高精度钟罩式气体流量标准装置内部分阶容积的测量装置

摘要

本发明涉及一种高精度钟罩式气体流量标准装置内部分阶容积的测量装置，包括支架，支架上固定设置可进行上下移动的纵向移动机构，纵向移动机构上部设有旋转机构，旋转机构由旋转伺服电机提供驱动力，带动旋转测量臂转动，旋转测量臂两端分别设有一个气动接触式长度计；长度计的测头弹出，接触罩体内壁，从而测出罩体截面的弦长，旋转测量臂转动X角度，接触式长度计测头再次弹出，接触罩体内壁，测出罩体截面的另一弦长，直至转动一周，测出360/X个弦长；控制系统据此计算出罩体截面面积；纵向移动机构竖直移动设定的距离，并根据不同罩体截面面积及纵向移动机构的移动距离，计算出钟罩式气体流量标准装置有效计量段的分阶容积。

说明书

技术领域

本发明涉及一种检测钟罩式气体流量标准装置容积精度的装置，尤其涉及一种对高精度钟罩式气体流量标准装置进行分阶容积的检测装置，属于钟罩容积精度检测技术领域。

背景技术

钟罩式气体流量标准装置是标定气体流量计的主要设备，也是低压范围内气体流量的基标准装置，被各国计量技术机构作为流量计量的原始标准。作为依据流量基本定义予以实现的原始标准，量值能否准确溯源到长度、时间等基本量，关键取决于能否准确地测量钟罩容积。由于钟罩由上至下逐级排出部分容积的气体，因而检定钟罩容积的关键是对其有效计量段进行分阶容积测量。

现有测量方法主要有容积法和尺寸测量法。容积法通过以气排水的置换方法来测量钟罩内部的容积，由于水不断蒸发，很难控制水温与气温达到一致，因而这种方法难以获得理想的结果。对于500L以上的钟罩，尺寸测量法直接而准确，为国际上许多计量技术机构所推荐。

中国计量科学研究院2006年底研制完成了不确定度小于0.1％的1000L钟罩式气体流量标准装置。王池等应用π尺法、激光跟踪法和外径千分尺法，分别对钟罩不同截面上的外径进行了测量。崔骊水分析了这三种方法产生差异的原因，使用超声测厚的方法和置换法进行实验，在此基础上，使用长度测量仪器直接测量了罩体的内部容积。

由于罩体本身的形位精度高，钟罩排出气体体积和罩体的内部容积直接关联，因而π尺法、激光跟踪法和外径千分尺法等外径测量方法属于间接测量，必须结合壁厚测量，因而会引入较大测量不确定度(0.02％左右)；考虑到钟罩式气体流量标准装置的工作特点，需要获得的是罩体经过任意始末位置所排出的标准空气体积量，受轴向和径向尺度限制，通用长度测量仪器难以按罩体的工作方式测得分阶容积，且钟罩的截面不可能是一个严格意义上的圆，以圆代面的计算方法引入测量不确定度；即便截面的圆度很好，长度测量装置的旋转主轴也无法准确地置于罩体中心。

综上，现有的尺寸测量法测量难度较大，测量不确定度较高，如何提供一种测量钟罩式气体流量标准装置内部分阶容积的高精度测量仪器和测量方法是本领域的一个技术难题。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是：现有技术采用尺寸测量法测量钟罩式气体流量标准装置的内部容积的难度较大，测量不确定度较高，如何提供一种测量钟罩式气体流量标准内部分阶容积的高精度测量仪器和测量方法是本领域的一个技术难题。

本发明采取以下技术方案：

一种高精度钟罩式气体流量标准装置内部分阶容积的测量装置，包括支架2，所述支架2上固定设置可进行上下移动的纵向移动机构，所述纵向移动机构上部设有旋转机构，所述旋转机构由旋转伺服电机8提供驱动力，带动旋转测量臂4转动，旋转测量臂4两端分别设有一个气动接触式长度计5；待测钟罩罩体固定套设在所述测量装置的外部，使接触式长度计5与罩体待测区域的高度对应；压缩空气推动接触式长度计5的测头弹出，接触罩体内壁，测出罩体截面的弦长，旋转伺服电机8转动X角度，接触式长度计5的测头再次弹出，接触罩体内壁，测出罩体截面的另一弦长，直至转动一周，测出360/X个弦长；控制系统据此计算出罩体截面面积；纵向移动机构竖直移动设定的距离，再次测出另一罩体截面的360/X个弦长，控制系统据此计算出该截面面积；控制系统根据不同罩体截面面积及纵向移动机构的移动距离，计算出钟罩式气体流量标准装置有效计量段的分阶容积。

