CN114034479A - 一种低温设备关键组件低温型面原位测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低温设备关键组件低温型面原位测量系统及方法，以解决低温设备在冷态测试时出现问题，因低温下设备表面产生冷凝或结霜无法进行测量，在温度回归后故障消失，无法查找故障原因的技术问题。该系统中的测试单元包括机器人测量单元、液氮低温冷却单元及罩设在上述两个单元上的透明隔热罩；机器人测量单元包括机械臂及设置在机械臂前端的测量仪；液氮低温冷却单元包括液氮贮槽；该系统中的低温液氮供应系统用于向液氮低温冷却单元提供低温液氮。该方法包括1、常温测量；2、将待测件浸没在充有液氮的液氮贮槽至冷透；3、使用氮气对透明隔热罩中的空气进行吹除；4、排出低温液氮；5、无水测试；6、测试后处理。

Description

一种低温设备关键组件低温型面原位测量系统及方法

技术领域

本发明涉及低温型面原位测量，具体涉及一种低温设备关键组件低温型面 原位测量系统及方法。

背景技术

现有低温阀门等低温设备采用的测试方法为：首先在常温下进行测试，然 后在液氮等低温介质下进行冷却，针对冷却后设备进行冷态测试。

在冷态测试过程中设备处于低温状态，如果出现卡滞或测试参数与常温差 异较大的情况时，由于低温零件在接触空气时会快速产生冷凝或结霜，无法进 行测量及状态观察，因此需等阀门完全回温后再进行原因的查找。但是随着温 度回到常温状态，一些由于低温下尺寸变化可能出现的卡滞，配合不良等情况 也随之消失，因此往往出现设备在低温下出现故障，温度回归后故障消失，无 法查找故障原因的情况。

发明内容

本发明的目的在于解决低温设备在冷态测试时出现卡滞，配合不良等情况 时，在低温状态下因为接触空气在低温设备表面产生冷凝或结霜，无法进行测 量及状态观察，在温度回归后故障消失，无法查找故障原因的问题，提出一种 低温设备关键组件低温型面原位测量系统及方法。

本发明提供的技术方案为：

一种低温设备关键组件低温型面原位测量系统，其特殊之处在于：

包括测试单元和低温液氮供应系统；

所述测试单元包括透明隔热罩、第一台面、设置在第一台面上的机器人测 量单元和液氮低温冷却单元；

所述透明隔热罩与第一台面密封连接，用于将机器人测量单元和液氮低温 冷却单元与外界隔离；

所述机器人测量单元包括机器人组件，机器人组件包括设置在第一台面上 的机械臂和设置在机械臂前端的测量仪；

所述液氮低温冷却单元包括设置在第一台面上的液氮贮槽，所述液氮贮槽 底面具有第一通孔，第一通孔贯穿第一台面；

机器人测量单元和液氮低温冷却单元之间设置可移动的上隔板；所述上隔 板可用于将透明隔热罩中的机器人测量单元和液氮低温冷却单元隔开；

所述透明隔热罩上表面设置有排气口，所述排气口与机器人测量单元和液 氮低温冷却单元相通；透明隔热罩设置有第三通孔，用于供应氮气的管道穿过；

所述低温液氮供应系统与液氮贮槽的第一通孔相通，用于向液氮贮槽提供 低温液氮。

进一步地，所述液氮贮槽内设置有可调节底座，所述可调节底座包括固定 底座、可旋转底座及旋转调节组件；

所述固定底座设置在液氮贮槽底面，为倒T形；

所述可旋转底座包括载物台和设置在载物台底面的旋转套，旋转套套设在 固定底座，所述旋转套外侧设置有操作齿轮；

所述旋转调节组件包括与所述操作齿轮相配合的操作齿条、操作杆及气缸， 所述操作齿条通过操作杆与气缸连接，所述气缸用于通过控制操作齿条带动操 作齿轮旋转，进一步实现操作齿轮带动可旋转底座达到预定旋转角度；

