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淺談1500MPa超高壓基準(zhǔn)砝碼自動加載系統(tǒng)研制方案 說明：

一、概述
我院超高壓基準(zhǔn)實驗室擁有兩套自行研制的超高壓基準(zhǔn)活塞式壓力計，分別為1500MPa和2500MPa可控間隙活塞式壓力計，各需加載500kg和1000kg的砝碼。每塊砝碼50kg左右，手工加載困難。以往采用手控液壓系統(tǒng)進(jìn)行加載，解除了繁重的體力勞動，但每次加載需要人工精確控制大砝碼加載的位置，在測量過程中還需時刻監(jiān)控大砝碼的位置并人為加以調(diào)整，操作繁瑣、控制難度大，給活塞式壓力計的運行帶來了一定的不確定性。由于以上種種原因，目前國際上較高壓力的活塞式壓力計已試用一些簡單的半自動砝碼加載裝置，但1000MPa以上壓力計目前國內(nèi)還沒有任何單位研制出切實可行的全自動程控化的砝碼加載裝置。近來，我們在1500MPa壓力基準(zhǔn)上研制成功了程控化的全自動砝碼加載系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用單片機和微機連接的方式來控制，通過角度編碼器對砝碼位置測量的手段來控制液壓傳動系統(tǒng)，實現(xiàn)砝碼自動加載。實踐證明，該自動加載系統(tǒng)完全符合基準(zhǔn)的使用要求，取得了理想的效果。
二、原理
整個系統(tǒng)通過一個位移－角度轉(zhuǎn)換機構(gòu)將砝碼上下位移轉(zhuǎn)換成角度變化，并采用編碼器測量產(chǎn)生一個與砝碼位置變化相對應(yīng)的脈沖輸出，采用MCS51單片機技術(shù)，將這個輸出脈沖轉(zhuǎn)換成砝碼的實際位移量，根據(jù)程序要求驅(qū)動馬達(dá)和電磁閥控制砝碼的升降，使之到達(dá)實際所需的位置。采用RS232通信技術(shù)與基準(zhǔn)壓力計測控系統(tǒng)連接，就可以在基準(zhǔn)壓力計上直接控制實際加載的砝碼數(shù)量。我們將本套裝置應(yīng)用于1500MPa基準(zhǔn)活塞式壓力計，實現(xiàn)了程控全自動砝碼加載，系統(tǒng)能夠以全自動方式加載砝碼至任何一個整百數(shù)壓力工作點，并具有砝碼下墜自動補償、砝碼欠載和過充保護等功能，使壓力計的砝碼加載操作簡便直觀、安全可靠。砝碼加載系統(tǒng)可分為砝碼及液壓傳動機構(gòu)、位移測量機構(gòu)、單片機測控部件和計算機通信與操作軟件四部分。
1．砝碼及液壓傳動機構(gòu)砝碼及液壓傳動機構(gòu)由砝碼、吊掛件、連接件、液壓活塞以及油泵組成。砝碼共有14塊，總質(zhì)量約為450kg，再加上吊掛系統(tǒng)及附加砝碼約為500kg，可平衡1500MPa壓力。在常態(tài)下，砝碼層疊支撐于位于砝碼底部的液壓活塞頂盤上，這時活塞壓力計的測量活塞上的吊掛件與砝碼脫開，在工作狀態(tài)下，油泵帶動液壓活塞，使液壓活塞頂盤跟著液壓活塞下降，活塞頂盤上的砝碼也隨之下降，當(dāng)下降達(dá)到砝碼間隔約6mm時，第一塊砝碼通過橫梁吊掛螺釘加載到壓力計的活塞上，下面的砝碼吊掛螺釘和加載砝碼的下夾板保持脫開狀態(tài)，大約有（4～5）mm的間隙，因此保證了壓力計的測量活塞有（3～4）mm工作區(qū)域。第二塊到最后一塊砝碼的加載原理也是如此。在砝碼吊掛螺釘上有一個空腔，用于調(diào)整砝碼質(zhì)量。
2．位移測量機構(gòu)位移測量機構(gòu)由角度編碼器和位移－角度傳動機構(gòu)組成，其作用是將砝碼上下位移通過位移－角度傳動機構(gòu)變成角度編碼器的旋轉(zhuǎn)角度，然后由角度編碼器根據(jù)實際角度輸出相應(yīng)的計數(shù)脈沖信號。
3．單片機測控部件單片機測控部件由輸入鍵盤單元、LED顯示單元、中央控制單元、數(shù)據(jù)存儲單元、開關(guān)驅(qū)動單元和RS232通信單元組成，達(dá)到整個加減砝碼過程可采用多種方式由計算機或操作面板進(jìn)行控制，其操控模式有手動控制模式、自動控制模式、單塊控制模式和自動復(fù)位模式，可以自動補償由于油缸泄漏引起的砝碼下降并擁有砝碼欠載和過沖的測控雙重保護功能。
