蔡 艷 王志平 閆立新

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學，呼和浩特 010051；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)計量測試研究院，呼和浩特 010020)

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F2等級大質(zhì)量砝碼標準裝置現(xiàn)場檢測移動實驗室的應用*

蔡 艷1,2王志平2閆立新2

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學，呼和浩特 010051；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)計量測試研究院，呼和浩特 010020)

對大質(zhì)量砝碼量值溯源困難原因進行分析，提出了F2等級大質(zhì)量砝碼標準裝置移動實驗室，詳細介紹了該移動實驗室的基本原理及構(gòu)成，并且進行了不確定度評定，突出了該移動實驗室的優(yōu)點，有效地保證了M1等級大質(zhì)量砝碼量值的統(tǒng)一和計量數(shù)據(jù)的準確可靠。

砝碼；移動實驗室；原理；構(gòu)成；不確定度

0 引言

目前，大質(zhì)量砝碼的量值溯源存在很大的困難，致使無法保證大質(zhì)量量值的統(tǒng)一和計量數(shù)據(jù)的準確可靠。造成溯源困難的原因主要有以下幾點：一是建立大質(zhì)量砝碼標準裝置所需的大質(zhì)量比較儀價格昂貴，實驗室需要配備大型橋式起重設(shè)備輔助檢定工作，這樣的標準裝置和設(shè)備對于大多數(shù)計量技術(shù)機構(gòu)來說是無法滿足的;二是距離建有該項最高標準的計量技術(shù)機構(gòu)路途遙遠，送檢困難，僅運輸費用就高于檢定費用的幾倍之多;三是攜帶便攜式大質(zhì)量比較儀赴現(xiàn)場檢定時，比較儀的安全運輸和使用環(huán)境要求無法滿足，并且在進行檢定工作時也無法提供合適的起吊設(shè)備。

因此，本文提出了一種科學、實用的用于現(xiàn)場檢測的計量裝備——F2等級大質(zhì)量砝碼標準裝置移動實驗室，可以使以上問題迎刃而解。該移動實驗室由內(nèi)蒙古自治區(qū)計量測試研究院成功研制，在國內(nèi)屬首創(chuàng)，已取得了多項創(chuàng)新成果，填補了國內(nèi)大質(zhì)量計量檢測在這一領(lǐng)域的空白。

1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

隨著科學技術(shù)的高速發(fā)展和應用水平的不斷提高，計量檢測裝備逐漸向融合計算機、微電子、自動控制和信息處理等多項機電技術(shù)方向發(fā)展。關(guān)于大型計量標準的在線檢定和檢定裝置的研究開發(fā)，歷來是計量技術(shù)研究的重要課題。在國內(nèi)檢測裝備領(lǐng)域，用于其他項目檢測的移動檢測實驗室種類很多，如熱工、電磁、光學計量器具移動檢測實驗室，環(huán)境檢測方面移動實驗室、食品檢測移動實驗室等，這些移動實驗室機動性強、反應迅速而深受用戶青睞。然而，在國內(nèi)市場還沒有廠家生產(chǎn)能用于現(xiàn)場檢測大質(zhì)量砝碼的移動檢測實驗室。國外雖然有同類型大質(zhì)量砝碼移動實驗室，但是只能檢測500kg、1000kg砝碼，并且費用高昂。

2 基本原理

F2等級大質(zhì)量砝碼標準裝置移動實驗室由小型貨運卡車改裝而成，將現(xiàn)代最新稱重技術(shù)和工程車技術(shù)相結(jié)合，把建立在原固定實驗室的F2等級大質(zhì)量砝碼標準裝置的全部功能復制到性能優(yōu)良的小型卡車底盤上，以廂式貨車的形式把固定實驗室的功能延伸到需要的任何地方。

3 移動實驗室構(gòu)成

該移動實驗室主要由F2等級大質(zhì)量砝碼標準裝置、自充式氣囊保護裝置、自動調(diào)平裝置、起吊裝置、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)組成(框架如圖1所示)。

圖1 總體框架

3.1 標準裝置

該標準裝置由一套F2等級大質(zhì)量砝碼(2塊標稱值為500kg的砝碼)為主標準器和配套設(shè)備大質(zhì)量比較儀組成，用于檢定M1等級及以下500kg、1000kg大質(zhì)量砝碼，檢定時采用AB1…BnA測量循環(huán)。通常，被檢砝碼的個數(shù)不能超過5個，最少測量循環(huán)次數(shù)為1次。

