【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于气体流量测量领域，尤其涉及一种基于图像法的被动活塞式气体微小流量检校系统与方法。
技术介绍
1、气体微小流量高精度测量技术在半导体、生物医药、环境监测、化工、精密设备等领域应用广泛，尤其在半导体制造的一些关键工艺上，微小气体流量的测量和控制尤为重要。
2、目前，气体微小流量已经使用到5ml/min，但国内外对于流量小于10ml/min的量程范围检校技术还比较缺乏。对工作在10ml/min及以下的流量计，如何保证其计量准确性和溯源性是迫切需要解决的问题。
3、被动活塞式流量标准装置比较适合于气体微小流量检校，这种方法中直接测量的量一般是活塞位移和时间。具体实施时有两种方式：1）测定活塞通过缸筒上距离已知的两个固定截面的时间间隔，采用光电开关触发计时；2）采用激光干涉仪或激光测距仪实时测量活塞位移，同时采集位移和时间数据，可获取活塞经过缸筒某两个截面的位移和时间间隔。但是，这两种方法各自存在一定的问题，光电开关法中由于活塞运行时的姿态不能保证每次都一致，造成光电开关触发时间存在一定的不确定性，引入较大的计时误差；对于实时测量活塞位移的方法，激光干涉仪价格昂贵、操作复杂，激光测距仪不适合用于较小直径缸筒内活塞位移测量，因为其发射和接收探头是分离的，易受光反射角度影响，因此可测量的有效位移范围比较小，不能满足细长缸筒内活塞位移测量需求。
技术实现思路
1、为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本专利技术提供了一种基于图像法的被动活塞式气体微小流量检校系
2、一种基于图像法的被动活塞式气体微小流量检校系统由计量活塞单元、检校管路、驱动活塞单元和数据采集与控制单元四部分组成。其中：
3、计量活塞单元由计量缸筒、计量活塞、水银环、下光电开关、上光电开关、限位开关、起始相机、终止相机、刻度标尺、连接端头、计量腔压力传感器和计量腔温度传感器组成。计量缸筒竖直放置，上端开口通大气，计量活塞与计量缸筒之间采用水银环动密封，计量缸筒的截面尺寸通过测量精确确定。计量缸筒上设置检校起始和终止截面，并标记刻度线，两条刻度线之间的距离通过测量精确确定，下光电开关和起始相机对准起始截面，上光电开关和终止相机对准终止截面。下光电开关与起始相机的触发端口连接，上光电开关与终止相机的触发端口连接。
4、检校管路包括被检流量计、流量计入口阀、过滤器、计量活塞入口阀和排空阀。
5、驱动活塞单元包括驱动气缸、驱动活塞、步进电机、驱动气缸压力传感器和驱动气缸温度传感器和驱动活塞入口阀。
6、数据采集与控制单元主要包括数采控制模块和计算机。限位开关与数采控制模块的输入信号端口连接。计量腔压力传感器、计量腔温度传感器、驱动气缸压力传感器、驱动气缸温度传感器和步进电机与数采控制模块通讯连接。两台相机与计算机通讯连接。数采控制模块与计算机通讯连接。
7、所述计量缸筒材质为透明玻璃，计量缸筒起始截面和终止截面分别设置有刻度标尺，用于相机图像的几何标定。计算机采集的起始图像和终止图像中包含了刻度标尺的图像，据此可以获得像素与实际物理尺寸的比例关系。
8、所述下光电开关和上光电开关的主要功能是作为外部信号触发相机拍照。当计量活塞经过光电开关安装位置时，计量活塞遮挡光源，光电开关接收端产生电平信号变化，从而触发相机拍摄。
9、所述计量腔温度和压力传感器用于检测计量缸筒内气体温度和压力，以便对体积流量进行温度和压力修正；驱动气缸温度和压力传感器用于检测驱动气缸内压力温度，监测系统工作参数。
10、所述限位开关，用来防止计量活塞在向上运行时冲出计量缸筒，当计量活塞到达限位开关位置时，限位开关感应触发步进电机停止转动，计量管路中气体停止流动。
11、所述排空阀的作用一是排出计量管筒和计量管路中的气体，以便计量活塞下落到低处，二是管路吹扫时排出气体。
12、所述系统的工作原理是：计算机程序控制步进电机带动驱动活塞运动，推动气体流经被检流量计进入计量缸筒，气体推动计量活塞自下向上匀速运动。当计量活塞到达起始截面时，下光电开关感应并触发起始相机拍照，获取起始图像；当计量活塞到达终止截面时，上光电开关感应并触发终止相机拍照，获取终止图像。所拍摄的起始图像和终止图像由计算机采集，并记录两幅图像所对应的时刻，称为起始时刻和终止时刻，两次拍照之间的时间间隔δ t为测试时间。分析起始图像和终止图像确定计量活塞的起始位置和终止位置，获得计量活塞的工作位移 l（即计量活塞起始位置和终止位置之间的距离），结合计量缸筒的横截面积 a计算获得气体体积 v，进而得到体积流量， q= v/δ t，从而实现对被检流量计进行检定校准。
13、有益效果
14、1．采用图像法测定计量活塞起始位置、终止位置，及其对应的起始时刻、终止时刻，得到工作位移和时间间隔，具有测量准确的特点，而且设备简单可靠。
15、2．采用气缸活塞法驱动管内气体流动，具有流量变化范围大、流量设定准确快速和气流稳定的优点，并且系统容易实现自动化。
16、3．采用起始和终止两个相机，可获得高分辨率图像，起始位置和终止位置测定准确度高。
17、本专利技术基于图像法的被动活塞式气体微小流量检校系统与方法，解决了目前被动活塞式气体微小流量标准装置中存在的测不了、测不准的问题，可实现流量10ml/min以下气体微小流量的检校。
