CN109990712A - 一种测宽仪在线校准方法 - Google Patents

Abstract

一种测宽仪在线校准方法，属于计量校准方法技术领域，用于对测宽仪进行在线精准校准。其技术方案是：确定由测量标准提供的量值与相应示值之间的关系，用此信息确定由示值获得测量结果的关系，依次进行校准测量、计算测宽仪的示值误差、计算示值的重复性、计算示值漂移、校准方法的数据处理、标准不确定度评定。本发明方法是冶金行业大型设备在线校准难题的重大突破，利用误差理论对标准配备进行设计，确定产品的测量要求，用统计的方法考察测量结果的一致性，对测量结果进行测量不确定度评定，证明其满足量值传递，开展校准的要求。与传统送检式校准方法比较，节约了大量时间和人力成本，而且校准方式更加科学、主动、可靠、准确、容易实施。

Description

一种测宽仪在线校准方法

技术领域

本发明涉及一种测宽仪在线精准校准方法，属于计量校准方法技术领域。

背景技术

在冶金企业的板材生产中，板材宽度参数直接影响着产品质量，因此板材测宽是热轧工艺的一个重要工序。随着生产自动化水平越高,工艺要求越高，几乎所有冶金企业都配备了测宽仪来保证板材测宽的精准。然而,随之而来是测宽仪的校准问题，我国目前所制定的各类规程/规范,绝大多数要求测量设备/仪表在校准室里(在标准的校准条件下)完成校准,这对确保设备准确度是很必要的。但是,从企业当前校准工作的实际来看,在实施周期校准过程中,经常遇到设备不易拆卸、安装,有些高精密仪表在拆装过程中极易损坏,甚至像测宽仪这种大型精密设备无法移动，从而给校准工作的开展带来困难。这也是冶金行业大型企业普遍存在的一个共性问题，因此如何对测宽仪进行在线准确校准是亟待的问题。

对测宽仪进行校准需要标准样板，还需要对测宽仪工作原理，测量系统组成及重要的技术指标的理解和掌握，然后通过国家计量检定系统溯源框图或量值传递的原则(上一级标准设备的最大允许误差应小于等于下一级被测设备的最大允许误差的1/3～1/10)，推导出满足开展校准所用的标准设备。

目前使用的测宽仪由控制箱、测量传感器、光源和标定样板组成，测宽仪主要技术指标：测量范围(700～1600)mm，最大允许误差，±0.05％，重复性≤0.05％。

测宽仪的测量原理是：采用两组光电传感器作为探头，分别用于定位带钢两个边缘位置，并通过磁尺计算探头移动的距离，最后与零点坐标叠加后计算得出被测带钢的实际宽度。

根据上述信息，校准使用的的标准样板的标称长度应符合测宽仪的测量范围同时经过中国计量科学研究院校准。企业的计量标准需溯源到国家标准，再在企业内部进行传递工作。以确保计量传递的准确性。

新的校准方法的确定：因生产的连续性，产品订单需要批量生产，对测宽仪要求是测量数据准确、可靠，同时重复性、稳定性满足要求，因此针对测宽仪要求确定校准对象有重复性校准、示值误差校准等。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种测宽仪在线校准方法，这种校准方法能够实现测宽仪校准的标准化，进行快速、高效、精确、安全、可靠的校准，同时能够与行业校准标准互认，节约传统校准方式带来的各种成本。

