JP4022752B2

JP4022752B2 - Leakage flow measurement method

Info

Publication number: JP4022752B2
Application number: JP2002361461A
Authority: JP
Inventors: 涛王; 光正彭; ▲趙▼▲たん▼; 伸一本間
Original assignee: SMC Corp
Current assignee: SMC Corp
Priority date: 2002-11-11
Filing date: 2002-11-11
Publication date: 2007-12-19
Anticipated expiration: 2022-11-11
Also published as: CN1499183A; JP2004163378A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気圧シリンダ等からの漏れ流量を、リークテスタによる漏れ流量の測定のシミュレーションにより計測する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
空気圧シリンダ等の容積形の構成要素にとって、密閉性は製品品質に関する最も重要な指標の一つである。同一の初期圧力のもとで、漏れのない標準容器（マスタ）と漏れのある被測定容器（ワーク）との間の差圧の変化を差圧センサにより測定して、被測定容器の漏れ流量を計算することが行われてきた。この測定方法は測定装置が簡単であり、検出信号を採取し易く、操作が手軽であるという多くの利点を有する。差圧比較原理による漏出空気の従来の測定モデルが図１に示されている。図１において、空気圧源と標準容器１との間の管路に止め弁Ｖ１が配設され、空気圧源と被測定容器２との間の管路に止め弁Ｖ２が配設されている。そして標準容器１と被測定容器２とを連通させる管路に差圧センサ３が配設されている。
【０００３】
前述のように、標準容器１は漏れのない容器であり、被測定容器２は極少量の漏れがある容器である。検出にあたり、止め弁Ｖ１とＶ２が開かれ、圧縮空気が２つの容器に同時に流入される。２つの容器の空気圧力が安定すると同時に２つの止め弁Ｖ１とＶ２が閉じられる。被測定容器２には漏れがあるので、内圧は連続的に降下する。従って、２つの容器間の差圧は連続的に増加する。そして、漏れ流量が多くなればなるほど、差圧の変化は早くなる。この方法を用い、後述の計算方法により被測定容器２の漏れ流量が決定される。
【０００４】
従来の漏れ流量の計算方法は、差圧の変化が線形であると仮定され、内圧の連続的な降下による漏れの影響は無視されている。漏れ流量は次式（１）により簡単に計算できる。
【数４】

なお、測定条件についての実際の経験により、測定時間Δｔは予め与えられている。ΔＰ_ｔ／Δｔは差圧の変化量である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の方法は、差圧の変化が線形であると仮定しているが、実際には線形ではなく測定値と実際の漏れとの間に相当の誤差があった。
本発明の課題は、精度の高い漏れ流量の計測方法をによってその漏れ流量及び誤差の計測を行うことを可能にすることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
まず、本発明の計算に用いる記号について説明する。
ｋ_ｓ：差圧センサの係数ｔ_ζ ：初期検出時間（検出時は未知）
ｌ：漏れ穴の長さＶ_ｅ：被測定容器の等価容積
ｍ：空気の質量Ｖ_ｌ：漏れ空気容積
ｎ：試験品の資料番号Ｖ_ｍ：標準容器の容積
Ｐ_ａ：大気圧Ｖ_ｍ０：標準容器の初期容積
Ｐ_ｍ：標準容器内の空気圧力Ｖ_ｓ：差圧センサの内容積
Ｐ_Ｔ：テスト圧力Ｖ_ｗ：被測定容器の容積
Ｐ_ｗ：被測定容器内の空気圧力Ｖ_ｗ０：被測定容器の初期容積
Ｑ_ｌ：大気圧下での漏れ流量 ΔＰ_ｔ：検出時間Δｔ内での差圧の変化量
Ｒ：空気定数 ΔＰ：差圧
ｒ：漏れ穴の半径 Δｔ：測定時間
Ｔ：空気温度 μ ：空気の動粘性係数
ｔ：時間
【０００７】
本発明の計算方法は、空気漏れ流量の測定のために行われる。漏れ穴（外周に小穴があると仮定される）の空気流れの原理に基づいて、未知のパラメーターを有する漏れ流量の理論式が得られる。統計的解析により、差圧の数学モデル中の未知のパラメーター、換言すれば漏出流の理論式中の未知のパラメーターが、差圧の実験により推定することができる。これによって、漏出流は計算でき、漏出流の誤差は同様に推定できる。
従来方法の不利な点は、差圧の変化量が初期検出時からの測定時間の経過に従って影響を受けることである。また、実際の検出条件では、被測定容器の圧力の変化は線形ではない。理論面から、流れている漏れ空気は、等温の流れであると考えられる。ハーゲン・ポアズイユの法則（Ｈａｇｅｎ−Ｐｏｉｓｅｕｉｌｌｅ’ｌａｗ）に基づき、漏れ流量は次の理論式で示される。
【数５】

