CN103217252B - 一种移动容器式高精度微压检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微压检测装置，属于检测领域。一种移动容器式高精度微压检测装置，其特征在于：包括相互之间采用软管连通的固定容器和可动容器，所述可动容器设置在一升降平台上，所述升降平台安装在升降导轨上，由步进电机带动的升降螺杆带动在升降导轨上下降或上升，在所述升降平台旁设置有光栅尺，所述可动容器和固定容器顶上设置有测量液面高度的激光位移计，所述固定容器或可动容器设置有压力接口，所述步进电机、光栅尺和激光位移计电连接控制器，所述控制器包括压力计量模块和压力控制模块，所述光栅尺和激光位移计将计数传送给压力计量模块，进行微压测量和计算，所述压力控制模块连接步进电机和压力接口，控制压力稳定和步进电机的启闭。

Description

一种移动容器式高精度微压检测装置

技术领域

本发明涉及微压检测装置，尤其涉及一种移动容器式高精度微压检测装置。

背景技术

微压测量被广泛地应用于现代农业、制造业、制药业、交通运输业、航天、航空、国防等领域。近年来,国际上在微压计量方面研究颇多，但主要是直管型液柱差式液体压力计和微压活塞式压力计。研究的范畴也主要集中在国家基准级压力计。而类似于工作基准级和一等的微压计几十年下来没有太大的变化。基准级的微压计造价极高体积庞大，无法适用于数量众多的二等标准和工作计量器具的量值传递。目前国内的一等微压计量装备主要是60～70年代设计的一等补偿式微压计，由于存在一些先天性的缺点已阻碍微压计量的发展，也跟不上国际微压计量的发展趋势，因此开展高准确度的微压计的研究是非常有必要。

目前使用的一等补偿式微压计是基于用液面高度差来平衡两个液面上的压力差的测压原理，主要由大,小容器用液体导管相连，在压力作用下形成液柱高度差，通过旋转一根带有刻度的螺杆来改变一个可动容器的位置，并通过观察容器中圆锥尖头和水面的倒影的位置，使液面重新达到平衡位置，根据刻度对应的水柱高度差进行读数。补偿式微压计的应用很广泛，但主要存在以下不足：

1．必须手动调节丝杆，工作很费力，还会引起丝杆机构的磨损，导致测量的准确度降低。

2．读数需要用目测进行，其准确度依赖于检定员的工作经验。

3．受到丝杆加工工艺的限制，丝杆的机械精度很难再有提高，导致补偿式微压计测量准确度无法进一步的提高。

4．在实际测量中，液体会产生挂壁现象，连接液体导管受压变形也会使液体的体积发生改变，由于只观察一端的液面位置，体积变化会引起测量误差。

5．没有温度测量修正***，这样液体的密度和体积都会发生改变，引起测量误差。

6．无法满足量程范围更大的，或准确度更高的仪器进行检定测试。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种移动容器式高精度微压测量装置，解决现在的微压测量设备要么成本高，要么测量准确度低的缺陷。

技术方案

一种移动容器式高精度微压检测装置，其特征在于：包括相互之间采用液体导管连通的固定容器和可动容器，所述可动容器设置在一升降平台上，所述升降平台安装在升降导轨上，由步进电机带动的升降螺杆带动在升降导轨上下降或上升，在所述升降平台旁设置有光栅尺，所述可动容器和固定容器顶上设置有测量液面高度的激光位移计，所述固定容器或可动容器设置有压力接口，所述步进电机、光栅尺和激光位移计电连接控制器，所述控制器包括压力计量模块和压力控制模块，所述光栅尺和激光位移计将计数传送给压力计量模块，进行微压测量和计算，所述压力控制模块连接步进电机和压力接口，控制压力接口的压力稳定和控制步进电机的启闭。

