CN110849233B - 一种活塞式气体流量标准装置的活塞缸有效容积的在线测量方法 - Google Patents

一种活塞式气体流量标准装置的活塞缸有效容积的在线测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种活塞式气体流量标准装置的活塞缸有效容积的在线测量方法，在活塞式气体流量使用周期内需要定期进行容积标定，利用激光干涉仪测量活塞运动距离，利用光谱共焦测量技术测量与外径测量结合得到活塞缸内径，得到活塞缸的有效容积。从而，可以简化活塞缸容积的定期标定，在不拆卸活塞缸的前提下，完成活塞缸容积的在线测量，具有测量精度高，标定方便的优点。

Description

一种活塞式气体流量标准装置的活塞缸有效容积的在线测量 方法
技术领域
本发明属于气体流量检测领域，尤其是涉及一种基于活塞式气体流量标准装置的活塞缸有效容积的在线测量方法。
技术背景
目前我国实现气体最小流量的标准装置是pVTt装置，它可以实现的最小流量为333ml/min，当其检测文丘里喷嘴通过的气体流量为最小流量时，需要的时长为半个小时，所以pVTt装置在小流量计量中，气体流量越小，需要的实验时间越长，实验效率低，而且pVTt装置只能检测临界流文丘里喷嘴，用途单一。
与传统的动态容积-时间式气体流量装置相比，活塞式气体流量标准装置具有结构简单、对环境要求低等优点，在气体小流量测量中具有明显优势。活塞式气体流量标准装置分为主动式活塞及被动式活塞两种，后者与前者的最大不同在于没有外部驱动设备，活塞只依靠活塞缸内压力与大气压形成的压差进行运动，结构相对简单。活塞装置在工作过程中气体通过调节上游流量调节阀产生持续平稳的气体流量，由于进气压力，气体进入活塞缸内推动活塞向上做匀速运动，测量原理如式(1)所示，
Figure BDA0002292758430000011
其中，Qv为标准装置测量得到的体积流量，由气体流经标准装置的体积V和时间t确定，d是活塞缸的内径，l是运行长度。根据式(1)给出的测量模型，活塞装置的不确定有三个影响量，如式(2)所示：
Figure BDA0002292758430000012
其中，ur(Qv)是活塞装置的相对合成不确定度，ur(d)是活塞缸内径测量带来的不确定度，ur(l)是活塞运行长度测量带来的不确定度，ur(t)是活塞运行时间测量带来的不确定度。活塞缸有效容积的测量带来的不确定度是活塞式气体流量装置主要的不确定度来源，其中内径测量带来的不确定度所占权重最大。
由于玻璃管在同轴度、抗压性、导热性、防泄漏等方面具有很好的性能，活塞装置的活塞缸一般选用玻璃管，内径在19-200mm不等，缸体长度为1000mm。玻璃管的内径小，缸体长度较长，对测量器具的选择受到空间的限制，已有的玻璃管内径的测量采用内径表或三坐标测量机进行测量。
内径表在使用过程中需要和标准塞规配合使用，标准塞规是用于孔径检验的光滑极限量规，其测量面为外圆柱面，其中圆柱直径具有被检孔径最小极限尺寸的为通规，具有被检孔径最大极限尺寸的为止规。根据玻璃管的加工标准选择或加工塞规的通规和止规尺寸，通规直径应小于玻璃管的小径，可以在玻璃管内部自由通过，止规直径应比玻璃管的小径大。测量过程中，选择合适的塞规得到玻璃管的内径值范围，然后以通规塞规的尺寸作为内径表的零点位置，将内径表放入玻璃管中，通过调节内径表的位置，得到玻璃管不同测量圆周内径和通规尺寸的差值，通过计算得到玻璃管的内径值。内径表使用过程均由人工操作，测量精度一般为0.01mm。
