材料试验机检定装置的技术升级

随着生产规模的扩大及检化验设备技术的发展, 检化验设备的精度等级、自动化程度越来越高, 实现智能化, 信息化。

现场原有检定装置为0.3级, 不但精度低, 且技术落后, 其测力结构采用的是弹簧管变形式, 百分表显示变形示值, 显而易见, 不但操作复杂, 检定效率低, 且极容易出安全事故, 已无法完全满足生产线上高精度检验设备的现场检定/校准需求。

本次技术升级实现检化验设备量值溯源的有效性、实时性、合法性, 对确保宝武集团韶关钢铁 (全文简称韶钢) 产品质量, 以及质量认证、计量认证等质量相关活动具有重要意义。

1 主要内容

韶钢最高标准—材料试验机检定装置已无法满足现有材料试验机的周期检定及日常运行检查工作。技术升级改造方案设计, 将原检定装置的准确度等级由0.3级提高到0.1级, 满足韶钢公司所有材料试验机检定要求, 确保韶钢产品物理检验数据的合法性, 准确性, 满足各种质量认证需求。升级后装置技术研究, 设备运行各项技术参数研究, 测量结果不确定度评定及验证。

2 需解决的问题

1) 材料试验机检定装置的现场运行调试, 符合0.1级准确度等级技术要求。

2) 升级后装置的测量重复性技术研究。

3) 升级后装置的测量稳定性技术研究。

4) 测量结果不确定度的评定、验证。

5) 按新建计量标准, 撰写韶钢最高计量标准技术报告。

3 采用的方法

3.1 升级后装置工作原理

采用比较法检定材料试验机。检定材料试验机时, 通过比较标准测力仪与被检材料试验机的示值, 计算出被检材料试验机的示值相对误差, 重复性相对误差, 示值进回程相对误差等。

3.2 方案设计, 标准设备组成

主要由型号为LC-3, 量程分别为100kN、300kN、600 kN、1 000 kN、2 000 kN的标准测力仪以及声级计、水平仪及同轴度测量仪等组成。

3.3 主要技术指标

0.1级, 测量范围 (0.6～2 000.0) kN。示值误差优于±0.1%, 重复性不大于0.1%, 回零差优于±0.05%FS。

3.4 计量标准的量值溯源和传递框图 (见图1)

图1 计量标准的量值溯源和传递框图  

3.5 计量标准的重复性试验

选取1台0.5级最大试验力为1 000 kN的试验机, 以1 000 k N量程的20% (即200 kN) 作为测量点, 连续测量10次, 得到测量列如表1所示。

表1 200 kN测量点连续10次重复性实验结果kN  

其算术平均值:

单次实验标准差:

另外, 选择2台同类型试验机, 在重复性条件下, 用同样测量方法, 共得到三组测量列, 汇总见表2。

表2 检测点力值为200 kN下三组实验标准差计算结果

合并样本标准差为:实际测量中, 在重复性条件下连续测量3次, 以3次测量值的算术平均值作为测量结果, 可得到:

由于该组重复性数据即为测量不确定度评定中使用的测量重复性数据, 故标准装置的测量重复性满足要求。

3.6 计量标准的稳定性考核

对于升级的主标准器具, 根据JJF 1033—2008要求, 按新建计量标准稳定性考核方法进行考核, 稳定性考核记录见表3。

考核记录表中, 四组测量结果中的最大值和最小值之差, 即为新建计量标准在该时间段内的稳定性, 其值小于计量标准的最大允许误差的绝对值, 所以稳定性考核合格。

3.7 测量结果不确定度的分析与评定 (0.5级材料试验机)

3.7.1 测量依据及方法

1) 测量依据。依据JJG 139—1999《拉力、压力和万能试验机》检定规程, 材料试验机测力系统的示值相对误差是测量的最主要技术参数。检定0.5级材料试验机, 使用0.1级的标准测力仪;检定1、2级的材料试验机, 使用0.3级的标准测力仪。标准测力仪应符合计量检定规程JJG 144—2007《标准测力仪》的要求。

