材料試驗機檢定裝置的技術升級

張 達， 陳克武， 黃 晟

（寶武集團韶關鋼鐵設備管理部， 廣東 韶關 512122）

隨著生產規模的擴大及檢化驗設備技術的發展，檢化驗設備的精度等級、自動化程度越來越高，實現智能化，信息化。

現場原有檢定裝置為0.3級，不但精度低，且技術落后，其測力結構采用的是彈簧管變形式，百分表顯示變形示值,顯而易見，不但操作復雜，檢定效率低，且極容易出安全事故，已無法完全滿足生產線上高精度檢驗設備的現場檢定/校準需求。

本次技術升級實現檢化驗設備量值溯源的有效性、實時性、合法性，對確保寶武集團韶關鋼鐵（全文簡稱韶鋼）產品質量，以及質量認證、計量認證等質量相關活動具有重要意義。

1 主要內容

韶鋼最高標準—材料試驗機檢定裝置已無法滿足現有材料試驗機的周期檢定及日常運行檢查工作。技術升級改造方案設計，將原檢定裝置的準確度等級由0.3級提高到0.1級，滿足韶鋼公司所有材料試驗機檢定要求，確保韶鋼產品物理檢驗數據的合法性，準確性，滿足各種質量認證需求。升級后裝置技術研究，設備運行各項技術參數研究，測量結果不確定度評定及驗證。

2 需解決的問題

1）材料試驗機檢定裝置的現場運行調試，符合0.1級準確度等級技術要求。

2）升級后裝置的測量重復性技術研究。

3）升級后裝置的測量穩定性技術研究。

4）測量結果不確定度的評定、驗證。

5）按新建計量標準，撰寫韶鋼最高計量標準技術報告。

3 采用的方法

3.1 升級后裝置工作原理

采用比較法檢定材料試驗機。檢定材料試驗機時，通過比較標準測力儀與被檢材料試驗機的示值，計算出被檢材料試驗機的示值相對誤差，重復性相對誤差，示值進回程相對誤差等。

3.2 方案設計，標準設備組成

主要由型號為LC-3，量程分別為100kN、300kN、600 kN、1000 kN、2000 kN的標準測力儀以及聲級計、水平儀及同軸度測量儀等組成。

3.3 主要技術指標

0.1級，測量范圍（0.6～2000.0）kN。示值誤差優于±0.1%，重復性不大于0.1%，回零差優于±0.05%FS。

3.4 計量標準的量值溯源和傳遞框圖（見圖1）

圖1 計量標準的量值溯源和傳遞框圖

3.5 計量標準的重復性試驗

選取1臺0.5級最大試驗力為1000 kN的試驗機，以1000 kN量程的20%（即200 kN）作為測量點，連續測量10次，得到測量列如表1所示。

表1 200 kN測量點連續10次重復性實驗結果 kN

另外，選擇2臺同類型試驗機，在重復性條件下，用同樣測量方法，共得到三組測量列，匯總見表2。

表2 檢測點力值為200 kN下三組實驗標準差計算結果

由于該組重復性數據即為測量不確定度評定中使用的測量重復性數據，故標準裝置的測量重復性滿足要求。

3.6 計量標準的穩定性考核

對于升級的主標準器具，根據JJF 1033—2008要求，按新建計量標準穩定性考核方法進行考核，穩定性考核記錄見表3。

考核記錄表中，四組測量結果中的最大值和最小值之差，即為新建計量標準在該時間段內的穩定性，其值小于計量標準的最大允許誤差的絕對值，所以穩定性考核合格。

3.7 測量結果不確定度的分析與評定（0.5級材料試驗機）

3.7.1 測量依據及方法

1）測量依據。依據JJG 139—1999《拉力、壓力和萬能試驗機》檢定規程，材料試驗機測力系統的示值相對誤差是測量的最主要技術參數。檢定0.5級材料試驗機，使用0.1級的標準測力儀；檢定1、2級的材料試驗機，使用0.3級的標準測力儀。標準測力儀應符合計量檢定規程JJG 144—2007《標準測力儀》的要求。