【０００８】
漏れ穴を位置探索して確認することは困難であり、同様にパラメーターｒとｌを測定することは困難であるので、上記方程式中の不変のパラメーターｒとｌを、次の方法により推測する。
容器中のある空気量の状態方程式は、次のように表現できる。
ＰＶ＝ｍＲＴ（３）
漏出中の空気温度は一定であると考えられる。
式（３）を微分すると次の方程式が導かれる。
標準容器側：
【数６】

被測定容器側：
【数７】

【０００９】
２つの容器間の差圧の方程式は、次のように現すことができる。
ΔＰ＝Ｐ_ｍ−Ｐ_ｗ（６）
漏れが生じている間の容積変化の微分方程式は、次のとおりである。
【数８】

式（２）を参照すると、漏れ流量方程式は次のように書くことができる。
【数９】

【００１０】
微小漏れであるので、計算に際して次のように仮定することができる。
Ｐ_ｍ＝Ｐ_Ｔ，Ｐ_ｗ＝Ｐ_Ｔ，Ｖ_ｍ＝Ｖ_ｍ０，Ｖ_ｗ＝Ｖ_ｗ０
前記微分方程式を初期検出時間ｔ_ζ から積分すると、差圧ΔＰは次の通りとなる。
【数１０】

ここに
【数１１】

【００１１】
検出時間に沿って差圧ΔＰを測定し、ＬＳＤ（最小有意差・Least Significant Difference）の原理を適用する。パラメーターｔζとＣは未知である。簡便にするため式(9)を式(11)に置換する。
ｙ＝ａ＋Ｃ_ｔ (11)
ここに
【数１２】

一次回帰分析法によって、未知のパラメーターｔζとＣを式(14)と式(15)から推定することができる。
【数１３】

なお、式(14)中のｙは、式 (12) に示されたものであり、各時刻ｔ及びその時刻で測定した差圧△Ｐを用いて、一次回帰分析法によって式 (14) からパラメーターＣを推定する。
【００１２】
上記分析に基づいて、実際の測定では、容器の漏れ流量は被測定容器の内圧力の連続的低下に従って減少する。しかし、容器の漏れ流量は、あるテスト圧力のもとでは容器の内部から容器の外部への空気流量として通例は考えられる。従って、漏れ流量の計算式は次のように書くことができる。
【数１４】

式(14)を式(16)に代入する。
【数１５】

ここに
【数１６】

である。
前記課題を解決するための本発明の方法は、初期容積Ｖ _ｍ０の漏れのない標準容器と初期容積Ｖ _ｗ０の被測定容器とを連通させる管路に差圧センサを配設し、標準容器と被測定容器とに圧縮空気の圧力がテスト圧力Ｐ _Ｔになるまで流入させた後、被測定容器からの漏れ流量を上記差圧センサの出力の変化に基づいて計測するところの、リークテスタによる漏れ流量の測定をシミュレーションして、該漏れ流量を計測する計測方法であって、漏れ空気流量Ｑ _ｌを上記式 (17) により演算する第１の演算手段を備え、当該式 (17) におけるパラメーターＣは、各時刻ｔ及びその時刻に測定した差圧△Ｐから一次回帰分析法によって式 (14) により与えられるものとし、上記第１の演算手段による演算結果として、上記シミュレーションによる漏れ流量を得ることを特徴とするものである。
また、式(17)は、あるテスト圧力のもとでの容器からの現実の漏れ空気流量である。式(17)からこの方法の系統誤差は式(19)により決められる。
【数１７】

