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(jì)量測(cè)試研究院，呼和浩特 010020)

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F2等級(jí)大質(zhì)量砝碼標(biāo)準(zhǔn)裝置現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)移動(dòng)實(shí)驗(yàn)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(jì)量測(cè)試研究院，呼和浩特 010020)

對(duì)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(jí)大質(zhì)量砝碼標(biāo)準(zhǔn)裝置移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室，詳細(xì)介紹了該移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室的基本原理及構(gòu)成，并且進(jìn)行了不確定度評(píng)定，突出了該移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)點(diǎn)，有效地保證了M1等級(jí)大質(zhì)量砝碼量值的統(tǒng)一和計(jì)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠。

砝碼；移動(dòng)實(shí)驗(yàn)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(wú)法保證大質(zhì)量量值的統(tǒng)一和計(jì)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(diǎn)：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(jià)格昂貴，實(shí)驗(yàn)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(duì)于大多數(shù)計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)是無(wú)法滿足的;二是距離建有該項(xiàng)最高標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)路途遙遠(yuǎn)，送檢困難，僅運(yùn)輸費(fèi)用就高于檢定費(fèi)用的幾倍之多;三是攜帶便攜式大質(zhì)量比較儀赴現(xiàn)場(chǎng)檢定時(shí)，比較儀的安全運(yùn)輸和使用環(huán)境要求無(wú)法滿足，并且在進(jìn)行檢定工作時(shí)也無(wú)法提供合適的起吊設(shè)備。

因此，本文提出了一種科學(xué)、實(shí)用的用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的計(jì)量裝備——F2等級(jí)大質(zhì)量砝碼標(biāo)準(zhǔn)裝置移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室，可以使以上問(wèn)題迎刃而解。該移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室由內(nèi)蒙古自治區(qū)計(jì)量測(cè)試研究院成功研制，在國(guó)內(nèi)屬首創(chuàng)，已取得了多項(xiàng)創(chuàng)新成果，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)大質(zhì)量計(jì)量檢測(cè)在這一領(lǐng)域的空白。

1 國(guó)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(jì)量檢測(cè)裝備逐漸向融合計(jì)算機(jī)、微電子、自動(dòng)控制和信息處理等多項(xiàng)機(jī)電技術(shù)方向發(fā)展。關(guān)于大型計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的在線檢定和檢定裝置的研究開(kāi)發(fā)，歷來(lái)是計(jì)量技術(shù)研究的重要課題。在國(guó)內(nèi)檢測(cè)裝備領(lǐng)域，用于其他項(xiàng)目檢測(cè)的移動(dòng)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室種類很多，如熱工、電磁、光學(xué)計(jì)量器具移動(dòng)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室，環(huán)境檢測(cè)方面移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室、食品檢測(cè)移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室等，這些移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、反應(yīng)迅速而深受用戶青睞。然而，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)還沒(méi)有廠家生產(chǎn)能用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)大質(zhì)量砝碼的移動(dòng)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室。國(guó)外雖然有同類型大質(zhì)量砝碼移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室，但是只能檢測(cè)500kg、1000kg砝碼，并且費(fèi)用高昂。

2 基本原理

F2等級(jí)大質(zhì)量砝碼標(biāo)準(zhǔn)裝置移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室由小型貨運(yùn)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(shí)驗(yàn)室的F2等級(jí)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(pán)上，以廂式貨車的形式把固定實(shí)驗(yàn)室的功能延伸到需要的任何地方。

3 移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室構(gòu)成

該移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室主要由F2等級(jí)大質(zhì)量砝碼標(biāo)準(zhǔn)裝置、自充式氣囊保護(hù)裝置、自動(dòng)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(jí)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(jí)及以下500kg、1000kg大質(zhì)量砝碼，檢定時(shí)采用AB1…BnA測(cè)量循環(huán)。通常，被檢砝碼的個(gè)數(shù)不能超過(guò)5個(gè)，最少測(cè)量循環(huán)次數(shù)為1次。

3.2 自充式氣囊保護(hù)裝置

該實(shí)驗(yàn)室需搭載高精密計(jì)量?jī)x器——大質(zhì)量比較儀，對(duì)運(yùn)輸條件有很高的要求。傳統(tǒng)的方式是在運(yùn)輸過(guò)程中將其拆分、包裝以達(dá)到保護(hù)目的，到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)重新組裝開(kāi)展檢定工作。另外，拆分、組裝以及運(yùn)輸時(shí)的顛簸都會(huì)對(duì)比較儀造成物理?yè)p壞，導(dǎo)致比較儀的測(cè)量精度難以保證。該保護(hù)裝置不僅能夠?yàn)榇筚|(zhì)量比較儀的運(yùn)輸提供安全可靠的防護(hù)，而且到達(dá)檢定現(xiàn)場(chǎng)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(tái)圖2 自充式氣囊保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)