所述可动容器和固定容器内液面上设置有浮子，所述浮子与所述激光位移计对应设置，以检测液面高度变化。

所述浮子包括浮体和“T”形测量头，浮体采用铝合金浮体，测量头的“T”形顶端面为聚四氟漫反射平面。

所述可动容器顶端设置有一个激光位移计，所述固定容器的左右两端的上端面上分别设置有一个激光位移计，分别测量两端的液面高度。

所述固定容器、可动容器和液体导管内均设有温度传感器，所述温度传感器均与控制器电连接，所述控制器通过对所述温度传感器巡检进行温度控制。

所述光栅尺采用莫尔条纹光栅尺。

所述固定容器上设置有压力接口。

所述固定容器和可动容器上均设置有压力接口。

所述升降导轨安装在水平基座上，所述固定容器也设置在所述水平基座上。

一种应用上述的移动容器式高精度微压检测装置进行压力计检测的装置，其特征在于：包括待测压力计和所述微压检测装置，所述微压检测装置的固定容器和可动容器上均设置有压力接口，固定容器的压力接口为测试端，可动容器的压力接口为参考端，所述测试端连接加压***和待测压力计，所述加压***连接所述微压检测装置的控制器，所述控制器的压力控制模块电连接步进电机和激光位移计及光栅尺，由控制器控制所述微压检测装置稳压，所述控制器与上位计算机相连，计算和显示待测压力计与实测压力值的差值或差率。

有益效果

本发明采用莫尔条纹细分光栅尺，测量准确度达到±2μ，用两台激光位移计测量可动和固定容器中的液面高度，这样就勿需用人眼来观察锥尖位置而直接进行读数，控制器采用计算机***由单片机数据采集器和工控计算机组成，可以将各个传感器的数据直接转换成压力读数，也能通过执行机构将压力计稳定在设定压力工作点，实现自动测量，本发明能长时间将压力保持在极微量的波动范围内，在微压计量中具有不可或缺的作用。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明的光栅测量机构结构示意图。

图3为本发明的激光位移计的光学三角法测量原理示意图。

图4为本发明的浮子机构示意图。

图5为对压力计进行检测的整体装置示意图。

其中：1-步进马达，2-导轨上夹板，3-升降螺杆，4-激光位移计，5-升降平台，6-光栅尺，7-固定导轨，8-液体导管，9-固定容器，10-可动容器，11-浮体，12-测量头，13-测量头的“T”形顶端面，14-稳定钩，15-稳定支架，16-传压介质液面,17-半导体激光器，18-激光器前的镜片，19-收集镜片，20-CCD阵列，21-信号处理器，22-被测物体，23-测试端，24-参考端。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

鉴于上述分析的缺点，本发明设计了一种测量范围为±8kPa，测量准确度达到±0.1Pa的微压测量装置。这套微压测量装置采用莫尔条纹细分光栅尺，测量准确度达到±2μ，用于可动容器位移的测量。用两台激光位移计测量可动和固定容器中的液面高度，这样就勿需用人眼来观察锥尖位置而直接进行读数。各个容器以及管道中均置入温度传感器进行温度监测和实时修正。可动容器的移动是用步进马达和升降螺杆带动容器的上下移动，避免了手转刻度盘的麻烦。

1．整体结构原理

本发明中所研制的高精度液体微压计量的量程为±8kPa，测量准确度为±0.1Pa，其结构原理类似于补偿式微压计，压力计有以下几大部分组成，分别是容器管道、浮子机构、升降机构、光栅测量机构、激光位移测量机构、温度测量机构、基座、全自动加压***、控制器即单片机数据采集和动作执行***及工控计算机操作***。