4．計算機通信與操作軟件（1）計算機通信單片機和上位工控計算機采用RS232串行通信，波特率為9600，8位數(shù)據(jù)1位開始位、1位停止位，無奇偶校驗。通信協(xié)議定義了所有操作鍵所具有的操作功能，使上位計算機能操控單片機系統(tǒng)實現(xiàn)其各項操作功能。（2）操作軟件上位計算機操作軟件采用VB編程，具體程序略。通過系統(tǒng)的通信，在計算機系統(tǒng)上可以執(zhí)行單片機系統(tǒng)的自動加載、單塊加載、手動加載、復(fù)位功能以及當(dāng)前加載砝碼塊的位置修正，可以顯示砝碼實際狀態(tài)的圖像（模擬圖像），實現(xiàn)砝碼下墜實時監(jiān)測和自動補償，配合活塞位置位移測量的輸出數(shù)據(jù)實現(xiàn)砝碼欠載保護。基準(zhǔn)壓力計系統(tǒng)可以實時監(jiān)控加載的砝碼，并可以根據(jù)測量的需要對加載砝碼進(jìn)行自動調(diào)整。
三、主要技術(shù)功能指標(biāo)
1．位置記憶功能位置存儲點為100MPa、200MPa、……、1500MPa等15個壓力工作點，對應(yīng)加載0~14的大片砝碼，每一個加載點在標(biāo)定位置時都會將當(dāng)前的編碼器輸出脈沖數(shù)寫入單片機的E2ROM中。程序?qū)⒚恳黄来a的工作位置存儲到數(shù)據(jù)存儲器，斷電后，數(shù)據(jù)仍能保持。砝碼位置數(shù)據(jù)一旦存儲，單片機就一直會按存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行工作。
2．開機自動去除防墜落保護開機時程序會讓砝碼升起一點，蜂鳴器提示去除保護墊塊，按確認(rèn)鍵進(jìn)入100MPa起始位置。
3．全自動功能自動加載砝碼進(jìn)入設(shè)定工作點，自動跟蹤補償因液壓系統(tǒng)泄漏而造成的砝碼位置變化。
4．單塊加載功能只要按上升或下降鍵即可進(jìn)入上一個或下一個工作點，當(dāng)砝碼位置發(fā)生變化時，蜂鳴器提示手工按鍵校準(zhǔn)，這樣在測量時不會由于砝碼位置補償動作而影響測量結(jié)果。
5．手動功能砝碼加載完全由上升和下降鍵控制，程序只顯示砝碼的實際位置。
6．自動復(fù)位功能在試驗結(jié)束后，砝碼必須回歸起始位置，以免壓力計長時間受壓，造成活塞和其他結(jié)構(gòu)件的變形。
7．計算機遠(yuǎn)程控制功能加載大砝碼共14塊，約470kg，整個系統(tǒng)既可由面板控制也可由計算機遠(yuǎn)程控制。
8．計算機遠(yuǎn)程操控功能可由計算機遠(yuǎn)程操控執(zhí)行面板操作的所有基本功能。
9．自動砝碼加載系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)位置控制準(zhǔn)確度優(yōu)于0.1mm；位置控制范圍為（0～200）mm；位置分辨率為0.023mm。
10．標(biāo)準(zhǔn)砝碼欠載和過沖的測控雙重保護裝置砝碼欠載保護就是當(dāng)壓力計已加壓到某一壓力點時，由于誤操作使加載砝碼低于實際要求的數(shù)量。由于欠載時活塞會升到活塞限位處，因此實際設(shè)計時，采用激光位移計測量活塞的上限位置來提供砝碼欠載保護。砝碼過沖保護就是當(dāng)砝碼卸載時，油泵上升到砝碼全部脫開活塞時，為了避免油泵進(jìn)一步的上升，引起活塞壓力計橫梁結(jié)構(gòu)件的損壞而采取的保護措施。實際設(shè)計時，采用限位電子開關(guān)探測砝碼上下限位置來提供過沖保護。
四、結(jié)束語
活塞式壓力計是一種古老而又經(jīng)典的壓力測量儀器，它具有其他壓力計量器具所無法比擬的測量準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性能，但在實際測量中，砝碼加載一直是困擾人們的一個大問題，這項工作費時費力而且容易損壞活塞。本項目的研制并成功應(yīng)用于超高壓基準(zhǔn)裝置，不但使超高壓基準(zhǔn)砝碼的運行水平有了質(zhì)的飛躍，還為本項目今后用于常壓活塞式壓力計提供了必需的條件，并對今后活塞式壓力計的發(fā)展起到重要作用。

以上是淺談1500MPa超高壓基準(zhǔn)砝碼自動加載系統(tǒng)研制方案的詳細(xì)介紹！