刻度线对准液面的控制方法

摘要

本发明涉及刻度线对准液面的控制方法，可有效解决测量仪器的检定（或校准、试验等）过程中如何快速、准确地调整刻度线并保证刻度线与液面对准，从而减小刻度线与液面对准操作带来的劳动强度、控制误差和重复性误差的问题，其技术方案包括以下步骤：（1）安装设备；（2）开始计数刻度线；（3）测量原始液位；（4）测量原始距离；（5）二次对准；本发明方法稳定可靠，控制精度高，有效保证了测量仪器刻度线的快速对准，防止了由于人眼分辨力有限、长期观测容易造成视觉疲劳原因带来的视觉判断不确定度大、不适合大批量检测以及自动化程度较低的问题，有实际的应用价值和良好的经济与社会效益。

说明书

技术领域

本发明涉及测量设备，特别是一种使刻度线对准特定液面的控制方法。

背景技术

在测量和控制过程中，经常遇到一些过程，要求刻度线与特定液面对准。例如国家计量检定规程《JJG42-2011 工作用玻璃浮计》中规定，在检定基本误差时，应“通过调整使浮计浸到要鉴定的刻度上，弯月面（即液体在固体附近形成的弯曲液面）下缘读数整好对准刻线中心位置”。

通常，刻度线对准液面的方法是首先依靠人眼识别弯月面位置，然后人工缓慢调整刻度线，使二者逐渐对准。这个过程中，人眼要始终保持在液面所在的水平面上，这就要求人员操作即为熟练和小心，非常容易造成视觉疲劳。一旦出现视觉疲劳、人体晃动，将带来明显的误差。即使是熟练的操作人员，也可能因为人员差异，引入较大的人员误差，这些都影响了检定过程的自动化和检定结果的准确度。

近年来，虽然有些研究，借助图像监视，可以对放大的监视图像进行人工识别，但仍无法实现自动对准控制。还有些软件，利用图像识别技术，能够判断出刻度线的位置，但不能同时识别弯月面和刻度线，也不能在动态测量过程中同时实现对准控制。

发明内容

为克服现有技术不足，本发明的目的就是提供一种刻度线对准液面的控制方法，可有效解决测量仪器的检定（或校准、试验等）过程中如何快速、准确地调整刻度线并保证刻度线与液面对准，从而减小刻度线与液面对准操作带来的劳动强度、控制误差和重复性误差的问题。

本发明解决的技术方案是，包括以下步骤：

（1）安装设备

设备包括容器、导轨、悬挂平台、刻度指示器、液位传感器、刻度提示信号发生装置和控制器，容器内装有溶液，容器的一侧装有竖直的导轨，导轨上装有竖直的丝杠，丝杠的一端与步进电机的转动轴相连，丝杠上装有滑块，滑块两侧的卡头置于导轨的滑动槽内，构成滑块沿导轨上、下的滑动结构，滑块上装有水平的悬挂平台，容器上方在悬挂平台上挂装有向下的刻度指示器，步进电机与控制器相连，控制器分别与装在容器上方的液位传感器和装在容器侧面上的刻度提示信号发生装置相连，控制器用于接收刻度提示信号发生装置发出的信号、读取液位传感器测得的液位高度、读取滑块的高度位置信号和控制步进电机转动从而控制滑块的上、下移动；步进电机带动丝杠转动，丝杠的圆周运动转化为装在丝杠上的滑块沿导轨的上下直线运动，悬挂平台水平装在滑块上，当滑块上下直线移动时，悬挂在悬挂平台上的刻度指示器也随之升降；

（2）开始计数刻度线

手动控制步进电机转动，从而带动刻度指示器缓慢向下移动，当刻度指示器下部的第一条刻度线通过刻度提示信号发生装置设定的水平识别线时，刻度提示信号发生装置发出提示信号，控制器对刻度线的序号从1开始递增计数；

（3）测量原始液位

继续手动控制步进电机转动，从而带动刻度指示器继续缓慢向下移动，使刻度指示器下部的第一条刻度线缓慢接近液面，在此过程中，控制器会记录通过水平识别线的刻度线的条数，通过目测，在第一条刻度线与液面对准时，停住步进电机，记录此时滑块所处高度位置H₀₁,同时记录液位传感器测得的原始液位高度Y₀₁；

（4）测量原始距离

利用控制器控制步进电机反向旋转，从而带动刻度指示器自动向上移动，控制器每接收到一个刻度提示信号发生装置发出的刻度提示信号，刻度计数减1，当刻度计数减少为0时，说明刻度指示器下部的第一条刻度线再次与水平识别线对准，控制器自动记录此时滑块所处高度位置H₁₁，停住步进电机，测得的水平识别线与液面的原始距离D₁=(H₁₁-H₀₁)；

重复上述步骤3～5次，选取每次测得的水平识别线与液面的原始距离的平均值D和原始液位高度的平均值Y作为水平识别线与液面的原始距离和原始液位高度，并在控制器中保存该数据；