所述气缸设置多个进气口，相邻两个进气口的间距相等。

进一步地，

液氮贮槽的底面具有第二通孔，第二通孔的直径大于第一通孔；所述第一 台面下与第二通孔相对的位置设有可移动蒸发槽，用于盛放第二通孔排出的液 氮；

所述第第一台面下还设置有机器人组件控制台，机器人组件控制台与蒸发 槽之间设置有下隔板。

进一步地，所述液氮贮槽采用不锈钢。

进一步地，所述低温液氮供应系统包括第一管道及设置在第一管道上的截 止阀和排放阀，低温液氮供应系统通过第一管道与液氮贮槽的第一通孔相接。

进一步地，所述透明隔热罩设置有可开关的活动门，透明隔热罩采用有机 玻璃，透明隔热罩与第一台面通过橡胶密封条及玻璃胶进行密封；

所述透明隔热罩内放置至少一个氮气浓度测量仪和至少一个温度测量仪。

所述透明隔热罩侧面的可开关的活动门打开状态通过气弹簧达到支撑作 用，关闭状态通过肘夹进行固定。

氮气浓度测量仪可以方便监测透明隔热罩内的氮气浓度，以判断透明隔热 罩内是否为无水空间，温度测量仪方便监测透明隔热罩内的温度。

进一步地，所述机器人测量单元还包括凸台，所述凸台可拆卸固定在第一 台面上，用于可拆卸的固定机械臂。

进一步地，所述可移动的上隔板为电动卷帘门。

本发明还提供了一种低温设备关键组件低温型面原位测量方法，其特殊之 处在于，包括以下步骤：

S1、常温测量：将待测件放置在液氮贮槽内使用机器人组件对常温待测件 进行的测量；

S2、有水预冷：移动上隔板，使机器人测量单元和液氮低温冷却单元位于 两个独立的空间，打开低温液氮供应系统，通过第一通孔向液氮贮槽中充低温 液氮，使待测件浸没在低温液氮中，直至低温液氮的液面平稳不沸腾，则判定 待测件冷透；

S3、氮气吹除：待测件冷透后，关闭低温液氮供应系统，停止低温液氮充 入；打开氮气供应系统，对透明隔热罩内空间进行氮气吹除，吹除的气体从排 气口排出，直至测试空间置换为无水空间；

S4、排出低温液氮：将液氮贮槽中的液氮快速排出；

S5、无水测试：保持氮气吹除，再次移动上隔板，使机器人测量单元和液 氮低温冷却单元的空间连通，采用与步骤S1相同的操作，操纵机器人组件对冷 透的待测件进行测量；

S6、测试后处理：测试结束，待机器人测量单元与液氮低温冷却单元回温 后，关闭氮气供应系统，停止氮气吹除，打开低温液氮供应系统的排放阀，排 出透明隔热罩内的氮气后，打开透明隔热罩取出待测件。

进一步地，步骤S1中使用机器人组件对常温待测件进行测量及步骤S5中 操纵机器人组件对冷透的待测件进行测量的具体过程为：

S5.1、根据设定的测量角度，操纵机器人组件对待测件当前测量面进行测量；

S5.2、根据设定的可调节底座的调整角度，旋转可调节底座，使可旋转底座 带动待测件按照设定的角度旋转后停止，再次使用机器人组件对待测件当前测 量面进行测量；

S5.3、重复步骤S5.2，直至完成绕待测件一周的测量。

本发明的有益效果：

1、本发明透明隔热罩罩设在机器人测量单元和液氮低温冷却单元之外，再 通过氮气吹除透明隔热罩内的空气并由排气口排出，使测试单元内为无水空间， 防止待测件在低温下结霜，实现了低温状态下的准确测量。

2、在机器人测量单元和液氮低温冷却单元之间设置上隔板，在测量开始前， 待测件冷却期间用隔板使机器人测量单元和液氮低温冷却单元处于两个空间 中，防止液氮低温冷却单元中的过冷液氮对机器人测量单元中的机械臂和测量 仪造成影响，导致测量结果不准确。

