摘要：采用液壓技術和傳感器技術研制了一種自定位加卸壓力變送器，該裝置能夠代替砝碼快速有效的檢定電子工藝秤、軌道秤和大型電子衡器等，解決了現實中砝碼檢定存在的勞動強度大、運輸成本高、檢定效率低等一系列難題。

目前，國內外電子工藝秤 ､ 軌道秤和大型衡器等的檢定均采用砝碼作為標準器，而該方法在實際使用中存在一些不足。檢定上述裝置需要大量的砝碼，運輸砝碼的成本很高；檢定時，搬運砝碼還要用起重設備，并且需要用到大量的人力 ､ 物力和財力，而且耗時較長，效率低下[1] 。為此必須尋找一種實用 ､可行的檢定校準方法替代現行的檢定方法[1] 。筆者利用液壓技術和傳感器技術，研制了一種能夠代替砝碼檢定電子工藝秤 ､軌道秤和大型電子衡器等的自定位加卸壓力變送器。該裝置的研制解決了采用砝碼檢定存在的一系列問題，具有重要意義。

1 自定位加卸壓力變送器的結構

自定位加卸載機構包括主油缸 ､ 活塞和一個可以實現自定位的承壓板。自定位承壓板放在主油缸下方。高精度載荷測量儀包括標準傳感器和高精度顯示儀表。顯示儀表與傳感器和計算機連接。拉力框架包括鎖緊螺母 ､ 墊塊 ､ 拉桿，拉桿與被檢定裝置的基礎通過其他輔助零件連接。恒載荷控制裝置包括油源機構 ､ 恒載荷控制機構 ､ 帶恒載荷控制軟件的計算機。恒載荷油源機構包括兩個伺服電機和兩個伺服油泵。恒載荷控制機構包括溢流閥 ､ 換向閥和電動截止閥。在被檢定裝置的地基上預埋受拉件 ､ 臺面預留通孔，拉桿與地基預埋件連接，承壓板 ､ 液壓油缸 ､ 標準傳感器 ､ 墊塊均開有中心孔，依次穿過拉桿疊放在被檢定裝置臺面上，墊塊的上端旋入鎖緊螺母用于限位，整套裝置便可對被檢定裝置進行加卸載操作。

2 自定位加卸壓力變送器的工作原理

計算機根據檢定需要設定控制質量值后，恒載荷控制裝置的電動截止閥開通并連接到主油缸的油路。計算機通過標準傳感器顯示儀表采集標準傳感器的實際信號，向第一和第二伺服電機發送速度 ､ 轉矩指令。第一伺服電機控制第一伺服油泵的轉速和轉矩，通過換向閥對主油缸進油；第二伺服電機控制第二伺服油泵的轉速和轉矩，通過換向閥對主油缸回油；第一和第二伺服油泵的轉速差決定主油缸的進退 ､ 壓力和速度。油缸進油后，活塞向上運動做功，由于有鎖緊螺母的定位限制使得標準傳感器受力，油缸的反作用力作用于承壓板上，承壓板放置在被檢定裝置上，其受到向下的載荷。標準傳感器顯示儀表實時將該信號發送到計算機，計算機根據該信號實時向第一和第二伺服電機發送速度 ､ 轉矩指令，如此形成一個閉環控制，直到標準傳感器的受力達到設定質量值下的受力。

3 裝置的自定位調節分析

為了確保測量的準確性，該自定位加卸壓力變送器所加壓力應當是鉛垂的。但是實際應用該裝置進行檢定時不能保證所加壓力是鉛垂的，因此針對不同加載情況進行如下分析。

（1）油缸及高精度載荷測量儀偏離被檢裝置地角拉力環的鉛垂方向。在檢定時，由于無法保證高精度載荷測量儀的標準傳感器所受載荷方向和傳感器的受力軸線一致，所以需要設定自定位承壓板來自動調整。自定位承壓板包括承壓板板體和6 個萬向球軸承，6 個萬向球軸承環繞承壓板中心孔軸線均勻鑲嵌在承壓板板體，用于自動調節承壓方向使標準傳感器受力方向和傳感器的受力軸線一致。主油缸不與承壓板板體直接接觸而是與萬向球軸承的鋼球接觸。當油缸及高精度載荷測量儀偏離地角拉力環方向時，拉桿傾斜，加壓時油缸及上部的高精度載荷測量儀也會隨之傾斜，此時自定位承壓板上的 6 個萬向球軸承高度不一致。由于萬向球軸承可調高度是有限的，通過計算該裝置可調拉桿傾斜程度范圍為 0° ~4°，當拉桿傾斜 4°時，油缸偏離地角拉力環所在軸線位置 28 mm，油缸與 6 個萬向球軸承直接接觸未與承壓板板體接觸。圖 2 所示為油缸偏離地角拉力環鉛垂方向 x 時，油缸相對自定位承壓板的位置及萬向球軸承受力的示意圖，假定此時拉桿傾斜角度為 α 

當自定位加卸壓力變送器加載時，萬向球軸承受力如圖 2所示，其水平分力 F 1 的力矩 W 1 = F ×Sin α × R ，使萬向球軸承球體滾動。此時滾動體給液壓油缸的切向作用力

