摘要：采用液压技术和传感器技术研制了一种自定位加卸压力变送器，该装置能够代替砝码快速有效的检定电子工艺秤、轨道秤和大型电子衡器等，解决了现实中砝码检定存在的劳动强度大、运输成本高、检定效率低等一系列难题。

目前，国内外电子工艺秤 ､ 轨道秤和大型衡器等的检定均采用砝码作为标准器，而该方法在实际使用中存在一些不足。检定上述装置需要大量的砝码，运输砝码的成本很高；检定时，搬运砝码还要用起重设备，并且需要用到大量的人力 ､ 物力和财力，而且耗时较长，效率低下[1] 。为此必须寻找一种实用 ､可行的检定校准方法替代现行的检定方法[1] 。笔者利用液压技术和传感器技术，研制了一种能够代替砝码检定电子工艺秤 ､轨道秤和大型电子衡器等的自定位加卸压力变送器。该装置的研制解决了采用砝码检定存在的一系列问题，具有重要意义。

1 自定位加卸压力变送器的结构

自定位加卸载机构包括主油缸 ､ 活塞和一个可以实现自定位的承压板。自定位承压板放在主油缸下方。高精度载荷测量仪包括标准传感器和高精度显示仪表。显示仪表与传感器和计算机连接。拉力框架包括锁紧螺母 ､ 垫块 ､ 拉杆，拉杆与被检定装置的基础通过其他辅助零件连接。恒载荷控制装置包括油源机构 ､ 恒载荷控制机构 ､ 带恒载荷控制软件的计算机。恒载荷油源机构包括两个伺服电机和两个伺服油泵。恒载荷控制机构包括溢流阀 ､ 换向阀和电动截止阀。在被检定装置的地基上预埋受拉件 ､ 台面预留通孔，拉杆与地基预埋件连接，承压板 ､ 液压油缸 ､ 标准传感器 ､ 垫块均开有中心孔，依次穿过拉杆叠放在被检定装置台面上，垫块的上端旋入锁紧螺母用于限位，整套装置便可对被检定装置进行加卸载操作。

2 自定位加卸压力变送器的工作原理

计算机根据检定需要设定控制质量值后，恒载荷控制装置的电动截止阀开通并连接到主油缸的油路。计算机通过标准传感器显示仪表采集标准传感器的实际信号，向第一和第二伺服电机发送速度 ､ 转矩指令。第一伺服电机控制第一伺服油泵的转速和转矩，通过换向阀对主油缸进油；第二伺服电机控制第二伺服油泵的转速和转矩，通过换向阀对主油缸回油；第一和第二伺服油泵的转速差决定主油缸的进退 ､ 压力和速度。油缸进油后，活塞向上运动做功，由于有锁紧螺母的定位限制使得标准传感器受力，油缸的反作用力作用于承压板上，承压板放置在被检定装置上，其受到向下的载荷。标准传感器显示仪表实时将该信号发送到计算机，计算机根据该信号实时向第一和第二伺服电机发送速度 ､ 转矩指令，如此形成一个闭环控制，直到标准传感器的受力达到设定质量值下的受力。

3 装置的自定位调节分析

为了确保测量的准确性，该自定位加卸压力变送器所加压力应当是铅垂的。但是实际应用该装置进行检定时不能保证所加压力是铅垂的，因此针对不同加载情况进行如下分析。

（1）油缸及高精度载荷测量仪偏离被检装置地角拉力环的铅垂方向。在检定时，由于无法保证高精度载荷测量仪的标准传感器所受载荷方向和传感器的受力轴线一致，所以需要设定自定位承压板来自动调整。自定位承压板包括承压板板体和6 个万向球轴承，6 个万向球轴承环绕承压板中心孔轴线均匀镶嵌在承压板板体，用于自动调节承压方向使标准传感器受力方向和传感器的受力轴线一致。主油缸不与承压板板体直接接触而是与万向球轴承的钢球接触。当油缸及高精度载荷测量仪偏离地角拉力环方向时，拉杆倾斜，加压时油缸及上部的高精度载荷测量仪也会随之倾斜，此时自定位承压板上的 6 个万向球轴承高度不一致。由于万向球轴承可调高度是有限的，通过计算该装置可调拉杆倾斜程度范围为 0° ~4°，当拉杆倾斜 4°时，油缸偏离地角拉力环所在轴线位置 28 mm，油缸与 6 个万向球轴承直接接触未与承压板板体接触。图 2 所示为油缸偏离地角拉力环铅垂方向 x 时，油缸相对自定位承压板的位置及万向球轴承受力的示意图，假定此时拉杆倾斜角度为 α 

当自定位加卸压力变送器加载时，万向球轴承受力如图 2所示，其水平分力 F 1 的力矩 W 1 = F ×Sin α × R ，使万向球轴承球体滚动。此时滚动体给液压油缸的切向作用力