3、液氮低温冷却单元的液氮贮槽底面设置的第二通孔的直径大于第一通孔 的直径，在进行低温原位测量过程中，待测件冷透后，且无水空间建立完成， 需要进行测量时，打开直径较大的第二通孔，可以快速将液氮从液氮贮槽中排 出，节省时间，保证测量过程待测件的冷透状态。

4、本发明提供的低温设备关键组件低温型面原位测量方法可以实现在低温 状态下对待测件进行参数测量，有利于发现待测件在低温下是否发生形变，避 免了因温度恢复常温导致的测量不准确，为低温设备的尺寸型面优化提供了有 效的技术支撑。

附图说明

图1为本发明低温设备关键组件低温型面原位测量系统实施例示意图；

图2为本发明实施例中测试单元结构示意图；

图3为本发明实施例中测试单元结构侧视图；

图4为本发明实施例中可调节底座结构示意图；

图5为本发明实施例中可调节底座的旋转调节组件结构示意图；

1-测试单元，101-凸台，102-液氮贮槽，103-上隔板，104-第一台面，105- 支撑架，106-透明隔热罩，107-排气口，108-电动卷帘门，109-机械臂，110-活 动门，111-第二通孔，112-蒸发槽，113-机器人组件控制台，114-下隔板，115- 测量仪，116-气弹簧，117-肘夹，118-固定底座，119-旋转套，120-操作齿条， 121-操作齿轮，122-载物台，123a-第一进气口，123b-第二进气口，123c-第三进 气口，123d-第四进气口，124-操作杆，125-气缸，126-氮气吹除孔，127-第一通 孔；

2-低温液氮供应系统，201-第一截止阀，202-第二截止阀，203-排气阀，204- 排液阀，205-第一管道。

具体实施方式

参见图1-图5，本实施例提供的低温设备关键组件低温型面原位测量系统， 包括测试单元1和低温液氮供应系统2；

测试单元1包括透明隔热罩106、第一台面104、设置在第一台面104上的 机器人测量单元和液氮低温冷却单元。

第一台面104下设置有多个支撑架105，第一台面104下设置有与支撑架 105固定连接的第二台面；

透明隔热罩106与第一台面104密封连接，用于将机器人测量单元和液氮 低温冷却单元与外界隔离；透明隔热罩106侧面设置有可开关的活动门110；该 活动门110可以打开使处于活动门110水平状态，操作人员在进行相关操作后 密封关闭，活动门110在打开状态时，通过气弹簧116达到支撑作用，在关闭 状态时，通过肘夹117进行固定。

透明隔热罩106采用有机玻璃，透明隔热罩106与第一台面104通过橡胶 密封条及玻璃胶进行密封。

透明隔热罩106设置有第三通孔，高露点氮气管道通过第三通孔进入透明 隔热罩106的对其内部空间进行吹除；具体的，高露点氮气管道延伸至透明隔 热罩106和液氮贮槽102的内部下侧面，并在进入透明隔热罩106的一段高露 点氮气管道上开设多个氮气吹除孔126，对透明隔热罩106内的空气进行充分的 吹除。

透明隔热罩106内放置氮气浓度测量仪和温度测量仪，本实施例中机器人 测量单元和液氮低温冷却单元分别设置有氮气浓度测量仪和温度测量仪。

机器人测量单元包括机械臂109、设置在机械臂109前端的测量仪115、设 置在第二台面上的机器人组件控制台113及可拆卸固定在机器人测量单元的台 面上的凸台101，机械臂109与测量仪115构成机器人组件；凸台101的设置方 便机械臂109的固定和拆除，例如，在实际使用过程中，当选择不同的型号的 机械臂109时，只需要调整凸台101的连接件，而不需要对机器人测量单元的 台面进行调整更换，适用性增强。

液氮低温冷却单元设置有液氮贮槽102，该液氮贮槽102采用不锈钢，液氮 贮槽102底面具有第一通孔127和第二通孔111，第一通孔127和第二通孔111 贯穿第一台面104，且第二通孔111的直径大于第一通孔127的直径，第二台面 上与第二通孔111相对的位置设有可移动蒸发槽112，用于盛放第二通孔111排 出的液氮；第二通孔111的大直径设计，使液氮可以快速排出，尽量减少液氮 排出时间，使待测件在低温下尽快完成测量。

