completa).
De acordo com o padrão, a sensibilidade típica das células de carga analógicas é geralmente
2,0 mV/V ± 0,02 mV/V(ou outros valores nominais fixos com pequenos desvios permitidos).
Ao mesmo tempo, o padrão também especifica o limite do coeficiente de temperatura da sensibilidade:
Dentro da faixa de temperatura de operação de −10°C a +40°C, a variação da sensibilidade com a temperatura deve ser ≤ 0,002% FS/°C(FS = escala completa).
Isso significa que, mesmo que duas células de carga tenham a mesma faixa nominal, pequenas diferenças nos valores de sensibilidade (por exemplo, uma é 2,01 mV/V e a outra é 1,99 mV/V) ou o não cumprimento do coeficiente de temperatura da sensibilidade levarão a diferentes sinais de saída analógicos (tensão/corrente) sob a mesma carga, o que acabará sendo convertido em desvios nos dados de pesagem.
(2) Erro de Não Linearidade
O erro de não linearidade refere-se ao desvio máximo entre a relação real do sinal de saída do sensor e a carga e a relação linear ideal.
O padrão nacional exige:
Para células de carga com a mesma faixa, diferenças na não linearidade podem surgir devido a variações nos processos de fabricação, como:
-
Precisão de usinagem do elemento elástico
-
Uniformidade da planicidade e espessura da área do extensômetro
-
Desvios na posição de colagem do extensômetro
Por exemplo:
A célula de carga original tem um erro de não linearidade de 0,01% FS, enquanto a substituída tem 0,018% FS.
Com uma carga próxima da capacidade total (por exemplo, uma célula de carga de 100 kg carregada com 90 kg), a diferença do sinal de saída pode atingir:
[(0,018% − 0,01%) × 100 kg = 0,008 kg]
Se a faixa for maior (por exemplo, 1000 kg), o desvio se expandirá ainda mais para:
[(0,018% − 0,01%) × 1000 kg = 0,08 kg]
Isso já é suficiente para afetar significativamente a precisão da pesagem.
(3) Erro de Histerese
O erro de histerese refere-se à diferença máxima no sinal de saída de uma célula de carga sob a mesma carga durante os processos de carregamento e descarregamento.
De acordo com o padrão nacional, o erro de histerese deve ser:
≤ 0,02% FS(Classe C) ou
≤ 0,01% FS(Classe B).
Este erro se origina principalmente das propriedades do material do elemento elástico da célula de carga (como características de histerese mecânica) e inconsistências nas propriedades de colagem do extensômetro. Se a estrutura elástica usar diferentes lotes de materiais de liga ou as características de cura do adesivo de colagem para extensômetros forem inconsistentes, os erros de histerese diferirão daqueles do sensor original.
Por exemplo, em aplicações frequentes de carregamento–descarregamento (como pesagem dinâmica de transportadores):
-
A célula de carga original emite 1,000 mV com carregamento de 50 kg e 0,999 mV com descarregamento de 50 kg, resultando em um erro de histerese de 0,001 mV.
-
A célula de carga de substituição emite 1,000 mV com carregamento de 50 kg e 0,997 mV com descarregamento de 50 kg, resultando em um erro de histerese de 0,003 mV.
Em operação de longo prazo, isso levará a desvios de repetibilidade nos dados de pesagem.
(4) Deriva Zero e Coeficiente de Temperatura Zero
A deriva zero refere-se à variação no sinal de saída da célula de carga ao longo do tempo sob a condição sem carga (zero).
O coeficiente de temperatura zero indica a magnitude da variação do ponto zero com as mudanças de temperatura.
De acordo com o padrão nacional, o coeficiente de temperatura zero deve ser ≤ 0,002% FS/°C.
A estabilidade zero das células de carga analógicas depende em grande parte da estabilidade da temperatura do extensômetro e do projeto de compensação do circuito. Se a nova célula de carga não passar por compensação de temperatura suficiente durante a produção (por exemplo, desvio na seleção dos valores dos resistores de compensação) ou se a sensibilidade à temperatura do extensômetro diferir da do sensor original, as mudanças na temperatura ambiente (como diferenças de temperatura dia–noite ou efeitos térmicos da operação do equipamento) causarão desvios significativos na saída do ponto zero.