三坐标测量机是一种可以自动测量被测物体形状特征的高精度测量仪器，主要由控制系统、机械框架和测针三部分组成。控制系统可以自动控制测针移动，进行数据采集并完成数据分析和处理，减少了人为因素的干扰。机械框架由桥架和活动工作台组成，是整个测量机的主体部分，确保了系统的刚性和稳定性。测针是核心部分，由测杆和测头两部分组成。测量过程中，将玻璃管沿轴向方向划分为不同的测量圆周，通过测头和玻璃管内壁接触，记录不同测量圆周的三维空间坐标，通过圆的最小二乘法拟合得到不同测量圆周的直径，取平均值为玻璃管的内径值。测杆随着长度的增加产生变形，由于测杆的变形会引入非常大的检测误差，并且检测误差会随测量力的不稳定而加剧。直径较小的测头，测杆的最大长度不超过100mm，所以三坐标测量机只能测量距离端面位置100mm以内的玻璃管两端的内径值。
现有技术中接触式测量，容易损伤活塞缸内壁；三坐标测量机对活塞缸内径测量只能得到两端数据，不能对活塞缸中间部分直接测量，对内径的评估不可靠；三坐标测量机测量内径需要采集足够多的数据点进行拟合，测量效率低。另外，现有的有效距离的测量，通过激光干涉仪测量固定时间内的距离，时间测量和激光干涉仪存在延时，直接影响了活塞装置的流量值。
发明内容
本发明提出了一种活塞缸有效容积在线测量的方法，能够满足活塞装置量值溯源或活塞装置在使用周期的定期标定，可实现同时或单独的对活塞缸有效长度测量和活塞缸的内径测量。
本发明提供了一种活塞式气体流量装置的活塞缸有效容积的测量方法，其特征在于：
步骤一：通过卡尺或其他外径测量工具得到活塞缸的外径douter，光谱共焦传感器探头与活塞缸外表面垂直，通过采用光谱共焦传感器测得活塞缸的厚度θ，活塞缸的内径dinner＝douter-θ；
步骤二：利用激光干涉仪测量活塞缸的有效长度，活塞块运动经过光电传感器，光电传感器产生脉冲信号触发激光干涉仪记录当前位置信息，计算得到多对光电传感器之间的距离，即为活塞缸的有效距离L；
步骤三：根据测量得到的内径和长度，可获得活塞缸的有效容积
Figure BDA0002292758430000031
活塞缸有效长度的测量通过激光干涉仪和光电传感器完成。激光干涉仪计算产生的两束光束之间的干涉条纹差得到移动反射镜的位置信息。移动反射镜安装在活塞上，随着活塞运动，当活塞经过光电开关产生脉冲信号，触发激光干涉仪记录位置信息。
活塞缸的内径值通过外径值与厚度值的差得到。
外径值通过外径千分尺或其他外径测量设备测量。
厚度值通过光谱共焦传感器测量。活塞缸安装在光学平台上，光谱共焦传感器通过光学升降平台上下移动，连续采集活塞缸在有效长度内的厚度。
所述活塞缸垂直设置。
活塞缸为一个加工公差在0.1以内的均匀石英玻璃管。
所述光电传感器为对射式光纤传感器，工作方式遮光时ON。
光谱共焦传感器的测量原理：通过光学色散原理建立距离与波长间的对应关系，利用光谱仪解码光谱信息，从而获得位置信息。当被测物处于测量范围内某一位置时，只有某一波长的光聚焦在被测面上，该波长的光由于满足共焦条件，可以从被测物表面反射回光纤耦合器并进入光谱仪，而其他波长的光在被测物面表面处于离焦状态，通过光谱仪解码得到光强最大处的波长值，从而测得目标对应的距离值。为了更准确的得到活塞缸的厚度，光谱共焦传感器发出的光与活塞缸轴线垂直。
其中，活塞缸是是一个加工公差在0.1以内的均匀石英玻璃管。
其中，活塞缸是活塞装置的主体，活塞装置与稳定气源连接。气体可以从活塞缸底部进入活塞缸内。
其中，光电传感器为对射式光纤传感器，工作方式遮光时ON。
其中，激光干涉仪支持外部触发，实现动态测量。
本发明相比于传统测量方法，实现对活塞缸内壁的无接触测量，在提高测量准确性的前提下，同时提高了测量效率。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面结合附图对本发明的实施例进行说明，本领域技术人员应当理解，下述的说明只是为了便于对发明进行解释，而不作为对其范围的具体限定。
图1所示为本发明的激光干涉仪的测量原理，激光源发出的光通过分光镜进行分光后，一束照射向移动反射镜，另一束照射向固定反射镜，两束激光分别经固定反射镜和移动反射镜反射后，入射到探测器，处理器计算产生的两束光束之间的干涉条纹差得到移动反射镜的位置信息。
