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高准确度大力值比对方法的研究

编辑:金沙官网        发布日期:2018-05-25        点击量:695

力值计量在冶炼金属、建筑、交通、国防以及航空航天等领域发挥着重要作用,为国民经济和对外贸易的发展提供了有力的支撑和保障。力标准机作为国家力值传递系统的一个关键环节,在确保全国力值准确、一致方面起到了重要的作用。为进一步改善和提高我国力值基、标准机的维护和使用水平,保证我国力值的准确一致和正确传递,促进我国力值计量水平的提高,全国范围内的力值比对工作已经开始实施。由于力标准机的量程以及结构、原理的不同,分为大力值(>1MN)比对、中小力值(≤1MN)比对两个项目进行。中国计量科学研究院作为主导实验室,组织实施大力值(>1MN)国内比对工作。

在对参加比对的大力值基、标准机特性充分调研和试验的基础上,对高准确度大力值比对的方法进行了分析和研究,并参照力值国际关键比对的方法,提出了大力值国内比对的试验程序。

 

高准确度大力值比对方法的研究

比对方法的研究和试验

大力值标准机有两种结构型式:一种是液压式力标准机,即把标准砝码的重力经液压放大来复现力值的力标准机;另一种是叠加式力标准机,即采用一个(组)高准确度的标准测力仪,与被检测力仪串联,以液压或机械方式方法施加负荷,通过比较测量,来确定被检测力仪计量特性的力标准机。我国的大力值国家基准为中国计量科学研究院5 MN、20 MN液压式力基准机。

目前我国大多数大力值标准机的量程上限为2MN,因此本次比对的最大负荷确定为2 MN,另一比对点为50%最大负荷,即1 MN。由主导实验室提供两台2MN高准确度力传感器(准确度等级为0.03级)作为传递标准。

为了制定科学、合理的比对方法,试验和研究既要充分考虑各台力基、标准机结构、性能的不同,也要考虑温度等环境因素对传递标准的影响。

1、加、卸荷和力值稳定时间的确定

在力基、标准机上施加或卸除比对负荷后,需保持一段时间,才能得到传递标准的稳定输出信号。由于在同一负荷点各台力基、标准机的加、卸荷时间和加、卸荷速率可能各不相同,会对比对数据产生一定影响。为了尽量减小这种影响,需根据各台力基、标准机加、卸荷速率,以最长的加、卸荷时间作为比对的加、卸荷时间。根据各台参加比对的力基、标准机的调研情况,在每一级负荷(即从零负荷到1MN,1MN到2MN的加荷过程以及从2MN到零负荷的卸荷过程)的加、卸荷时间为60~150s之间,再经过30~60s的时间,传递标准的输出信号才能趋于稳定。按照最长时间考虑,确定每级负荷的加、卸荷和力值稳定时间共计210s。其后开始采集传递标准的输出信号,可以减小因各台力基、标准机加、卸荷时间及速率的不同对比对结果的影响。

2、数据采集时间的确定

目前,无论液压式还是叠加式大力值标准机都是通过液压驱动的方式方法产生或放大力值的。加到一级负荷后,由于液压油缸旋转或系统液压元件的周期振动等原因都会引起整个系统周期性的液压波动。因此,加、卸荷和力值稳定时间(210s)以后,需要连续采集一段时间内传递标准的输出信号后,取其算术平均值作为比对数据。

为了确定合适的数据采集时间,分别在中国计量科学研究院5MN力基准机和山西省计量监督检定测试所2MN液压式力标准机上进行了试验。试验采用相同的程序和传递标准,以1个数据/秒的采样频率,对传递标准的输出信号连续采集30S、60S、120s。分别给出了在一定采样时间段内采样数据的算术平均值(示值),以及采样数据的相对标准偏差。

通过对试验数据进行分析可以看出:1)连续采集30s与连续采集60S、120s的算术平均值的相对差值远小于两台力基、标准机的力值不确定度;2)30S、60S、120s测量结果的相对标准偏差相差不大,表明三组测量数据的离散性基本相同。由此可见,两台力基、标准机的液压波动周期都小于30s。因此,无论选择30S、60S、120s的采集数据计算算术平均值,都能够获得尽可能准确的传递标准输出信号,减小力基、标准机液压波动的影响。经过对参加比对的其他力标准机进行试验,也得到了类似的结果。考虑到数据采集时间越长,总的比对时间会增加。大多数力标准机在连续工作较长时间后,液压波动增大,无法确保负荷较长时间的稳定。因此,比对选择的采样频率为1个数据/秒,数据采集时间为30s。

3、传递标准温度系数的确定

由于各实验室环境温度和温度变化范围可能不尽相同,需要通过试验确定传递标准的温度系数,以便对比对结果进行温度修正和不确定度(对被测量值的不能肯定的程度)评定。

根据各实验室温度控制范围,选定15℃、20℃、30℃作为试验温度。试验时,将传递标准放入力基准机的恒温箱中,经过充分时间的热交换,恒温箱中温度稳定到试验温度,且传递标准输出信号稳定后,开始试验。施加预负荷三次后,在零负荷、1MN、2MN进行正式试验。在每个负荷点稳定60s后,以1个数据/秒的采样频率,对传递标准的输出信号连续采集30s。试验负荷至少进行三次。根据试验结果,按照以下计算公式计算传递标准温度系数。

式中:TL、TS、Th分别为试验温度15℃、20℃、30℃;I0L、I0S、I0h分别为与TL、TS、Th相对应的零负荷输出的平均值;IiL、IiS、Iih分别为与TL、TS、Th相对应的试验负荷下输出的平均值,i=1、2,分别代表1MN、2MN。

在中国计量科学研究院的5MN力基准机上分别对两台传递标准进行试验,其结果如表3。重庆计量校准是指一些电子仪器用来校对和测量的基本功能。取Stl和Sth两者绝对值较大者作为传递标准的温度系数St。

 

比对试验方法

根据以上的试验和分析,并参照力值国际关键比对的方法,制定本次大力值国内比对试验方法。比对的负荷点为1MN和2MN两个点,分别在0°、60°、120°、180°、240°、300°、360°七个角度进行试验。在0°施加预负荷3遍,试验负荷3遍;其他角度施加预负荷1遍,试验负荷1遍。预负荷与试验负荷的施加均按照相同的程序进行,即:每级负荷加、卸荷和力值稳定、数据采集时间共计4min(最后30s钟进行数据采集)。

比对时,实验室温度变化范围控制在(20±1)℃以内,相对湿度不超过80%RH。如果实验室温度超出此范围,可对传递标准的输出信号进行温度修正。

本次比对时间较长(大约1年半),考虑到传递标准的稳定度对比对结果的影响,比对采用星形式的路线方式,如图2所示。首先在主导实验室A进行试验,然后将传递标准发往参比实验室B进行试验,再将传递标准发回主导实验室A进行试验。此后按照以上过程,比对试验依次在主导实验室A和其他各参比实验室C、D、E……之间进行。

 

结语

本文讨论了力基、标准机特性,温度等环境因素对高准确度大力值比对的影响,并通过试验对其进行了分析和研究。在此基础上,提出了大力值国内比对的试验方法。这个比对方法,既参考了国际力值关键比对的方法,又充分考虑了参加比对的力标准机的特性和各实验室的实际情况,确保了本次大力值比对能够客观、准确地反映目前我国大力值基、标准机的计量技术水平,促进了我国大力值计量水平不断发展。目前,比对试验正按照预定计划顺利进行。

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