【００１３】
圧力センサの系統誤差δＰによる誤差は、約±０．０１１２ＭＰ_ａである。被測定容器及び標準容器の容積測定値に起因する誤差δＶ_ｗ０及びδＶ_ｍ０は、±２ｃｍ^３と考えられる。δＣは、未知のパラメーターＣの統計的計算誤差であり、δＣは次式で示される。
【数１８】

なお、δＣは０にほぼ等しい。上記誤差を総計すると、系統誤差は８．２パーセント（Ｐ_Ｔ＝０．５ＭＰ_ａ）に近似する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
容器の空気漏れ流量を測定するための実験装置が図２に示されており、これは本発明の計算方法による結果と比較するためのものである。図２において、空気圧源１０からの圧縮空気は調圧弁１１により調圧され、調圧後の圧縮空気は圧力計１２で測定され、Ａ／Ｄ変換器１４に入力される。また、調圧後の圧縮空気は切換弁１３を通り、開閉弁１５を通して標準容器１７に流入可能であり、同時に開閉弁１６を通して被測定容器１８に流入可能である。標準容器１７と被測定容器１８を連通させる管路に差圧センサ１９が配設され、差圧センサ１９の出力信号はＡ／Ｄ変換器１４に入力される。被測定容器１８からの漏れ流量は流量計２０で測定され、微少流量アダプター２１を通して大気に放出される。流量計２０の出力信号はＡ／Ｄ変換器１４に入力される。
【００１５】
大容量流量計（Ｍａｓｓｆｌｏｗｍｅｔｅｒ：ＭＦＭ）は内径測定器と考えられる。コンピューター２２及びＡ／Ｄ変換器１４はテスト圧力、２容器間の差圧及び微少漏れ流量を測定するために用いられる。標準容器１７と被測定容器１８の初期容積は、それぞれ３１０．３ｃｍ^３及び３７６．８ｃｍ^３である。
図２に示す実験装置を使用して、同一テスト圧力（０．５ＭＰ_ａ）のもとでテストが実行された。実験データ及び対応するシミュレーションの結果から、図３及び図４が得られる。本発明の計算方法に基づくシミュレーションの結果は、実験データとよく適合していることが分かる。
本発明の計算方法の精度を確認するために、異なる漏れ穴と異なるテスト圧力の条件下でより多くのテストが行われた。測定結果が図５に示されている。この表から、本発明の計算方法は、従来方法よりも精度が高いことが明白である。
【００１６】
差圧比較法により容器からの空気漏れ流量を測定して、差圧変化が非線形であることが証明された。このように、従来の計算方法は空気漏れ流量の測定方法としての精確さが十分ではないことが分かる。
空気漏れ流量を測定するための本発明の計算方法は、実際の微少流量方程式及び統計手法を用いて提案されている。本発明の計算方法と実際の漏れ流量との間には、より多くの一致がある。従来の計算方法よりも空気漏れ流量の測定精度が改善される。
【００１７】
【発明の効果】
本発明の漏れ流量の計測方法によれば、精度の高い漏れ流量及び誤差の計測を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のリークテスタの測定モデルを示す説明図である。
【図２】容器の空気漏れ流量を測定するための実験装置の説明図である。
【図３】ある条件での、漏れ流量と差圧についての実験データとシミュレーションを示す図表である。
【図４】他の条件での、漏れ流量と差圧についての実験データとシミュレーションを示す図表である。
【図５】本発明の計算方法の精度を確認するための実験結果を示し、図５（ａ）はテスト圧力０．２ＭＰ_ａでの実験、図５（ｂ）はテスト圧力０．５ＭＰ_ａでの実験、図５（ｃ）はある漏れ穴での実験の結果をそれぞれ示す。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for measuring a leakage flow rate from a pneumatic cylinder or the like by a simulation of leakage flow rate measurement by a leak tester .
[0002]
[Prior art]
For positive displacement components such as pneumatic cylinders, hermeticity is one of the most important indicators of product quality. Under the same initial pressure, the change in the differential pressure between the standard container (master) without leakage and the measured container (work) with leakage is measured by the differential pressure sensor, and the leakage flow rate of the measured container Has been calculated. This measuring method has many advantages that the measuring device is simple, the detection signal is easily collected, and the operation is easy. A conventional measurement model of leaked air according to the differential pressure comparison principle is shown in FIG. In FIG. 1, a stop valve V <b> 1 is provided in a pipe line between the air pressure source and the standard container 1, and a stop valve V <b> 2 is provided in a pipe line between the air pressure source and the container 2 to be measured. A differential pressure sensor 3 is disposed on a conduit that communicates the standard container 1 and the container 2 to be measured.
[0003]
As described above, the standard container 1 is a container with no leakage, and the measured container 2 is a container with a very small amount of leakage. For detection, stop valves V1 and V2 are opened, and compressed air flows into the two containers simultaneously. The two stop valves V1 and V2 are closed at the same time as the air pressure in the two containers is stabilized. Since there is a leak in the container 2 to be measured, the internal pressure drops continuously. Therefore, the differential pressure between the two containers increases continuously. And the more the leakage flow rate, the faster the differential pressure changes. Using this method, the leakage flow rate of the container 2 to be measured is determined by a calculation method described later.
[0004]
In the conventional calculation method of the leakage flow rate, it is assumed that the change in the differential pressure is linear, and the influence of leakage due to the continuous drop of the internal pressure is ignored. The leakage flow rate can be easily calculated by the following equation (1).
[Expression 4]

