高精度钟罩式气体流量标准装置任意启停的测量方法与流程

本发明涉及一种气体流量计检测方法，具体地说是一种高精度钟罩式气体流量标准装置任意启停的测量方法。

背景技术

钟罩式气体流量标准装置是以气体为介质，对气体流量计进行检定、校准和检测的计量标准设备。很多国家将其作为低压气体流量的基准装置进行研究和建立。

钟罩式气体流量标准装置一般由钟罩、液槽、钟罩下降高度测量装置、压力补偿机构、计时器、测量控制系统、气源、试验管道和阀门等组成。其工作原理是出气阀门打开后，钟罩在自身重力下匀速下降，准确测量钟罩内部的标准容积、所用时间，即可计算出钟罩排出气体的瞬时流量。

钟罩式气体流量标准装置能否实现准确量传，关键在于罩体标准容积的准确标定。根据jjg165-2005规定，容积为500l(含)以上的装置，推荐使用尺寸测量法标定罩体标准容积。

近年来随着测量技术的发展，国内外积极探索基于尺寸法的新型测量手段，20世纪80年代，德国联邦物理技术研究院运用尺寸法标定了1000l高精度钟罩。21世纪初，中国计量科学研究院以容积为100l的钟罩为研究对象，应用π尺法、激光跟踪法和外径千分尺法3种不同的实验方法，分别对钟罩不同截面上的外径进行测量，并得到3种测量方法都是正确合理的结论。π尺法、外径千分尺法和激光跟踪法等外径测量方法属于间接测量，必须结合壁厚测量，因而会引入较大测量不确定度(0.02％左右)。前两种方法耗时较长、人为影响因素大、数据群小、不能有效还原横截面几何形状。激光跟踪仪测量方法要求光路通畅、俯仰角控制在±45°，该方法基于球坐标法，球形反射镜为点接触式测量，受人员和空间限制，不易操作，限制了测量范围和应用场合。2016年上海市计量测试技术研究院以关节臂式坐标测量机为测量系统研究了钟罩装置内部容积的测量方法。关节臂式坐标测量机为大型设备，不适宜现场测量，且亦为点接触式测量，受环境温度和空间限制。

上述钟罩装置的流量测量不确定度在0.06％(k＝2)到0.3％(k＝2)之间。罩体标准容积从早期的整段定容积使用发展到近年的分阶容积表定容积细化使用，均为定点使用。这种使用方法限制了流量范围的下限，检测时间长，效率低。

综上，根据被测钟罩实际尺寸和放置环境，探寻一种非接触式、高精度、快捷方便的测量设备，以及在保证准确度的前提下，提供一种钟罩装置任意点启停使用的方案是本领域的一个技术难题。

技术实现要素：

本发明的目的就是提供一种高精度钟罩式气体流量标准装置任意启停的测量方法，以解决传统测量方法检测时间长、效率低的问题。

本发明的目的是这样实现的：一种高精度钟罩式气体流量标准装置任意启停的测量方法，包括以下步骤：

a、设置摄影测量系统：置备包括测量相机、基准尺和条形摄影标志在内的一套v-stars/n摄影测量系统；

b、粘贴摄影标志：将钟罩罩体吊放到底座支架上，其下沿保持水平；在罩体下口的内沿粘贴一圈摄影标志，在罩体内壁垂直粘贴若干条竖直摄影标志，并标定出顺序的排序编号，竖直摄影标志在罩体内壁沿圆周面均布，在相邻两个竖直摄影标志之间的罩体内壁上分别粘贴有拼接摄影标志，拼接摄影标志互不相同，在钟罩罩体的内顶面也随机粘贴若干各不相同的拼接摄影标志；将两根基准尺分开并分别固定在竖直摄影标志之间的罩体内壁上，两根基准尺与竖直摄影标志平行且与钟罩罩体下口的一圈摄影标志邻接；

c、拍摄照片：将测量相机伸入到钟罩罩体中，变换不同的位置、角度和距离，拍摄一组罩体内壁和罩体内顶面的照片，所有摄影标志和基准尺均应拍摄到；

d、图像处理：打开计算机中的v-star软件，输入两个参数“基准尺长度值”和“超差点精度值”，将所拍摄的罩体内壁和罩体内顶面的照片导入计算机的v-star软件，通过v-star软件查找各摄影标志的中心点并自动定位，经匹配识别后，将拍摄的照片拼接成具有“角度值”特征的一组图片；其中，“基准尺长度值”是溯源证书中标定的参数，而“超差点精度值”则是根据测量要求设置的参数；