第二台面上机器人组件控制台113与蒸发槽112之间设置有下隔板114，下 隔板114可以防止从第二通孔111向蒸发槽112排液氮过程中，低温液氮对机器 人组件控制台113的影响。

液氮贮槽102内设置有可调节底座，可调节底座包括固定底座118、可旋转 底座及旋转调节组件；

固定底座118设置在液氮贮槽102底面，为倒T形；可旋转底座包括载物 台122和设置在载物台122底面的旋转套119，旋转套119外侧设置有操作齿轮 121；旋转套119套设在固定底座118。

旋转调节组件包括与操作齿轮121相配合的操作齿条120、操作杆124及气 缸125，操作齿条120通过操作杆124与气缸125连接，气缸125用于通过控制 操作齿条120带动操作齿轮121旋转，进一步实现操作齿轮121带动可旋转底 座达到预定旋转角度；

气缸125设置多个进气口，相邻两个进气口的间距相等。

机器人测量单元和液氮低温冷却单元之间设置可移动的上隔板103；上隔板 103用于将隔热罩中的机器人测量单元和液氮低温冷却单元隔开；本实施例中， 该可移动的上隔板103为电动卷帘门108，该电动卷帘门108的承重架、设置在 承重架上的传动卷轴和电机控制部分设置在透明隔热罩106的上表面，在透明 隔热罩106垂直于承重架的两侧面内部设置有导轨，用于使电动卷帘门108的 卷轴沿轨道上下滑动。

透明隔热罩106上表面设置有排气口107，本实施例中，透明隔热罩106上 表面电动卷帘门108的两侧均设置有排气口107(图中未显示另一个排气口)， 分别与机器人测量单元和液氮低温冷却单元相通；排气口107与pvc软管构成 的排气管连接，将从透明隔热罩106中吹除气体的排出。

低温液氮供应系统2包括第一管道205、与第一管道205一端相接的液氮储 器、及设置在第一管道205上的截止阀和排放阀，低温液氮供应系统2通过第 一管道205与液氮贮槽102的第一通孔127相接，用于向液氮贮槽102提供低 温液氮，第一管道205与第一通孔127相接部位采用软质材料进行封堵，避免 氮气的泄漏。

基于上述低温设备关键组件低温型面原位测量系统，其工作过程包括以下 步骤：

S1、常温测量：将待测件放置在液氮贮槽102内，使用机器人组件对常温 待测件进行的测量；具体过程为：

S1.1、操纵机器人组件对待测件当前测量面进行测量。

S1.2、根据设定的可调节底座的调整角度，本实施例中设定调整角度为 90°，旋转可调节底座，使可旋转底座带动待测件旋转90°后停止，再次使用 机器人组件对待测件当前测量面进行测量；

S1.3、重复步骤S1.2，直至完成绕待测件一周的测量。

S2、有水预冷：

移动上隔板103，使机器人测量单元和液氮低温冷却单元位于两个独立的空 间内，打开低温液氮供应系统2的第一截止阀201和第二截止阀202，通过第一 通孔127向液氮贮槽102中充低温液氮，使待测件浸没在低温液氮中，直至低 温液氮的液面平稳不沸腾，则判定待测件冷透。

S3、氮气吹除：待测件冷透后，关闭低温液氮供应系统2的第一截止阀201 和第二截止阀202，停止低温液氮充入，第一管道205中的液氮通过排液阀204 排出；对透明隔热罩106内空间进行氮气吹除，吹除的气体从排气口107排出， 直至测试空间置换为无水空间。

本实施例中采用在测试空间内设置氮气浓度测量仪来判断是否达到无水空 间，例如，当氮气浓度测量仪显示为99％以上时，可以认为测试空间为无水空 间。可以理解的是，还可以收集排气口107排出的气体进行氮气或水分的测量 来判断。