Por exemplo:
-
A célula de carga original emite 0,000 mV a 20°C sem carga e 0,001 mV a 30°C.
-
A célula de carga de substituição emite 0,000 mV a 20°C e 0,003 mV a 30°C.
Uma mudança de temperatura de apenas 10°C resulta em uma deriva de sinal de 0,002 mV, que, quando convertida em dados de peso, pode fazer com que a balança exiba um valor positivo ou negativo em carga zero, afetando seriamente os resultados reais da pesagem.
2. Cenários Práticos e Análise de Causas de Desvios de Dados Apesar da Mesma Faixa Nominal
Mesmo que a faixa nominal da célula de carga de substituição seja idêntica à da original, durante a substituição e manutenção reais, as diferenças sutis nos parâmetros padrão acima serão amplificadas por meio de toda a cadeia de
aquisição de sinal → transmissão → processamento,
e, em última análise, aparecerão como desvios significativos nos dados de pesagem.
Com base em cenários reais de operação e manutenção, as causas específicas podem ser classificadas nas três categorias a seguir:
**(I) Variações no Processo de Produção: "Diferenças de Desempenho Ocultas" em Sensores da Mesma Faixa**
Os padrões nacionais especificam as faixas permissíveis para os parâmetros de desempenho, mas não exigem que os parâmetros de sensores com a mesma faixa sejam idênticos. Contanto que estejam dentro dos limites, os sensores de diferentes fabricantes ou lotes ainda podem ter pequenas diferenças, que se tornam diretamente expostas após a substituição.
Por exemplo, uma fábrica usa um sensor analógico de 100 kg (Classe C). O sensor original do Fabricante A tem uma sensibilidade de 2,005 mV/V, um erro de não linearidade de 0,012% FS e um coeficiente de temperatura zero de 0,0015% FS/°C. O sensor recém-substituído do Fabricante B tem uma sensibilidade de 1,995 mV/V, um erro de não linearidade de 0,018% FS e um coeficiente de temperatura zero de 0,0018% FS/°C. Do ponto de vista dos padrões, ambos atendem aos requisitos da Classe C. No entanto, na aplicação prática:
* Quando uma carga de 50 kg é aplicada, o sinal de saída do sensor original é (50 kg / 100 kg) × 2,005 mV/V × Tensão de Excitação (tipicamente 10V) = 1,0025 mV. A saída do novo sensor é (50 kg / 100 kg) × 1,995 mV/V × 10V = 0,9975 mV. A diferença de sensibilidade por si só causa um desvio de sinal de 0,005 mV, correspondendo a um desvio de dados de peso de 0,005mV ÷ (2,0 mV/V × 10V / 100kg) = 0,025 kg.
* Se a temperatura ambiente aumentar de 20°C para 30°C, a deriva zero do sensor original é 0,0015% FS/°C × 10°C × 100kg = 0,15 kg, enquanto para o novo sensor é 0,0018% FS/°C × 10°C × 100kg = 0,18 kg. A mudança de temperatura adiciona mais 0,03 kg de desvio. O desvio total combinado atinge 0,055 kg. Se usado para embalagem de alimentos (por exemplo, exigindo precisão de ±0,05 kg), isso faria com que os produtos estivessem diretamente com peso excessivo ou insuficiente.
Além disso, alguns fabricantes menores, para reduzir custos, podem não calibrar estritamente os parâmetros de acordo com os padrões nacionais. Por exemplo, o desvio real de sensibilidade pode atingir 0,05 mV/V (excedendo o requisito padrão de ±0,02 mV/V), mas o sensor ainda é rotulado como "faixa de 100 kg". As diferenças de dados após a substituição por esses sensores seriam ainda mais pronunciadas.
**(II) Processos de Instalação e Calibração: Não Atender aos "Requisitos de Adaptação de Sinal" do Sistema Original**
A precisão dos dados de sensores analógicos depende não apenas de seu próprio desempenho, mas também está intimamente relacionada ao método de instalação e à calibração do sistema. Mesmo que os parâmetros de um sensor de substituição estejam em conformidade com os padrões nacionais, a falha em operar de acordo com os requisitos de adaptação do sistema original durante a substituição pode levar a desvios de dados.