3.2 自充式氣囊保護裝置

該實驗室需搭載高精密計量儀器——大質(zhì)量比較儀，對運輸條件有很高的要求。傳統(tǒng)的方式是在運輸過程中將其拆分、包裝以達到保護目的，到達現(xiàn)場重新組裝開展檢定工作。另外，拆分、組裝以及運輸時的顛簸都會對比較儀造成物理損壞，導致比較儀的測量精度難以保證。該保護裝置不僅能夠為大質(zhì)量比較儀的運輸提供安全可靠的防護，而且到達檢定現(xiàn)場后又能方便快捷的使比較儀正常工作，提高了工作效率，節(jié)約了人力物力(結(jié)構(gòu)如圖2所示)。

1.大質(zhì)量比較儀；2.底座；3.氣囊；4.減震限位；5.工作平臺圖2 自充式氣囊保護裝置結(jié)構(gòu)

3.3 自動調(diào)平裝置

大質(zhì)量比較儀對使用環(huán)境有很高的要求，需要在平整、穩(wěn)固并具有良好的剛性條件下運行。研究設(shè)計的自動調(diào)平裝置，解決了檢定場地不平和路基不實帶來的問題，平均每次可節(jié)約一小時左右的時間，為比較儀提供了所需的工作條件。通過自動調(diào)平裝置可以使整車達到相對水平，為移動實驗室上大質(zhì)量比較儀的水平調(diào)節(jié)提供基礎(chǔ)(結(jié)構(gòu)如圖3所示)。

1.支撐腿；2.自動調(diào)評儀；3.水平傳感器圖3 自動調(diào)平系統(tǒng)

3.4 起吊裝置

該實驗室主要用來檢定M1等級大質(zhì)量砝碼，所以進行檢定校準工作時需要配備安全可靠的起吊裝置。傳統(tǒng)起吊設(shè)備如汽車吊、龍門吊、叉車等，在加載大質(zhì)量砝碼到大質(zhì)量比較儀時，往往會帶來很大的沖擊，造成測量誤差增大或者損壞測量儀器。該實驗室專門配置的精密起吊設(shè)備——電動葫蘆解決了上述問題，并且具有速度可控性好，裝置設(shè)備簡易可行，安全高效的特點。該電動葫蘆設(shè)備可以在實驗室內(nèi)或伸出車廂體外1.2m自由移動起吊砝碼，吊裝架一端設(shè)置一根輔助支架，可以支撐大質(zhì)量砝碼的平穩(wěn)吊運(如圖4所示)。

1.輔助支架；2.電動葫蘆；3.吊裝架縱梁；4.吊裝架橫梁圖4 吊裝架結(jié)構(gòu)

3.5 數(shù)據(jù)自動采集處理系統(tǒng)

砝碼檢定系統(tǒng)由大質(zhì)量比較儀、計算機、接口電路組成，計算機對砝碼的檢定數(shù)據(jù)進行自動采集和處理，實現(xiàn)檢定過程的微控制。大質(zhì)量比較儀將砝碼檢定數(shù)據(jù)通過自帶的9針串口輸出端，與上位計算機進行串行數(shù)據(jù)通信，實時傳送測量數(shù)據(jù)。砝碼檢定數(shù)據(jù)自動采集與處理系統(tǒng)將讀取標準砝碼和被檢砝碼的質(zhì)量值，并按照《砝碼檢定規(guī)程》的規(guī)定進行處理、存儲和分析，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時動態(tài)顯示，最后由上位計算機輸出檢定結(jié)果報告并打印。該系統(tǒng)完全利用串行通信原理實現(xiàn)檢定數(shù)據(jù)的自動采集與處理功能，無需人員進行讀數(shù)和數(shù)據(jù)處理的工作，減輕了人員的勞動強度，提高了工作效率。

4 不確定度分量評定

4.1 數(shù)學模型

式中：mct為被測大質(zhì)量砝碼質(zhì)量；mcr為標準大質(zhì)量砝碼質(zhì)量；Vt為被測大質(zhì)量砝碼體積；Vr為標準大質(zhì)量砝碼體積；ρa為空氣密度實測值；ρ0為約定空氣密度為1.2kg/m3；ΔI為被檢大質(zhì)量砝碼與標準大質(zhì)量砝碼的質(zhì)量差；ms為測量天平分度值時所添加標準小砝碼的折算質(zhì)量值；ΔIs為添加靈敏度小砝碼而引起的天平示值變化。