S4、排出低温液氮：使液氮通过液氮贮槽102上的第二通孔111快速排出；

S5、无水测试：

S5.1、保持氮气吹除，再次移动上隔板103，使机器人测量单元和液氮低温 冷却单元的空间连通，操纵机器人组件对待测件当前测量面进行测量；

S5.2、根据设定的可调节底座进气口间距，旋转可调节底座，使可调节底座 带动待测件旋转90°后停止，再次使用机器人组件对待测件的当前测量面进行 测量。

S5.3、重复步骤S5.2，直至完成绕待测件一周的测量。

具体的，首先将第一进气口123a通入气体，在气体的作用下操作杆124被气 体压力推动，带动操作齿条120直线运动，在操作齿条120的带动下操作齿轮 121旋转，同时可旋转底座发生旋转，当操作杆124向左通过第二进气口123b 位置时，第二进气口123b将气体排出，操作杆124移动停止，此时旋转底座停 止旋转，使用机器人组件对待测件的当前测量面参数进行测量。

再向第二进气口123b通入气体，同样的，在气体作用下可旋转底座发生90° 旋转，按照相同的操作对第三进气口123c和第四进气口123d通气，并使用机 器人组件对待测件的当前测量面参数进行测量，直至测量完成。

通过调节进气口之间的距离，可以实现对不同旋转角度的控制，因此可以实 现按预定角度的旋转。通过几个按预定角度的旋转(比如90度或者45度)可 以将待测原件的各方向调整至测量方向，该结构简单，经结构调节后精度高， 一致性好。

S6、测试后处理：测试结束，待机器人测量单元与液氮低温冷却单元回温， 关闭氮气供应系统，停止氮气吹除，打开低温液氮供应系统2的第一截止阀201 和排气阀203，排出透明隔热罩106中的氮气后，打开透明隔热罩106取出待测 件。

在步骤S1后，可以先对透明隔热罩106内的空气进行氮气预吹除，将透明 隔热罩106内大部分含有水汽的空气排出，再进行有水预冷，这样可以防止在 进行有水预冷时大量水汽凝结在液氮贮槽102外壁，延长步骤S3的氮气吹除时 间。

本实施例中，通过在透明隔热罩106内的机器人测量单元与液氮低温冷却 单元设置温度测量仪来检测温度。

Claims (10)

1.一种低温设备关键组件低温型面原位测量系统，其特征在于：包括测试单元(1)和低温液氮供应系统(2)；

所述测试单元(1)包括透明隔热罩(106)、第一台面(104)、设置在第一台面(104)上的机器人测量单元和液氮低温冷却单元；

所述透明隔热罩(106)与第一台面(104)密封连接，用于将机器人测量单元和液氮低温冷却单元与外界隔离；

所述机器人测量单元包括机器人组件，机器人组件包括设置在第一台面(104)上的机械臂(109)和设置在机械臂(109)前端的测量仪(115)；

所述液氮低温冷却单元包括设置在第一台面(104)上的液氮贮槽(102)，所述液氮贮槽(102)底面具有第一通孔(127)，第一通孔(127)贯穿第一台面(104)；

机器人测量单元和液氮低温冷却单元之间设置可移动的上隔板(103)；所述上隔板(103)可用于将透明隔热罩(106)中的机器人测量单元和液氮低温冷却单元隔开；

所述透明隔热罩(106)上表面设置有排气口(107)，所述排气口(107)与机器人测量单元和液氮低温冷却单元相通；透明隔热罩(106)设置有第三通孔，用于供应氮气的管道穿过；

所述低温液氮供应系统(2)与液氮贮槽(102)的第一通孔(127)相通，用于向液氮贮槽(102)提供低温液氮。

2.根据权利要求1所述的低温设备关键组件低温型面原位测量系统，其特征在于：

所述液氮贮槽(102)内设置有可调节底座，所述可调节底座包括固定底座(118)、可旋转底座及旋转调节组件；

所述固定底座(118)设置在液氮贮槽(102)底面，为倒T形；

所述可旋转底座包括载物台(122)和设置在载物台(122)底面的旋转套(119)，

旋转套(119)套设在固定底座(118)上，所述旋转套(119)外侧固定有操作齿轮(121)；

所述旋转调节组件包括与所述操作齿轮(121)相配合的操作齿条(120)、操作杆(124)及气缸(125)，所述操作齿条(120)通过操作杆(124)与气缸(125)连接；

