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浅谈1500MPa超高压基准砝码自动加载系统研制方案 说明：
一、概述
我院超高压基准实验室拥有两套自行研制的超高压基准活塞式压力计，分别为1500MPa和2500MPa可控间隙活塞式压力计，各需加载500kg和1000kg的砝码。每块砝码50kg左右，手工加载困难。以往采用手控液压系统进行加载，解除了繁重的体力劳动，但每次加载需要人工精确控制大砝码加载的位置，在测量过程中还需时刻监控大砝码的位置并人为加以调整，操作繁琐、控制难度大，给活塞式压力计的运行带来了一定的不确定性。由于以上种种原因，目前国际上较高压力的活塞式压力计已试用一些简单的半自动砝码加载装置，但1000MPa以上压力计目前国内还没有任何单位研制出切实可行的全自动程控化的砝码加载装置。近来，我们在1500MPa压力基准上研制成功了程控化的全自动砝码加载系统。该系统采用单片机和微机连接的方式来控制，通过角度编码器对砝码位置测量的手段来控制液压传动系统，实现砝码自动加载。实践证明，该自动加载系统完全符合基准的使用要求，取得了理想的效果。
二、原理
整个系统通过一个位移－角度转换机构将砝码上下位移转换成角度变化，并采用编码器测量产生一个与砝码位置变化相对应的脉冲输出，采用MCS51单片机技术，将这个输出脉冲转换成砝码的实际位移量，根据程序要求驱动马达和电磁阀控制砝码的升降，使之到达实际所需的位置。采用RS232通信技术与基准压力计测控系统连接，就可以在基准压力计上直接控制实际加载的砝码数量。我们将本套装置应用于1500MPa基准活塞式压力计，实现了程控全自动砝码加载，系统能够以全自动方式加载砝码至任何一个整百数压力工作点，并具有砝码下坠自动补偿、砝码欠载和过充保护等功能，使压力计的砝码加载操作简便直观、安全可靠。砝码加载系统可分为砝码及液压传动机构、位移测量机构、单片机测控部件和计算机通信与操作软件四部分。
1．砝码及液压传动机构砝码及液压传动机构由砝码、吊挂件、连接件、液压活塞以及油泵组成。砝码共有14块，总质量约为450kg，再加上吊挂系统及附加砝码约为500kg，可平衡1500MPa压力。在常态下，砝码层叠支撑于位于砝码底部的液压活塞顶盘上，这时活塞压力计的测量活塞上的吊挂件与砝码脱开，在工作状态下，油泵带动液压活塞，使液压活塞顶盘跟着液压活塞下降，活塞顶盘上的砝码也随之下降，当下降达到砝码间隔约6mm时，第一块砝码通过横梁吊挂螺钉加载到压力计的活塞上，下面的砝码吊挂螺钉和加载砝码的下夹板保持脱开状态，大约有（4～5）mm的间隙，因此保证了压力计的测量活塞有（3～4）mm工作区域。第二块到最后一块砝码的加载原理也是如此。在砝码吊挂螺钉上有一个空腔，用于调整砝码质量。
2．位移测量机构位移测量机构由角度编码器和位移－角度传动机构组成，其作用是将砝码上下位移通过位移－角度传动机构变成角度编码器的旋转角度，然后由角度编码器根据实际角度输出相应的计数脉冲信号。
3．单片机测控部件单片机测控部件由输入键盘单元、LED显示单元、中央控制单元、数据存储单元、开关驱动单元和RS232通信单元组成，达到整个加减砝码过程可采用多种方式由计算机或操作面板进行控制，其操控模式有手动控制模式、自动控制模式、单块控制模式和自动复位模式，可以自动补偿由于油缸泄漏引起的砝码下降并拥有砝码欠载和过冲的测控双重保护功能。
4．计算机通信与操作软件（1）计算机通信单片机和上位工控计算机采用RS232串行通信，波特率为9600，8位数据1位开始位、1位停止位，无奇偶校验。通信协议定义了所有操作键所具有的操作功能，使上位计算机能操控单片机系统实现其各项操作功能。（2）操作软件上位计算机操作软件采用VB编程，具体程序略。通过系统的通信，在计算机系统上可以执行单片机系统的自动加载、单块加载、手动加载、复位功能以及当前加载砝码块的位置修正，可以显示砝码实际状态的图像（模拟图像），实现砝码下坠实时监测和自动补偿，配合活塞位置位移测量的输出数据实现砝码欠载保护。基准压力计系统可以实时监控加载的砝码，并可以根据测量的需要对加载砝码进行自动调整。
三、主要技术功能指标
1．位置记忆功能位置存储点为100MPa、200MPa、……、1500MPa等15个压力工作点，对应加载0~14的大片砝码，每一个加载点在标定位置时都会将当前的编码器输出脉冲数写入单片机的E2ROM中。程序将每一片砝码的工作位置存储到数据存储器，断电后，数据仍能保持。砝码位置数据一旦存储，单片机就一直会按存储的数据进行工作。
2．开机自动去除防坠落保护开机时程序会让砝码升起一点，蜂鸣器提示去除保护垫块，按确认键进入100MPa起始位置。
3．全自动功能自动加载砝码进入设定工作点，自动跟踪补偿因液压系统泄漏而造成的砝码位置变化。
4．单块加载功能只要按上升或下降键即可进入上一个或下一个工作点，当砝码位置发生变化时，蜂鸣器提示手工按键校准，这样在测量时不会由于砝码位置补偿动作而影响测量结果。
5．手动功能砝码加载完全由上升和下降键控制，程序只显示砝码的实际位置。
6．自动复位功能在试验结束后，砝码必须回归起始位置，以免压力计长时间受压，造成活塞和其他结构件的变形。
7．计算机远程控制功能加载大砝码共14块，约470kg，整个系统既可由面板控制也可由计算机远程控制。
8．计算机远程操控功能可由计算机远程操控执行面板操作的所有基本功能。
9．自动砝码加载系统的技术指标位置控制准确度优于0.1mm；位置控制范围为（0～200）mm；位置分辨率为0.023mm。
10．标准砝码欠载和过冲的测控双重保护装置砝码欠载保护就是当压力计已加压到某一压力点时，由于误操作使加载砝码低于实际要求的数量。由于欠载时活塞会升到活塞限位处，因此实际设计时，采用激光位移计测量活塞的上限位置来提供砝码欠载保护。砝码过冲保护就是当砝码卸载时，油泵上升到砝码全部脱开活塞时，为了避免油泵进一步的上升，引起活塞压力计横梁结构件的损坏而采取的保护措施。实际设计时，采用限位电子开关探测砝码上下限位置来提供过冲保护。
四、结束语
活塞式压力计是一种古老而又经典的压力测量仪器，它具有其他压力计量器具所无法比拟的测量准确度和稳定性能，但在实际测量中，砝码加载一直是困扰人们的一个大问题，这项工作费时费力而且容易损坏活塞。本项目的研制并成功应用于超高压基准装置，不但使超高压基准砝码的运行水平有了质的飞跃，还为本项目今后用于常压活塞式压力计提供了必需的条件，并对今后活塞式压力计的发展起到重要作用。
以上是浅谈1500MPa超高压基准砝码自动加载系统研制方案的详细介绍！
