一种新型液体流量标准装置地磅标定系统的设计
一种新型液体流量标准装置地磅标定系统的设计
提出了一种新型的用于质量法液体流量标准装置主标准器———地磅的标定系统，介绍了系统的基本原理———叠加式力传感器法，设计了系统的主要功能结构、技术要求和技术指标，通过与当前国内外大量使用的静重法标定系统的比较和分析，该新型系统适用于质量法液体流量标准装置的地磅标定，并且在大口径装置方面具有明显的使用价值和优势。
0.引言
质量法液体流量标准装置是目前流量计量领域内主流的液体流量装置，随着社会经济技术的发展，以其冷热兼容、准确度高、快速方便的特点，成为各级计量技术机构及广大用户的首选。质量法液体流量标准装置的主标准器为衡器，为了保证装置量值的稳定可靠，需要定期对衡器进行核查和标定。目前国内外质量法装置衡器的标定，小口径装置多采用人工加载砝码的方式，而大口径装置多采用砝码自动加载系统。现有的砝码自动加载系统，都是采用与衡器等值的砝码进行加载，称为静重法，代表性的有德国联邦物理技术研究院 ( PTB) ，如图 1 和图 2 所示，这种方式建造费用高，占地面积大，加载时操作复杂、效率低，量传也不方便，尤其是使用在大口径液体流量装置的环境下，具有一定的局限性。
本文则提出了一种新型的用于地磅标定的系统———叠加式力传感器法，在原理上符合衡器的量值传递体系，在力学计量领域作为标准测力机已得到普遍的应用，只是在液体流量装置的应用上并无先例。通过技术分析和模型研究，该方法应用在液体流量装置的衡器标定上完全可行，比静重法系统更加简易方便，占地面积大大减小，效率更高，具有很好的实用价值。
1.工作原理和系统结构
1 .1工作原理
叠加式力传感器法的基本原理是: 用一个比被检测力仪准确度高的测力仪作为标准，与被检测力仪受力串联，以液压或机械方式施加载荷，以确定被检测力仪力学性能的测力方法。而本文提出的叠加式力传感器法的衡器标定系统，是采用一个比被标定的衡器准确度高的标准力传感器代替砝码做为标准，将标准力传感器与被标定衡器串联，以液压油缸作为力源，对标准力传感器和被检测衡器同时加载。由于两者受力串联，承受同一载荷，载荷大小由标准力传感器的输出来确定。当输出达到标准力传感器标定的定度值时，所施加的载荷为一标准力值，稳定该力值，记录下被检测衡器的输出。逐级加载和卸载，完成对被检测衡器的标定，标定系统示意图如图 3 所示。
1.2 系统主要组成结构
标定系统的结构主要由标准力传感器、油缸和反向器等组成，如图 4 所示。其中，标准力传感器为系统的计量标准，油缸提供力源，反向器的主要功能是使秤台与标准传感器串联，当油缸加载时同时受力。
作为系统设计的重点，反向器主要由容器底座、反向拉杆、反向器下压板等组成，如图 5 所示。其中，容器底座上平面用于支撑容器，下平面与称台上平面连接，同时设置与反向拉杆连接的安装孔; 反向器下压板通过反向拉杆与容器底座连接，构成一个测试空间，用于对称体 ( 衡器)进行标定。
2.技术分析和技术要求
根据上述叠加式力传感器法衡器标定系统的原理，这种设计在技术上有两个关键点: 一是标定系统的准确度来源于标准力传感器; 二是力源加载过程的稳定性对系统性能影响很大，因此，系统的计量性能主要取决于标准力传感器的性能和液压动力系统的控制精度、速度。
2. 1 标准力传感器
静重法砝码加载系统是以砝码的重力作为标准负荷，砝码既是力源又给出了力值大小。叠加式力传感器法系统则不然，液压油缸作为力发生器仅为力源，力值大小是由标准力传感器确定的，因此，标定系统的准确度是以标准力传感器的计量性能为基础的。