e、坐标计算：在v-star软件中，根据“基准尺长度值”对各摄影标志的像点和测量相机的位置进行计算，以识别出各摄影标志的三维坐标；

f、几何分析：利用各摄影标志的三维坐标位置在计算机的v-star软件中进行几何分析和计算，得出钟罩罩体内沿高度方向每间隔11mm共计160个不同高度hi处的内腔截面半径尺寸ri，从而组成罩体内腔高度与半径的二维数组(hi，ri)；

g、曲线拟合：利用matlab拟合工具箱cftool软件在计算机中对上述二维数组(hi，ri)进行曲线拟合，得出钟罩罩体的内腔半径r关于罩体高度h的连续曲线函数：r＝f(h)；

h、钟罩下降任意位置罩体标准容积的计算：根据钟罩罩体内的微元体积计算公式dv＝πr²dh＝π[f(h)]²dh，计算钟罩罩体的标准容积为：

式中：a和b分别为钟罩下降前后的高度值。

本发明突破了传统钟罩式气体流量标准装置定容积使用的局限性，实现了任意点启停测量的功能，同时可保证流量测量不确定度ur(q)≤0.1％，k＝2，其主要优点如下：

(一)本发明所公开的测量方法适用于大容积、高精度钟罩式气体流量标准装置的罩体标准容积的标定，测量时仅需一人耗时1小时即可获得不少于160组的有效数据(高度hi，半径ri)。能够快速、准确地获得大量的数据源，为任意点启停式测量提供了数据基础。

(二)本发明是根据大量实测数据，利用matlab进行曲线拟合，以得到罩体内腔半径关于罩体内腔高度的连续函数，再根据罩体启停位置，运用定积分原理计算得到钟罩排气体积，从而最终实现了高精度钟罩式气体流量标准装置的任意点启停测量。

附图说明

图1是钟罩罩体与测量相机的设置示意图。

图2是钟罩罩体粘贴摄影标志后的展开图。

图3是钟罩罩体内顶面粘贴摄影标志后的示意图。

图4是实测值数据的描点图。

图5是曲线拟合结果与实测数据的对比示意图。

图6是利用定积分获得任意高度段内钟罩罩体标准容积的示意图。

图中：1、钟罩罩体，2、底座支架，3、测量相机，4、底面摄影标志，5、罩体内壁，6、竖条摄影标志，7、拼接摄影标志，8、基准尺，9、罩体内顶面，10、钢丝绳。

具体实施方式

如图1所示，钟罩罩体1是一个圆筒状的容器，其顶部封闭，下部开口，圆筒的内部直径约为1399mm，高度约为2500mm。

本发明测量方法包括以下步骤：

一、选用v-stars/n摄影测量系统对钟罩罩体的标准容积进行标定。v-stars/n摄影测量系统的组成包括：测量相机3、基准尺8和摄影标志。v-stars/n摄影测量系统的测量范围为0～60m，最大允许误差为10μm+10μm/m。

二、粘贴摄影标志：将钟罩罩体1通过钢丝绳10吊放到专门制作的底座支架2上，其罩体垂直，下沿保持水平(图1)。在罩体下口的内沿粘贴一圈摄影标志(图2)，构成底面摄影标志4，作为参考基准面。在罩体内壁5上垂直粘贴12条竖直摄影标志，构成竖条摄影标志6，竖条摄影标志6在罩体内壁沿圆周面均布(图2)，并且垂直于参考基准面。对竖条摄影标志6顺序标定出从1号～12号的排序编号。在相邻两竖条摄影标志6之间的罩体内壁5上分别粘贴拼接摄影标志7，拼接摄影标志7互不相同。在罩体内顶面9上也随机粘贴若干各不相同的拼接摄影标志7(图3)。拼接摄影标志7由若干个摄影标志无规则拼接而成。将两根基准尺8分开并分别固定在竖条摄影标志6之间的罩体内壁5上，两根基准尺8与竖条摄影标志6平行，且与钟罩罩体下口的底面摄影标志4相邻接。

三、拍摄照片：将测量相机3伸入到钟罩罩体1中，变换不同的位置、角度和距离，拍摄一组罩体内壁5与罩体内顶面9的照片，所有摄影标志和基准尺均要拍摄到。拍摄的照片为数字相片，数字相片的数量要多于100张。

四、图像处理：打开计算机中的v-star软件，输入“基准尺长度值”和“超差点精度值”这两个参数。然后，取出测量相机内存卡，插入计算机接口，将所拍摄的罩体内壁5和罩体内顶面9的数字相片导入计算机的v-star软件中。v-star软件具备像素中心识别功能，可根据测量点的不同，提取若干组测量数据，并根据像素大小，自动找到摄影标志的中心点，实现精准自动定位，经拼接摄影标志，自动匹配识别出准确的拼接位置，从而将拍摄的测量图片自动拼接在一起。根据精度值的设置，识别出错误目标点bad点和偏差较大的weak点，将超过精度值设置极限的拍摄照片予以剔除，最终连接成具有“角度值”特征的一组图片。