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1.一种基于图像法的被动活塞式气体微小流量检校系统，由计量活塞单元（1）、检校管路（2）、驱动活塞单元（3）和数据采集与控制单元（4）组成，其特征在于：所述计量活塞单元（1）包括计量缸筒（101）、计量活塞（102）、水银环（103）、下光电开关（104）、上光电开关（105）、限位开关（106）、起始相机（107）、终止相机（108）、刻度标尺（109）、连接端头（110）、计量腔压力传感器（111）和计量腔温度传感器（112）；所述检校管路（2）包括被检流量计（201）、流量计入口阀（202）、过滤器（203）、计量活塞入口阀（204）和排空阀（205）；所述驱动活塞单元（3）包括驱动气缸（301）、驱动活塞（302）、步进电机（303）、驱动气缸压力传感器（304）、驱动气缸温度传感器（305）和驱动活塞入口阀（306）；所述数据采集与控制单元（4）包括数采控制模块（401）和计算机（402），数采控制模块（401）与计算机（402）通讯连接；
2.根据权利要求1所述的基于图像法的被动活塞式气体微小流量检校系统，其特征在于：所述下光电开关（104）与起始相机（1
3.根据权利要求1所述的基于图像法的被动活塞式气体微小流量检校系统，其特征在于：所述限位开关（106）与数采控制模块（401）的输入信号端口连接。
4.根据权利要求1所述的基于图像法的被动活塞式气体微小流量检校系统，其特征在于：所述计量腔压力传感器（111）、计量腔温度传感器（112）、驱动气缸压力传感器（304）、驱动气缸温度传感器（305）、步进电机（303）与数采控制模块（401）通讯连接。
5.一种权利要求1-4任何一项所述的基于图像法的被动活塞式气体微小流量检校系统的校验方法，其特征在于：检校时，气体流经被检流量计（201）进入计量缸筒（101），所述计量活塞（102）自下向上匀速运动；当计量活塞（102）到达起始截面时，下光电开关（104）感应并触发起始相机（107）拍照，获取起始图像；当计量活塞（102）到达终止截面时，上光电开关（105）感应并触发终止相机（108）拍照，获取终止图像；所拍摄的起始图像和终止图像由计算机（402）采集，并记录两幅图像所对应的时刻，称为起始时刻和终止时刻，两次拍照之间的时间间隔Δt为测试时间；分析两幅图像确定起始和终止时刻计量活塞（102）的准确位置，获得其准确位移L，结合计量缸筒（101）横截面积A计算获得气体体积V，进而得到体积流量，Q=V/Δt。
6.根据权利要求5所述的检校方法，其特征在于：所述计量缸筒（101）起始截面和终止截面分别设置刻度标尺（109），用于相机图像的几何标定；计算机402采集的起始图像和终止图像中包含刻度标尺（109）的图像，获得像素与实际物理尺寸的关系。
7.根据权利要求5所述的检校方法，其特征在于：检校过程中采用气缸-活塞法驱动气体流动；首先进行驱动气缸吸气，打开驱动活塞入口阀（306），关闭流量计入口阀（202），驱动活塞（302）从最左侧向右移动，气体介质吸入驱动气缸（301），然后开始检校，关闭驱动活塞入口阀（306）和旁路阀（205），打开流量计入口阀（202）和计量活塞入口阀（204），步进电机（303）带动驱动活塞（302）向左匀速运动，推动管内气体流经被检流量计（201）进入计量缸筒（101），实现流量检校。
8.根据权利要求5所述的检校方法，其特征在于：检校准备阶段对管路进行吹扫，具体如下：当计量活塞（102）处于最低位置，关闭计量活塞入口阀（204），打开排空阀（205）和流量计入口阀（202），驱动活塞（302）推动管路中气流流动并排空。
...【技术特征摘要】
1.一种基于图像法的被动活塞式气体微小流量检校系统，由计量活塞单元（1）、检校管路（2）、驱动活塞单元（3）和数据采集与控制单元（4）组成，其特征在于：所述计量活塞单元（1）包括计量缸筒（101）、计量活塞（102）、水银环（103）、下光电开关（104）、上光电开关（105）、限位开关（106）、起始相机（107）、终止相机（108）、刻度标尺（109）、连接端头（110）、计量腔压力传感器（111）和计量腔温度传感器（112）；所述检校管路（2）包括被检流量计（201）、流量计入口阀（202）、过滤器（203）、计量活塞入口阀（204）和排空阀（205）；所述驱动活塞单元（3）包括驱动气缸（301）、驱动活塞（302）、步进电机（303）、驱动气缸压力传感器（304）、驱动气缸温度传感器（305）和驱动活塞入口阀（306）；所述数据采集与控制单元（4）包括数采控制模块（401）和计算机（402），数采控制模块（401）与计算机（402）通讯连接；
2.根据权利要求1所述的基于图像法的被动活塞式气体微小流量检校系统，其特征在于：所述下光电开关（104）与起始相机（107）的触发端口连接，上光电开关（105）与终止相机（108）的触发端口连接。
3.根据权利要求1所述的基于图像法的被动活塞式气体微小流量检校系统，其特征在于：所述限位开关（106）与数采控制模块（401）的输入信号端口连接。
4.根据权利要求1所述的基于图像法的被动活塞式气体微小流量检校系统，其特征在于：所述计量腔压力传感器（111）、计量腔温度传感器（112）、驱动气缸压力传感器（304）、驱动气缸温度传感器（305）、步进电机（303）与数采控制模块（401）通讯连接。
5.一种权利要求1-4任何一项所述的基于图像法的被动活塞式气体微小流量检校系统的校验方法，其特征在...
【专利技术属性】
技术研发人员：聂子坤，李国占，赵伟国，张洪军，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：
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