解决上述技术问题的技术方案是：

一种测宽仪在线校准方法，它采用以下步骤进行：

a.进行校准测量

(1)将标准样板安装于检测框架上，且与轧制辊道平行；

(2)通过控制箱，手动移动探头到内(外)极限位；

(3)选择自动模式，等待探头自动寻边，待测量值稳定后可通过显示屏读取测量值；

(4)观察测量结果，如果偏差超过允许的范围，则需要重新标定；

b.计算测宽仪的示值误差

测宽仪示值误差Δ按公式(1)计算：

式中：

Δ——标准样板的示值误差，mm；

——标准样板3次测量示值的算术平均值，mm；

W0——标准样板的宽度标称值，mm；

c.计算示值的重复性

测宽仪在标定后，在测宽仪的有效测量范围内，对标准样板上一个位置尺寸连续测量10次，待显示稳定后，记录每次的示值，示值的重复性可由实验标准差公式(3)计算：

式中：

n——重复测量次数；

Wi——第i次测量的仪器示值，mm；

——标准样板n次测量示值的算术平均值(一般取n＝10)，mm；

Sw——实验标准差，mm；

实验标准偏差Sw除以测宽仪10次测量算术平均值所得的百分数作为仪器宽度相对测量重复性；

d.计算示值漂移

测宽仪标定后，在某一标准宽度处连续测量8小时，每隔30分钟记录一次数据，并计算出示值漂移D：

D＝Wmax-Wmin(4)

式中，

Wmax——测量数据的最大值；

Wmin——测量数据的最小值；

e.校准方法的数据处理

在重复性多次测得值中，有时会发现个别值明显偏离该数值的算数平均值，对它的可靠性产生怀疑，可以用统计的方法进行判别，建立随即误差界，给定一个范围，超出这个界限的误差认为是粗大误差予以剔除。

上述测宽仪在线校准方法，它还有标准不确定度评定步骤：

第一步，确定仪器示值引起的不确定度分量u₁

首先，由测宽仪的测量重复性引入的不确定度分量u₁₁；

在重复性条件下，对宽度X的标准样板作n次独立比较测量，——标准样板n次测量示值的算术平均值；

单次测量实验标准差

采用A类方法进行评定，实际测量时采用3次重复测量结果的平均值，则

其次，由测宽仪的测量分辨力引入的不确定度分量u₁₂；

测宽仪的宽度读数显示分辨力带来的影响可以忽略不计，因此u₁₂＝0

第二步，由宽度标准样板引入的不确定度分量u₂

宽度标准样板引入的不确定度主要来源于宽度标准样板的宽度测量结果不确定度，可根据相关技术资料或校准证书给出的最大允许误差或扩展不确定度来计算；

宽度标准样板最大允许误差±0.1mm，按均匀分布考虑，包含因子为(测量结果的不确定度为0.1mm，按近似正态分布考虑，包含因子为k＝2,)则

环境的变化引入的不确定度

校准环境温度10℃～30℃，对测量准确度影响可以忽略不计，故环境所引入的不确定度可以忽略不计.

第三步，合成标准不确定度

在实际工作中，输入量W、W₀之间均不相关，于是合成标准不确定度u_c(W)可按下式得到：

扩展标准不确定度

取包含因子k＝2，则扩展不确定度为

U＝ku_c(W)＝0.14mm

测量不确定度的报告与表示

测宽仪示值误差测量结果不确定度为:

上述测宽仪在线校准方法，所述步骤a和步骤b中，环境温度在10℃～30℃下时，利用标定器来模拟不同宽度的标准样板，完成对测宽仪系统的测试，并计算出测宽仪的示值误差。

本发明的有益效果是：

本发明方法是冶金行业大型设备在线校准难题的重大突破，利用误差理论对标准配备进行设计，确定产品的测量要求，用统计的方法考察测量结果的一致性，对测量结果进行测量不确定度评定，证明其满足量值传递，开展校准的要求。与传统送检式校准方法比较，免去了拆卸、搬运的维护时间及带来的风险，节约了大量时间和人力成本，而且校准方式更加科学、主动、可靠、准确、容易实施。

