F2等級大質(zhì)量砝碼標(biāo)準(zhǔn)裝置現(xiàn)場檢測移動實驗室的應(yīng)用*

蔡 艷 王志平 閆立新

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，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(biāo)準(zhǔn)裝置現(xiàn)場檢測移動實驗室的應(yīng)用*

蔡 艷1,2王志平2閆立新2

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，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(jìn)行分析，提出了F2等級大質(zhì)量砝碼標(biāo)準(zhǔn)裝置移動實驗室，詳細(xì)介紹了該移動實驗室的基本原理及構(gòu)成，并且進(jìn)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(zhǔn)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(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)裝置和設(shè)備對于大多數(shù)計量技術(shù)機(jī)構(gòu)來說是無法滿足的;二是距離建有該項最高標(biāo)準(zhǔn)的計量技術(shù)機(jī)構(gòu)路途遙遠(yuǎn)，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(jìn)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(xué)、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(biāo)準(zhǔn)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(bǔ)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(xué)技術(shù)的高速發(fā)展和應(yīng)用水平的不斷提高，計量檢測裝備逐漸向融合計算機(jī)、微電子、自動控制和信息處理等多項機(jī)電技術(shù)方向發(fā)展。關(guān)于大型計量標(biāo)準(zhǔn)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(xué)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(jī)動性強(qiáng)、反應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)裝置的全部功能復(fù)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(biāo)準(zhǔn)裝置、自充式氣囊保護(hù)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(biāo)準(zhǔn)裝置

該標(biāo)準(zhǔn)裝置由一套F2等級大質(zhì)量砝碼(2塊標(biāo)稱值為500kg的砝碼)為主標(biāo)準(zhǔn)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(hù)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(dá)到保護(hù)目的，到達(dá)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(dǎo)致比較儀的測量精度難以保證。該保護(hù)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(hù)，而且到達(dá)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(hù)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(dá)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(jìn)行檢定校準(zhǔn)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(jī)、接口電路組成，計算機(jī)對砝碼的檢定數(shù)據(jù)進(jìn)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(jī)進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(jī)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(jìn)行讀數(shù)和數(shù)據(jù)處理的工作，減輕了人員的勞動強(qiáng)度，提高了工作效率。

4 不確定度分量評定

4.1 數(shù)學(xué)模型

式中：mct為被測大質(zhì)量砝碼質(zhì)量；mcr為標(biāo)準(zhǔn)大質(zhì)量砝碼質(zhì)量；Vt為被測大質(zhì)量砝碼體積；Vr為標(biāo)準(zhǔn)大質(zhì)量砝碼體積；ρa(bǔ)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(fù)性引入的不確定度

在重復(fù)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(biāo)準(zhǔn)偏差s=0.0018kg，則測量重復(fù)性不確定度分量為：uw=s=1.8g

4.3 標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(bǔ)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(fù)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(biāo)準(zhǔn)不確定度

根據(jù)JJG99—2006《砝碼》衡量儀器的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度是由重復(fù)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(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

4.7 擴(kuò)展不確定度

通常采用覆蓋因子k=2，則被檢砝碼的擴(kuò)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(biāo)準(zhǔn)裝置對M1等級1000kg砝碼測量結(jié)果的擴(kuò)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行檢定。

5 小結(jié)

F2等級大質(zhì)量砝碼標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)”等技術(shù)難題，并且具有極高的測量重復(fù)性，大大提高了測量準(zhǔn)確度。使用M1等級砝碼的基層計量技術(shù)機(jī)構(gòu)和企業(yè)不需要到法定計量技術(shù)機(jī)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(zhǔn)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(jì)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(rèn)可，作為計量標(biāo)準(zhǔn)裝備可以在全國廣泛推廣應(yīng)用，經(jīng)濟(jì)效益與社會效益非?？捎^。

[1] JJG 1326—2011質(zhì)量比較儀校準(zhǔn)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