如附图1中所示，1为步进马达，2为导轨上夹板，3是升降螺杆，4为激光位移计，分别设置在可动容器10和固定容器9上，5为升降平台，6为光栅尺，7为固定导轨，8是液体导管。实际操作时，首先进行零压差平衡调整，即将可动容器10的液面和固定容器9的液面一致，并分别将光栅尺6和激光位移计4读数清零。根据输入到计算机界面的设定压力点计算出可动容器10的位置，通过数字通讯将数据传送给控制器的单片机数据采集和动作执行***，驱动步进马达1转动，通过旋转升降螺杆3带动固定在升降平台5上的可动容器10上下移动。这时，固定在可动容器10上的光栅读数头根据莫尔条纹进行计数，读出实际位移的距离。将压力（气体）施加于固定容器9中，液体被压入可动容器10，待稳定后，固定在可动容器10上的激光位移计4可读出液面上的浮子与起始位置的位移，同时固定在固定容器9上的激光位移计4也读出一个液面的位移，这样压力计就可以根据上述三个位移计算出输入气体的实际压力。压力计为了保证整台液体在一个几乎相同的温场中，采用泡沫铝进行保温，并分别在可动容器9、固定容器10和液体导管8中置入多个温度传感器进行温度监控和温度补偿。压力计的压力复现计算式应为：

$\mathrm{\Δp}=g_l{\∫}_{t_0}^{t_1}\mathrm{\ξ}\left(t\right)\mathrm{dt}(h_1-h_0)$

式中：Δp---为加压口和参考口的压力差，Pa；

g_l---为当地重力加速度；

ξ(t)---为介质密度的温度函数，kg/m³/℃；

h₀---为加压口和参考口压力相等时的液柱状态，使用时取h₀=0；

h₁---实际工作点的液柱高度差，m；

上述公式中，                  h₁＝H+h_a-h_b

式中：   H----光栅尺的读数，m；

h_a----可动/容器浮子高度差，m；

h_b----固定容器浮子高度差，m。

但考虑到温度变化会给容器中浮子的浮力带来一些影响，因此：

$h_a=h_{\mathrm{al}}+4\frac{(\frac{{\mathrm{\ρ}}_0}{{\mathrm{\ρ}}_1}-1)V_0}{{\mathrm{\πd}}^2}$

式中：h_al----可动容器上激光位移计的读数，m；

V₀----浮子在平衡位置时的浸入体积,m³；

ρ₀、ρ₁-----工作介质在平衡时和测量时的温度下的密度，kg/m³；

d----浮子的外径，m。

同样 $h_b=h_{\mathrm{bl}}+4\frac{(\frac{{\mathrm{\ρ}}_0}{{\mathrm{\ρ}}_1}-1)V_0}{{\mathrm{\πd}}^2}$

式中：h_bl----固定容器上的激光位移计读数，m；

在温度均匀的情况下两个浮子的浮力修正项正好抵消，这样就产生公式：

h₁＝H+h_al-h_bl

2．光栅测量机构

光栅测量机构采用莫尔条纹光栅尺，光栅尺位移传感器是有标尺光栅和光栅读数头两部分组成。光栅尺位移传感器，是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置。标尺光栅固定升降平台5上，光栅读数头装在光栅尺固定支柱上，指示光栅装在光栅读数头中。其结构原理图参见图2。光栅检测装置的关键部分是光栅读数头，它由光源、会聚透镜、指示光栅、光电元件及调整机构等组成。本方案采用硅光电池读数头。它是根据物理上莫尔条纹的形成原理进行工作的。

光栅测量位移的实质是以光栅栅距为一把标准尺子对位置量进行测量。其测量输出的信号为数字脉冲，具有检测范围大，检测精度高，响应速度快的特点。高分辨率的光栅尺一般造价较贵，且制造困难。为了提高***分辨率，需要对莫尔条纹进行细分，目前光栅尺位移传感器***采用电子细分方法。当两块光栅以微小倾角重叠时，在与光栅刻线大致垂直的方向上就会产生莫尔条纹，随着光栅的移动，莫尔条纹也随之上下移动。这样就把对光栅栅距的测量转换为对莫尔条纹个数的测量。

在一个莫尔条纹宽度内，按照一定间隔放置4个光电器件就能实现电子细分与判向功能。例如，本方案使用的光栅尺，栅线为200线对/mm的光栅尺，其光栅栅距为0.005mm，若采用四细分后便可得到分辨率为1.25μm的计数脉冲，这在工业普通测控中已达到了很高精度。为了消除共模干扰、直流分量和偶次谐波，通常采用由低漂移运放构成的差分放大器。由四个光敏器件获得的4路光电信号分别送到2只差分放大器输入端，从差分放大器输出的两路信号其相位差为π/2，为得到判向和计数脉冲，需对这两路信号进行整形，首先把它们整形为占空比为1：1的方波。然后，通过对方波的相位进行判别比较，就可以得到光栅尺的移动方向。通过对方波脉冲进行计数，可以得到光栅尺的位移。