Note that the measurement time Δt is given in advance based on actual experience with measurement conditions. ΔP _t / Δt is a change amount of the differential pressure.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The conventional method assumes that the change in the differential pressure is linear, but in practice it was not linear and there was a considerable error between the measured value and the actual leakage.
An object of the present invention is to make it possible to measure a leakage flow rate and an error by a highly accurate method for measuring a leakage flow rate.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
First, symbols used in the calculation of the present invention will be described.
k _s : coefficient of differential pressure sensor t _ζ : initial detection time (unknown at the time of detection)
l: length V _e of the leak hole: equivalent volume of the container to be measured m: air mass V _l: air leakage volume n: Document No. V _m specimens: the volume of the standard container _{P a:} atmospheric pressure V _m0: Standard Initial volume P _{m of the} container: air pressure in the standard container V _s : inner volume of the differential pressure sensor P _T : test pressure V _w : volume of the container to be measured P _w : air pressure in the container to be measured V _w0 : measured Container initial volume Q _l : Leakage flow rate under atmospheric pressure ΔP _t : Change amount of differential pressure within detection time Δt R: Air constant ΔP: Differential pressure r: Radius of leak hole Δt: Measurement time T: Air temperature μ: Kinematic viscosity coefficient of air t: Time
The calculation method of the present invention is performed for measuring the air leakage flow rate. Based on the principle of air flow in the leak hole (assuming that there is a small hole in the outer periphery), a theoretical formula for the leak flow with unknown parameters is obtained. Through statistical analysis, unknown parameters in the mathematical model of differential pressure, in other words, unknown parameters in the theoretical formula of leakage flow, can be estimated by differential pressure experiments. Thereby, the leakage flow can be calculated and the error of the leakage flow can be estimated as well.
A disadvantage of the conventional method is that the amount of change in the differential pressure is affected as the measurement time elapses from the initial detection. Further, under actual detection conditions, the change in pressure of the container to be measured is not linear. From the theoretical point of view, the flowing leaked air is considered to be an isothermal flow. Based on Hagen-Poiseuille's law, the leakage flow rate is expressed by the following theoretical formula.
[Equation 5]

