一種新型液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置地磅標(biāo)定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

提出了一種新型的用于質(zhì)量法液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置主標(biāo)準(zhǔn)器———地磅的標(biāo)定系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的基本原理———疊加式力傳感器法，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的主要功能結(jié)構(gòu)、技術(shù)要求和技術(shù)指標(biāo)，通過與當(dāng)前國內(nèi)外大量使用的靜重法標(biāo)定系統(tǒng)的比較和分析，該新型系統(tǒng)適用于質(zhì)量法液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的地磅標(biāo)定，并且在大口徑裝置方面具有明顯的使用價(jià)值和優(yōu)勢(shì)。

0.引言

質(zhì)量法液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置是目前流量計(jì)量領(lǐng)域內(nèi)主流的液體流量裝置，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展，以其冷熱兼容、準(zhǔn)確度高、快速方便的特點(diǎn)，成為各級(jí)計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)及廣大用戶的首選。質(zhì)量法液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的主標(biāo)準(zhǔn)器為衡器，為了保證裝置量值的穩(wěn)定可靠，需要定期對(duì)衡器進(jìn)行核查和標(biāo)定。目前國內(nèi)外質(zhì)量法裝置衡器的標(biāo)定，小口徑裝置多采用人工加載砝碼的方式，而大口徑裝置多采用砝碼自動(dòng)加載系統(tǒng)。現(xiàn)有的砝碼自動(dòng)加載系統(tǒng)，都是采用與衡器等值的砝碼進(jìn)行加載，稱為靜重法，代表性的有德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院 ( PTB) ，如圖 1 和圖 2 所示，這種方式建造費(fèi)用高，占地面積大，加載時(shí)操作復(fù)雜、效率低，量傳也不方便，尤其是使用在大口徑液體流量裝置的環(huán)境下，具有一定的局限性。

本文則提出了一種新型的用于地磅標(biāo)定的系統(tǒng)———疊加式力傳感器法，在原理上符合衡器的量值傳遞體系，在力學(xué)計(jì)量領(lǐng)域作為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力機(jī)已得到普遍的應(yīng)用，只是在液體流量裝置的應(yīng)用上并無先例。通過技術(shù)分析和模型研究，該方法應(yīng)用在液體流量裝置的衡器標(biāo)定上完全可行，比靜重法系統(tǒng)更加簡(jiǎn)易方便，占地面積大大減小，效率更高，具有很好的實(shí)用價(jià)值。

1.工作原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1 .1工作原理

疊加式力傳感器法的基本原理是:  用一個(gè)比被檢測(cè)力儀準(zhǔn)確度高的測(cè)力儀作為標(biāo)準(zhǔn)，與被檢測(cè)力儀受力串聯(lián)，以液壓或機(jī)械方式施加載荷，以確定被檢測(cè)力儀力學(xué)性能的測(cè)力方法。而本文提出的疊加式力傳感器法的衡器標(biāo)定系統(tǒng)，是采用一個(gè)比被標(biāo)定的衡器準(zhǔn)確度高的標(biāo)準(zhǔn)力傳感器代替砝碼做為標(biāo)準(zhǔn)，將標(biāo)準(zhǔn)力傳感器與被標(biāo)定衡器串聯(lián)，以液壓油缸作為力源，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)力傳感器和被檢測(cè)衡器同時(shí)加載。由于兩者受力串聯(lián)，承受同一載荷，載荷大小由標(biāo)準(zhǔn)力傳感器的輸出來確定。當(dāng)輸出達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)力傳感器標(biāo)定的定度值時(shí)，所施加的載荷為一標(biāo)準(zhǔn)力值，穩(wěn)定該力值，記錄下被檢測(cè)衡器的輸出。逐級(jí)加載和卸載，完成對(duì)被檢測(cè)衡器的標(biāo)定，標(biāo)定系統(tǒng)示意圖如圖 3 所示。

1.2 系統(tǒng)主要組成結(jié)構(gòu)

