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制造方法及图纸

本发明专利技术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。

An on-line measurement method for effective volume of piston cylinder of piston type gas flow standard device

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术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，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：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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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专利技术，下面结合附图对本专利技术的实施例进行说明，本领域技术人员应当理解，下述的说明只是为了便于对专利技术进行解释，而不作为对其范围的具体限定。图1所示为本专利技术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。...

【技术保护点】
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，其特征在于：/n步骤一：通过卡尺或其他外径测量工具得到活塞缸的外径d

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔骊水，李培晶，李春辉，
申请(专利权)人：中国计量科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11