[0008]
It is difficult to locate and confirm the leak hole, and similarly it is difficult to measure the parameters r and l. Therefore, the invariant parameters r and l in the above equation are estimated by the following method.
The equation of state of a certain amount of air in the container can be expressed as follows.
PV = mRT (3)
The air temperature during leakage is considered constant.
Differentiating equation (3) leads to the following equation:
Standard container side:
[Formula 6]

Container to be measured:
[Expression 7]

[0009]
The differential pressure equation between the two vessels can be expressed as:
ΔP = P _m −P _w (6)
The differential equation for the volume change during the leak is as follows:
[Equation 8]

Referring to equation (2), the leakage flow equation can be written as:
[Equation 9]

[0010]
Since it is a minute leak, it can be assumed in the calculation as follows.
P _m = P _T , P _w = P _T , V _m = V _m0 , V _w = V _w0
When the differential equation is integrated from the initial detection time _tζ , the differential pressure ΔP is as follows.
[Expression 10]

Here [Equation 11]

[0011]
The differential pressure ΔP is measured along the detection time, and the principle of LSD (Least Significant Difference) is applied. The parameters tζ and C are unknown. For simplicity, formula (9) is replaced with formula (11).
y = a + C _t (11)
Here [Equation 12]

The unknown parameters tζ and C can be estimated from the equations (14) and (15) by the linear regression analysis method.
[Formula 13]

Incidentally, y in the equation (14) has been shown in equation (12), using a differential pressure △ P measured at each time t and the time, from equation (14) by linear regression analysis Estimate parameter C.
[0012]
Based on the above analysis, in the actual measurement, the leakage flow rate of the container decreases as the internal pressure of the measured container decreases continuously. However, the leakage flow rate of the container is usually considered as the air flow rate from the inside of the container to the outside of the container under a certain test pressure. Therefore, the leakage flow rate calculation formula can be written as follows.
[Expression 14]

Substituting equation (14) into equation (16).
[Expression 15]

Here [Equation 16]

It is.
The method of the present invention for solving the above-described problem is that a differential pressure sensor is disposed in a pipe line that communicates a standard container having an initial volume V _{m0 with} no leakage and a container to be measured having an initial volume V _w0. After the compressed air pressure flows into the measurement container until the test pressure _PT is reached, the leakage flow rate from the measurement container is measured based on the change in the output of the differential pressure sensor. simulate the measurement, a measuring method for measuring a該漏Re flow, leakage air flow rate Q _l comprises a first calculating means for calculating the above equation (17), parameter C in the formula (17) Each time t and the differential pressure ΔP measured at that time are given by equation (14) by the linear regression analysis method, and the leakage flow rate by the simulation is obtained as the calculation result by the first calculation means. It is characterized by that.
Further, equation (17) is a real leakage air flow from the container under certain test pressure. From equation (17), the systematic error of this method is determined by equation (19).
[Expression 17]

[0013]
Error due to systematic error δP of the pressure sensor is about ± 0.0112MP _a. Errors δV _w0 and δV _m0 due to the volume measurement values of the container to be measured and the standard container are considered to be ± 2 cm ³ . δC is a statistical calculation error of an unknown parameter C, and δC is expressed by the following equation.
[Expression 18]