標(biāo)定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要由標(biāo)準(zhǔn)力傳感器、油缸和反向器等組成，如圖 4 所示。其中，標(biāo)準(zhǔn)力傳感器為系統(tǒng)的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，油缸提供力源，反向器的主要功能是使秤臺(tái)與標(biāo)準(zhǔn)傳感器串聯(lián)，當(dāng)油缸加載時(shí)同時(shí)受力。

作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，反向器主要由容器底座、反向拉桿、反向器下壓板等組成，如圖 5 所示。其中，容器底座上平面用于支撐容器，下平面與稱臺(tái)上平面連接，同時(shí)設(shè)置與反向拉桿連接的安裝孔; 反向器下壓板通過反向拉桿與容器底座連接，構(gòu)成一個(gè)測(cè)試空間，用于對(duì)稱體 ( 衡器)進(jìn)行標(biāo)定。

2.技術(shù)分析和技術(shù)要求

根據(jù)上述疊加式力傳感器法衡器標(biāo)定系統(tǒng)的原理，這種設(shè)計(jì)在技術(shù)上有兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn): 一是標(biāo)定系統(tǒng)的準(zhǔn)確度來源于標(biāo)準(zhǔn)力傳感器; 二是力源加載過程的穩(wěn)定性對(duì)系統(tǒng)性能影響很大，因此，系統(tǒng)的計(jì)量性能主要取決于標(biāo)準(zhǔn)力傳感器的性能和液壓動(dòng)力系統(tǒng)的控制精度、速度。

2. 1 標(biāo)準(zhǔn)力傳感器

靜重法砝碼加載系統(tǒng)是以砝碼的重力作為標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷，砝碼既是力源又給出了力值大小。疊加式力傳感器法系統(tǒng)則不然，液壓油缸作為力發(fā)生器僅為力源，力值大小是由標(biāo)準(zhǔn)力傳感器確定的，因此，標(biāo)定系統(tǒng)的準(zhǔn)確度是以標(biāo)準(zhǔn)力傳感器的計(jì)量性能為基礎(chǔ)的。

目前國內(nèi)外質(zhì)量法液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的衡器，一般選用準(zhǔn)確度為 0. 01% ，為了滿足量值傳遞的要求，系統(tǒng)選擇某知名品牌的進(jìn)口力標(biāo)準(zhǔn)傳感器，其主要技術(shù)指標(biāo)為:

( 1) 重復(fù)性:  0. 003% 。

( 2) 線性誤差:  0. 003% 。

( 3) 方位誤差:  0. 008% 。

( 4) 滯后誤差:  0. 005% 。

( 5) 溫度對(duì)靈敏度影響: ± 0. 01 /10 K。

6)  溫度對(duì)零點(diǎn)影響:  ± 0. 015 /10 K。

2 .2液壓動(dòng)力控制系統(tǒng)

由于疊加式力傳感器法加載和力值分別由力發(fā)生器和標(biāo)準(zhǔn)力傳感器確定，加載過程是力發(fā)生器實(shí)施加載，標(biāo)準(zhǔn)力傳感器實(shí)時(shí)確定并指示加載力值。如要達(dá)到所需加載力值，標(biāo)準(zhǔn)力傳感器必須把加載值反饋給力發(fā)生器，以調(diào)節(jié)加載值的大小。加載調(diào)節(jié)是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，達(dá)到所需力值則需要一個(gè)穩(wěn)定時(shí)間。如要達(dá)到高的力值精度，就需要高的穩(wěn)定度和盡可能長(zhǎng)的穩(wěn)定時(shí)間。這個(gè)要求對(duì)疊加式力傳感器法是一個(gè)很關(guān)鍵的問題。但對(duì)穩(wěn)定問題也不要過分苛求，如要求像靜重法砝碼那樣長(zhǎng)時(shí)間的高穩(wěn)定度，它不但帶來技術(shù)上的難度，也會(huì)對(duì)測(cè)量造成負(fù)面影響。穩(wěn)定時(shí)間只要滿足標(biāo)準(zhǔn)力傳感器和被檢測(cè)衡器的加載響應(yīng)時(shí)間，同時(shí)滿足采樣時(shí)間就可以了。