4.2 測量重復性引入的不確定度

在重復性條件下，選用M1等級1000kg砝碼連續(xù)測量10次，得到如下測量列：1000.002，1000.004，1000.004，1000.000，1000.002，1000.006，1000.002，1000.000，1000.002，1000.002kg。由貝塞爾公式，計算實驗標準偏差s=0.0018kg，則測量重復性不確定度分量為：uw=s=1.8g

4.3 標準砝碼引入的不確定度

4.4 空氣浮力引入的不確定度

對于M1等級大質(zhì)量大砝碼，由空氣浮力修正引起的不確定度可忽略。標準大質(zhì)量砝碼為不銹鋼材料，其密度為7850kg/m3，被檢大質(zhì)量砝碼為鑄鐵材料，其密度為7700kg/m3，空氣密度ρa控制在ρ0±0.12mg/cm3，按均勻分布計算，因此，空氣浮力引入的不確定度分量為：

4.5 大質(zhì)量比較儀的不確定度

大質(zhì)量比較儀的不確定度由靈敏度、分辨力、偏載等分量合成。

4.5.1 靈敏度引起的不確定度

選用E2等級砝碼為檢定質(zhì)量比較儀時所用的靈敏度砝碼，依據(jù)《砝碼檢定規(guī)程》：

4.5.2 分辨力引起的不確定度

由于大質(zhì)量比較儀的實際分度值為d=2g，則分辨力引入的不確定度分量為：

4.5.3 偏載引起的不確定度

在大部分情況下，偏載引入的不確定度通常被檢定過程中的測量重復性的不確定度所覆蓋，可忽略不計。

由上述分析得出，大質(zhì)量比較儀的不確定度為：

4.6 合成標準不確定度

根據(jù)JJG99—2006《砝碼》衡量儀器的合成標準不確定度是由重復性、靈敏度、分辨力、偏載等合成，所以大質(zhì)量比較儀的合成標準不確定度為：

4.7 擴展不確定度

通常采用覆蓋因子k=2，則被檢砝碼的擴展不確定度為：U=k×uc=9g。

4.8 符合性說明

經(jīng)試驗及評定，該移動實驗室的標準裝置對M1等級1000kg砝碼測量結(jié)果的擴展不確定度小于其最大允許誤差絕對值的1/3，并且大質(zhì)量比較儀的合成標準不確定度也小于該砝碼最大允差絕對值的1/9，均滿足JJG 99—2006《砝碼》計量性能及衡量儀器的要求，可以對M1等級及以下大質(zhì)量砝碼進行檢定。

5 小結(jié)

F2等級大質(zhì)量砝碼標準裝置移動實驗室有別于傳統(tǒng)實驗室，所設(shè)計的結(jié)構(gòu)組成徹底解決了大質(zhì)量砝碼檢定工作中存在的“赴現(xiàn)場難、吊裝難、檢不準”等技術(shù)難題，并且具有極高的測量重復性，大大提高了測量準確度。使用M1等級砝碼的基層計量技術(shù)機構(gòu)和企業(yè)不需要到法定計量技術(shù)機構(gòu)送檢，為客戶節(jié)省了大量人力物力和運輸費用；移動實驗室專門配制了精密的起吊裝置，不需要用戶額外提供吊裝等輔助設(shè)備，提高了檢測效率；變被動服務(wù)為主動服務(wù)，解決了使用單位因送檢造成的不能按照規(guī)定周期溯源的困難。有效地保證了M1等級大質(zhì)量砝碼量值的統(tǒng)一和計量數(shù)據(jù)的準確可靠，保障了國家質(zhì)量量傳體系的完整，可以很好地為經(jīng)濟發(fā)展提供技術(shù)支撐。該移動實驗室深受廣大客戶的喜愛與認可，作為計量標準裝備可以在全國廣泛推廣應用，經(jīng)濟效益與社會效益非?？捎^。

[1] JJG 1326—2011質(zhì)量比較儀校準規(guī)范[S]

[2] JJG 99—2006砝碼檢定規(guī)程[S]

[3] JJF 1059.1—2012測量不確定度評定與表示[S]

[4] 闞小妹,劉國華.電子天平的砝碼自動檢定系統(tǒng)設(shè)計.計量技術(shù),2006(6)

[5] 岑春波.智能式電子稱重系統(tǒng).計量技術(shù),1996(2)

*國家質(zhì)檢總局科技計劃項目(2012QK218)

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.06.02