高精度鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置內(nèi)部分階容積的測量裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種檢測鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置容積精度的裝置，尤其涉及一種對 高精度鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行分階容積的檢測裝置，屬于鐘罩容積精度檢測技術(shù)領(lǐng) 域。
【背景技術(shù)】
[0002] 鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置是標(biāo)定氣體流量計(jì)的主要設(shè)備，也是低壓范圍內(nèi)氣體流 量的基標(biāo)準(zhǔn)裝置，被各國計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)作為流量計(jì)量的原始標(biāo)準(zhǔn)。作為依據(jù)流量基本定義 予以實(shí)現(xiàn)的原始標(biāo)準(zhǔn)，量值能否準(zhǔn)確溯源到長度、時(shí)間等基本量，關(guān)鍵取決于能否準(zhǔn)確地測 量鐘罩容積。由于鐘罩由上至下逐級排出部分容積的氣體，因而檢定鐘罩容積的關(guān)鍵是對 其有效計(jì)量段進(jìn)行分階容積測量。
[0003] 現(xiàn)有測量方法主要有容積法和尺寸測量法。容積法通過以氣排水的置換方法來測 量鐘罩內(nèi)部的容積，由于水不斷蒸發(fā)，很難控制水溫與氣溫達(dá)到一致，因而這種方法難以獲 得理想的結(jié)果。對于500L以上的鐘罩，尺寸測量法直接而準(zhǔn)確，為國際上許多計(jì)量技術(shù)機(jī) 構(gòu)所推薦。
[0004] 中國計(jì)量科學(xué)研究院2006年底研制完成了不確定度小于0. 1%的1000L鐘罩式氣 體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。王池等應(yīng)用η尺法、激光跟蹤法和外徑千分尺法，分別對鐘罩不同截面 上的外徑進(jìn)行了測量。崔驪水分析了這三種方法產(chǎn)生差異的原因，使用超聲測厚的方法和 置換法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上，使用長度測量儀器直接測量了罩體的內(nèi)部容積。
[0005] 由于罩體本身的形位精度高，鐘罩排出氣體體積和罩體的內(nèi)部容積直接關(guān)聯(lián)，因 而η尺法、激光跟蹤法和外徑千分尺法等外徑測量方法屬于間接測量，必須結(jié)合壁厚測 量，因而會引入較大測量不確定度（0.02%左右）；考慮到鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的工作 特點(diǎn)，需要獲得的是罩體經(jīng)過任意始末位置所排出的標(biāo)準(zhǔn)空氣體積量，受軸向和徑向尺度 限制，通用長度測量儀器難以按罩體的工作方式測得分階容積，且鐘罩的截面不可能是一 個(gè)嚴(yán)格意義上的圓，以圓代面的計(jì)算方法引入測量不確定度；即便截面的圓度很好，長度測 量裝置的旋轉(zhuǎn)主軸也無法準(zhǔn)確地置于罩體中心。
[0006] 綜上，現(xiàn)有的尺寸測量法測量難度較大，測量不確定度較高，如何提供一種測量鐘 罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置內(nèi)部分階容積的高精度測量儀器和測量方法是本領(lǐng)域的一個(gè)技術(shù) 難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明需要解決的技術(shù)問題是：現(xiàn)有技術(shù)采用尺寸測量法測量鐘罩式氣體流量標(biāo) 準(zhǔn)裝置的內(nèi)部容積的難度較大，測量不確定度較高，如何提供一種測量鐘罩式氣體流量標(biāo) 準(zhǔn)內(nèi)部分階容積的高精度測量儀器和測量方法是本領(lǐng)域的一個(gè)技術(shù)難題。
[0008] 本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：