3．激光位移测量机构（激光位移计测量浮子位移，测量液面高度变化）

基于三角测量原理的位移测量是目前被广泛采用的一种方法，本方案采用光学三角法测量原理（详见附图3），将半导体激光器17射出的单色光，由激光器前的镜片18聚焦到被测物体22（即浮子机构的T”形顶端聚四氟漫反射平面）。反射光被收集镜片19收集，投射到CCD阵列20上；信号处理器21通过三角函数计算CCD阵列20上的光点位置得到距物体的距离。其测量不确定度小于7μ（k=2），测量范围为10mm。因为固定容器9设置在装置的基座上，为杜绝可能的基座不够水平的问题，在固定容器9的左右各设置一个激光位移计4和对应的浮子机构，从而可通过计算消除水平影响。

4.浮子机构

内置浮子机构的固定容器9和可动容器10采用Teflon涂层，以减小容器内表面对介质的附着力，这样使附着力小于液体分子间的内聚力，液体介质不易产生挂壁现象。所述浮子包括浮体11和“T”形测量头12，浮体11采用铝合金浮体，测量头的“T”形顶端面13为聚四氟漫反射平面，并设计稳定支架15来限制浮子转动和摇摆，浮体11两端分别有伸出的稳定槽14，所述稳定槽14套在固定在液体压力计的容器（可动容器10或固定容器9）内的左右两个稳定支架14的竖直立柱内，所述两个稳定支架14竖直设置在所述容器内上下平面之间，所述浮体11以中心线对称设置，“T”形测量头12设置在此中心线对称轴上，参见附图4。容器上方的激光位移计4，将激光光束射向漫反射表面的反射平面，根据不同的距离对应不同的反射角进行距离测量。

5.加压***

全自动加压***采用两个步进马达分别带动一大一小两个调压器，进行压力粗调和微调。控制器的单片机数据采集和动作执行***主要由MCS51单片机对激光位移计4的输出信号进行A/D转换，对光栅尺输出的方波进行计数，同时根据控制器传来的指令对连接升降螺杆3的步进马达1进行升降控制，用巡检方式对分设在固定容器9、可动容器10、液体导管8内的温度传感器进行数据采集，并将上述采集数据通过数字通讯的方式传送给控制器。另外单片机***还采用PID控制方式对加压***进行全自动控制。控制器的工控计算机操作***可以在计算机上建立数学模型，进行包括温度修正、密度修正以及浮子浮力修正。

液体压力计是一种很经典的微压计量设备，它能长时间将压力保持在极微量的波动范围内，在微压计量中具有不可或缺的作用。本项目采用自动平衡和自动加压的设计方法应用于液体压力计是一个创新点。采用光栅尺和激光位移计测量技术应用于液体压力计也是一种创新性的设计。实用的激光位移计和光栅尺，其测量准确性不如激光干涉仪，但无论在价格、使用寿命、实用和可靠性方面都比激光干涉仪更适合用于日常的检定。

本发明方案设计的装置测量准确度可以达到±0.1Pa，可以作为现有压力计或压力传感器等的准确度检测装置，如附图5所示。在本微压检测装置的固定容器和可动容器上都设置有压力接口，固定容器的压力接口为测试端23，可动容器的压力接口为参考端24，所述测试端23连接加压***和待测压力计，所述加压***连接所述微压检测装置的控制器，所述控制器的压力控制模块电连接步进电机和激光位移计及光栅尺，由控制器控制所述微压检测装置稳压，所述控制器与计算机***相连，计算和显示待测压力计与实测压力值的差值或差率，也可以设计在计算机***上通过一个显示的虚拟仪表盘执行操作人员的指令。