本发明由接触式长度计(准确度±1μm)和旋转测量臂组成弦长测量机构，利用相对测量法并经初始化标定，将长度测量范围拓宽到1m左右，长度量值溯源到国家长度基准；无需确定测量臂旋转中心和长度计的准确位置，可获得长度计与罩体接触点的空间坐标，从而确定各层截面的轮廓；应用新算法(面积扫描法，并结合了圆度误差法的某些优点)计算截面面积，光栅尺和线性编码器测量各罩体截面的间距；最终形成一个分阶容积数据表。钟罩式气体流量标准装置在实际工作中根据该表插值，求得下降的钟罩经过任意始末位置所排出的空气体积量。

进一步的，所述纵向移动机构包括滚珠丝杠3、直线伺服电机1，导杆7，直线伺服电机1带动滚珠丝杠3转动，滚珠丝杠3带动导杆7竖直移动，进而带动旋转测量臂4竖直移动。

进一步的，还包括旋转伺服控制系统，控制旋转臂按给定的角度旋转。

进一步的，还包括步进伺服控制系统，控制滚珠丝杠3轴向等距离步进。

进一步的，还包括光栅尺和线性编码器，精确测量罩体各截面的轴向间距。

进一步的，还包括用于固定钟罩罩体的支撑座9。

进一步的，还包括水平调节机构，所述水平调节机构位于支撑座9顶部，通过罩体顶部配备X-Y向水平调节装置，并结合起吊装置的调整机构，将罩体安放水平，使之始终处于竖直状态。

本发明的有益效果在于：

1)测量精度大大提高，钟罩测量不确定度可达0.06％以下。

2)测量、使用方便。

3)通过间接方法，结合现有的数学工具，解决了实际的技术难题，设计巧妙。

4)自动获取测量数据，自动化程度高。

附图说明

图1是本发明高精度钟罩式气体流量标准装置内部分阶容积的测量装置的示意图。

图2是本发明高精度钟罩式气体流量标准装置内部分阶容积的测量装置的外形结构示意图。

图3是本发明高精度钟罩式气体流量标准装置内部分阶容积的测量装置部分结构示意图。

图4是图3的局部放大图。

图5是图3的局部放大图。

图6是纵向移动机构纵向移动的原理图。

图7是旋转机构旋转的原理图。

图8是控制系统硬件框图。

图9是测量弦长示意图。

图10是某一截面的轮廓点坐标示意图。

图11是每一截面面积的测量结果。

图中，1.直线伺服电机，2.支架，3.滚珠丝杠，4.旋转测量臂，5.气动接触式长度计，6.气缸，7.导杆，8.旋转伺服电机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。

参见图1-图7，测量装置基本工作原理：将罩体沿轴向划分为若干截面层，分别测量截面面积及各截面间距，构成若干体积单元，整理计算后形成一分阶容积数据表。由于罩体截面并不是一个严格意义上的圆，测量件的旋转主轴难以准确地置于罩体中心，所以通过测量弦长，并结合面积扫描法和圆度误差法计算截面面积。

测量装置主要包括以下八个部分：

接触式长度计5：主要长度测量仪器；旋转测量臂4：作为接触式长度计的承载体；旋转伺服控制系统：控制旋转臂按给定的角度旋转；步进伺服控制系统：控制滚珠丝杠轴向等距离步进；滚珠丝杠3：轴向步进的驱动机构；光栅尺和线性编码器：精确测量罩体各截面的轴向间距；支架2和支撑座9：承载机构；平衡和水平调节机构。

旋转测量臂4和两个接触式长度计5组成弦长测量机构，置于转盘之上，由滚珠丝杠3驱动上下升降。如图3所示，采用两套伺服驱动系统分别实现：(1)测量臂等角度旋转以获得截面的多点弦长，(2)测量臂的逐次等距离上升，以光栅尺和线性编码器(精度±10μm，读数头分辨率为1μm，量程为1600mm)测量各截面的间距。

控制系统的硬件包括上位计算机、可编程控制器(PLC)、伺服驱动器、伺服电机、AD模块、光栅尺，PLC脉冲转换器、执行设备、人机交互设备等，电源设备以及其他防干扰隔离设备。主要系统硬件组成如图8所示。上下位机通过RS485串口进行通讯。硬件系统设计时，应用PLC直接控制伺服电机技术，完成对测量臂沿罩体轴向移动和旋转的控制。伺服电机控制系统由PLC、伺服电机驱动器、伺服电机、编码器等组成。只需通过上位机发出运行、停止、返回等指令，即可控制测量臂的运动。

上位机采用C#高级语言编写控制程序，PLC编程使用S7-200专用STEP7-MicroWIN程序编写，与PLC之间通讯采用西门子PCAccess作为OPC通讯服务器，上位机程序作为OPC客户端通过实时访问服务器，继而通过S7-200系列专用PPI协议间接控制PLC。

