F2等级大质量砝码标准装置现场检测移动实验室的应用*

蔡 艳 王志平 闫立新

(1.内蒙古工业大学，呼和浩特 010051；2.内蒙古自治区计量测试研究院，呼和浩特 010020)



F2等级大质量砝码标准装置现场检测移动实验室的应用*

蔡 艳1,2王志平2闫立新2

(1.内蒙古工业大学，呼和浩特 010051；2.内蒙古自治区计量测试研究院，呼和浩特 010020)

对大质量砝码量值溯源困难原因进行分析，提出了F2等级大质量砝码标准装置移动实验室，详细介绍了该移动实验室的基本原理及构成，并且进行了不确定度评定，突出了该移动实验室的优点，有效地保证了M1等级大质量砝码量值的统一和计量数据的准确可靠。

砝码；移动实验室；原理；构成；不确定度

0 引言

目前，大质量砝码的量值溯源存在很大的困难，致使无法保证大质量量值的统一和计量数据的准确可靠。造成溯源困难的原因主要有以下几点：一是建立大质量砝码标准装置所需的大质量比较仪价格昂贵，实验室需要配备大型桥式起重设备辅助检定工作，这样的标准装置和设备对于大多数计量技术机构来说是无法满足的;二是距离建有该项最高标准的计量技术机构路途遥远，送检困难，仅运输费用就高于检定费用的几倍之多;三是携带便携式大质量比较仪赴现场检定时，比较仪的安全运输和使用环境要求无法满足，并且在进行检定工作时也无法提供合适的起吊设备。

因此，本文提出了一种科学、实用的用于现场检测的计量装备——F2等级大质量砝码标准装置移动实验室，可以使以上问题迎刃而解。该移动实验室由内蒙古自治区计量测试研究院成功研制，在国内属首创，已取得了多项创新成果，填补了国内大质量计量检测在这一领域的空白。

1 国内外发展现状

随着科学技术的高速发展和应用水平的不断提高，计量检测装备逐渐向融合计算机、微电子、自动控制和信息处理等多项机电技术方向发展。关于大型计量标准的在线检定和检定装置的研究开发，历来是计量技术研究的重要课题。在国内检测装备领域，用于其他项目检测的移动检测实验室种类很多，如热工、电磁、光学计量器具移动检测实验室，环境检测方面移动实验室、食品检测移动实验室等，这些移动实验室机动性强、反应迅速而深受用户青睐。然而，在国内市场还没有厂家生产能用于现场检测大质量砝码的移动检测实验室。国外虽然有同类型大质量砝码移动实验室，但是只能检测500kg、1000kg砝码，并且费用高昂。

2 基本原理

F2等级大质量砝码标准装置移动实验室由小型货运卡车改装而成，将现代最新称重技术和工程车技术相结合，把建立在原固定实验室的F2等级大质量砝码标准装置的全部功能复制到性能优良的小型卡车底盘上，以厢式货车的形式把固定实验室的功能延伸到需要的任何地方。

3 移动实验室构成

该移动实验室主要由F2等级大质量砝码标准装置、自充式气囊保护装置、自动调平装置、起吊装置、数据采集与处理系统组成(框架如图1所示)。

图1 总体框架

3.1 标准装置

该标准装置由一套F2等级大质量砝码(2块标称值为500kg的砝码)为主标准器和配套设备大质量比较仪组成，用于检定M1等级及以下500kg、1000kg大质量砝码，检定时采用AB1…BnA测量循环。通常，被检砝码的个数不能超过5个，最少测量循环次数为1次。

3.2 自充式气囊保护装置

该实验室需搭载高精密计量仪器——大质量比较仪，对运输条件有很高的要求。传统的方式是在运输过程中将其拆分、包装以达到保护目的，到达现场重新组装开展检定工作。另外，拆分、组装以及运输时的颠簸都会对比较仪造成物理损坏，导致比较仪的测量精度难以保证。该保护装置不仅能够为大质量比较仪的运输提供安全可靠的防护，而且到达检定现场后又能方便快捷的使比较仪正常工作，提高了工作效率，节约了人力物力(结构如图2所示)。

1.大质量比较仪；2.底座；3.气囊；4.减震限位；5.工作平台图2 自充式气囊保护装置结构

3.3 自动调平装置

大质量比较仪对使用环境有很高的要求，需要在平整、稳固并具有良好的刚性条件下运行。研究设计的自动调平装置，解决了检定场地不平和路基不实带来的问题，平均每次可节约一小时左右的时间，为比较仪提供了所需的工作条件。通过自动调平装置可以使整车达到相对水平，为移动实验室上大质量比较仪的水平调节提供基础(结构如图3所示)。

1.支撑腿；2.自动调评仪；3.水平传感器图3 自动调平系统

3.4 起吊装置

该实验室主要用来检定M1等级大质量砝码，所以进行检定校准工作时需要配备安全可靠的起吊装置。传统起吊设备如汽车吊、龙门吊、叉车等，在加载大质量砝码到大质量比较仪时，往往会带来很大的冲击，造成测量误差增大或者损坏测量仪器。该实验室专门配置的精密起吊设备——电动葫芦解决了上述问题，并且具有速度可控性好，装置设备简易可行，安全高效的特点。该电动葫芦设备可以在实验室内或伸出车厢体外1.2m自由移动起吊砝码，吊装架一端设置一根辅助支架，可以支撑大质量砝码的平稳吊运(如图4所示)。