根據(jù)上述分析，本系統(tǒng)采用了用兩個(gè)伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)兩個(gè)油泵的差值法液壓動(dòng)力控制系統(tǒng)。

2.2.1控制原理

在理想狀態(tài)下伺服電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)油泵，伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩，與執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需的壓力、流量，通過推導(dǎo)符合以下關(guān)系:

需流量成正比。

由此得出只要?jiǎng)討B(tài)地調(diào)整伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速，就能提供執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需的壓力、流量，這就是控制系統(tǒng)的基本原理。

2. 2. 2 解決方案

根據(jù)上述理論和分析，采用差值法使兩個(gè)伺服電機(jī)分別控制兩個(gè)油泵，兩個(gè)油泵分別控制油缸的進(jìn)回油，通過兩個(gè)油泵的轉(zhuǎn)速差決定油缸壓力的增減。可以達(dá)到以下效果:

( 1) 根據(jù)控制要求將液壓動(dòng)力源的流量細(xì)分，提高分辨率。

( 2) 使伺服電動(dòng)機(jī)、油泵都在理想的工作區(qū)域內(nèi)運(yùn)行。

( 3) 將油缸不確定的滲漏控制成相對(duì)恒定的滲漏，提供力源控制精度。

3.系統(tǒng)測(cè)量誤差分析

疊加式力傳感器法衡器標(biāo)定系統(tǒng)的測(cè)量誤差，基本來源于下列幾個(gè)方面:

( 1) 機(jī)械加工精度 ( 機(jī)械結(jié)構(gòu)的傳力精度) 。 ( 2) 力發(fā)生器 ( 液壓油缸) 的加載準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。

( 3) 標(biāo)準(zhǔn)力傳感器的準(zhǔn)確度。

( 4) 標(biāo)準(zhǔn)力傳感器二次儀表的準(zhǔn)確度和分辨率。

( 5) 環(huán)境因素影響 ( 主要是環(huán)境溫度影響) 。機(jī)械加工精度不夠高一般會(huì)引起方位誤差，如若產(chǎn)生大的重復(fù)性誤差，對(duì)系統(tǒng)是致命的，不允許的。按現(xiàn)在的加工能力和工藝技術(shù)水平，可以達(dá)到相當(dāng)高的加工裝配精度，只要達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)傳力帶來的誤差很小，可以不考慮。

液壓加載由上述差值法液壓動(dòng)力系統(tǒng)控制，可以準(zhǔn)確的施加任一力值，加載穩(wěn)定度可達(dá)到十萬分之一，故力發(fā)生器的加載誤差也可以滿足需要。

所選擇的標(biāo)準(zhǔn)力傳感器，根據(jù)多年的使用經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，它的年長(zhǎng)期穩(wěn)定性誤差一般與重復(fù)性誤差相當(dāng)，約為 0. 003% 。因此系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)確度為 0. 01% 的衡器進(jìn)行標(biāo)定是可靠的。

4.結(jié)束語

本文所設(shè)計(jì)的用于液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上衡器標(biāo)定的系統(tǒng)，是一種新型的以疊加式力傳感器法原理為基礎(chǔ)的自動(dòng)控制標(biāo)定系統(tǒng)。通過上述技術(shù)分析可知，能夠滿足目前國內(nèi)外質(zhì)量法液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上衡器標(biāo)定的需要，并且在以噸為單位的大口徑流量裝置上，與靜重法砝碼自動(dòng)加載系統(tǒng)相比，有以下明顯優(yōu)勢(shì): ( 1) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本降低。( 2) 占地面積小，使用方便，工作效率提高。( 3) 滿足液體流量裝置衡器標(biāo)定的技術(shù)指標(biāo)，便于進(jìn)行量值溯源。

因此，本系統(tǒng)具有很好的使用價(jià)值和市場(chǎng)前景。