所述气缸(125)设置多个进气口，相邻两个进气口的间距相等。

3.根据权利要求2所述的低温设备关键组件低温型面原位测量系统，其特征在于：

所述液氮贮槽(102)的底面具有第二通孔(111)，第二通孔(111)的直径大于第一通孔(127)；所述第一台面(104)下与第二通孔(111)相对的位置设有可移动蒸发槽(112)，用于盛放第二通孔(111)排出的液氮；

所述第一台面(104)下还设置有机器人组件控制台(113)，机器人组件控制台(113)与蒸发槽(112)之间设置有下隔板(114)。

4.根据权利要求3所述的低温设备关键组件低温型面原位测量系统，其特征在于：所述液氮贮槽(102)采用不锈钢材料。

5.根据权利要求4所述的低温设备关键组件低温型面原位测量系统，其特征在于：

所述低温液氮供应系统(2)包括第一管道(205)及设置在第一管道(205)上的截止阀和排放阀，低温液氮供应系统通过第一管道(205)与液氮贮槽(102)的第一通孔(127)相接。

6.根据权利要求5所述的低温设备关键组件低温型面原位测量系统，其特征在于：

所述透明隔热罩(106)设置有可开关的活动门(110)，透明隔热罩(106)采用有机玻璃，透明隔热罩(106)与第一台面(104)通过橡胶密封条及玻璃胶进行密封；所述透明隔热罩(106)内放置至少一个氮气浓度测量仪和至少一个温度测量仪。

7.根据权利要求6所述的低温设备关键组件低温型面原位测量系统，其特征在于：

所述机器人测量单元还包括凸台(101)，凸台(101)可拆卸固定在第一台面(104)上，用于可拆卸的固定机械臂(109)。

8.根据权利要求7所述的低温设备关键组件低温型面原位测量系统，其特征在于：所述可移动的上隔板(103)为电动卷帘门(108)。

9.一种低温设备关键组件低温型面原位测量方法，其特征在于，基于权利要求1-8所述低温设备关键组件低温型面原位测量系统，包括以下步骤：

S1、常温测量：将待测件放置在液氮贮槽(102)内，使用机器人组件对常温待测件进行测量；

S2、有水预冷：移动上隔板(103)，使机器人测量单元和液氮低温冷却单元位于两个独立的空间内，打开低温液氮供应系统(2)，通过第一通孔(127)向液氮贮槽(102)中充低温液氮，使待测件浸没在低温液氮中，直至低温液氮的液面平稳不沸腾，则判定待测件冷透；

S3、氮气吹除：待测件冷透后，关闭低温液氮供应系统(2)，停止低温液氮充入；对透明隔热罩(106)内空间进行氮气吹除，吹除的气体从排气口(107)排出，直至测试空间置换为无水空间；

S4、排出低温液氮：将液氮贮槽(102)中的液氮排出；

S5、无水测试：保持氮气吹除，再次移动上隔板(103)，使机器人测量单元和液氮低温冷却单元的空间连通，采用与步骤S1相同的操作，操纵机器人组件对冷透的待测件进行测量；

S6、测试后处理：测试结束，待机器人测量单元与液氮低温冷却单元回温后，关闭氮气供应系统，停止氮气吹除，打开低温液氮供应系统(2)的排放阀，排出透明隔热罩(106)内的氮气后，打开透明隔热罩(106)取出待测件。

10.根据权利要求9所述的低温设备关键组件低温型面原位测量方法，其特征在于，步骤S1中使用机器人组件对常温待测件进行测量及S5中操纵机器人组件对冷透的待测件进行测量的具体过程为：

A1、操纵机器人组件对待测件当前测量面进行测量；

A2、根据设定的可调节底座的调整角度，旋转可调节底座，使可调节底座带动待测件按照设定的角度旋转后停止，再次使用机器人组件对待测件当前测量面进行测量；

A3、重复步骤A2，直至完成绕待测件一周的测量。

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