1. **Desvio da Posição de Instalação e do Estado da Carga**
O sinal de saída de um sensor analógico está diretamente relacionado à direção da força e ao nivelamento da instalação. Os padrões nacionais exigem que, durante a instalação do sensor, a carga deve agir verticalmente no centro do elemento elástico e o erro de planicidade da superfície de montagem deve ser ≤ 0,1 mm/m. Se o sensor de substituição for instalado com um deslocamento posicional (por exemplo, deslocamento de 5 mm da posição central original) ou se a superfície de montagem não estiver nivelada (por exemplo, com uma inclinação de 0,2 mm/m), a força real no sensor não se alinhará com a "direção de carga nominal" de sua faixa nominal. Por exemplo, um sensor de 100 kg pode sofrer 98 kg de carga vertical, mas também suportar uma força lateral adicional de 2 kg, fazendo com que o sinal de saída seja menor que o normal, manifestando-se como um "desvio de dados de pesagem".
Além disso, em cenários envolvendo múltiplas montagens de sensores (por exemplo, em veículos, funis), os padrões nacionais exigem que o desvio de uniformidade da distribuição da carga entre os sensores seja ≤ 1% FS. Se, ao substituir um sensor, sua altura não for ajustada (por exemplo, criando uma diferença de altura superior a 0,5 mm em comparação com outros sensores), a carga pode se concentrar nos outros sensores, deixando o novo sensor subcarregado. Isso resulta em dados de pesagem geral menores do que o esperado.
**2. Falha em Reexecutar a Calibração do Sistema**
O sinal de um sensor analógico deve passar por "amplificação - filtragem - conversão analógico-digital" por um instrumento antes que possa ser convertido em dados de pesagem. Os padrões nacionais exigem que um sistema de pesagem analógico deve passar por uma nova "calibração do sistema" após a substituição de um sensor. Isso envolve o carregamento de pesos padrão e o ajuste do fator de amplificação e do valor de compensação do ponto zero do instrumento para corresponder ao sinal de saída do sensor ao peso padrão.
Se a calibração não for realizada após a substituição e o instrumento continuar a usar os parâmetros do sensor original (por exemplo, a sensibilidade do sensor original de 2,005 mV/V versus 1,995 mV/V do novo sensor), o peso calculado pelo instrumento será desviado. Por exemplo, quando um peso padrão de 50 kg é carregado, o novo sensor emite 0,9975 mV (como no caso anterior), mas se o instrumento ainda calcular com base na sensibilidade de 2,005 mV/V, o peso resultante é 0,9975 mV ÷ (2,005 mV/V × 10V / 100kg) ≈ 49,75 kg, que difere dos 50 kg reais em 0,25 kg - um desvio que excede em muito a faixa permissível padrão.
Alguns usuários acreditam erroneamente que "sensores com a mesma faixa podem ser substituídos diretamente" e ignoram a etapa de calibração do sistema, que é uma causa comum de discrepâncias de dados.
**(III) Envelhecimento e Desgaste: "Diferenças de Decaimento de Desempenho" entre Sensores Antigos e Novos**
Após o uso a longo prazo, os sensores analógicos experimentam mudanças nos parâmetros de desempenho em relação ao seu estado inicial devido ao envelhecimento e ao desgaste. Os novos sensores estão em seu "estado de desempenho inicial". Mesmo que a faixa seja a mesma, as diferenças de parâmetros entre os sensores antigos e novos podem levar a desvios de dados - um fenômeno particularmente evidente ao substituir sensores que estão em uso há mais de 5 anos.
De acordo com os padrões nacionais, a vida útil típica de um sensor analógico é de 10 anos. No entanto, o decaimento do desempenho acelera em ambientes agressivos (por exemplo, alta temperatura, umidade, poeira):
* O elemento elástico pode sofrer "deformação plástica" sob carga de longo prazo, levando à diminuição da sensibilidade (por exemplo, de 2,0 mV/V para 1,98 mV/V).
* O envelhecimento da camada de colagem do extensômetro pode aumentar o erro de histerese (por exemplo, de 0,01% FS para 0,03% FS).