附图说明

图1是本发明的校准示意图；

图2是测量不确定度的结构组成。

图中标记如下：第一探头1、第二探头2、光源3、标准样板4。

具体实施方式

本发明包含校准方法和配套样板。所述校准方法是在规定条件下的一组操作步骤，一是确定由测量标准提供的量值与相应示值之间的关系，二是用此信息确定由示值获得测量结果的关系，这里测量标准提供的量值与相应的示值都具有测量不确定度。依据上述校准方法定义开展测宽仪的校准必须满足的条件有：能够提供参考标准值的测量标准(样板)；能够使测量标准提供的量值和相应示值(测宽仪)关系建立的校准方法；数据处理方法；表征测量结果能力测量不确定度的评定。

本发明方法所述的标准样板需对测宽仪工作原理，测量系统组成及重要的技术指标的理解和掌握，然后通过国家计量检定系统溯源框图或量值传递的原则(上一级标准设备的最大允许误差应小于等于下一级被测设备的最大允许误差的1/3～1/10)，推导出满足开展校准所用的标准设备。

图1显示，测宽仪由控制箱、测量传感器、光源和标定样板组成。

测宽仪测量采用两组光电传感器作为探头，分别用于定位带钢两个边缘位置，并通过磁尺计算探头移动的距离，最后与零点坐标叠加后计算得出被测带钢的实际宽度。

测宽仪主要技术指标：测量范围(700～1600)mm，最大允许误差，±0.05％，重复性≤0.05％。

根据上述信息，购置的标准样板的标称长度应符合测宽仪的测量范围同时经过中国计量科学研究院校准。企业的计量标准需溯源到国家标准，再在企业内部进行传递工作。以确保计量传递的准确性。

校准方法的确定：因生产的连续性，产品订单需要批量生产，对测宽仪要求是测量数据准确、可靠，同时重复性、稳定性满足要求，因此针对测宽仪要求确定校准对象有重复性校准、示值误差校准等。

校准对象中的重复性的校准：冶金生产过程中不可能对某被测量进行无穷多次测量，只能进行一系列有限的n次独立的等精度测量，虽然其中任意一次测量值对它的数学期望都有一定的偏离，且偏离的大小和方向没有规律。但是从统计的观点来看，这一系列测量值的分布形状确是完全确定的。在保证相同的测量方法、相同的操作者、相同的测量系统、相同的测量条件及相同的测量地点的条件下对同一被测对象进行测量，其测量结果的一致性能够充分表示测量设备的重复性。贝塞尔公式是单次测量的实验标准偏差s(x_i)的期望值是规定条件下的一个特定测量系统的固有特性。它表征了测量值之间的分散性。测量次数越大，求得的故有特性就越准确，但因现场实际的工作环境条件限制，重复性测量次数不能做到无穷多次，依据JJF1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》重复性测量次数n不少于10次，如果测量结果得重复性引入得不确定度分量在测量结果得不确定度中不是主要分量，允许适当得减少重复测量次数，但至少应当满足n≥6次。并且测量值的平均值实验室偏差，应不超过最大允许误差的绝对值。

校准对象中的示值误差的校准：示值误差是测量设备校准的最重要特性，测量结果是否可靠直接关系到产品质量，因此选择测量点，建立数学模型是关键。建立了测量误差的模型，确定了测量点，如果条件允许的情况下，每一个测量点的测量结果应当用平均值(一般选择3次测量值的平均值)来表示。

校准方法的数据处理：在重复性多次测得值中，有时会发现个别值明显偏离该数值的算数平均值，对它的可靠性产生怀疑，可以用统计的方法进行判别，建立随即误差界，给定一个范围，超出这个界限的误差认为是粗大误差予以剔除。

校准方法中测量结果不确定度的评定：由于误差的存在，测量结果由单一测得的量值和测量不确定度来表示，不可能是单一的数值，只能给出测得量值的一个范围。为了说明测量结果的质量，必须评定测量不确定度。

