陳玲 鄭振強 / .福建省計量科學(xué)研究院；.龍巖市計量所

0 引言

型砂強度試驗設(shè)備（見圖1）主要是通過機械或液壓傳動的持續(xù)加載，測量砂型鑄造中型（芯）砂試樣抗壓、抗剪、抗拉、抗彎強度性能的一種建筑、交通領(lǐng)域檢測專用試驗設(shè)備[1-4]。通過對型砂強度試驗設(shè)備進行量值校準，確保其量值符合相應(yīng)檢驗技術(shù)標準的要求。本文對型砂強度試驗設(shè)備的各部件相互作用、計量技術(shù)要求等給出校準方法與說明，并對抗壓強度測量校準結(jié)果不確定度進行評定，并分析驗證[5-7]。

圖1 試驗機結(jié)構(gòu)示意圖

1 型砂強度試驗設(shè)備的校準

1.1 校準項目與校準用測量儀器

根據(jù)校準技術(shù)要求，提出型砂強度試驗設(shè)備校準項目為示值誤差和重復(fù)性。校準用測量儀器可使用：標準測力儀，準確度0.3級；數(shù)顯游標卡尺，最大允許誤差：0.03 mm；內(nèi)測千分尺，最大允許誤差：9 μm；深度千分尺，最大允許誤差：8 μm。也可根據(jù)不低于型砂強度試驗設(shè)備最大允許誤差三分之一的原則，選擇其他校準用測量儀器。

1.2 校準方法

檢查型砂強度試驗設(shè)備外觀及各部件配件，確定沒有影響校準計量特性的因素后校準。根據(jù)型砂強度試驗設(shè)備抗壓、抗剪、抗拉、抗彎強度，分別對其抗壓強度示值誤差和重復(fù)性、抗剪示值誤差和重復(fù)性、抗拉示值誤差和重復(fù)性、抗彎示值誤差和重復(fù)性等不同強度要求進行測量[8]。

1）型(芯)砂試驗用試樣形狀截面圖

型(芯)砂試驗用試樣形狀截面見圖2～4。

圖2 抗壓、抗剪試驗用圓柱形試樣

圖3 抗拉試驗用“8”字形試樣

圖4 抗彎試驗用長條形試樣

2）抗壓強度測量

（1）選擇試驗機的抗壓試驗類型，在抗壓測量范圍內(nèi)均勻選取至少5個校準點，校準點也可根據(jù)客戶要求選取。對模擬指示的儀表，校準點應(yīng)在標有數(shù)字的分度線上。

（2）將標準測力儀放置在試驗機試驗區(qū)域內(nèi)，使標準測力儀受力軸線與試驗機加載軸線同軸。以試驗機的抗壓指示裝置為準在標準測力儀上讀取示值，并按遞增方式逐點施加相應(yīng)的壓力負荷，重復(fù)測量3次。

（3）抗壓截面參數(shù)d。用內(nèi)測千分尺測量抗壓試模圓柱形內(nèi)腔(見圖2)直徑，在圓周上均勻分布的3個位置測量，取3次測量值的平均值作為測量結(jié)果d。

（4）示值誤差

根據(jù)（1）～（3）測量結(jié)果的數(shù)據(jù)，按式（1）計算抗壓強度示值誤差：

式中：q——試驗機的抗壓示值誤差，%；

p——遞增加載時，試驗機抗壓指示裝置指示的值，MPa；

式中：Fi——在第i校準點上，標準測力儀3次測量的算術(shù)平均值，N；

A——抗壓試塊抗壓橫截面面積，mm2；

d——抗壓試塊平均直徑，mm

（5）示值重復(fù)性

根據(jù)（1）～（3）測量結(jié)果的數(shù)據(jù)，按式（3）計算抗壓強度重復(fù)性：

式中：R——試驗機的抗壓重復(fù)性，%；

pimax——在第i校準點上，標準抗壓值3次測量中的最大值，MPa，；

pimin——在第i校準點上，標準抗壓值3次測量中的最小值，MPa，；

Fimax——在第i校準點上，標準測力儀3次測量中的最大值，N；

Fimin——在第i校準點上，標準測力儀3次測量中的最小值，N

3）抗拉強度測量

（1）同2）中的（1）。

（2）抗拉截面參數(shù)b、δ。用內(nèi)測千分尺測量抗拉試?！?”字形內(nèi)腔腰部（見圖3）寬度尺寸，重復(fù)測量3次，取3次測量值的平均值作為測量結(jié)果b；用深度千分尺測量其內(nèi)腔高度，在“8”字形一周上均勻分布的3個位置測量，取3次測量值的平均值作為測量結(jié)果δ。

式中：A0——試樣抗拉原始橫截面面積，mm2；

b——試樣抗拉原始橫截面的寬度，mm；

δ——試樣抗拉原始橫截面的厚度，mm

（3）示值誤差

將標準測力儀放置在試驗機試驗區(qū)域內(nèi)，使標準測力儀受力軸線與試驗機加載軸線同軸。以試驗機的抗拉指示裝置為準在標準測力儀上讀取示值，并按遞增方式逐點施加相應(yīng)的壓力負荷，重復(fù)測量3次。根據(jù)（1）～（3）測量結(jié)果的數(shù)據(jù)，示值誤差按式（1）計算，式中的物理量在這里表示抗拉數(shù)據(jù)。

