一種新型液體流量標準裝置地磅標定系統的設計

提出了一種新型的用于質量法液體流量標準裝置主標準器———地磅的標定系統，介紹了系統的基本原理———疊加式力傳感器法，設計了系統的主要功能結構、技術要求和技術指標，通過與當前國內外大量使用的靜重法標定系統的比較和分析，該新型系統適用于質量法液體流量標準裝置的地磅標定，并且在大口徑裝置方面具有明顯的使用價值和優勢。

0.引言

質量法液體流量標準裝置是目前流量計量領域內主流的液體流量裝置，隨著社會經濟技術的發展，以其冷熱兼容、準確度高、快速方便的特點，成為各級計量技術機構及廣大用戶的首選。質量法液體流量標準裝置的主標準器為衡器，為了保證裝置量值的穩定可靠，需要定期對衡器進行核查和標定。目前國內外質量法裝置衡器的標定，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加載系統。現有的砝碼自動加載系統，都是采用與衡器等值的砝碼進行加載，稱為靜重法，代表性的有德國聯邦物理技術研究院 ( PTB) ，如圖 1 和圖 2 所示，這種方式建造費用高，占地面積大，加載時操作復雜、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定的系統———疊加式力傳感器法，在原理上符合衡器的量值傳遞體系，在力學計量領域作為標準測力機已得到普遍的應用，只是在液體流量裝置的應用上并無先例。通過技術分析和模型研究，該方法應用在液體流量裝置的衡器標定上完全可行，比靜重法系統更加簡易方便，占地面積大大減小，效率更高，具有很好的實用價值。

1.工作原理和系統結構

1 .1工作原理

疊加式力傳感器法的基本原理是:  用一個比被檢測力儀準確度高的測力儀作為標準，與被檢測力儀受力串聯，以液壓或機械方式施加載荷，以確定被檢測力儀力學性能的測力方法。而本文提出的疊加式力傳感器法的衡器標定系統，是采用一個比被標定的衡器準確度高的標準力傳感器代替砝碼做為標準，將標準力傳感器與被標定衡器串聯，以液壓油缸作為力源，對標準力傳感器和被檢測衡器同時加載。由于兩者受力串聯，承受同一載荷，載荷大小由標準力傳感器的輸出來確定。當輸出達到標準力傳感器標定的定度值時，所施加的載荷為一標準力值，穩定該力值，記錄下被檢測衡器的輸出。逐級加載和卸載，完成對被檢測衡器的標定，標定系統示意圖如圖 3 所示。

1.2 系統主要組成結構

標定系統的結構主要由標準力傳感器、油缸和反向器等組成，如圖 4 所示。其中，標準力傳感器為系統的計量標準，油缸提供力源，反向器的主要功能是使秤臺與標準傳感器串聯，當油缸加載時同時受力。

作為系統設計的重點，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，下平面與稱臺上平面連接，同時設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，構成一個測試空間，用于對稱體 ( 衡器)進行標定。

2.技術分析和技術要求

根據上述疊加式力傳感器法衡器標定系統的原理，這種設計在技術上有兩個關鍵點: 一是標定系統的準確度來源于標準力傳感器; 二是力源加載過程的穩定性對系統性能影響很大，因此，系統的計量性能主要取決于標準力傳感器的性能和液壓動力系統的控制精度、速度。

2. 1 標準力傳感器

靜重法砝碼加載系統是以砝碼的重力作為標準負荷，砝碼既是力源又給出了力值大小。疊加式力傳感器法系統則不然，液壓油缸作為力發生器僅為力源，力值大小是由標準力傳感器確定的，因此，標定系統的準確度是以標準力傳感器的計量性能為基礎的。

目前國內外質量法液體流量標準裝置的衡器，一般選用準確度為 0. 01% ，為了滿足量值傳遞的要求，系統選擇某知名品牌的進口力標準傳感器，其主要技術指標為:

( 1) 重復性:  0. 003% 。

( 2) 線性誤差:  0. 003% 。

( 3) 方位誤差:  0. 008% 。

( 4) 滯后誤差:  0. 005% 。

( 5) 溫度對靈敏度影響: ± 0. 01 /10 K。

6)  溫度對零點影響:  ± 0. 015 /10 K。

2 .2液壓動力控制系統

由于疊加式力傳感器法加載和力值分別由力發生器和標準力傳感器確定，加載過程是力發生器實施加載，標準力傳感器實時確定并指示加載力值。如要達到所需加載力值，標準力傳感器必須把加載值反饋給力發生器，以調節加載值的大小。加載調節是一個動態過程，達到所需力值則需要一個穩定時間。如要達到高的力值精度，就需要高的穩定度和盡可能長的穩定時間。這個要求對疊加式力傳感器法是一個很關鍵的問題。但對穩定問題也不要過分苛求，如要求像靜重法砝碼那樣長時間的高穩定度，它不但帶來技術上的難度，也會對測量造成負面影響。穩定時間只要滿足標準力傳感器和被檢測衡器的加載響應時間，同時滿足采樣時間就可以了。

根據上述分析，本系統采用了用兩個伺服電機直接驅動兩個油泵的差值法液壓動力控制系統。

2.2.1控制原理

在理想狀態下伺服電動機直接驅動油泵，伺服電動機的轉速、轉矩，與執行機構所需的壓力、流量，通過推導符合以下關系:

需流量成正比。

由此得出只要動態地調整伺服電動機的轉矩、轉速，就能提供執行機構所需的壓力、流量，這就是控制系統的基本原理。

2. 2. 2 解決方案

根據上述理論和分析，采用差值法使兩個伺服電機分別控制兩個油泵，兩個油泵分別控制油缸的進回油，通過兩個油泵的轉速差決定油缸壓力的增減。可以達到以下效果:

( 1) 根據控制要求將液壓動力源的流量細分，提高分辨率。

( 2) 使伺服電動機、油泵都在理想的工作區域內運行。

( 3) 將油缸不確定的滲漏控制成相對恒定的滲漏，提供力源控制精度。

3.系統測量誤差分析

疊加式力傳感器法衡器標定系統的測量誤差，基本來源于下列幾個方面:

( 1) 機械加工精度 ( 機械結構的傳力精度) 。 ( 2) 力發生器 ( 液壓油缸) 的加載準確度和穩定性。

( 3) 標準力傳感器的準確度。

( 4) 標準力傳感器二次儀表的準確度和分辨率。

( 5) 環境因素影響 ( 主要是環境溫度影響) 。機械加工精度不夠高一般會引起方位誤差，如若產生大的重復性誤差，對系統是致命的，不允許的。按現在的加工能力和工藝技術水平，可以達到相當高的加工裝配精度，只要達到設計的要求，機械結構對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力系統控制，可以準確的施加任一力值，加載穩定度可達到十萬分之一，故力發生器的加載誤差也可以滿足需要。

所選擇的標準力傳感器，根據多年的使用經驗和試驗數據，它的年長期穩定性誤差一般與重復性誤差相當，約為 0. 003% 。因此系統對準確度為 0. 01% 的衡器進行標定是可靠的。

4.結束語

本文所設計的用于液體流量標準裝置上衡器標定的系統，是一種新型的以疊加式力傳感器法原理為基礎的自動控制標定系統。通過上述技術分析可知，能夠滿足目前國內外質量法液體流量標準裝置上衡器標定的需要，并且在以噸為單位的大口徑流量裝置上，與靜重法砝碼自動加載系統相比，有以下明顯優勢: ( 1) 結構簡單，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定的技術指標，便于進行量值溯源。

因此，本系統具有很好的使用價值和市場前景。