* A oxidação dos resistores de compensação no circuito pode exacerbar a deriva zero (por exemplo, de 0,001 mV/h para 0,005 mV/h).
Quando um novo sensor é instalado, seus parâmetros estão em conformidade com os "requisitos iniciais" do padrão nacional (por exemplo, sensibilidade 2,005 mV/V, erro de histerese 0,012% FS). No entanto, o instrumento do sistema pode ter se adaptado aos "parâmetros decaídos" do sensor antigo (por exemplo, calculando com base em uma sensibilidade efetiva de 1,98 mV/V). Se não for recalibrado, o sinal de saída do novo sensor será "superamplificado" pelo instrumento, manifestando-se como "dados de pesagem mais pesados". Por exemplo, sob uma carga de 50 kg, o novo sensor emite 1,0025 mV. Se o instrumento calcular usando a sensibilidade do sensor antigo de 1,98 mV/V, o peso resultante é 1,0025 mV ÷ (1,98 mV/V × 10V / 100kg) ≈ 50,63 kg, diferindo dos 50 kg reais em 0,63 kg.
**III. Soluções: Reduzindo as Discrepâncias de Dados por Meio da Conformidade com os Padrões e Otimização Operacional**
Para evitar discrepâncias de dados após a substituição de sensores analógicos da mesma faixa durante a manutenção, é essencial gerenciar todo o processo de "seleção - instalação - calibração", aderindo estritamente aos requisitos do padrão nacional, otimizando as operações com base no cenário real da aplicação:
**(I) Seleção: Priorize Produtos Conformes com Parâmetros Correspondentes**
* Durante a substituição, a prioridade deve ser dada aos produtos do "mesmo fabricante e mesmo modelo" do sensor original para garantir que parâmetros como sensibilidade, erro de não linearidade e coeficientes de temperatura sejam consistentes (desvio ≤ 0,01 mV/V ou 0,005% FS).
* Se o mesmo modelo não estiver disponível, é necessário solicitar relatórios de teste de parâmetros do fabricante em conformidade com "GB/T 7551-2019", concentrando-se na verificação de indicadores-chave como sensibilidade, erro de não linearidade e coeficiente de temperatura zero, garantindo que os desvios sejam minimizados (por exemplo, desvio de sensibilidade ≤ 0,005 mV/V).
**(II) Instalação: Aderir Estritamente aos Requisitos do Padrão para Garantir a Distribuição Uniforme da Carga**
* Antes da instalação, verifique o nivelamento da superfície de montagem (use um nível para garantir erro ≤ 0,1 mm/m). Durante a instalação, certifique-se de que a força atue verticalmente no sensor, evitando forças laterais.
* Para montagens de vários sensores, use medidores de altura para ajustar a diferença de altura entre os sensores para ≤ 0,2 mm, garantindo a distribuição uniforme da carga.
**(III) Calibração: A Calibração do Sistema é Obrigatória Após a Substituição**
* De acordo com o padrão nacional "GB/T 14249.1-2008 Instrumentos de Pesagem - Requisitos Técnicos Gerais", após a substituição de um sensor analógico, a "calibração multiponto" deve ser realizada usando pesos padrão (classe de precisão não inferior a M1), incluindo pelo menos cinco pontos: zero, 25% FS, 50% FS, 75% FS e 100% FS.
* Ajuste o fator de amplificação e a compensação do ponto zero por meio do instrumento para que o erro de dados de pesagem em cada ponto de calibração esteja dentro da faixa permitida pelo padrão nacional (por exemplo, para instrumentos da Classe III, o erro permitido é ≤ 0,1%).
**IV. Resumo**
A ocorrência de discrepâncias nos dados de pesagem após a substituição de sensores analógicos da mesma faixa decorre essencialmente do conflito entre os "desvios de parâmetros permitidos pelos padrões nacionais" e os "requisitos de precisão de cenários de aplicação prática", juntamente com as omissões operacionais na instalação e calibração.
Embora "GB/T 7551-2019" forneça uma estrutura compatível para a produção de sensores, ela não elimina as variações sutis de desempenho entre os produtos da mesma faixa. Essas variações são amplificadas na prática por meio da cadeia de processamento de sinais, afetando, em última análise, a precisão da pesagem.
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