电动独立加码静重式力标准机监控方法

　　1　引　言

　　以砝码重力为力源的标准力源(静重式力标准机)是力值计量领域迄今为止力值准确度最高的力源装置,据此原理工作的力标准机广泛作为力的基准和标准使用[1-2]。经济和科技发展对这种标准力源的性能要求越来越高,包括高精度、高效率和操作方便等。传统的静重式标准力源技术与装置已经难以适应这种需求了。为此,一种以提高性能为目的的电动独立加码式标准力源技术被提出来[3],作为新型自动化精密计量仪器,它具有高效、高精度、力值范围宽、结构简单和操作使用方便等特点。当然,其工作性能很大程度上取决于机器的控制性能,本文研究这种标准力源技术装置的监控问题。

　　2　工作原理与结构组成

　　静重式力标准机是根据力的动力效应,直接利用已知质量砝码的重力来复现基准力值的[1]。根据牛顿第二定律,并考虑空气浮力的影响,质量为m的砝码在空气中的重力f为:

　　式中:g-砝码所在地的重力加速度;ρa-砝码所在地的空气密度;ρW-砝码材料的密度。

　　静重式力标准机在结构上,将砝码的重力通过力反向器加到被检测力仪上,如图1所示。机架3与反向器1之间的上部空间为压空间,下部空间为拉空间,分别用于检定压、拉式测力仪。通过反向器下部的承载吊杆(通常称吊挂)对被检测力仪施加重力砝码,根据式(1),只要知道所挂砝码的质量,便可计算出作用于被检测力仪的力。根据不同测力仪检测要求[4],按照一定规则对被检测力仪施加不同质量的砝码,即可实现对被检测力仪的检测。由于砝码质量可以通过高精度天平标定,重力加速度和密度都是常数,所以只要力标准机的机械结构、加卸砝码的方式合理,静重式力标准机可以达到很高的力值不确定度,目前国家基准机的力值准确度可达0·002%[2,4]。因此,机械结构和加卸砝码的方式是保证力标准机工作性能的关键问题之一。

　　静重式力标准机独立加码方法[3],是通过单独的驱动机构执行每一块砝码独立的加卸动作,可以使机器上的砝码任意组合,单独或者成组地同时对被检测力仪施加作用力。由于独立动作,加卸砝码的运动、位移和速度可以实施必要的控制,从而最大限度满足各种被检测力仪或称重传感器不同负荷特性试验对负荷级数、加荷速度、加荷方式等的需求。独立加码方法的结构原理见图2。由电动机驱动偏心轮构成的凸轮机构转动,带动托架做升降运动,托架上放置砝码,从而当托架升降时,砝码随之升降,实现砝码往吊挂上的加卸动作。

　　凸轮使托架连同砝码处于最上部时,两侧的托架把砝码支撑住,具有自锁功能的传动机构在无动力输入时,使砝码处于固定位置,吊挂则处于自由状态,其上的托盘与砝码之间有一初始距离(h)。当电动机驱动凸轮机构转动,带动托架向下运动,托架上放置的砝码随之下降,直到砝码与吊挂上的托盘接触并被托住。随后托架继续向下运动,直至最底端位置,完成一个加砝码的过程。托架的这一空行程理论值为:托架的最大升降距离(H)的一半,加上托盘与砝码之间的初始距离h。托架的这一空行程越大,越有利于防止吊挂与砝码之间和砝码与砝码之间产生刮碰现象。因被检测力仪及其它构件受力变形,使两块砝码之间以及吊挂托盘与砝码之间的初始距离h减小,因而该空行程值减小。所以,该空行程的最小值不应小于上述变形值;电动机驱动凸轮机构转动,带动托架向上运动,直到托架与放置在吊挂上的砝码接触并把砝码托起。随后托架带动砝码继续向上运动直至最顶端位置,完成一个卸砝码的过程。托架从吊挂上托起砝码之前的这一行程理论值与上述加砝码过程中托架脱离砝码向下运动的空行程相同。