胎面動態連續分選秤的校準方法和不確定度分析

婁盈豐，張良

(杭州朝陽橡膠有限公司，浙江 杭州 310018)

一個成品輪胎是由十多個制品部件在成型機上貼合成型，通過硫化機在一定的時間內施加一定的壓力和溫度制作而成。輪胎的質量大小會直接影響輪胎使用中的油耗，組成輪胎的各個部件都有重量的要求，通過對單個制品部件的質量控制，來保證輪胎產品重量的質量控制要求。其中胎面制品部件的重量占整個輪胎重量三分之一，控制好胎面制品重量尤為重要，因此在胎面生產聯動線中均會配套安裝胎面動態連續分選秤。胎面動態連續分選秤能對生產出來的胎面制品進行稱量并進行重量符合性的判斷。

胎面動態連續分選秤可以對連續生產中重量不相同的胎面制品進行重量檢測，并按照設定的重量等級進行自動分類，分揀出重量不合格的胎面避免流入下一道工序。但是由于動態連續分選秤是安裝在現場的胎面生產線中，胎面生產線的運行速度、周邊環境的溫度變化、地面振動、空氣氣流等一系列因素都會對胎面動態連續分選秤的稱量準確度帶來負面影響。本文將以FCS-50型胎面動態連續分選秤作為研究對象，介紹動態連續分選秤的對比校準方法、校準采用的標準器、校準數據處理方法、以及測量結果的不確定度分析[1]。

1 校準用標準器

胎面動態連續分選秤對比校準主要采用了以下標準器：量程為30 kg的精度為萬分之一的電子秤1臺，M1精度等級的（1 mg~2 kg）標準砝碼1組和單個重量5 kg的標準砝碼10個和20 kg的標準砝碼1個[2]。

同時配備自制標準胎面1條。用量程為30 kg精度為萬分之一的電子秤對準備的自制標準胎面進行10次測量，10次測量結果的平均值為17.296 kg，將測量得到的平均值作為自制胎面重量的標準值。

2 校準項目和校準方法[3]

2.1 分選秤外觀和運轉平穩性檢查

FCS-50秤體外形結構尺寸如圖1所示，長L2=4 200 mm，寬W3=800 mm，高H2=850 mm。檢查上電后稱重控制顯示儀面板按鈕正常有效，測量顯示值正常，顯示屏上字體顯示無筆畫缺失。秤體外觀無變形、各類安全防護板完整齊全，電機運行正常無異響，滾筒軸承處潤滑充分，連續運行30 min傳送帶無跑偏現象。

圖1 秤體外形結構尺寸

2.2 分選秤靜態相對誤差測試

接通電源開機上電，此時保持分選秤的皮帶保持靜止狀態，稱重顯示儀表進行自檢，自檢成功后，測試人員操作稱重顯示儀表面板的清零按鈕使儀表顯示零，觀察零位顯示穩定后。采用陸續加載5 kg標準砝碼到滿量程，再陸續減少5 kg卸載到零的方法進行秤臺的靜態稱量測定。按照加載和卸載的流程，分別在秤臺的兩側和居中位置點各測量3次。每一個位置點加載卸載測量所得的顯示值與放置的標準砝碼重量值作對比，以對比的差值不超過0.1%F·S作為靜態相對誤差是否符合的條件。

2.3 分選秤空秤運轉時零位波動測試

分選秤正常運行時，是由皮帶傳動輸送胎面經過分選秤，由于皮帶傳動會產生一定的振動，振動會影響稱重傳感器受力變化。該測試主要是判斷分選秤傳動皮帶工作時，對分選秤測量值的影響是否超過允許的范圍。開動電機使皮帶傳送開始工作，秤臺傳送皮帶平穩運行運行3 min，運行期間觀察空秤狀態下零位數值的波動應不超過2e。

2.4 分選秤測量時動態均方誤差

用同一條自制標準重量的胎面作為標準器，胎面重量17.296 kg作為標準值，分選秤穩定運行在一定的輸送速度，通過對自制標準胎面在分選秤上進行連續20次的重量檢測，得到的數據計算這20次測量值的均方誤差，動態均方誤差不應超過0.2%F·S，視為分選秤符合動態稱量要求。

2.5 分選秤稱量穩定性誤差

調好空秤零點之后，加上最大秤量的負荷50 kg標準砝碼并記錄顯示值，然后保持標準砝碼在秤臺傳送皮帶上保持靜壓30 min，每隔5 min觀測稱重顯示儀的顯示值并記錄，在30 min之內，計算記錄的顯示值之差，其顯示值的最大變差應不超過2e。間隔24 h后，重復以上過程，計算其本次顯示值與前一次相對應的示值最大變差應不大于2e。

以上各項測試內容是判斷分選秤稱量準確性是否合格的必要條件，如未能達到以上規定測試內容的標準，就無法基本保證測量結果的準確性。需要對分選秤進行整體的問題排查和解決處理[4]，解決問題可以通過更換稱重傳感器、整理信號傳輸線路、對傳送皮帶的張緊力進行調整、對秤體擺放水平度進行測試調整、更換或調整傳動部位機械連接件、更換或調整稱重傳感器與秤臺之間的連接件、重新對分選秤進行標定等等措施。通過逐一排查解決問題后重新按照校準方法進行測試，保證分選秤的測量基本要求。