表3 材料試驗機檢定裝置的穩定性考核記錄

2）測量方法。在規定的環境條件下，通過試驗機施加負荷使標準測力儀產生彈性體變形，應變式標準測力儀把力的信號轉換為電信號，由指示器讀取。試驗機示值的算術平均值與標準測力儀上的標準力值之差即為試驗機的示值誤差。以0.1級標準測力儀檢定0.5級材料試驗機（量程1000 kN，測量點20%量程）為例，對其測量不確定度進行分析與評定。

3.7.2 測量結果不確定度的主要來源

測量重復性、測試人員的讀數誤差、標準測力儀校準／檢定時的測量不確定度、標準測力儀的長期穩定度帶來的影響、標準測力儀的數字示值分辨力引進的誤差。

3.7.3 數學模型

根據JJG 139—1999《拉力、壓力和萬能試驗機》檢定規程，考慮測量不確定度的來源，建立數學模型如下：

式中：△F為試驗機的示值誤差；Fˉ為試驗機示值的算術平均值；F為標準測力儀上的標準力值。

3.7.4 方差與傳播系數

3.7.5 各輸入量標準不確定度的分析與評定

對1臺最大試驗力為1000 kN的試驗機，選擇1000 kN量程的20%（即200 kN）作為測量點，連續測量10次，得到測量列如上文表1所示，所以試驗機重復性標準不確定度 μ（Fˉ）為：

由于測試人員對試驗機度盤讀數時可估讀到0.1個分度值，由此可估算人員讀數最大誤差應為0.05個分度值，按均勻分布計算，取故測試人員的讀數誤差標準不確定度為：

標準測力儀檢定證書給出的相對擴展不確定度為0.03%，包含因子k=2。在測量點200 kN處，標準測力儀檢定時的測量標準不確定度μ（F1）為：

根據檢定證書數值，參考JJG 144—2007《標準測力儀》檢定規程中長期穩定度計算公式100%，式中：x1為上次檢定的進程示值平均值；x2為本次檢定的進程示值平均值。可得出本標準測力儀長期穩定度為0.1%，取包含因子k=3，在測量點200 kN處，測量用標準測力儀的長期穩定性帶來的標準不確定度 μ（F2）為：

標準測力儀數字示值的分辨力δ為其末位有效數字的一個增量，其值為0.01 kN，根據《測量不確定度評定與表示》，標準測力儀數字示值分辨力的標準不確定度 μ（F3）為：

輸入量F的標準不確定度分量彼此之間相互獨立不相關，可得出輸入量F的標準不確定度μ（F2）為：

3.7.6 合成標準不確定度

3.7.7 擴展不確定度

取包含因子k=2，擴展不確定度為：

3.7.8 相對擴展不確定度

將U值按相對擴展不確定度表示為：

4 檢定/校準結果

選取1臺0.5級材料試驗機（型號：WAW-1000，No：18114），由廣東省計量院和本檢定裝置分別進行檢定，檢定結果如表4。

表4 結果比對及驗證記錄

由表 4 可以看出，|ylab－yˉ|的最大值為 0.07%，本檢定裝置本次檢定的相對擴展不確定度：Ulab=0.16%。根據不確定度的驗證方法，對于兩個實驗室用同一檢定方法檢定出的檢定數據的比對，應滿足：

該計量標準裝置技術升級后的設備配置及技術性能符合國家相關法律/法規及計量檢定規程的要求，計量標準裝置的測量重復性及穩定性經考核滿足要求，檢定結果及擴展不確定度得到驗證，整體計量性能滿足開展檢定/校準工作的要求。

5 結語

力學計量檢測技術有了突破性的發展，實現公司力值計量標準上一個新臺階，檢定裝置提升到0.1級水平，達到國內同行企業最高水平。

項目完全采用國產化設備，研究分析其性能及技術參數均滿足0.1級材料試驗機檢定裝置要求，這在國內是無先例的。我們正將此套裝置按新建計量標準交廣東省技監局考核，考核合格后將發計量標準證書。