本发明的测宽仪校准方法采用以下步骤：

首先，校准前检查：查外观，确认没有影响校准特性的因素；测宽仪的型号、名称、规格、测量范围、性能指标、制造厂名或商标；测宽仪画面宽度显示值应清晰。

测宽仪的宽度校准步骤：

a.进行校准测量

(1)将标准样板安装于检测框架上，且与轧制辊道平行；

(2)通过控制箱，手动移动探头到内(外)极限位；

(3)选择自动模式，等待探头自动寻边，待测量值稳定后可通过显示屏读取测量值；

(4)观察测量结果，如果偏差超过允许的范围，则需要重新标定；

b.计算测宽仪的示值误差

测宽仪示值误差Δ按公式(1)计算：

式中：

Δ——标准样板的示值误差，mm；

——标准样板3次测量示值的算术平均值，mm；

W0——标准样板的宽度标称值，mm；

环境温度在10℃～30℃下时，利用标定器来模拟不同宽度的标准样板，完成对测宽仪系统的测试，并计算出测宽仪的示值误差；

c.计算示值的重复性

测宽仪在标定后，在测宽仪的有效测量范围内，对标准样板上一个位置尺寸连续测量10次，待显示稳定后，记录每次的示值，示值的重复性可由实验标准差公式(3)计算：

式中：

n——重复测量次数；

Wi——第i次测量的仪器示值，mm；

——标准样板n次测量示值的算术平均值(一般取n＝10)，mm；

Sw——实验标准差，mm；

实验标准偏差Sw除以测宽仪10次测量算术平均值所得的百分数作为仪器宽度相对测量重复性；

d.计算示值漂移

测宽仪标定后，在某一标准宽度处连续测量8小时，每隔30分钟记录一次数据，并计算出示值漂移D：

D＝Wmax-Wmin(4)

式中，

Wmax——测量数据的最大值；

Wmin——测量数据的最小值；

e.校准方法的数据处理

在重复性多次测得值中，有时会发现个别值明显偏离该数值的算数平均值，对它的可靠性产生怀疑，可以用统计的方法进行判别，建立随即误差界，给定一个范围，超出这个界限的误差认为是粗大误差予以剔除；

f.标准不确定度评定步骤：

第一步，确定仪器示值引起的不确定度分量u₁

首先，由测宽仪的测量重复性引入的不确定度分量u₁₁

在重复性条件下，对宽度X＝1250.0mm的标准样板作10次独立比较测量，得到测量列P为：X₁＝1249.9mm、X₂＝1250.0mm、X₃＝1249.8mm、X₄＝1249.9mm、X₅＝1249.8mm、X₆＝1250.0mm、X₇＝1249.9mm、X₈＝1249.8mm、X₉＝1249.7mm、X₁₀＝1250.1mm，则

平均值

单次测量实验标准差

采用A类方法进行评定，实际测量时采用3次重复测量结果的平均值，则

其次，由测宽仪的测量分辨力引入的不确定度分量u₁₂

测宽仪的宽度读数显示分辨力带来的影响可以忽略不计，因此u₁₂＝0

第二步，由宽度标准样板引入的不确定度分量u₂

宽度标准样板引入的不确定度主要来源于宽度标准样板的宽度测量结果不确定度，可根据相关技术资料或校准证书给出的最大允许误差或扩展不确定度来计算；

宽度标准样板最大允许误差±0.1mm，按均匀分布考虑，包含因子为(测量结果的不确定度为0.1mm，按近似正态分布考虑，包含因子为k＝2,)则

环境的变化引入的不确定度

校准环境温度10℃～30℃，对测量准确度影响可以忽略不计，故环境所引入的不确定度可以忽略不计.

