[發(fā)明專(zhuān)利]一種基于溫度、高度差和轉(zhuǎn)速的活塞專(zhuān)用綜合測(cè)量系統(tǒng)

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710333425.8
• 申請(qǐng)日: 2017-05-12
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107121078A
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-09-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李海兵;卓華;呂中平;仝立功;陳武卿;鮮青龍
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 新疆維吾爾自治區(qū)計(jì)量測(cè)試研究院
• 主分類(lèi)號(hào): G01B11/06
• 分類(lèi)號(hào): G01B11/06;G01D21/02
• 代理公司: 北京中恒高博知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司11249
• 代理人: 陸菊華

1.一種基于溫度、高度差和轉(zhuǎn)速的活塞專(zhuān)用綜合測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)主要包括調(diào)平系統(tǒng)、活塞系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)和顯示單元；

所述調(diào)平系統(tǒng)包括水平校驗(yàn)臺(tái)、液壓控制單元和水平儀；所述傳感器系統(tǒng)包括測(cè)溫模塊、測(cè)速模塊和測(cè)距模塊；

所述控制單元分別與所述水平校驗(yàn)臺(tái)、水平儀相連接，所述水平校驗(yàn)臺(tái)和水平儀均與所述活塞系統(tǒng)相連接，所述測(cè)溫模塊、測(cè)速模塊和測(cè)距模塊分別與所述活塞系統(tǒng)相連接，所述測(cè)溫模塊、測(cè)速模塊和測(cè)距模塊分別與所述顯示單元相連接。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于溫度、高度差和轉(zhuǎn)速的活塞專(zhuān)用綜合測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述水平校驗(yàn)臺(tái)包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于溫度、高度差和轉(zhuǎn)速的活塞專(zhuān)用綜合測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括滾珠絲杠副、蝸輪蝸桿和伺服電機(jī)；蝸輪和滾珠絲杠同軸安裝一隊(duì)齒輪組，伺服電機(jī)輸出扭矩至蝸桿，經(jīng)蝸輪、齒輪組傳遞至滾珠絲杠，進(jìn)而帶動(dòng)螺母垂直運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)由轉(zhuǎn)動(dòng)到直線運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于溫度、高度差和轉(zhuǎn)速的活塞專(zhuān)用綜合測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述水平儀為二維電子水平儀，二維電子水平儀同時(shí)測(cè)量被測(cè)水平面兩個(gè)正交方向水平度，并輸出信號(hào)至所述液壓控制單元，所述液壓控制單元接收二維電子水平儀輸出信號(hào)，計(jì)算并產(chǎn)生控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)整所述活塞系統(tǒng)的垂直度。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于溫度、高度差和轉(zhuǎn)速的活塞專(zhuān)用綜合測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述測(cè)距模塊包括激光測(cè)距儀，所述激光測(cè)距儀包括激光器、探測(cè)器；濾光片、光闌、放大電路、整形電路、觸發(fā)器、計(jì)數(shù)器和時(shí)鐘振蕩器。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于溫度、高度差和轉(zhuǎn)速的活塞專(zhuān)用綜合測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述測(cè)溫模塊主要包括傳感器前置放大電路、單片機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換電路、顯示電路和軟件非線性校正電路。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于溫度、高度差和轉(zhuǎn)速的活塞專(zhuān)用綜合測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述測(cè)速模塊采用基于三點(diǎn)切向速度方法測(cè)量活塞托盤(pán)轉(zhuǎn)速；測(cè)速模塊集成了三個(gè)位移傳感器，成等腰直角三角形排列，垂直向上安裝于活塞水平校驗(yàn)臺(tái)平面，活塞工作時(shí)位移傳感器可以測(cè)量托盤(pán)相對(duì)三個(gè)測(cè)量點(diǎn)的線速度，根據(jù)三點(diǎn)式切向速度法計(jì)算出活塞托盤(pán)轉(zhuǎn)速。

8.一種基于溫度、高度差和轉(zhuǎn)速的活塞專(zhuān)用綜合測(cè)量裝置，其特征在于，所述裝置主要包括水平校驗(yàn)臺(tái)、液壓控制單元、轉(zhuǎn)速傳感器、測(cè)距傳感器、溫度傳感器、活塞系統(tǒng)、顯示單元和水平儀；

所述液壓控制單元設(shè)置于所述水平校驗(yàn)臺(tái)的底部，所述活塞系統(tǒng)垂直設(shè)置于所述水平校驗(yàn)臺(tái)上的中心位置，所述顯示單元、轉(zhuǎn)速傳感器、測(cè)距傳感器和水平儀依次從左至右設(shè)置于所述水平校驗(yàn)臺(tái)上且所述轉(zhuǎn)速傳感器和測(cè)距傳感器分別位于所述活塞系統(tǒng)兩側(cè)，所述溫度傳感器設(shè)置于所述活塞系統(tǒng)的活塞側(cè)壁上。

