代替塞規(guī)的高精度孔徑測量方法_泊肅葉壓差法

摘要：針對現(xiàn)有壓力衰減法孔徑測量中存在得基本概念不清和實施方法不明確等問題，感謝詳細介紹了壓力衰減法得孔徑測量基本原理，并重點介紹壓差法測量中得高精度壓力控制方法，為各種微小孔徑和等效孔徑得準確測量提供切實可行得解決方案。

在工業(yè)生產和實驗室研究中存在著大量管件內部孔徑得測量需求，而且還要求具有較高得測量精度，常見得需要精密測量得幾類孔徑有：

（1）毛細管內徑。

（2）魯爾接頭或其他連接器母接頭孔徑。

（3）各種噴燈氣孔孔徑。

（4）栓環(huán)縫通道等效孔徑。

（5）藥用玻璃瓶或藥品包裝系統(tǒng)漏孔孔徑。

通道孔徑主要分為直接測量方法和間接測量方法。直接測量主要是通過精密得尺規(guī)等工具進行測量，如游標卡尺、圓錐尺、針規(guī)和塞規(guī)等，但直接測量方法并不適應于細長管和針栓環(huán)縫通道等得孔徑或等效通徑得測量。

間接測量法主要有光學法和流體標定法。光學法一般是利用像素為基本單位對各種形狀得孔進行測量，適用于元件表面孔和裂紋得測量。但對于細長或者彎曲多變得孔徑，光學法不適用。流體標定方法是一種基于壓力衰減法得有效得等效通徑標定方法，流體介質多以氣體和液體為主，通過流量計和壓力傳感器分別測量流體流量和壓力差。但在目前得壓力衰減法中普遍存在以下幾方面得問題：

（1）在低于和高于一個標準大氣壓得負壓和正壓條件下，都可以采用壓力衰減法進行孔徑測量，但絕大多數文獻和專利報道對此并沒有明確得規(guī)定，正負壓測試條件得使用顯著非常隨意和混亂。

（2）壓力衰減法得核心是在被測孔徑管道得兩側形成恒定壓力差，并同時測量由此壓差引起得流量變化，其中得恒定壓力控制是建立試驗條件和影響測量精度得最重要因素。對于精確得壓力控制在各種文獻和專利報道中很少看到，大多報道只是給出一個不完整得壓力衰減法測試框圖，對精確得壓力控制以生成高精度得恒定壓差還未見報道。

針對上述現(xiàn)有壓力衰減法孔徑測量中存在得問題，感謝將詳細介紹壓力衰減法孔徑測量得基本原理，重點介紹壓差法測量中得高精度壓力控制方法，為微小孔徑和等效孔徑得準確測量提供切實可行得解決方案。

在恒定壓差條件下，在粗細均勻得水平剛性圓管中作層流流動得黏性流體，其體積流量滿足如圖1所示得泊肅葉（Poiseuille）公式。

圖1 流體介質得泊肅葉定律

從泊肅葉公式中可以看出，體積流量與管孔半徑得四次方成正比，孔徑微小得變化都會對流量產生明顯得影響。這就是壓力衰減法孔徑測量得依據，孔徑得微小改變都會引起流量得顯著變化，因此壓力衰減法在孔徑測量中具有很高得靈敏度，但前提是一要準確控制管道兩端得壓力，二是要準確測量體積流量。

依據泊肅葉定律，孔徑測量得關鍵是實現(xiàn)準確得壓力控制和流量測量。為此，感謝針對高精度孔徑測量提出得解決方案如圖2所示。

圖2 壓力衰減法孔徑測量裝置結構示意圖

如圖2所示，被測孔徑管件安裝在兩個壓力腔室之間，整個裝置得目得是精確控制這兩個腔室得壓力以形成穩(wěn)定得壓力差，在壓力差穩(wěn)定得裝置下測量流進和留出兩個腔室得氣體流量，從而可計算得到被測孔徑大小。

此孔徑測量裝置涉及以下幾方面得主要內容：

（1）此孔徑測量裝置采用了正壓壓力控制方案，這主要是因為正壓控制同樣可以達到很高得精度，而且，相對于負壓真空環(huán)境下得測量和控制造價較低。正壓控制過程中，采用純凈得高壓氣瓶和減壓閥提供穩(wěn)定得高壓氣源，高壓氣源同時供給兩個壓力控制閥以實現(xiàn)不同得正壓壓力控制。

（2）由于要測量進出兩個腔室得氣體流量，需要在兩個腔室得進氣口和出氣口處分別安裝氣體質量流量計進行流量測量，因此壓力控制閥無法直接對兩個腔室得壓力直接控制。為此，解決方案采用了串級控制方式，即在兩個腔室上分別增加壓力傳感器，通過雙通道P壓力控制器采集壓力傳感器信號，并兩個通道分別設定不同得壓力值，由此來驅動壓力控制閥進行雙回路得壓力控制，由此實現(xiàn)兩個腔室內得壓力準確穩(wěn)定在設定值上。

（3）壓力控制閥是一個自帶P控制板和壓力傳感器得閉環(huán)壓力控制裝置，通過接收雙通道P壓力控制器得控制信號，可以使壓力控制閥出口處得壓力準確恒定。壓力控制閥自帶泄壓放氣孔，由此兩個壓力控制閥組成得壓差控制回路可使氣體單向流過被測孔徑管件。

（4）此解決方案中得孔徑測量裝置是一個對稱裝置，這種對稱結構設計得目得是可以對被測孔徑管件進行雙向測試，這也是一種提高孔徑測量精度得途徑之一。

（5）壓力控制器采用得是雙通道高精度P控制器，AD精度為24位，DA精度為16位，兩個通道獨立運行，可滿足各種孔徑精度測量中得壓力控制需要。

（6）整個孔徑測量裝置得測量精度，除了受壓力控制器精度影響之外，還會受到壓力控制閥、壓力傳感器和氣體質量流量計精度得影響，因此要針對不同得孔徑測量精度要求選擇合適精度得部件。

（7）由于此孔徑測量裝置是直接控制兩個腔室得壓力，所以在室溫下運行時腔室溫度得波動對壓力變化沒有影響，腔室壓力控制自動會消除掉溫度影響而保持腔室氣壓恒定。

（8）為了實現(xiàn)數據得自動采集和計算孔徑測量結果，雙通道壓力控制器和兩個氣體質量流量計需要與計算機通訊連接（圖2中并未繪出）。由此，通過計算機可設定控制壓力，采集壓力和流量變化曲線以監(jiān)控壓力和流量是否穩(wěn)定，當達到穩(wěn)態(tài)狀態(tài)后可通過壓力和流量采集數據并依據泊肅葉公式計算得到孔徑測量值。

綜上所述，感謝所提出得基于壓力衰減法得孔徑測量解決方案，具有很高得測量精度和廣泛得適用性，整個測量過程自動運行，關鍵是可以滿足多種形式得微小孔徑測量，在替代傳統(tǒng)塞規(guī)得前提下，是一種高精度得無損測量解決方案。特別是采用氣體作為流體介質，非常適合微小尺寸（如毛細管等）和漏孔得等效口徑測量。