（4）示值重復(fù)性

根據(jù)（1）～（4）測量結(jié)果的數(shù)據(jù)，重復(fù)性按式（3）計算：

4）抗剪、抗彎強度測量

抗剪示值誤差和重復(fù)性，抗彎示值誤差和重復(fù)性校準方法同2）和3）。

2 型砂強度試驗設(shè)備校準結(jié)果不確定度評定[9-10]

選用0.3級測量范圍為200～2 000 N標準測力儀、內(nèi)測千分尺0～75 mm、最大允許誤差：±9 μm；深度千分尺0～100 mm，最大允許誤差：±8 μm；游標卡尺0～150 mm，最大允許誤差：±0.03 mm為標準器，對型砂強度試驗機進行校準。用長度測量標準對抗壓、抗剪、抗拉和抗彎的截面參數(shù)分別測量3次，取其平均值作為測量結(jié)果。將標準測力儀放置在試驗機試驗區(qū)域內(nèi)，使標準測力儀受力軸線與試驗機加載軸線同軸。以試驗機的各試驗類型的指示裝置為準在標準測力儀上讀取示值，并按遞增方式逐點施加相應(yīng)的壓力負荷，重復(fù)測量3次，各點3次標準測力儀示值的算術(shù)平均值作為該點的試驗力真值。通過公式計算出抗壓、抗剪、抗拉和抗彎強度的真值，與試驗機強度示值進行直接比較。環(huán)境條件：溫度10～35 ℃；相對濕度≤80%。

2.1 測量模型

由此，得靈敏系數(shù)為

2.2 標準不確定度分量的評定

2.2.1 輸入量p的標準不確定度u(p)的評定

1）由測量重復(fù)性引入的標準不確定度u1(p)。選取一臺型砂強度試驗機，用標準測力儀在0.5 MPa校準點，對其進行10次測量并計算，測量結(jié)果如表1所示。

表1 測量結(jié)果

算術(shù)平均值：p= 0.495 MPa

單次實驗結(jié)果的標準偏差：s= 0.001 MPa

實際測量是在重復(fù)性條件下測量3次，取其算術(shù)平均值為測量結(jié)果。

2）由試驗機抗壓顯示裝置分辨力引入的標準不確定度u2(p)。試驗機抗壓顯示裝置的分度值為0.01 MPa，按1/2分度值估讀，則其分辨力為0.005 MPa。半寬為0.002 5 MPa，估計為均勻分布，其引入的標準不確定度：

因u2(p) >u1(p)，故輸入量P的標準不確定度u(p) =u2(p) = 0.002 MPa。

2）由抗壓截面參數(shù)d的測量引入的標準不確定度u(d)

（1）內(nèi)測千分尺的準確度引入的標準不確定度u1(d)，內(nèi)測千分尺的最大允許誤差為±9 μm，半寬為9 μm。估計為均勻分布，其引入的標準不確定度為

（2）由測量重復(fù)性引入的標準不確定度u2(d)，抗壓截面參數(shù)d3次測量的結(jié)果為50.006 mm、50.005 mm、50.010 mm，測量結(jié)果d= 50.007 mm。極差法計算單次實驗標準偏差：。實際測量是在重復(fù)性條件下測量3次，取其算術(shù)平均值為測量結(jié)果。則：。

（3）d的標準不確定度評定

由于與d不相關(guān)，故的標準不確定度：

2.3 合成標準不確定度的評定

標準不確定度匯總表見表2。

表2 標準不確定度匯總

由表1數(shù)據(jù)計算p= 0.5 MPa，= 0.495 MPa。由于p和彼此獨立，互不相關(guān)，則合成標準不確定度的計算：

2.4 擴展不確定度的確定

取包含因子k= 2，則Urel=kuc(q) = 0.82%。

2.5 測量結(jié)果不確定度的報告與表示

型砂強度試驗機輸出力值示值誤差測量結(jié)果為q= 1.0%，Urel= 0.82%，k= 2。

型砂強度試驗設(shè)備校準結(jié)果的擴展不確定度為Urel= 0.82%（它是由合成標準不確定度uc= 0.41%和包含因子k= 2之乘積得到）小于最大允許誤差（5%）的1/3，滿足校準要求。

同時對型砂強度試驗設(shè)備的抗剪強度、抗拉強度、抗彎強度校準結(jié)果的擴展不確定度分別按不同測量模型

進行不確定度分析評定，校準結(jié)果的擴展不確定小于最大允許誤差（5%）的1/3，滿足型砂強度試驗設(shè)備校準結(jié)果計量性能要求。

3 結(jié)語

本文通過對型砂強度試驗設(shè)備參數(shù)的校準所采用的校準設(shè)備、校準項目、校準方法及校準結(jié)果不確定度評定等分析探討，提出對型砂強度試驗設(shè)備各部分部件相互作用檢查，抗壓強度示值誤差和重復(fù)性、抗剪示值誤差和重復(fù)性、抗拉示值誤差和重復(fù)性、抗彎示值誤差和重復(fù)性等校準方法與說明，并提供實際校準型砂強度試驗設(shè)備的校準結(jié)果不確定度評定分析。型砂強度試驗設(shè)備的校準方法與校準結(jié)果不確定度評定，可以作為技術(shù)人員校準“型砂強度試驗設(shè)備”技術(shù)參考。