（5）二次对准

设定需要对准液面的刻度线序号n，n为小于刻度指示器的刻度线总数的正整数；

步进电机在控制器的控制下正向转动，刻度指示器匀速向下运动，每条刻度线通过设定的水平识别线时，刻度提示信号发生装置发出一个提示脉冲，控制器对接收到的脉冲进行计数；

当控制器累计的脉冲数等于设定的刻度线的序号n时，表示该刻度线与水平识别线处于同一水平面，此时，控制器读取滑块所处高度位置H_n； 

步进电机在控制器的控制下继续正向转动，刻度指示器继续匀速向下运动，同时控制器实时读取每一时刻t时滑块所处高度位置H_nt和液位高度Y_nt，当满足公式H_nt=H_n-D-(Y_nt-Y)时，认为刻度线与液位水平面对准，此时可以按照控制需要执行其他相应操作。

所述的步骤（5）中匀速向下运动的速度小于或等于2mm/s。

本发明方法稳定可靠，控制精度高，有效保证了测量仪器刻度线的快速对准，防止了由于人眼分辨力有限、长期观测容易造成视觉疲劳原因带来的视觉判断不确定度大、不适合大批量检测以及自动化程度较低的问题，有实际的应用价值和良好的经济与社会效益。

附图说明

图1为本发明的设备的结构示意图。

图2为本发明刻度指示器下部的的第一条刻度线通过水平识别线的示意图。

图3为本发明刻度指示器下部的的第一条刻度线与原始液位对准的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

由图1-3给出，本发明包括以下步骤：

（1）安装设备

设备包括容器1、导轨7、悬挂平台3、刻度指示器2、液位传感器5、刻度提示信号发生装置4和控制器8，容器1内装有溶液9，容器1的一侧装有竖直的导轨7，导轨7上装有竖直的丝杠12，丝杠12的一端与步进电机6的转动轴相连，丝杠上装有滑块11，滑块11两侧的卡头置于导轨的滑动槽内，构成滑块沿导轨上、下的滑动结构，滑块11上装有水平的悬挂平台3，容器上方在悬挂平台3上挂装有向下的刻度指示器2，步进电机6与控制器8相连，控制器8分别与装在容器1上方的液位传感器5和装在容器1侧面上的刻度提示信号发生装置4相连，控制器用于接收刻度提示信号发生装置4发出的信号、读取液位传感器5测得的液位高度、读取滑块11的高度位置信号和控制步进电机6转动从而控制滑块的上、下移动；步进电机带动丝杠转动，丝杠的圆周运动转化为装在丝杠上的滑块沿导轨的上下直线运动，悬挂平台水平装在滑块上，当滑块上下直线移动时，悬挂在悬挂平台上的刻度指示器也随之升降；

（2）开始计数刻度线

手动控制步进电机6转动，从而带动刻度指示器2缓慢向下移动，当刻度指示器2下部的第一条刻度线通过刻度提示信号发生装置4设定的水平识别线10时，刻度提示信号发生装置4发出提示信号，控制器8对刻度线的序号从1开始递增计数；

（3）测量原始液位

继续手动控制步进电机6转动，从而带动刻度指示器2继续缓慢向下移动，使刻度指示器下部的第一条刻度线缓慢接近液面，在此过程中，控制器8会记录通过水平识别线10的刻度线的条数，通过目测，在第一条刻度线与液面对准时，停住步进电机，记录此时滑块所处高度位置H₀₁,同时记录液位传感器5测得的原始液位高度Y₀₁；

（4）测量原始距离

利用控制器8控制步进电机6反向旋转，从而带动刻度指示器2自动向上移动，控制器每接收到一个刻度提示信号发生装置4发出的刻度提示信号，刻度计数减1，当刻度计数减少为0时，说明刻度指示器下部的第一条刻度线再次与水平识别线对准，控制器自动记录此时滑块所处高度位置H₁₁，停住步进电机，测得的水平识别线与液面的原始距离D₁=(H₁₁-H₀₁)；

重复上述步骤3～5次，选取每次测得的水平识别线与液面的原始距离的平均值D和原始液位高度的平均值Y作为水平识别线与液面的原始距离和原始液位高度，并在控制器中保存该数据；

（5）二次对准

设定需要对准液面的刻度线序号n，n为小于刻度指示器的刻度线总数的正整数；

步进电机6在控制器的控制下正向转动，刻度指示器2匀速向下运动，每条刻度线通过设定的水平识别线时，刻度提示信号发生装置发出一个提示脉冲，控制器对接收到的脉冲进行计数；

当控制器累计的脉冲数等于设定的刻度线的序号n时，表示该刻度线与水平识别线处于同一水平面，此时，控制器读取滑块所处高度位置H_n； 

步进电机6在控制器的控制下继续正向转动，刻度指示器2继续匀速向下运动，同时控制器实时读取每一时刻t时滑块所处高度位置H_nt和液位高度Y_nt，当满足公式H_nt=H_n-D-(Y_nt-Y)时，认为刻度线与液位水平面对准，此时可以按照控制需要执行其他相应操作。