第三步，合成标准不确定度

在实际工作中，输入量W、W₀之间均不相关，于是合成标准不确定度u_c(W)可按下式得到：

扩展标准不确定度

取包含因子k＝2，则扩展不确定度为

U＝ku_c(W)＝0.14mm

测量不确定度的报告与表示

测宽仪示值误差测量结果不确定度为:

U＝ku_c(W)＝0.14mm(k＝2)

复校时间间隔

建议测宽仪复校时间间隔为1年。

由于复校时间间隔的长短是由仪器的使用情况、使用者、仪器本身的质量等诸因素所决定的，因此，送校单位可根据实际使用情况自行确定复准时间间隔。

Claims (3)

1.一种测宽仪在线校准方法，其特征在于：它采用以下步骤进行：

a.进行校准测量

(1)将标准样板安装于检测框架上，且与轧制辊道平行；

(2)通过控制箱，手动移动探头到内(外)极限位；

(3)选择自动模式，等待探头自动寻边，待测量值稳定后可通过显示屏读取测量值；

(4)观察测量结果，如果偏差超过允许的范围，则需要重新标定；

b.计算测宽仪的示值误差

测宽仪示值误差Δ按公式(1)计算：

式中：

Δ——标准样板的示值误差，mm；

——标准样板3次测量示值的算术平均值，mm；

W0——标准样板的宽度标称值，mm；

c.计算示值的重复性

测宽仪在标定后，在测宽仪的有效测量范围内，对标准样板上一个位置尺寸连续测量10次，待显示稳定后，记录每次的示值，示值的重复性可由实验标准差公式(3)计算：

式中：

n——重复测量次数；

Wi——第i次测量的仪器示值，mm；

——标准样板n次测量示值的算术平均值(一般取n＝10)，mm；

Sw——实验标准差，mm；

实验标准偏差Sw除以测宽仪10次测量算术平均值所得的百分数作为仪器宽度相对测量重复性；

d.计算示值漂移

测宽仪标定后，在某一标准宽度处连续测量8小时，每隔30分钟记录一次数据，并计算出示值漂移D：

D＝Wmax-Wmin (4)

式中，

Wmax——测量数据的最大值；

Wmin——测量数据的最小值；

e.校准方法的数据处理

在重复性多次测得值中，有时会发现个别值明显偏离该数值的算数平均值，对它的可靠性产生怀疑，可以用统计的方法进行判别，建立随即误差界，给定一个范围，超出这个界限的误差认为是粗大误差予以剔除。

2.根据权利要求1所述的测宽仪在线校准方法，其特征在于：它还有标准不确定度评定步骤：

第一步，确定仪器示值引起的不确定度分量u₁

首先，由测宽仪的测量重复性引入的不确定度分量u₁₁；

在重复性条件下，对宽度X的标准样板作n次独立比较测量，——标准样板n次测量示值的算术平均值；

单次测量实验标准差

采用A类方法进行评定，实际测量时采用3次重复测量结果的平均值，则

其次，由测宽仪的测量分辨力引入的不确定度分量u₁₂；

测宽仪的宽度读数显示分辨力带来的影响可以忽略不计，因此u₁₂＝0

第二步，由宽度标准样板引入的不确定度分量u₂

宽度标准样板引入的不确定度主要来源于宽度标准样板的宽度测量结果不确定度，可根据相关技术资料或校准证书给出的最大允许误差或扩展不确定度来计算；

宽度标准样板最大允许误差±0.1mm，按均匀分布考虑，包含因子为(测量结果的不确定度为0.1mm，按近似正态分布考虑，包含因子为k＝2,)则

环境的变化引入的不确定度

校准环境温度10℃～30℃，对测量准确度影响可以忽略不计，故环境所引入的不确定度可以忽略不计.

第三步，合成标准不确定度

在实际工作中，输入量W、W₀之间均不相关，于是合成标准不确定度u_c(W)可按下式得到：

扩展标准不确定度

取包含因子k＝2，则扩展不确定度为

U＝ku_c(W)＝0.14mm

测量不确定度的报告与表示

测宽仪示值误差测量结果不确定度为:

U＝ku_c(W)＝0.14mm(k＝2)

3.根据权利要求1所述的测宽仪在线校准方法，其特征在于：所述步骤a和步骤b中，环境温度在10℃～30℃下时，利用标定器来模拟不同宽度的标准样板，完成对测宽仪系统的测试，并计算出测宽仪的示值误差。