对现有压力计或压力传感器的准确度检测可以分为表压、差压检测和绝压检测。表压、差压检测是以大气压作为参考，因此参考端24直接连接大气压，而测试端23连接加压***和待测压力计（参见图5）。绝压检测时，参考端24和测试端23都需疏空至相当接近零绝压的状态，测试端23与加压***和控制器的压力控制模块以及待测压力计相连，进行绝压调节和测量。

所述控制器可以驱动步进马达直至设定的压力点进行压力测量，也可以根据浮子的位置通过PID调节的方式控制压力发生装置，使压力稳定在设置工作点上，也可以两者结合，精确控制压力稳定。控制器的控制***由单片机数据采集器和工控计算机组成，可以将各个传感器的数据直接转换成压力读数，也能通过执行机构将压力计稳定在设定压力工作点，实现自动测量。

本项目的研制对今后微压活塞式压力计的研究创造了必要的条件，可以向微压活塞式压力计传递有效面积或进行压力量值复现的验证研究工作。长期以来受到长度计量方面的种种限制，很少有高准度而又实用性很强的微压计产品问世，本项目的研制对传统的液体微压计进行了脱胎换骨的改变，填补了电测式补偿压力计的空白，同时其设计思路、计算模型和误差修正方法也是一种全新的思路。对我国的微压计量事业的持续发展具有重大意义。

Claims (8)

1.一种移动容器式高精度微压检测装置，其特征在于：包括相互之间采用液体导管连通的固定容器和可动容器，所述可动容器设置在一升降平台上，所述升降平台安装在升降导轨上，由步进电机带动的升降螺杆带动在升降导轨上下降或上升，在所述升降平台旁设置有光栅尺，所述可动容器和固定容器顶上设置有测量液面高度的激光位移计，所述固定容器或可动容器设置有压力接口，所述步进电机、光栅尺和激光位移计电连接控制器，所述控制器包括压力计量模块和压力控制模块，所述光栅尺和激光位移计将计数传送给压力计量模块，进行微压测量和计算，所述压力控制模块连接步进电机和压力接口，控制压力接口的压力稳定和控制步进电机的启闭，所述可动容器和固定容器内液面上设置有浮子，所述浮子与所述激光位移计对应设置，以检测液面高度变化，所述浮子包括浮体和“T”形测量头，浮体采用铝合金浮体，测量头的“T”形顶端面为聚四氟漫反射平面。

2.如权利要求1所述的移动容器式高精度微压检测装置，其特征在于：所述可动容器顶端设置有一个激光位移计，所述固定容器的左右两端的上端面上分别设置有一个激光位移计，分别测量两端的液面高度。

3.如权利要求1所述的移动容器式高精度微压检测装置，其特征在于：所述固定容器、可动容器和液体导管内均设有温度传感器，所述温度传感器均与控制器电连接，所述控制器通过对所述温度传感器巡检进行温度控制。

4.如权利要求1所述的移动容器式高精度微压检测装置，其特征在于：所述光栅尺采用莫尔条纹光栅尺。

5.如权利要求1所述的移动容器式高精度微压检测装置，其特征在于：所述固定容器上设置有压力接口。

6.如权利要求1所述的移动容器式高精度微压检测装置，其特征在于：所述固定容器和可动容器上均设置有压力接口。

7.如权利要求1所述的移动容器式高精度微压检测装置，其特征在于：所述升降导轨安装在水平基座上，所述固定容器也设置在所述水平基座上。

8.一种应用如权利要求1所述的移动容器式高精度微压检测装置进行压力计检测的装置，其特征在于：包括待测压力计和所述微压检测装置，所述微压检测装置的固定容器和可动容器上均设置有压力接口，固定容器的压力接口为测试端，可动容器的压力接口为参考端，所述测试端连接加压***和待测压力计，所述加压***连接所述微压检测装置的控制器，所述控制器的压力控制模块电连接步进电机和激光位移计及光栅尺，由控制器控制所述微压检测装置稳压，所述控制器与上位计算机相连，计算和显示待测压力计与实测压力值的差值或差率。