3 重量示值誤差數學模型

ΔE：胎面動態連續分選秤示值誤差；

m：胎面動態連續分選秤示值；

mt：標準胎面質量值；

靈敏系數：cm=1，cmt=-1，

4 重量示值誤差不確定度分析

重量示值測得值的不確定度來源有以下三個方面。一是標準砝碼固有誤差引入的不確定度；二是分選秤示值引入的不確定度（示值誤差又從分辨力、重復性、偏載三方面引起）；三是環境因素引入的不確定度（分別由溫差影響、空氣對流影響引起）。接下來分別進行介紹以上引入的不確定度。

4.1 標準砝碼引入的不確定度

分選秤的投入使用前標定采用M1等級的20 kg標準砝碼。市質量技術監督檢測院根據JJG99-2006《砝碼檢定規程》方法進行標準砝碼檢定，給出M1等級的20 kg標準砝碼檢定證書，檢定證書結果表示該標準砝碼的擴展不確定度μ為1 g，通常包含因子k取2，則標準砝碼引入的不確定度為：

4.2 分選秤示值引入的不確定度

(1)稱重顯示儀分辨力引起的不確定度

分選秤的稱量結果是以數字的方式顯示，該分選秤稱重顯示儀的分辨力d=10 g，由分辨力引起的不確定度分量采用B類評定，假設可能值服從均勻分布，查表得按照JJF1059.1-2012規定數字儀器分辯力引入的標準不確定度分量是二分之一分辨力除k，則分辨力引入的不確定度為：

(2)測量重復性引起的不確定度

重復性是在盡量短的時間間隔內完成重復的測量任務，重復測量主要是在保持標準器、人員、環境，操作方法都完全相同的條件下進行，本次重復性測量以17.296 kg標準胎面作為被測量物，分選秤傳送皮帶穩定在25 m/min的速度下，由同一位測試人員，在重復性條件下連續不間斷的測量標準胎面的重量6次，稱量所得數據如表1所示。

表1 標準胎面重復性測試稱量值數據 kg

該不確定度分量與分選秤的測量顯示值變動有關，測量的重復性誤差為Δ=Imax-Imin，重復性引起的不確定度分量采用極差法公式計算獲得，則測量重復性引入的不確定度為:

(3)偏載引入的標準不確定度:

胎面擠出生產線分選秤的外形尺寸是固定不變的，但因為各種胎面的外形尺寸是不一樣的，每一次的胎面規格不一樣，每一次胎面經過在分選秤秤臺皮帶面的位置也是不一樣的，而且是隨機分布。為了模擬胎面在的不同位置的稱量值，稱量采用標準胎面作為標準器，用標準胎面從A-B的不同位置進行測試，如圖2所示。

圖2 標準胎面放置的不同位置

標準胎面在每一個位置分別稱量一次，分10次進行稱量，稱量位置要在AB之間均勻分布，得到在不同位置的稱量值，稱量示值結果數據如表2所示。

表2 標準胎面偏載測試稱量值數據 kg

測量數據的平均偏差為：

采用貝塞爾公式計算標準偏差為：

則偏載引入的平均值標準不確定度為：

4.3 環境因素引入的不確定度

(1)溫度變化溫差引入的不確定度

分選秤作為胎面擠出生產線一個組成部分，胎面生產的車間里沒有恒溫恒濕的工藝條件要求，因此隨著一年里不同季節的氣溫變化和車間生產負荷的變化，生產車間環境溫度會有高低起伏的波動，根據當地天氣預報的數據和現場實際測溫的結果，四季中車間安裝分選秤的區域內環境溫差最大可達到35 ℃，車間環境溫度的變化會影響稱重傳感器的輸出量，根據稱重傳感器靈敏度溫度系數不大于0.08%F·S/100 ℃的技術參數，依據經驗假設溫度影響為等概率地落在區間內，即均勻分布，則溫差引入的不確定度為:

(2）空氣對流引入的不確定度

輪胎胎面部件制造的過程中，會有一定的煙氣產生彌漫在車間內，為了保證生產車間的環境符合職業衛生的標準要求，需要對彌漫煙氣進行收集和凈化處理，煙氣收集過程中會形成車間中的空氣對流，空氣對流過程中勢必對分選秤的秤臺面有風壓的影響。分選秤在靜態狀態下，車間從不開通排風設施到開通排風設施的條件下，分選秤顯示的示值最大變化0.02 kg，則空氣對流引入的不確定度為:

以上各種分項不確定度互不相關，則胎面動態連續分選秤的合成不確定度為:

胎面動態連續分選秤的擴展不確定度為:

5 結論

本文介紹的此類胎面動態連續分選秤在輪胎制造企業被廣泛使用，但是由于其使用的工況相對比較復雜，如前面介紹的例子，影響因素較多，如果不對影響因素進行分析并加以控制，所得的稱量顯示結果可能與實際重量值偏差較大。為了保證分選秤稱量的準確性，一般需要縮短常規的校準周期，校準周期根據現場使用情況一般可以定在一周到一個月，這里介紹了一種比較簡單實用可操作的校準方法。同時對采用該種測量方法的測量結果不確定度進行了分析，分析結果供大家參考，從不確定度分析情況來看，應考慮如何更好地去解決秤體自身運行中振動的問題，同時要改善環境以便減少惡劣環境對分選秤運行的影響。另外隨著輪胎企業智能制造工作的不斷推進，為了穩定的控制終端產品的質量，需要通過對胎面制品進行實時的測量，將實時測量得到的重量結果數據與設計標準重量進行實時對比，對比的重量差異作為生產過程中的一個參數去參與控制，實時的調整胎面生產線的壓出速度。以便得到符合設計標準重量的合格胎面制品。所以要求分選秤能有較高的保證能力為產品質量控制提供精準的測量數據。