9.一種應(yīng)用權(quán)利要求8所述測(cè)量裝置對(duì)活塞測(cè)量的方法，其特征在于，

(1)對(duì)于規(guī)則圓柱體的活塞

對(duì)于規(guī)則圓柱體的活塞，其活塞的下端面為參考面，只需測(cè)量參考面的高度即可。下面為理論推導(dǎo)的過(guò)程：活塞有效面積的確定與選取的參考點(diǎn)有關(guān)聯(lián)，即每一個(gè)參考面對(duì)應(yīng)著一個(gè)有效面積。

存在這個(gè)模型：當(dāng)活塞系統(tǒng)工作時(shí)，若活塞筒的下端對(duì)應(yīng)的水平面為1，活塞筒的頂端對(duì)應(yīng)的水平面為2，活塞下端對(duì)應(yīng)的水平面為3，水平面1和水平面3的垂直距離為H；

水平面1、2處的壓力分別為P₁、P₂，活塞處于空氣中的部分為Ⅰ，進(jìn)入在工作介質(zhì)中的部分為Ⅱ，重力為G，浮力為F，粘滯力為f，S₀為活塞P₁處的面積，

對(duì)于活塞建立平衡方程：

(P₁-P₂)S₀＝G-F-f(1)

可得：

其中，重力加速度為g，v_Ⅰ為空氣部分的體積，v_Ⅱ為工作介質(zhì)部分的體積，活塞在空氣部分的重力為G_Ⅰ，活塞在工作介質(zhì)部分的重力為G_Ⅱ，ρ_a、ρ_m、ρ_l分別為空氣密度、活塞密度、工作介質(zhì)密度，S_{油環(huán)}為活塞和活塞筒間隙的面積；

其中，S_eff為活塞的有效面積；

對(duì)活塞的Ⅱ部分進(jìn)行受力分析，建立平衡方程：

f_液+F＝F_Ⅰ+G_Ⅱ (4)

由于f_液和F_Ⅰ是一對(duì)平衡力，可得

F＝G_Ⅱ＝ρ_lgS₀H (5)

將公式(5)帶入公式(2)，得

P1-P2+ρmgS0H(ρl-ρaρm)/Seff=G(1-ρaρm)Seff]]>

P1-P2+(ρl-ρa)gH=G(1-ρaρm)Seff---(6)]]>

又因?yàn)镻₁-P₂+(ρ_l-ρ_a)gH＝P₃，其中水平面3處的壓力為P₃，

所以活塞的有效面積參考面處于P₃所在的水平面，測(cè)量高度差時(shí)只需測(cè)量活塞桿的最底部即可；

(2)對(duì)于底部有限位裝置的活塞

需要對(duì)活塞側(cè)面凸起部分進(jìn)行理論分析，考慮其浮力作用，效果如同在活塞最底部增加了一部分高度：H₁＝H+H₀，

其中H為水平面1和水平面3的垂直距離，S₀為活塞P₁處的面積，H₀為限位體積V₀引起的高度差；

由公式F＝G_Ⅱ＝ρ_lgS₀H₁ (7)

又因P₁-P₂+(ρ_l-ρ_a)gH₁＝P₃，H₀＝V₀/S₀，

只要測(cè)量了限位體積，帶入計(jì)算即可以得到修正后的限位高度值H₁；

其中，水平面1、2、3處的壓力分別為P₁、P₂、P₃，浮力為F，S₀為活塞P₁處的面積，其中，重力加速度為g，活塞在工作介質(zhì)部分的重力為G_Ⅱ，ρ_a、ρ_l分別為空氣密度、工作介質(zhì)密度；

(3)對(duì)于具有中空結(jié)構(gòu)的活塞

一般的氣體活塞式壓力計(jì)，其測(cè)量下限較小，最低可達(dá)到4kPa；對(duì)于采用不銹鋼材質(zhì)的活塞系統(tǒng)，其內(nèi)部一般為空心結(jié)構(gòu)；

需要對(duì)活塞空心圓柱部分進(jìn)行理論分析，考慮其浮力作用，效果如同在活塞最底部減小了一部分高度：H₂＝H-H₀，

其中，H為水平面1和水平面3的垂直距離，S₀為活塞P₁處的面積，H₀為空心圓柱體積V₀引起的高度差，

由公式F＝G_Ⅱ＝ρ_lgS₀H₂ (8)

又因P₁-P₂+(ρ_l-ρ_a)gH₂＝P₃，

H0=V0/S0=(43πR3-43πr)/S0,]]>

只要測(cè)量了空心圓柱體積，帶入計(jì)算即可以得到修正后的限位高度值H₂；

其中R為活塞圓柱體的半徑，r為空心圓柱體的半徑，π為圓周率，水平面1、2、3處的壓力分別為P₁、P₂、P₃，浮力為F，S₀為活塞P₁處的面積，重力加速度為g，活塞在工作介質(zhì)部分的重力為G_Ⅱ，ρ_a、ρ_l分別為空氣密度、工作介質(zhì)密度。