五、坐标计算：在v-star软件中，根据“基准尺长度值”对各摄影标志的像点和测量相机的位置进行计算，以识别出各摄影标志的三维坐标，实现对摄影标志的三维坐标的求解。

六、几何分析：利用各摄影标志的三维坐标位置，在计算机的v-star软件中进行几何分析和计算，得出钟罩罩体内沿高度方向每间隔11mm共计160个不同高度hi处的内腔截面半径尺寸ri，从而组成罩体内腔高度与半径的二维数组(hi，ri)，i＝1,2…,160，测量结果如表2所示，其描点图如图4所示。

表2：数字摄影法标定罩体标准容积的测量结果(单位：mm)

七、曲线拟合：利用matlab拟合工具箱cftool软件在计算机中对上述二维数组(hi，ri)进行曲线拟合，具体方式是：

7-1首先将二维数组(hi，ri)在计算机中以excel的格式予以保存。

7-2在计算机的matlabr2014a软件中加载上述的excel文件，在matlab主窗口中输入cftool，按下回车键后，即可调用相应的工具箱软件，找到傅里叶拟合函数，设置拟合阶次，窗口右下方出现测量数据点和拟合函数图形，同时得到拟合函数的各个参数和拟合标准差(rmse)。

7-3通过分析拟合标准差(rmse)来检验拟合效果，当不符合拟合要求时，增加拟合次数，直到符合误差要求为止。

7-4符合要求的拟合函数为八次傅立叶函数，其数学模型为：

其中，各系数分别为：a0＝702.1，a1＝3.705，b1＝3.452，a2＝0.2251，b2＝-4.503，a3＝-2.418，b3＝-2.784，a4＝-2.776，b4＝-0.2533，a5＝-1.429，b5＝1.095，a6＝-0.1616，b6＝1.018，a7＝0.2302，b7＝0.3752，a8＝0.1108，b8＝0.02697，ω＝0.002576。其函数曲线和实测数据描点图如图5所示。

如此得到的即为钟罩罩体的内腔半径(r)关于罩体高度(h)的连续曲线函数：r＝f(h)。

八、钟罩下降任意位置罩体标准容积的计算：

根据钟罩罩体内的微元体积计算公式dv＝πr²dh＝π[f(h)]²dh，计算钟罩罩体的标准容积为：

式中：a和b分别为钟罩下降前后的高度值。

九、定积分计算罩体标准容积：

如图6所示，罩体1的标准容积是由连续曲线r＝f(h)与直线h＝a，h＝b，以及罩体轴心线所合围而成的曲边梯形绕轴心线旋转一周所围成的圆柱体的体积v。其中，a和b分别为钟罩下降前后的高度值。选取h为积分变量，在区间[a,b]上任意选取小区间[h，h+dh]，那么，这一小区间上的曲边梯形围绕轴心线旋转一周的薄片体积的近似值即钟罩罩体1的体积元素为：

dv＝πr²dh＝π[f(h)]²dh(1)

那么，钟罩罩体的标准容积即为：

钟罩罩体的下降高度采用光栅尺测量，其量值经过激光干涉仪溯源到长度单位，其最大允许误差为±20μm。

十、标准容积的不确定度计算：

由公式(2)的标准容积的数学模型和不确定度传播律，可得到标准容积的相对合成标准不确定度：

钟罩罩体的半径由近景摄影系统测量，其最大允许误差为±30μm，半径估计值为其引入的为b类不确定度，按矩形分布考虑，可得：

软件中采用傅里叶函数拟合了钟罩罩体的半径值，最小流量为6m³/h时，拟合函数的拟合标准差引入的相对标准不确定度为a类不确定度，ur2(r)＝7.074×10^-3％。

高度由双光栅尺测量，其最大允许误差为±20μm。钟罩以最小流量6m³/h下降60s对应的罩体下降行程为65.07mm，其引入的为b类不确定度，按矩形分布考虑，且下降高度的估计值为双光栅尺的平均值，所以应乘系数可得：

ur(v)＝1.955×10^-2％(7)

标准容积的相对扩展不确定度为：

ur(v)＝0.04％(8)

考虑到温度、压力及时间参量的测量不确定度，钟罩瞬时流量测量不确定度达到ur(q)≤0.1％，k＝2。