其中， μ 為摩擦系數。計算得到 F 1 ≤ F f ，因此滾動體沒有在油缸處打滑而是帶動油缸向地角拉力環所在軸線方向移動。上述即為該自定位承壓板實現自定位的原理。該自定位加卸壓力變送器在加載過程中，隨著載荷的增大，萬向球軸承不斷調節油缸及上部高精度載荷測量儀使其向地角拉力環的軸線方向移動（拉桿鉛垂方向）。假設所選萬向球軸承單體載重為 M ，那么自定位機構的 6 個萬向球軸承載重為6 M ，當該裝置加載到 6 Mg/Cos α 時，萬向球軸承的球體被壓到頂端與承壓板高度一致，油缸與承壓板直接接觸，此時加載自定位機構不再自動調節。由于該自定位機構實現自動調節的過程是緩慢的，因此加載過程在能夠實現自定位的載荷范圍應當緩慢，以使整套裝置自定位調節充分。在用該自定位加卸壓力變送器檢定時，應預先緩慢加載使得拉桿與高精度載荷測量儀調整到地角拉力環所在軸線方向（鉛垂方向），后續檢定過程便可根據實際需要直接加載到所需載荷。若油缸及載荷測量儀在地角拉力環軸線位置但傾斜，自定位承壓板如上進行自動調節，直到油缸及載荷測量儀水平，拉桿鉛垂。

（2）載荷測量儀的標準傳感器受到側向力或者受偏離中心位置的鉛垂力。當載荷測量儀的標準傳感器受到如圖 3 所示的偏心力 F 4 或側向力 F 5 時，標準傳感器的 3 組推力關節軸承可以自動調節傳感器的承壓方向，使標準傳感器與被檢定裝置受力一致，保證測量的不確定度。

（3）若被檢定裝置表面傾斜，則該自定位加卸壓力變送器安裝后整套裝置也傾斜，不能保證測量的準確性。由于油缸上裝有水平泡，可以通過觀察水平泡來確定被檢定裝置的表面水平度，如果被檢定裝置表面傾斜，可以通過加調節墊片來實現載荷測量儀和拉力框架受力同軸且垂直。

（4）被檢定裝置表面水平，整套壓力變送器安裝好后，油缸水平泡水平，拉桿與被檢定裝置地角拉力環同軸且鉛垂。載荷測量儀的標準傳感器受力和被檢定裝置的受力一致，可以進行正常檢定。

4 自定位加卸壓力變送器的技術指標

（1）該自定位加卸壓力變送器的測量范圍為400~25 000 kg；

（2）該自定位加卸壓力變送器的質量測量精度優于0.02%；

（3）恒載荷控制裝置的負荷波動性（力源穩定度）為0.005%/30 min；

（4）恒載荷控制裝置的每級加卸載時間 <30 s；

（5）恒載荷控制裝置的力值穩定保持時間 >1 h；

（6）年穩定性。

5 采用自定位加卸壓力變送器與砝碼的偏載測試

自定位加卸壓力變送器的高精度測力儀通過質量量傳體系進行標定和檢定后，用該自定位加卸壓力變送器和砝碼分別對同一臺檢定合格的固定式電子衡器進行偏載測試。試驗基本步驟如下：

（1）采用標準砝碼標定衡器后 ､ 檢定衡器；

（2）采用裝置檢定衡器；

（3）采用裝置重新標定衡器后，再次檢定；

（4）采用標準砝碼再次檢定衡器。

圖 4 所示為利用自定位加卸壓力變送器對 100 噸固定式電子衡器的位置 1 進行偏載測試的示意圖。

6 實驗數據

利用該自定位加卸壓力變送器對標準砝碼檢定合格的 6 噸和 10 噸固定式電子衡器進行偏載實驗。表 1、2 分別為標準砝碼和自定位加卸壓力變送器對 6 噸、100 噸固定式電子衡器的偏載實驗結果。

7 實驗結果分析

（1）對于 6 噸的固定式電子衡器，采用砝碼標定后，檢定較大誤差為 0.8 kg，采用裝置檢定較大誤差為 1.2 kg；采用裝置標定后 ､ 檢定較大誤差為 1.4 kg，采用砝碼檢定較大誤差為 1.4 kg；對于同一位置，用砝碼和裝置檢定較大相差 1.2kg，較小相差 0.6 kg。

（2）對于100噸固定式電子衡器，采用砝碼標定后､檢定較大誤差為 20 kg，采用裝置檢定較大誤差為 25 kg；采用裝置標定后 ､ 檢定較大誤差為 20 kg，采用砝碼檢定較大誤差為 20 kg；對于同一位置，用砝碼和裝置檢定較大相差 10 kg，較小相差 5 kg。

（3）通過實驗對比發現，該裝置滿足中準確度 ､ 普通準確度衡器的檢定要求[2] ，可以代替砝碼進行加卸載，這將解決以往檢定電子衡器砝碼搬運困難 ､ 成本高 ､ 勞動強度大 ､ 檢定效率低等一系列難題，對于電子衡器的檢定具有重要的意義。

8 結論

本文所述自定位加卸壓力變送器加卸荷穩定 ､ 精度較高，采用恒載荷控制裝置能夠實現任意載荷的加卸荷控制，并且可以通過計算機自動控制，為電子工藝秤 ､ 軌道秤和大型電子衡器的檢定提供了便捷的壓力變送器，研發了新的檢定方法，具有重要意義。