[0009] -種高精度鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置內(nèi)部分階容積的測量裝置，包括支架2,所 述支架2上固定設(shè)置可進(jìn)行上下移動的縱向移動機(jī)構(gòu)，所述縱向移動機(jī)構(gòu)上部設(shè)有旋轉(zhuǎn)機(jī) 構(gòu)，所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)8提供驅(qū)動力，帶動旋轉(zhuǎn)測量臂4轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)測量臂4兩 端分別設(shè)有一個(gè)氣動接觸式長度計(jì)5 ;待測鐘罩罩體固定套設(shè)在所述測量裝置的外部，使 接觸式長度計(jì)5與罩體待測區(qū)域的高度對應(yīng)；壓縮空氣推動接觸式長度計(jì)5的測頭彈出，接 觸罩體內(nèi)壁，測出罩體截面的弦長，旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)8轉(zhuǎn)動X角度，接觸式長度計(jì)5的測頭再 次彈出，接觸罩體內(nèi)壁，測出罩體截面的另一弦長，直至轉(zhuǎn)動一周，測出360/X個(gè)弦長；控制 系統(tǒng)據(jù)此計(jì)算出罩體截面面積；縱向移動機(jī)構(gòu)豎直移動設(shè)定的距離，再次測出另一罩體截 面的360/X個(gè)弦長，控制系統(tǒng)據(jù)此計(jì)算出該截面面積；控制系統(tǒng)根據(jù)不同罩體截面面積及 縱向移動機(jī)構(gòu)的移動距離，計(jì)算出鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置有效計(jì)量段的分階容積。
[0010] 本發(fā)明由接觸式長度計(jì)（準(zhǔn)確度±1μπι)和旋轉(zhuǎn)測量臂組成弦長測量機(jī)構(gòu)，利用 相對測量法并經(jīng)初始化標(biāo)定，將長度測量范圍拓寬到lm左右，長度量值溯源到國家長度基 準(zhǔn)；無需確定測量臂旋轉(zhuǎn)中心和長度計(jì)的準(zhǔn)確位置，可獲得長度計(jì)與罩體接觸點(diǎn)的空間坐 標(biāo)，從而確定各層截面的輪廓；應(yīng)用新算法（面積掃描法，并結(jié)合了圓度誤差法的某些優(yōu) 點(diǎn)）計(jì)算截面面積，光柵尺和線性編碼器測量各罩體截面的間距；最終形成一個(gè)分階容積 數(shù)據(jù)表。鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置在實(shí)際工作中根據(jù)該表插值，求得下降的鐘罩經(jīng)過任意 始末位置所排出的空氣體積量。
[0011] 進(jìn)一步的，所述縱向移動機(jī)構(gòu)包括滾珠絲杠3、直線伺服電機(jī)1，導(dǎo)桿7,直線伺服 電機(jī)1帶動滾珠絲杠3轉(zhuǎn)動，滾珠絲杠3帶動導(dǎo)桿7豎直移動，進(jìn)而帶動旋轉(zhuǎn)測量臂4豎直 移動。
[0012] 進(jìn)一步的，還包括旋轉(zhuǎn)伺服控制系統(tǒng)，控制旋轉(zhuǎn)臂按給定的角度旋轉(zhuǎn)。
[0013] 進(jìn)一步的，還包括步進(jìn)伺服控制系統(tǒng)，控制滾珠絲杠3軸向等距離步進(jìn)。
[0014] 進(jìn)一步的，還包括光柵尺和線性編碼器，精確測量罩體各截面的軸向間距。
[0015] 進(jìn)一步的，還包括用于固定鐘罩罩體的支撐座9。
[0016] 進(jìn)一步的，還包括水平調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，所述水平調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)位于支撐座9頂部，通過罩體 頂部配備X-Y向水平調(diào)節(jié)裝置，并結(jié)合起吊裝置的調(diào)整機(jī)構(gòu)，將罩體安放水平，使之始終處 于豎直狀態(tài)。
[0017] 本發(fā)明的有益效果在于：
[0018] 1)測量精度大大提高，鐘罩測量不確定度可達(dá)0.06%以下。
[0019] 2)測量、使用方便。
[0020] 3)通過間接方法，結(jié)合現(xiàn)有的數(shù)學(xué)工具，解決了實(shí)際的技術(shù)難題，設(shè)計(jì)巧妙。
[0021] 4)自動獲取測量數(shù)據(jù)，自動化程度高。
