稱重系統校準裝置的技術研究與分析

楊偉旗，徐東華，楊會濤，張智鈞

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300452）

0 引言

海洋石油工程股份有限公司（以下簡稱“公司”）現有的大型海洋工程結構物稱重系統具有兩種測量模式，即壓力傳感器模式和重量傳感器模式，目前國內僅能對傳感器本身進行實驗室檢定，對整個系統的測量準確性不能進行檢驗。本課題研究了一種可靠的方法，既能對傳感器本身進行檢定，也能完成整個稱重系統的檢定工作，以填補國內技術空白。

1 海洋工程結構物稱重系統的構成

（1）工作原理。用一個（組）比被檢定、校準測力儀準確度高的標準測力儀作為參考標準，與被檢測力儀串聯，以液壓方式施加力值的力標準機。工作時，液壓伺服控制裝置通過伺服電機直接驅動油泵給油缸增壓，活塞移動使標準測力儀與被檢測力儀同時受力，測力儀輸出信號由標準儀表和被檢儀表采集發送給控制計算機，通過高速自適應PID 算法把信號發送給控制器。控制器動態調整伺服電機和伺服油泵的轉速、轉矩來實現加載值的快速逼近并達到標準值。控制系統自動采集并記錄被檢測力儀的輸出值，逐點完成檢測。

圖1 校準裝置設計原理

（2）安裝方式。該系統由多個獨立的動力裝置（千斤頂同步頂升系統）和測量裝置（重量傳感器+信號放大器+線纜+讀數裝置）組成，測量裝置（重量傳感器及其附件）安裝于力源裝置千斤頂柱塞上方，采用串行安裝方式（圖2），用于海洋工程結構物的重量測量。

2 基本技術指標設定

（1）由動力裝置和測量裝置組成的稱重系統是一相對獨立的系統，測量裝置的傳感器的信號均能夠單獨采樣、顯示和遠程傳輸（稱重系統中液壓千斤頂和重量傳感器的安裝要求見圖2）。

圖2 安裝方式示意

（2）稱重系統的測量準確度等級為ISO 19901-5—2016 A 級（ISO 7500-1—2004 1 級），故校準裝置應滿足ISO 376/0.5 級。

（3）稱重系統的測量不確定度主要由測量裝置（重量傳感器、信號放大器及指示器）和動力裝置（同步頂升千斤頂系統）的各項標準不確定度構成。

3 校準裝置設計

3.1 測量裝置

ISO 376—2004《單軸試驗機檢驗用測力儀的校準》標準0.5級，技術指標要求：

示值誤差：≤±0.05%

重復性：≤0.05%

進回程差：≤0.15%

回零差：≤±0.025%

復現性（方位誤差）：≤0.10%

3.2 動力裝置

ISO 7500-1—2004《拉/壓力試驗機力測量裝置的檢驗和校準》標準0.5 級，技術指標要求：

力源裝置試驗力保持時間：≥30 s

30 s 內試驗力示值的變動范圍：0.1%～0.2%

30 min 內試驗力示值的變動范圍：0.2%～0.5%

重復性：≤0.5%

鑒別力：0.25%

3.3 測量系統

根據ISO 7500-1—2004《拉/壓力試驗機力測量裝置的檢驗和校準》標準，1 級的技術指標要求：

示值誤差：≤±1.0%

重復性：≤1.0%

進回程差：≤±1.5%

回零差：≤±0.1%

鑒別力：0.1%

負荷波動性：每30 s 波動0.1%～0.2%；每30 min 波動0.2%～0.5%

在設計探究活動時建議增加一個標題，用標題概括該活動的探究主題。同時，要寫明該活動需研究的問題，圍繞標題逐層設問，讓學生的探究更加連貫和深入。

3.4 信號處理裝置關鍵參數

數據刷新速率：≥25 次/s

準確度等級：0.1 級

輸出信號：4～20 mA

輸入電源電壓：17～36 VDC

傳感器激勵電源：5 VDC

傳感器靈敏度范圍：0.75～3.5 mV/V

輸出端開路電壓：12.5 VDC±0.5 VDC

零點溫度漂移：＜±0.1/10 ℃/%FS

量程溫度漂移：＜100×10-6/℃

負載阻抗：＜500 Ω

使用溫度范圍：-20～60 ℃

存貯溫度范圍：-40～85 ℃

電源電壓具有反接保護功能，反向保護電壓：≤40 V。

4 校準方法

4.1 測量裝置的檢定

在實驗室環境中，用一臺“0.05 級5 MN 力標準機”對所有測量裝置（重量/力傳感器+線纜+信號放大器+指示器）進行檢定，檢定結果應符合ISO 376/0.5 級的要求；采用的國家計量檢定規程JJG 144—2007《標準測力儀檢定規程》（0.1 級），檢定合格出具“國家計量檢定證書”。

4.2 動力裝置的檢驗

在實驗室環境中，需用一臺“0.1 級5 MN 千斤頂檢定裝置”，對液壓千斤頂及動力系統組成的力源裝置進行檢驗，檢驗力源裝置的鑒別力、30 s/30 min 負荷波動性、重復性等指標，參照國家計量檢定規程JJG 139—1999《拉力、壓力和萬能試驗機檢定規程》（0.5 級），檢驗合格后可出具“檢驗合格證書”。

4.3 檢測系統（動力裝置和測量裝置組合）的校準

在實驗室環境中，需用一臺“0.1 級5 MN 千斤頂檢定裝置”，對稱重系統（動力裝置和測量裝置組合）進行檢定，檢定結果應符合ISO 7500-1—2004（1 級）的要求。采用的國家計量檢定規程JJG 139—1999（1 級），檢定合格出具“國家計量校準證書”。

5 校準裝置的維護

（1）測量裝置的檢定。包括由力傳感器、信號放大器等組成的測量裝置，檢定/校準有效期不超過12 個月（依據JJG 144—2007），日常維護應符合CNAS 實驗室管理程序。

（2）動力裝置的檢驗。包括液壓千斤頂及動力系統組成的力源裝置，需進行首次校準（依據JJG 139—1999），日常維護應符合CNAS 實驗室管理程序。

（3）稱重系統的校準。稱重系統（動力裝置和測量裝置組合）的校準有效期不超過6 個月（依據ISO 19901-5/A 級，日常維護應符合CNAS 實驗室管理程序。