其中， μ 为摩擦系数。计算得到 F 1 ≤ F f ，因此滚动体没有在油缸处打滑而是带动油缸向地角拉力环所在轴线方向移动。上述即为该自定位承压板实现自定位的原理。该自定位加卸压力变送器在加载过程中，随着载荷的增大，万向球轴承不断调节油缸及上部高精度载荷测量仪使其向地角拉力环的轴线方向移动（拉杆铅垂方向）。假设所选万向球轴承单体载重为 M ，那么自定位机构的 6 个万向球轴承载重为6 M ，当该装置加载到 6 Mg/Cos α 时，万向球轴承的球体被压到顶端与承压板高度一致，油缸与承压板直接接触，此时加载自定位机构不再自动调节。由于该自定位机构实现自动调节的过程是缓慢的，因此加载过程在能够实现自定位的载荷范围应当缓慢，以使整套装置自定位调节充分。在用该自定位加卸压力变送器检定时，应预先缓慢加载使得拉杆与高精度载荷测量仪调整到地角拉力环所在轴线方向（铅垂方向），后续检定过程便可根据实际需要直接加载到所需载荷。若油缸及载荷测量仪在地角拉力环轴线位置但倾斜，自定位承压板如上进行自动调节，直到油缸及载荷测量仪水平，拉杆铅垂。

（2）载荷测量仪的标准传感器受到侧向力或者受偏离中心位置的铅垂力。当载荷测量仪的标准传感器受到如图 3 所示的偏心力 F 4 或侧向力 F 5 时，标准传感器的 3 组推力关节轴承可以自动调节传感器的承压方向，使标准传感器与被检定装置受力一致，保证测量的不确定度。

（3）若被检定装置表面倾斜，则该自定位加卸压力变送器安装后整套装置也倾斜，不能保证测量的准确性。由于油缸上装有水平泡，可以通过观察水平泡来确定被检定装置的表面水平度，如果被检定装置表面倾斜，可以通过加调节垫片来实现载荷测量仪和拉力框架受力同轴且垂直。

（4）被检定装置表面水平，整套压力变送器安装好后，油缸水平泡水平，拉杆与被检定装置地角拉力环同轴且铅垂。载荷测量仪的标准传感器受力和被检定装置的受力一致，可以进行正常检定。

4 自定位加卸压力变送器的技术指标

（1）该自定位加卸压力变送器的测量范围为400~25 000 kg；

（2）该自定位加卸压力变送器的质量测量精度优于0.02%；

（3）恒载荷控制装置的负荷波动性（力源稳定度）为0.005%/30 min；

（4）恒载荷控制装置的每级加卸载时间 <30 s；

（5）恒载荷控制装置的力值稳定保持时间 >1 h；

（6）年稳定性。

5 采用自定位加卸压力变送器与砝码的偏载测试

自定位加卸压力变送器的高精度测力仪通过质量量传体系进行标定和检定后，用该自定位加卸压力变送器和砝码分别对同一台检定合格的固定式电子衡器进行偏载测试。试验基本步骤如下：

（1）采用标准砝码标定衡器后 ､ 检定衡器；

（2）采用装置检定衡器；

（3）采用装置重新标定衡器后，再次检定；

（4）采用标准砝码再次检定衡器。

图 4 所示为利用自定位加卸压力变送器对 100 吨固定式电子衡器的位置 1 进行偏载测试的示意图。

6 实验数据

利用该自定位加卸压力变送器对标准砝码检定合格的 6 吨和 10 吨固定式电子衡器进行偏载实验。表 1、2 分别为标准砝码和自定位加卸压力变送器对 6 吨、100 吨固定式电子衡器的偏载实验结果。

7 实验结果分析

（1）对于 6 吨的固定式电子衡器，采用砝码标定后，检定较大误差为 0.8 kg，采用装置检定较大误差为 1.2 kg；采用装置标定后 ､ 检定较大误差为 1.4 kg，采用砝码检定较大误差为 1.4 kg；对于同一位置，用砝码和装置检定较大相差 1.2kg，较小相差 0.6 kg。

（2）对于100吨固定式电子衡器，采用砝码标定后､检定较大误差为 20 kg，采用装置检定较大误差为 25 kg；采用装置标定后 ､ 检定较大误差为 20 kg，采用砝码检定较大误差为 20 kg；对于同一位置，用砝码和装置检定较大相差 10 kg，较小相差 5 kg。

（3）通过实验对比发现，该装置满足中准确度 ､ 普通准确度衡器的检定要求[2] ，可以代替砝码进行加卸载，这将解决以往检定电子衡器砝码搬运困难 ､ 成本高 ､ 劳动强度大 ､ 检定效率低等一系列难题，对于电子衡器的检定具有重要的意义。

8 结论

本文所述自定位加卸压力变送器加卸荷稳定 ､ 精度较高，采用恒载荷控制装置能够实现任意载荷的加卸荷控制，并且可以通过计算机自动控制，为电子工艺秤 ､ 轨道秤和大型电子衡器的检定提供了便捷的压力变送器，研发了新的检定方法，具有重要意义。