代替塞規(guī)的高精度孔徑測(cè)量方法——泊肅葉壓差法

摘要：針對(duì)現(xiàn)有壓力衰減法孔徑測(cè)量中存在的基本概念不清和實(shí)施方法不明確等問題，本文詳細(xì)介紹了壓力衰減法的孔徑測(cè)量基本原理，并重點(diǎn)介紹壓差法測(cè)量中的高精度壓力控制方法，為各種微小孔徑和等效孔徑的準(zhǔn)確測(cè)量提供切實(shí)可行的解決方案。

在工業(yè)生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)室研究中存在著大量管件內(nèi)部孔徑的測(cè)量需求，而且還要求具有較高的測(cè)量精度，常見的需要精密測(cè)量的幾類孔徑有：

（1）毛細(xì)管內(nèi)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(cè)量方法和間接測(cè)量方法。直接測(cè)量主要是通過精密的尺規(guī)等工具進(jìn)行測(cè)量，如游標(biāo)卡尺、圓錐尺、針規(guī)和塞規(guī)等，但直接測(cè)量方法并不適應(yīng)于細(xì)長管和針?biāo)ōh(huán)縫通道等的孔徑或等效通徑的測(cè)量。

間接測(cè)量法主要有光學(xué)法和流體標(biāo)定法。光學(xué)法一般是利用像素為基本單位對(duì)各種形狀的孔進(jìn)行測(cè)量，適用于元件表面孔和裂紋的測(cè)量。但對(duì)于細(xì)長或者彎曲多變的孔徑，光學(xué)法不適用。流體標(biāo)定方法是一種基于壓力衰減法的有效的等效通徑標(biāo)定方法，流體介質(zhì)多以氣體和液體為主，通過流量計(jì)和壓力傳感器分別測(cè)量流體流量和壓力差。但在目前的壓力衰減法中普遍存在以下幾方面的問題：

（1）在低于和高于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的負(fù)壓和正壓條件下，都可以采用壓力衰減法進(jìn)行孔徑測(cè)量，但絕大多數(shù)文獻(xiàn)和專利報(bào)道對(duì)此并沒有明確的規(guī)定，正負(fù)壓測(cè)試條件的使用顯著非常隨意和混亂。

（2）壓力衰減法的核心是在被測(cè)孔徑管道的兩側(cè)形成恒定壓力差，并同時(shí)測(cè)量由此壓差引起的流量變化，其中的恒定壓力控制是建立試驗(yàn)條件和影響測(cè)量精度的最重要因素。對(duì)于精確的壓力控制在各種文獻(xiàn)和專利報(bào)道中很少看到，大多報(bào)道只是給出一個(gè)不完整的壓力衰減法測(cè)試框圖，對(duì)精確的壓力控制以生成高精度的恒定壓差還未見報(bào)道。

針對(duì)上述現(xiàn)有壓力衰減法孔徑測(cè)量中存在的問題，本文將詳細(xì)介紹壓力衰減法孔徑測(cè)量的基本原理，重點(diǎn)介紹壓差法測(cè)量中的高精度壓力控制方法，為微小孔徑和等效孔徑的準(zhǔn)確測(cè)量提供切實(shí)可行的解決方案。

在恒定壓差條件下，在粗細(xì)均勻的水平剛性圓管中作層流流動(dòng)的黏性流體，其體積流量滿足如圖1所示的泊肅葉（Poiseuille）公式。

圖1 流體介質(zhì)的泊肅葉定律

從泊肅葉公式中可以看出，體積流量與管孔半徑的四次方成正比，孔徑微小的變化都會(huì)對(duì)流量產(chǎn)生明顯的影響。這就是壓力衰減法孔徑測(cè)量的依據(jù)，孔徑的微小改變都會(huì)引起流量的顯著變化，因此壓力衰減法在孔徑測(cè)量中具有很高的靈敏度，但前提是一要準(zhǔn)確控制管道兩端的壓力，二是要準(zhǔn)確測(cè)量體積流量。

依據(jù)泊肅葉定律，孔徑測(cè)量的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的壓力控制和流量測(cè)量。為此，本文針對(duì)高精度孔徑測(cè)量提出的解決方案如圖2所示。