1.辅助支架；2.电动葫芦；3.吊装架纵梁；4.吊装架横梁图4 吊装架结构

3.5 数据自动采集处理系统

砝码检定系统由大质量比较仪、计算机、接口电路组成，计算机对砝码的检定数据进行自动采集和处理，实现检定过程的微控制。大质量比较仪将砝码检定数据通过自带的9针串口输出端，与上位计算机进行串行数据通信，实时传送测量数据。砝码检定数据自动采集与处理系统将读取标准砝码和被检砝码的质量值，并按照《砝码检定规程》的规定进行处理、存储和分析，实现数据的实时动态显示，最后由上位计算机输出检定结果报告并打印。该系统完全利用串行通信原理实现检定数据的自动采集与处理功能，无需人员进行读数和数据处理的工作，减轻了人员的劳动强度，提高了工作效率。

4 不确定度分量评定

4.1 数学模型

式中：mct为被测大质量砝码质量；mcr为标准大质量砝码质量；Vt为被测大质量砝码体积；Vr为标准大质量砝码体积；ρa为空气密度实测值；ρ0为约定空气密度为1.2kg/m3；ΔI为被检大质量砝码与标准大质量砝码的质量差；ms为测量天平分度值时所添加标准小砝码的折算质量值；ΔIs为添加灵敏度小砝码而引起的天平示值变化。

4.2 测量重复性引入的不确定度

在重复性条件下，选用M1等级1000kg砝码连续测量10次，得到如下测量列：1000.002，1000.004，1000.004，1000.000，1000.002，1000.006，1000.002，1000.000，1000.002，1000.002kg。由贝塞尔公式，计算实验标准偏差s=0.0018kg，则测量重复性不确定度分量为：uw=s=1.8g

4.3 标准砝码引入的不确定度

4.4 空气浮力引入的不确定度

对于M1等级大质量大砝码，由空气浮力修正引起的不确定度可忽略。标准大质量砝码为不锈钢材料，其密度为7850kg/m3，被检大质量砝码为铸铁材料，其密度为7700kg/m3，空气密度ρa控制在ρ0±0.12mg/cm3，按均匀分布计算，因此，空气浮力引入的不确定度分量为：

4.5 大质量比较仪的不确定度

大质量比较仪的不确定度由灵敏度、分辨力、偏载等分量合成。

4.5.1 灵敏度引起的不确定度

选用E2等级砝码为检定质量比较仪时所用的灵敏度砝码，依据《砝码检定规程》：

4.5.2 分辨力引起的不确定度

由于大质量比较仪的实际分度值为d=2g，则分辨力引入的不确定度分量为：

4.5.3 偏载引起的不确定度

在大部分情况下，偏载引入的不确定度通常被检定过程中的测量重复性的不确定度所覆盖，可忽略不计。

由上述分析得出，大质量比较仪的不确定度为：

4.6 合成标准不确定度

根据JJG99—2006《砝码》衡量仪器的合成标准不确定度是由重复性、灵敏度、分辨力、偏载等合成，所以大质量比较仪的合成标准不确定度为：

4.7 扩展不确定度

通常采用覆盖因子k=2，则被检砝码的扩展不确定度为：U=k×uc=9g。

4.8 符合性说明

经试验及评定，该移动实验室的标准装置对M1等级1000kg砝码测量结果的扩展不确定度小于其最大允许误差绝对值的1/3，并且大质量比较仪的合成标准不确定度也小于该砝码最大允差绝对值的1/9，均满足JJG 99—2006《砝码》计量性能及衡量仪器的要求，可以对M1等级及以下大质量砝码进行检定。

5 小结

F2等级大质量砝码标准装置移动实验室有别于传统实验室，所设计的结构组成彻底解决了大质量砝码检定工作中存在的“赴现场难、吊装难、检不准”等技术难题，并且具有极高的测量重复性，大大提高了测量准确度。使用M1等级砝码的基层计量技术机构和企业不需要到法定计量技术机构送检，为客户节省了大量人力物力和运输费用；移动实验室专门配制了精密的起吊装置，不需要用户额外提供吊装等辅助设备，提高了检测效率；变被动服务为主动服务，解决了使用单位因送检造成的不能按照规定周期溯源的困难。有效地保证了M1等级大质量砝码量值的统一和计量数据的准确可靠，保障了国家质量量传体系的完整，可以很好地为经济发展提供技术支撑。该移动实验室深受广大客户的喜爱与认可，作为计量标准装备可以在全国广泛推广应用，经济效益与社会效益非常可观。

[1] JJG 1326—2011质量比较仪校准规范[S]

[2] JJG 99—2006砝码检定规程[S]

[3] JJF 1059.1—2012测量不确定度评定与表示[S]

[4] 阚小妹,刘国华.电子天平的砝码自动检定系统设计.计量技术,2006(6)

[5] 岑春波.智能式电子称重系统.计量技术,1996(2)

*国家质检总局科技计划项目(2012QK218)

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.06.02