基于上述测量原理，本发明将移动反射镜安装在活塞上，随着活塞的位置的变化，如上下活动，当活塞经过光电开关产生脉冲信号，触发激光干涉仪记录位置信息。
活塞缸的内径值通过外径值与厚度值的差得到。其中，外径值通过外径千分尺或其他外径测量设备测量；厚度值通过光谱共焦传感器测量。本发明中活塞缸安装在光学平台上，光谱共焦传感器通过光学升降平台上下移动，连续采集活塞缸在有效长度内的厚度。
图2所示为本发明的光谱共焦传感器的测量原理：通过光学色散原理建立距离与波长间的对应关系，利用光谱仪解码光谱信息，从而获得位置信息。当被测物处于测量范围内某一位置时，只有某一波长的光聚焦在被测面上，该波长的光由于满足共焦条件，可以从被测物表面反射回光纤耦合器并进入光谱仪，而其他波长的光在被测物面表面处于离焦状态，通过光谱仪解码得到光强最大处的波长值，从而测得目标对应的距离值。
本发明采用如图2所示的测量原理，其中，为了更准确的得到活塞缸的厚度，光谱共焦传感器发出的光与活塞缸轴线垂直。其中，活塞缸是活塞装置的主体，活塞装置与稳定气源连接。气体可以从活塞缸底部进入活塞缸内；光电传感器为对射式光纤传感器，工作方式遮光时ON。其中，激光干涉仪支持外部触发，实现动态测量。活塞缸有效长度的测量通过激光干涉仪和光电传感器完成。
如图3所示为本发明的测量装置的结构示意图。所述测量装置包括光学平台10，所述光学平台10提供水平稳定的承载平面，为保证测量的准确性，所有的部件均设置在所述光学平台上；活塞缸1，该活塞缸是活塞装置的主体，活塞装置与稳定气源连接。气体可以从活塞缸底部进入活塞缸内；所述活塞缸优选为一个加工公差在0.1以内的均匀石英玻璃管。所述活塞缸1垂直设置在所述光学平台10上；活塞块2，所述活塞块2位于所述活塞缸1中，可被气体推动实现上下移动；激光干涉仪3，其设置在所述光学平台10上，优选位于所述活塞缸的第一侧面；固定反射镜4，其位于所述活塞缸1的正上方，用于将激光光束反射到所述活塞缸1内的活塞块2上，所述固定反射镜4优选通过固定支架设置在活塞缸1的上方；移动反射镜5，其位于所述活塞块2上，可随活塞块2移动；可调节支架6，其位于所述光学平台10上，将所述激光干涉仪3设置在所述可调节支架6上，通过可调节支架6可以调节激光干涉仪3的位置；光电传感器7，其通过定位支架被设置在光学平台10上，且成对的光电传感器7设置在活塞缸1的两侧，当活塞块2通过时，一对光电传感器7上的光线被遮挡，实现了光电触发的记录，通过光电传感器产生脉冲信号触发激光干涉仪记录当前位置信息；光学升降平台8，其设置在光学平台上，位于所述活塞缸1的第二侧面，在所述光学升降平台8上设置有光谱共焦传感器9，两者通过光谱共焦传感器专用夹具连接，确保光谱共焦传感器9轴线与水平面平行，该光谱共焦传感器9对活塞缸1的壁厚进行测量。光电传感器优选为对射式光纤传感器，工作方式遮光时ON。激光干涉仪支持外部触发，实现动态测量。
采用上述测量装置进行测量时，优选采用下面的步骤：
步骤一，调节光学平台10，使活塞缸1轴线与所述光学平台10所在的平面相垂直；
步骤二，采用卡尺或其他外径测量工具，如外径千分尺测量所述活塞缸1的外径douter，为保证测量的准确性，在所述活塞缸1的多个位置进行外径测量，获取平均值；
步骤三，对光学升降平台8进行调节，使位于其上的光谱共焦传感器9保持水平，所述光谱共焦传感器9对准所述活塞缸1的底部；
步骤四，开启所述光谱共焦传感器9，控制所述光学升降台8使得所述光谱共焦传感器9匀速向上运动，所述光谱共焦传感器9连续采集活塞缸1的壁厚θ；
步骤五，通过外径与壁厚的差值获取所述活塞缸1的内径dinner＝douter-θ；
步骤六，对所述可调节支架6进行调节，使激光干涉仪保持水平，所述激光干涉仪发出的激光照射向固定反射镜4，由所述固定反射镜4将激光反射到所述活塞块2上的移动反射镜5，通过调节移动反射镜5实现激光干涉仪对光，所述活塞块位于活塞缸底部时，为激光干涉仪的零点位置。