Note that δC is approximately equal to 0. Summing up the above errors, the systematic error approximates 8.2 percent (P _T = 0.5 MP _a ).
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
An experimental device for measuring the air leakage flow rate of the container is shown in FIG. 2, which is for comparison with the results of the calculation method of the present invention. In FIG. 2, the compressed air from the air pressure source 10 is regulated by the pressure regulating valve 11, and the compressed air after the regulation is measured by the pressure gauge 12 and input to the A / D converter 14. In addition, the compressed air after pressure adjustment can flow through the switching valve 13 and flow into the standard container 17 through the opening / closing valve 15, and simultaneously flow into the measured container 18 through the opening / closing valve 16. A differential pressure sensor 19 is disposed in a conduit that communicates the standard container 17 and the container 18 to be measured, and an output signal of the differential pressure sensor 19 is input to the A / D converter 14. The leakage flow rate from the container 18 to be measured is measured by the flow meter 20 and released to the atmosphere through the micro flow rate adapter 21. The output signal of the flow meter 20 is input to the A / D converter 14.
[0015]
A mass flow meter (MFM) is considered an inner diameter measuring device. The computer 22 and the A / D converter 14 are used to measure the test pressure, the differential pressure between the two containers, and the minute leakage flow rate. The initial volume of the standard container 17 and the container to be measured 18 are respectively 310.3Cm ³ and 376.8cm ^3.
Using the experimental apparatus shown in FIG. 2, the test was performed under the same test pressure (0.5 MPa _a). 3 and 4 are obtained from the experimental data and the corresponding simulation results. It can be seen that the simulation results based on the calculation method of the present invention are well matched with the experimental data.
To confirm the accuracy of the calculation method of the present invention, more tests were performed under conditions of different leak holes and different test pressures. The measurement results are shown in FIG. From this table, it is clear that the calculation method of the present invention is more accurate than the conventional method.
[0016]
The flow rate of air leakage from the container was measured by the differential pressure comparison method, and it was proved that the differential pressure change was non-linear. Thus, it can be seen that the conventional calculation method is not sufficiently accurate as a method for measuring the air leakage flow rate.
The calculation method of the present invention for measuring the air leakage flow rate has been proposed using actual micro flow equation and statistical techniques. There is more agreement between the calculation method of the present invention and the actual leakage flow rate. The measurement accuracy of the air leakage flow rate is improved as compared with the conventional calculation method.
[0017]
【The invention's effect】
According to the leakage flow rate measuring method of the present invention, it is possible to measure the leakage flow rate and error with high accuracy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a measurement model of a conventional leak tester.
FIG. 2 is an explanatory diagram of an experimental apparatus for measuring the air leakage flow rate of a container.
FIG. 3 is a chart showing experimental data and simulation for leakage flow rate and differential pressure under certain conditions.
FIG. 4 is a chart showing experimental data and simulation for leakage flow rate and differential pressure under other conditions.
Figure 5 shows the results of experiments to confirm the accuracy of the calculation method of the present invention, FIG. 5 (a) Experiments with test pressure 0.2MP _a, FIG. 5 (b) test pressure 0.5 MPa _a FIG. 5C shows the result of the experiment in a certain leak hole.

Claims

Initial volume V _ｍ０m0 Standard container with no leakage and initial volume V _ｗ０w0 A differential pressure sensor is disposed in a pipe line that communicates with the container to be measured, and the pressure of the compressed air is applied to the standard container and the container to be measured. _ＴT The flow rate is measured by simulating the leakage flow rate measured by the leak tester, and measuring the leakage flow rate from the measured container based on the change in the output of the differential pressure sensor. A method,
  The coefficient of the differential pressure sensor is k _ＳS , P is the atmospheric pressure _ａa , The equivalent volume of the container to be measured is V _ｅe When each time is t and the differential pressure measured at that time is ΔP, the leakage air flow rate Q _{ｌ l} The following formula (17) A first calculating means for calculating by:
  The formula (17) The parameter C in the equation is obtained by linear regression analysis from each time t and the differential pressure ΔP measured at that time. (14) Shall be given by
  As a calculation result by the first calculation means, a leakage flow rate by the simulation is obtained.
A leakage flow rate measuring method characterized by the above.

Next formula (19) Thus, the second calculation means for calculating the error of the leakage flow rate with δC equal to 0 is obtained, and the error of the leakage flow rate by simulation is obtained as the calculation result by the second calculation means.
The method for measuring a leakage flow rate according to claim 1.