弦长测量机构的初始化标定：利用标准卡规对弦长测量机构进行初始化标定，如图9所示，标定的结果是两个长度计在初始伸缩量l_0,white，l_0,black下，测量臂的旋转中心距离长度计初始伸缩点分别为L₁和L₂。测量装置实际工作中，记录下的是长度计基于初始伸缩量(l_0,white和l_0,black)的相对伸缩量Δl_i,white和Δl_i,black，那么L₁+Δl_i,white和L₂+Δl_i,black分别是测头与罩体接触点到旋转中心的距离，即所谓的半弦长。根据旋转角度θ可以确定每个罩体接触点在平面(以旋转中心为原点)内的坐标，如图10所示。

计算截面面积，测量轴向截面间距，最终形成一个分阶容积数据表。

具体实施时：

1、首先，将钟罩罩体通过罩体顶部的钢结构臂固定在起吊装置上，两端固定在两根φ40的直线光轴上，使得整个罩体可以上下竖直移动；

2、起吊钟罩体，待达到预定高度(>1.2m)后，可以将测量装置尽可能置于罩体的中心，并固定位置。待罩体稳定后调节钟罩罩体的水平如图2所示；

3、通过罩体顶部配备X-Y向水平调节装置，并结合起吊装置的调整机构，将罩体安放水平，使之始终处于竖直状态。

4、尝试升降测量悬臂，并旋转以确保测量装置置于罩体的中心而不会触碰罩体，且高度行程>1.2m；

5、任意选择一个罩体内部的截面，尝试测量该处的弦长，然后将测量装置保持同一个直线方向微动一个距离，再尝试测量该处的弦长，重复多次，每次微动都要保持装置是在同一个直线方向前进和后退，直至找到弦长值最长的那个位置，这个位置可以近似认为是罩体截面的直径位置；

6、测量臂上下升降，并旋转运行，观察两个长度计没有触碰罩体的内壁，如果有触碰，说明测量臂的旋转中心偏离罩体中心较远，反复调整，直至步骤5和6满足要求。

7、打开控制系统电源，待系统正常初始化后登录软件系统，“确认并进入”。

8、连接S7-200OPC服务器，确认电机、光栅尺、长度计开启，并且正常响应。

9、点击“获取长度计”发出接触命令，设定旋转角度、旋转次数，上升距离、电机上升次数，再点击“参数监控”，观察各项功能是否运转正常。测量臂的升降是否平稳，长度计是否都能接触到罩体的内壁。

10、设置参数包括：标准长度，长度计清零。旋转角度，旋转次数，上升距离以及上升次数，将长度计清零。

11、确定并标记基准测量面，整理导线和排除器械的干扰，点击“开始测量”，装置自下至上开始测量。

12、旋转伺服电机SM1每旋转一定预设角度后暂停，长度计的可伸缩测头A，B由压缩空气弹出，分别与罩体的内壁接触，记录下的是长度计基于其初始伸缩的相对伸缩量，释放气压，可伸缩测头缩回；旋转伺服电机SM1再旋转相同角度，重复上述测量过程，直至完成旋转次数(360/预设旋转角)；

13、直线伺服电机SM2上升一段距离(预设5mm)，上升距离由与上升部分支架刚性相连的光栅尺和线性编码器读出，并经信号转换后发送给PLC，继而由PC记录保存，上升完毕后，重复步骤12；

14、根据设定的上升距离以及上升次数，重复步骤12和13完成一次测量过程。

15、测量期间可以点击“参数监控”，实时观察测量过程中数据采集的情况。

16、“停止测量”按钮中止测量过程，调整各项参数后，可以继续测量。

17、中止测量后，可以“写入”必要的参数和时间戳，“保存”按钮将测量数据保存到SQL数据库中；

18、SQL数据可导出测量原始数据，包括两个长度计分别基于初始伸缩量l_0,white和l_0,black的相对伸缩量Δl_i,white和Δl_i,black，旋转角度、光栅尺和线性编码器记录的步进距离等。形成数据文件待后期处理。

19、点击“停止测量”钮后，退出软件系统，待系统停止动作后，关闭系统电源。

20、提升罩体，撤出测量装置，结束本次测量。

数据处理和生成结果：

1、根据初始化标定的基准长度，得到两个长度计与罩体接触点构成的两个半弦长，通过旋转角度，计算以测量臂旋转中心为原点的接触点坐标(图10)；

2、应用新算法(面积扫描法，并结合了圆度误差法的某些优点)计算任意一层截面的面积；

3、根据5mm的步进高度，计算分阶容积，形成分阶容积数据表

分阶容积数据表

4、将罩体每个截面面积及其随轴向高度的变化绘制成散点图，如图11所示。