步骤七，打开管路阀门，有稳定气源进入活塞缸1内，推动活塞2匀速向上运动，活塞块2在运动过程中经过活塞缸1两侧的一对光电传感器7，所述光电传感器7将光信号转化为电信号，触发激光干涉仪3记录即时位置pi；
步骤八，通过光电传感器的位置pi，在靠近光学平台10的一对光电传感器记录的位置为p1，在远离光学平台10的位置设置有至少一对光电传感器，通过远离光学平台10的一对传感器可记录位置p2，得到两对光电传感器之间的距离即为活塞缸的有效长度L＝p2-p1；
步骤九，根据测量得到的内径和长度，可获得活塞缸的有效容积
Figure BDA0002292758430000061
本发明相比于传统测量方法，实现对活塞缸内壁的无接触测量，在提高测量准确性的前提下，同时提高了测量效率。
可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (3)

1.一种活塞式气体流量装置的活塞缸有效容积的测量方法，其中，活塞缸垂直设置在光学平台上；活塞块，所述活塞块位于所述活塞缸中，可被气体推动实现上下移动；激光干涉仪，其设置在光学平台上，位于所述活塞缸的第一侧面；固定反射镜，其位于所述活塞缸的正上方，用于将激光光束反射到所述活塞缸内的活塞块上，所述固定反射镜通过固定支架设置在活塞缸的上方；移动反射镜，其位于所述活塞块上，可随活塞块移动；可调节支架，其位于光学平台上，将所述激光干涉仪设置在所述可调节支架上，通过可调节支架可以调节激光干涉仪的位置；光电传感器，其通过定位支架被设置在光学平台上，且成对的光电传感器设置在活塞缸的两侧；光学升降平台，其设置在光学平台上，位于所述活塞缸的第二侧面，在所述光学升降平台上设置有光谱共焦传感器；其特征在于：
步骤一：调节光学平台，使活塞缸轴线与所述光学平台所在的平面相垂直；
步骤二：通过卡尺或其他外径测量工具得到活塞缸的外径douter，在所述活塞缸的多个位置进行外径测量，获取平均值；
步骤三：对光学升降平台进行调节，使位于其上的光谱共焦传感器保持水平，所述光谱共焦传感器对准所述活塞缸的底部；
步骤四：开启所述光谱共焦传感器，控制所述光学升降台使得所述光谱共焦传感器匀速向上运动，所述光谱共焦传感器连续采集活塞缸的壁厚θ；
步骤五，通过外径与壁厚的差值获取所述活塞缸1的内径dinner＝douter-θ；
步骤六，对可调节支架进行调节，使激光干涉仪保持水平，所述激光干涉仪发出的激光照射向固定反射镜，由所述固定反射镜将激光反射到所述活塞块上的移动反射镜，通过调节移动反射镜实现激光干涉仪对光，所述活塞块位于活塞缸底部时，为激光干涉仪的零点位置；
步骤七，打开管路阀门，有稳定气源进入活塞缸内，推动活塞匀速向上运动，活塞块在运动过程中经过活塞缸两侧的一对光电传感器，所述光电传感器将光信号转化为电信号，触发激光干涉仪记录即时位置pi；
步骤八，通过光电传感器的位置pi，在靠近光学平台的一对光电传感器记录的位置为p1，在远离光学平台的位置设置有至少一对光电传感器，通过远离光学平台的一对传感器可记录位置p2，得到两对光电传感器之间的距离即为活塞缸的有效长度L＝p2-p1；
步骤九：根据测量得到的内径和长度，可获得活塞缸的有效容积
Figure FDA0003299533990000021
2.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于：活塞缸为一个加工公差在0.1以内的均匀石英玻璃管。
3.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于：所述光电传感器为对射式光纤传感器，工作方式遮光时ON。
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