【附圖說明】
[0022] 圖1是本發(fā)明高精度鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置內(nèi)部分階容積的測量裝置的示意 圖。
[0023]圖2是本發(fā)明高精度鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置內(nèi)部分階容積的測量裝置的外形 結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖3是本發(fā)明高精度鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置內(nèi)部分階容積的測量裝置部分結(jié) 構(gòu)示意圖。
[0025] 圖4是圖3的局部放大圖。
[0026] 圖5是圖3的局部放大圖。
[0027] 圖6是縱向移動機(jī)構(gòu)縱向移動的原理圖。
[0028] 圖7是旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)的原理圖。
[0029] 圖8是控制系統(tǒng)硬件框圖。
[0030] 圖9是測量弦長示意圖。
[0031] 圖10是某一截面的輪廓點(diǎn)坐標(biāo)示意圖。
[0032]圖11是每一截面面積的測量結(jié)果。
[0033] 圖中，1.直線伺服電機(jī)，2.支架，3.滾珠絲杠，4.旋轉(zhuǎn)測量臂，5.氣動接觸式長度 計(jì)，6.氣缸，7.導(dǎo)桿，8.旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)。
【具體實(shí)施方式】
[0034] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0035] 參見圖1-圖7,測量裝置基本工作原理：將罩體沿軸向劃分為若干截面層，分別測 量截面面積及各截面間距，構(gòu)成若干體積單元，整理計(jì)算后形成一分階容積數(shù)據(jù)表。由于罩 體截面并不是一個(gè)嚴(yán)格意義上的圓，測量件的旋轉(zhuǎn)主軸難以準(zhǔn)確地置于罩體中心，所以通 過測量弦長，并結(jié)合面積掃描法和圓度誤差法計(jì)算截面面積。
[0036] 測量裝置主要包括以下八個(gè)部分：
[0037] 接觸式長度計(jì)5 :主要長度測量儀器；旋轉(zhuǎn)測量臂4 :作為接觸式長度計(jì)的承載體； 旋轉(zhuǎn)伺服控制系統(tǒng)：控制旋轉(zhuǎn)臂按給定的角度旋轉(zhuǎn)；步進(jìn)伺服控制系統(tǒng)：控制滾珠絲杠軸 向等距離步進(jìn)；滾珠絲杠3 :軸向步進(jìn)的驅(qū)動機(jī)構(gòu)；光柵尺和線性編碼器：精確測量罩體各 截面的軸向間距；支架2和支撐座9 :承載機(jī)構(gòu)；平衡和水平調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。
[0038] 旋轉(zhuǎn)測量臂4和兩個(gè)接觸式長度計(jì)5組成弦長測量機(jī)構(gòu)，置于轉(zhuǎn)盤之上，由滾珠 絲杠3驅(qū)動上下升降。如圖3所示，采用兩套伺服驅(qū)動系統(tǒng)分別實(shí)現(xiàn)：（1)測量臂等角度旋 轉(zhuǎn)以獲得截面的多點(diǎn)弦長，（2)測量臂的逐次等距離上升，以光柵尺和線性編碼器（精度 ± 10μm，讀數(shù)頭分辨率為1μm，量程為1600mm)測量各截面的間距。
[0039] 控制系統(tǒng)的硬件包括上位計(jì)算機(jī)、可編程控制器（PLC)、伺服驅(qū)動器、伺服電機(jī)、AD 模塊、光柵尺，PLC脈沖轉(zhuǎn)換器、執(zhí)行設(shè)備、人機(jī)交互設(shè)備等，電源設(shè)備以及其他防干擾隔離 設(shè)備。主要系統(tǒng)硬件組成如圖8所示。上下位機(jī)通過RS485串口進(jìn)行通訊。硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 時(shí)，應(yīng)用PLC直接控制伺服電機(jī)技術(shù)，完成對測量臂沿罩體軸向移動和旋轉(zhuǎn)的控制。伺服電 機(jī)控制系統(tǒng)由PLC、伺服電機(jī)驅(qū)動器、伺服電機(jī)、編碼器等組成。只需通過上位機(jī)發(fā)出運(yùn)行、 停止、返回等指令，即可控制測量臂的運(yùn)動。<