表3 材料试验机检定装置的稳定性考核记录  

2) 测量方法。在规定的环境条件下, 通过试验机施加负荷使标准测力仪产生弹性体变形, 应变式标准测力仪把力的信号转换为电信号, 由指示器读取。试验机示值的算术平均值与标准测力仪上的标准力值之差即为试验机的示值误差。以0.1级标准测力仪检定0.5级材料试验机 (量程1 000 kN, 测量点20%量程) 为例, 对其测量不确定度进行分析与评定。

3.7.2 测量结果不确定度的主要来源

测量重复性、测试人员的读数误差、标准测力仪校准/检定时的测量不确定度、标准测力仪的长期稳定度带来的影响、标准测力仪的数字示值分辨力引进的误差。

3.7.3 数学模型

根据JJG 139—1999《拉力、压力和万能试验机》检定规程, 考虑测量不确定度的来源, 建立数学模型如下:

式中:△F为试验机的示值误差;F軈为试验机示值的算术平均值;F为标准测力仪上的标准力值。

3.7.4 方差与传播系数

方差:由上式得μc2=μ2 (△F) =c12μ2 (F軈) +c22μ2 (F) 。式中:μ (F軈) , μ (F) 分别为F軈, F的不确定度;传播系数c1=c (F軈) =1, c2=c (F) =1。

3.7.5 各输入量标准不确定度的分析与评定

对1台最大试验力为1 000 kN的试验机, 选择1 000 kN量程的20% (即200 kN) 作为测量点, 连续测量10次, 得到测量列如上文表1所示, 所以试验机重复性标准不确定度μ (F軈) 为:

由于测试人员对试验机度盘读数时可估读到0.1个分度值, 由此可估算人员读数最大误差应为0.05个分度值, 按均匀分布计算, 取k=姨3, 故测试人员的读数误差标准不确定度μ (F軈2) 为:

输入量F軈的标准不确定度分量彼此之间相互独立不相关, 可得出输入量的标准不确定μ (F軈) :

标准测力仪检定证书给出的相对扩展不确定度为0.03%, 包含因子k=2。在测量点200 kN处, 标准测力仪检定时的测量标准不确定度μ (F1) 为:

根据检定证书数值, 参考JJG 144—2007《标准测力仪》检定规程中长期稳定度计算公式:式中:x1为上次检定的进程示值平均值;x2为本次检定的进程示值平均值。可得出本标准测力仪长期稳定度为0.1%, 取包含因子k=3, 在测量点200kN处, 测量用标准测力仪的长期稳定性带来的标准不确定度μ (F2) 为:

标准测力仪数字示值的分辨力δ为其末位有效数字的一个增量, 其值为0.01 kN, 根据《测量不确定度评定与表示》, 标准测力仪数字示值分辨力的标准不确定度μ (F3) 为:

输入量F的标准不确定度分量彼此之间相互独立不相关, 可得出输入量F的标准不确定度μ (F2) 为:

3.7.6 合成标准不确定度

输入量F軈与F彼此独立不相关, 合成标准不确定度为:

3.7.7 扩展不确定度

取包含因子k=2, 扩展不确定度为:

3.7.8 相对扩展不确定度

将U值按相对扩展不确定度表示为:

4 检定/校准结果

选取1台0.5级材料试验机 (型号:WAW-1000, No:18114) , 由广东省计量院和本检定装置分别进行检定, 检定结果如表4。

表4 结果比对及验证记录  

由表4可以看出, |ylab-y軃|的最大值为0.07%, 本检定装置本次检定的相对扩展不确定度:Ulab=0.16%。根据不确定度的验证方法, 对于两个实验室用同一检定方法检定出的检定数据的比对, 应满足:

由于|ylab-y軃|=0.07%<0.11%, 所以比对结果符合要求, 检定结果及测量结果的不确定度得到验证。

该计量标准装置技术升级后的设备配置及技术性能符合国家相关法律/法规及计量检定规程的要求, 计量标准装置的测量重复性及稳定性经考核满足要求, 检定结果及扩展不确定度得到验证, 整体计量性能满足开展检定/校准工作的要求。

5 结语

力学计量检测技术有了突破性的发展, 实现公司力值计量标准上一个新台阶, 检定装置提升到0.1级水平, 达到国内同行企业最高水平。

项目完全采用国产化设备, 研究分析其性能及技术参数均满足0.1级材料试验机检定装置要求, 这在国内是无先例的。我们正将此套装置按新建计量标准交广东省技监局考核, 考核合格后将发计量标准证书。