圖2 壓力衰減法孔徑測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖

如圖2所示，被測(cè)孔徑管件安裝在兩個(gè)壓力腔室之間，整個(gè)裝置的目的是精確控制這兩個(gè)腔室的壓力以形成穩(wěn)定的壓力差，在壓力差穩(wěn)定的裝置下測(cè)量流進(jìn)和留出兩個(gè)腔室的氣體流量，從而可計(jì)算得到被測(cè)孔徑大小。

此孔徑測(cè)量裝置涉及以下幾方面的主要內(nèi)容：

（1）此孔徑測(cè)量裝置采用了正壓壓力控制方案，這主要是因?yàn)檎龎嚎刂仆瑯涌梢赃_(dá)到很高的精度，而且，相對(duì)于負(fù)壓真空環(huán)境下的測(cè)量和控制造價(jià)較低。正壓控制過程中，采用純凈的高壓氣瓶和減壓閥提供穩(wěn)定的高壓氣源，高壓氣源同時(shí)供給兩個(gè)壓力控制閥以實(shí)現(xiàn)不同的正壓壓力控制。

（2）由于要測(cè)量進(jìn)出兩個(gè)腔室的氣體流量，需要在兩個(gè)腔室的進(jìn)氣口和出氣口處分別安裝氣體質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行流量測(cè)量，因此壓力控制閥無法直接對(duì)兩個(gè)腔室的壓力直接控制。為此，解決方案采用了串級(jí)控制方式，即在兩個(gè)腔室上分別增加壓力傳感器，通過雙通道PID壓力控制器采集壓力傳感器信號(hào)，并兩個(gè)通道分別設(shè)定不同的壓力值，由此來驅(qū)動(dòng)壓力控制閥進(jìn)行雙回路的壓力控制，由此實(shí)現(xiàn)兩個(gè)腔室內(nèi)的壓力準(zhǔn)確穩(wěn)定在設(shè)定值上。

（3）壓力控制閥是一個(gè)自帶PID控制板和壓力傳感器的閉環(huán)壓力控制裝置，通過接收雙通道PID壓力控制器的控制信號(hào)，可以使壓力控制閥出口處的壓力準(zhǔn)確恒定。壓力控制閥自帶泄壓放氣孔，由此兩個(gè)壓力控制閥組成的壓差控制回路可使氣體單向流過被測(cè)孔徑管件。

（4）此解決方案中的孔徑測(cè)量裝置是一個(gè)對(duì)稱裝置，這種對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的是可以對(duì)被測(cè)孔徑管件進(jìn)行雙向測(cè)試，這也是一種提高孔徑測(cè)量精度的途徑之一。

（5）壓力控制器采用的是雙通道高精度PID控制器，AD精度為24位，DA精度為16位，兩個(gè)通道獨(dú)立運(yùn)行，可滿足各種孔徑精度測(cè)量中的壓力控制需要。

（6）整個(gè)孔徑測(cè)量裝置的測(cè)量精度，除了受壓力控制器精度影響之外，還會(huì)受到壓力控制閥、壓力傳感器和氣體質(zhì)量流量計(jì)精度的影響，因此要針對(duì)不同的孔徑測(cè)量精度要求選擇合適精度的部件。

（7）由于此孔徑測(cè)量裝置是直接控制兩個(gè)腔室的壓力，所以在室溫下運(yùn)行時(shí)腔室溫度的波動(dòng)對(duì)壓力變化沒有影響，腔室壓力控制自動(dòng)會(huì)消除掉溫度影響而保持腔室氣壓恒定。

（8）為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和計(jì)算孔徑測(cè)量結(jié)果，雙通道壓力控制器和兩個(gè)氣體質(zhì)量流量計(jì)需要與計(jì)算機(jī)通訊連接（圖2中并未繪出）。由此，通過計(jì)算機(jī)可設(shè)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(dāng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)狀態(tài)后可通過壓力和流量采集數(shù)據(jù)并依據(jù)泊肅葉公式計(jì)算得到孔徑測(cè)量值。

綜上所述，本文所提出的基于壓力衰減法的孔徑測(cè)量解決方案，具有很高的測(cè)量精度和廣泛的適用性，整個(gè)測(cè)量過程自動(dòng)運(yùn)行，關(guān)鍵是可以滿足多種形式的微小孔徑測(cè)量，在替代傳統(tǒng)塞規(guī)的前提下，是一種高精度的無損測(cè)量解決方案。特別是采用氣體作為流體介質(zhì)，非常適合微小尺寸（如毛細(xì)管等）和漏孔的等效口徑測(cè)量。