3.3 自動(dòng)調(diào)平裝置

大質(zhì)量比較儀對(duì)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(yùn)行。研究設(shè)計(jì)的自動(dòng)調(diào)平裝置，解決了檢定場(chǎng)地不平和路基不實(shí)帶來(lái)的問(wèn)題，平均每次可節(jié)約一小時(shí)左右的時(shí)間，為比較儀提供了所需的工作條件。通過(guò)自動(dòng)調(diào)平裝置可以使整車達(dá)到相對(duì)水平，為移動(dòng)實(shí)驗(yàn)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(dòng)調(diào)評(píng)儀；3.水平傳感器圖3 自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)

3.4 起吊裝置

該實(shí)驗(yàn)室主要用來(lái)檢定M1等級(jí)大質(zhì)量砝碼，所以進(jìn)行檢定校準(zhǔn)工作時(shí)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(mén)吊、叉車等，在加載大質(zhì)量砝碼到大質(zhì)量比較儀時(shí)，往往會(huì)帶來(lái)很大的沖擊，造成測(cè)量誤差增大或者損壞測(cè)量?jī)x器。該實(shí)驗(yàn)室專門(mén)配置的精密起吊設(shè)備——電動(dòng)葫蘆解決了上述問(wèn)題，并且具有速度可控性好，裝置設(shè)備簡(jiǎn)易可行，安全高效的特點(diǎn)。該電動(dòng)葫蘆設(shè)備可以在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)或伸出車廂體外1.2m自由移動(dòng)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(yùn)(如圖4所示)。

1.輔助支架；2.電動(dòng)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(dòng)采集處理系統(tǒng)

砝碼檢定系統(tǒng)由大質(zhì)量比較儀、計(jì)算機(jī)、接口電路組成，計(jì)算機(jī)對(duì)砝碼的檢定數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)采集和處理，實(shí)現(xiàn)檢定過(guò)程的微控制。大質(zhì)量比較儀將砝碼檢定數(shù)據(jù)通過(guò)自帶的9針串口輸出端，與上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行串行數(shù)據(jù)通信，實(shí)時(shí)傳送測(cè)量數(shù)據(jù)。砝碼檢定數(shù)據(jù)自動(dòng)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(chǔ)和分析，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示，最后由上位計(jì)算機(jī)輸出檢定結(jié)果報(bào)告并打印。該系統(tǒng)完全利用串行通信原理實(shí)現(xiàn)檢定數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集與處理功能，無(wú)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(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率。

4 不確定度分量評(píng)定

4.1 數(shù)學(xué)模型

式中：mct為被測(cè)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(cè)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(shí)測(cè)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(cè)量天平分度值時(shí)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(cè)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(jí)1000kg砝碼連續(xù)測(cè)量10次，得到如下測(cè)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(jì)算實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差s=0.0018kg，則測(cè)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(duì)于M1等級(jí)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(jì)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(jí)砝碼為檢定質(zhì)量比較儀時(shí)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(shí)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(guò)程中的測(cè)量重復(fù)性的不確定度所覆蓋，可忽略不計(jì)。

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?jī)x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(shuō)明

經(jīng)試驗(yàn)及評(píng)定，該移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)準(zhǔn)裝置對(duì)M1等級(jí)1000kg砝碼測(cè)量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度小于其最大允許誤差絕對(duì)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(duì)值的1/9，均滿足JJG 99—2006《砝碼》計(jì)量性能及衡量?jī)x器的要求，可以對(duì)M1等級(jí)及以下大質(zhì)量砝碼進(jìn)行檢定。

5 小結(jié)

F2等級(jí)大質(zhì)量砝碼標(biāo)準(zhǔn)裝置移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室有別于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，所設(shè)計(jì)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(chǎng)難、吊裝難、檢不準(zhǔn)”等技術(shù)難題，并且具有極高的測(cè)量重復(fù)性，大大提高了測(cè)量準(zhǔn)確度。使用M1等級(jí)砝碼的基層計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)和企業(yè)不需要到法定計(jì)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(yùn)輸費(fèi)用；移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室專門(mén)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(cè)效率；變被動(dòng)服務(wù)為主動(dòng)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(jí)大質(zhì)量砝碼量值的統(tǒng)一和計(jì)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠，保障了國(guó)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(dòng)實(shí)驗(yàn)室深受廣大客戶的喜愛(ài)與認(rèn)可，作為計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝備可以在全國(guó)廣泛推廣應(yīng)用，經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)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(cè)量不確定度評(píng)定與表示[S]

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

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

*國(guó)家質(zhì)檢總局科技計(jì)劃項(xiàng)目(2012QK218)

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.06.02