目前国内外质量法液体流量标准装置的衡器，一般选用准确度为 0. 01% ，为了满足量值传递的要求，系统选择某知名品牌的进口力标准传感器，其主要技术指标为:
( 1) 重复性: 0. 003% 。
( 2) 线性误差: 0. 003% 。
( 3) 方位误差: 0. 008% 。
( 4) 滞后误差: 0. 005% 。
( 5) 温度对灵敏度影响: ± 0. 01 /10 K。
6) 温度对零点影响: ± 0. 015 /10 K。
2 .2液压动力控制系统
由于叠加式力传感器法加载和力值分别由力发生器和标准力传感器确定，加载过程是力发生器实施加载，标准力传感器实时确定并指示加载力值。如要达到所需加载力值，标准力传感器必须把加载值反馈给力发生器，以调节加载值的大小。加载调节是一个动态过程，达到所需力值则需要一个稳定时间。如要达到高的力值精度，就需要高的稳定度和尽可能长的稳定时间。这个要求对叠加式力传感器法是一个很关键的问题。但对稳定问题也不要过分苛求，如要求像静重法砝码那样长时间的高稳定度，它不但带来技术上的难度，也会对测量造成负面影响。稳定时间只要满足标准力传感器和被检测衡器的加载响应时间，同时满足采样时间就可以了。
根据上述分析，本系统采用了用两个伺服电机直接驱动两个油泵的差值法液压动力控制系统。
2.2.1控制原理
在理想状态下伺服电动机直接驱动油泵，伺服电动机的转速、转矩，与执行机构所需的压力、流量，通过推导符合以下关系:
需流量成正比。
由此得出只要动态地调整伺服电动机的转矩、转速，就能提供执行机构所需的压力、流量，这就是控制系统的基本原理。
2. 2. 2 解决方案
根据上述理论和分析，采用差值法使两个伺服电机分别控制两个油泵，两个油泵分别控制油缸的进回油，通过两个油泵的转速差决定油缸压力的增减。可以达到以下效果:
( 1) 根据控制要求将液压动力源的流量细分，提高分辨率。
( 2) 使伺服电动机、油泵都在理想的工作区域内运行。
( 3) 将油缸不确定的渗漏控制成相对恒定的渗漏，提供力源控制精度。
3.系统测量误差分析
叠加式力传感器法衡器标定系统的测量误差，基本来源于下列几个方面:
( 1) 机械加工精度 ( 机械结构的传力精度) 。 ( 2) 力发生器 ( 液压油缸) 的加载准确度和稳定性。
( 3) 标准力传感器的准确度。
( 4) 标准力传感器二次仪表的准确度和分辨率。
( 5) 环境因素影响 ( 主要是环境温度影响) 。机械加工精度不够高一般会引起方位误差，如若产生大的重复性误差，对系统是致命的，不允许的。按现在的加工能力和工艺技术水平，可以达到相当高的加工装配精度，只要达到设计的要求，机械结构对传力带来的误差很小，可以不考虑。
液压加载由上述差值法液压动力系统控制，可以准确的施加任一力值，加载稳定度可达到十万分之一，故力发生器的加载误差也可以满足需要。
所选择的标准力传感器，根据多年的使用经验和试验数据，它的年长期稳定性误差一般与重复性误差相当，约为 0. 003% 。因此系统对准确度为 0. 01% 的衡器进行标定是可靠的。
4.结束语
本文所设计的用于液体流量标准装置上衡器标定的系统，是一种新型的以叠加式力传感器法原理为基础的自动控制标定系统。通过上述技术分析可知，能够满足目前国内外质量法液体流量标准装置上衡器标定的需要，并且在以吨为单位的大口径流量装置上，与静重法砝码自动加载系统相比，有以下明显优势: ( 1) 结构简单，成本降低。( 2) 占地面积小，使用方便，工作效率提高。( 3) 满足液体流量装置衡器标定的技术指标，便于进行量值溯源。
因此，本系统具有很好的使用价值和市场前景。
