[发明专利]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

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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，u_r(Q_v)是活塞装置的相对合成不确定度，u_r(d)是活塞缸内径测量带来的不确定度，u_r(l)是活塞运行长度测量带来的不确定度，u_r(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。