所述的步骤（5）中匀速向下运动的速度小于或等于2mm/s；

所述的刻度指示器2为密度计、酒精计、波美计等计量器具或其他类似的带刻度的测量设备；

所述的刻度提示信号发生装置4为为申请人在先申请的申请号为“201320695985.5”的“刻度指示线提示信号发生装置”；

所述的液位传感器5为的激光位移传感器，北京金石祥科技有限公司销售JS33-35D激光位移传感器，其线性测量误差不大于0.02mm；

所述的悬挂平台3可以为悬挂杆或市售的悬挂平台。

以下结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细说明：

（1）安装设备

其中，刻度指示器采用密度计，液位传感器采用北京金石祥科技有限公司销售JS33-35D激光位移传感器, 悬挂平台采用悬挂杆；

（2）开始计数刻度线

手动控制步进电机转动，从而带动密度计缓慢向下移动，当密度计下部的第一条刻度线通过刻度提示信号发生装置设定的水平识别线时，刻度提示信号发生装置发出提示信号，控制器对刻度线的序号从1开始递增计数；

（3）测量原始液位

继续手动控制步进电机转动，从而带动密度计继续缓慢向下移动，使密度计下部的第一条刻度线缓慢接近液面，在此过程中，控制器8会记录通过水平识别线的刻度线的条数，通过目测，在第一条刻度线与液面对准时，停住步进电机，记录此时滑块所处高度位置H₀₁,同时记录液位传感器测得的原始液位高度Y₀₁；

（4）测量原始距离

利用控制器控制步进电机反向旋转，从而带动密度计自动向上移动，控制器每接收到一个刻度提示信号发生装置发出的刻度提示信号，刻度计数减1，当刻度计数减少为0时，说明密度计下部的第一条刻度线再次与水平识别线对准，控制器自动记录此时滑块所处高度位置H₁₁，停住步进电机，测得的水平识别线与液面的原始距离D₁=(H₁₁-H₀₁)；

重复上述步骤5次，选取每次测得的水平识别线与液面的原始距离的平均值D和原始液位高度的平均值Y作为水平识别线与液面的原始距离和原始液位高度，并在控制器中保存该数据；

第一次的测量数据为H₀₁=452.744mm，Y₀₁=48.753mm，H₁₁=455.642mm，D₁=2.898mm；

第二次的测量数据为H₀₁=452.730mm，Y₀₁=48.758mm，H₁₁=455.647mm，D₁=2.917mm；

第三次的测量数据为H₀₁=452.733mm，Y₀₁=48.762mm，H₁₁=455.631mm，D₁=2.898mm；

第四次的测量数据为H₀₁=452.725mm，Y₀₁=48.764mm，H₁₁=455.657mm，D₁=2.932mm；

第五次的测量数据为H₀₁=452.726mm，Y₀₁=48.767mm，H₁₁=455.654mm，D₁=2.928mm；

得平均值：

D= (2.989+2.917+2.898+2.932+2.928)/5=2.915mm

Y= (48.753+48.758+48.762+48.764+48.767)/5=48.761mm

（5）二次对准

设定需要对准液面的刻度线序号分别为5、25和35；

步进电机在控制器的控制下正向转动，密度计匀速向下运动，每条刻度线通过设定的水平识别线时，刻度提示信号发生装置发出一个提示脉冲，控制器对接收到的脉冲进行计数；

当控制器累计的脉冲数等于设定的刻度线的序号5、25和35时，表示该刻度线与水平识别线处于同一水平面，此时，控制器读取滑块所处高度位置分别为H₅=450.469mm，H₂₅=423.920mm，H₃₅=410.417mm； 

步进电机在控制器的控制下继续正向转动，密度计以1mm/s继续匀速向下运动，同时控制器实时读取每一时刻t时滑块所处高度位置H_nt和液位高度Y_nt，当满足公式H_nt=H_n-D-(Y_nt-Y)时，认为刻度线与液位水平面对准，实际对准时测得的数据分别为：

Y_5t=48.791mm，H_5t=447.524mm；

Y_25t=48.793mm，H_25t=420.973mm；

Y_35t=48.794mm，H_35t=407.469mm；

（6）复核

测量此时密度计的剩余重量，计算密度计刻度线的示值误差，经与人工控制下测量结果比较，测得的刻线示值误差结果相差均不大于1/20刻度间隔。

由上述情况可知，本发明通过预先测定原始液位、原始距离和二次对准，能够控制需要对准液面的刻度线准确对准液面，在移动速度不大于2mm/s时，对准误差不大于0.2mm；有效地解决了测量仪器的检定、校准、试验等过程中对刻度线的对准问题，经在棒式密度计、酒精计、波美计检定过程中对准液面的实际应用，均得到相近的实验验证，实际控制误差小于0.05mm；结果表明本发明方法稳定可靠，控制精度高，有效保证了测量仪器刻度线的快速对准，防止了由于人眼分辨力有限、长期观测容易造成视觉疲劳、存在视觉判断不确定度大、不适合大批量检测以及自动化程度较低等问题，有实际的应用价值和良好的经济与社会效益。