流量测量仪表几种检定方式比较 测量仪技术指标

摘 要： 流量测量仪表的检定，通常采用实流检定和干式检定两种方式。采用何种方式检定流量仪表取决于计量系统对测量不确定度的要求、被检流量计的类型、用途、所具备的检定条件、检定所需费用等诸多因素。一般，用于液体计量的流量仪表（如原油和水计量仪表）基本上采用实流检定，而气体计量的流量仪表（如天然气贸易结算用的差压式流量仪表）绝大多数采用干式检定方式，只有极少数采用临界流喷嘴在线实流检定或离线检定。

一、几种检定方式的选取

流量测量仪表的检定，通常采用实流检定和干式检定两种方式。采用何种方式检定流量仪表取决于计量系统对测量不确定度的要求、被检流量计的类型、用途、所具备的检定条件、检定所需费用等诸多因素。一般，用于液体计量的流量仪表（如原油和水计量仪表）基本上采用实流检定，而气体计量的流量仪表（如天然气贸易结算用的差压式流量仪表）绝大多数采用干式检定方式，只有极少数采用临界流喷嘴在线实流检定或离线检定。

二、几种检定方式的差异

1.检定结论上的不同

采用组合测量方法对流量仪表进行干式检定，是根据各有关参数的测量结果及其不确定度，按照误差处理方法合成出仪表的流量测量总不确定度的，是以一定的置信度间接确定流量仪表的不确定度范围的，它不能给出具体误差值。它通常是以大量丰富的试验数据和标准化的技术要求为前提，保持了计量的试验性和一致性的特点。比如，标准孔板节流装置、临界流文丘利喷嘴等已有相当成熟的干式检定技术。以孔板流量计为例，其流出系数公式是建立在极其丰富和充分的试验数据基础之上的，标准上给出的流出系数的误差范围：不大于0.6%。在合成孔板流量测量的不确定度时，也只能以一定的置信度给出一定的不确定度范围。

实流检定尤其是在线实流检定最符合准确性、一致性、溯源性和试验性等计量特点，能实现真正的流量测量仪表校准或赋值，能保证量值传递或溯源性的连续和封闭。离线检定给出流量仪表在检定条件下的误差值或流量计系数，但因其实际操作条件和安装条件不同于检定条件，介质的有关物性参数甚至介质本身也有所不同，实际上这种检定不是真正意义上的校准或赋值。严格地讲，流量仪表的离线检定结果只能说明其在检定条件下的计量特性，大多数的实际使用现场环境条件、仪表的安装条件和操作条件与检定条件相
比有很大不同，这样会给流量仪表带来附加误差，而附加误差大小总是以一定的经验主观判断的，所以离线检定对于流量测量结果要求不高，或者说即使有附加误差也能满足预期的测量要求，不失为一种简单易行的选择。

2.对物性参数影响的修正程度不同

几乎所有流量测量仪表的测量结果都受到被测介质有关物性参数的影响，只是影响程度不一样。对于能以显函数表现其对流量测量结果影响的物性参数，只要知道这些参数的实际值，就能对其进行修正，如天然气相对密度、压缩因子、等熵指数等对孔板流量计测量的影响。但对大多数流量测量仪表来说，物性参数对其计量性能的影响难以用数学公式准确地表达出来，比如，在液体计量中，容积式流量计和速度式流量计对液体黏度的变化十分敏感，特别是在低黏度下和仪表测量范围的下限，目前还没有通用的黏度修正公式。在天然气流量测量中，天然气密度变化对涡轮、涡街等速度式流量计有明显的影响，若考虑流量计在低压下用空气做介质检定的结果是否能直接用于高压下的天然气时，在线实流检定成为完全消除物性参数影响的唯一选择，因为干式检定、离线检定不能消除物性参数对上述流量测量仪表的影响。

3.对操作条件影响的修正程度不同

流量仪表的操作条件或运行条件直接影响其计量性能，操作压力或温度变化对流量仪表的最直接影响就是其计量腔体的改变，其间接影响是被测介质黏度、密度等物性，间接影响可在修正物性参数影响时考虑。由于流量仪表结构和形状的复杂性及装配的离散性，几乎不可能采用计算方法对其腔体随操作条件的变化精确地进行修正，也不可能根据试验数据针对所有流量计拟合出满足准确度要求的经验公式。

对于容积式流量计，计量腔体的变化会导致作为测量基准的容积的改变，会引起内部漏失量的变化，从而影响流量测量结果。对于速度式流量计，操作条件的改变将引起其流通面积的变化，从而导致仪表系数的变化。如果检定时流量仪表的操作条件能与实际使用时相同或接近，则离线检定能满足要求，但是，由于操作条件的复杂性和多变性，离线检定往往不能复现实际操作条件，只有在线检定能解决高准确度的流量测量问题，否则要考虑附加的误差。

三、结论

综上所述，对于流量测量仪表，干式检定适用的仪表十分有限，且它只能确定流量测量的不确定度范围不能直接对流量仪表进行校准或赋值。离线检定适用于对流量准确度要求不高的场合，它体现了流量溯源的动态特点，但很难做到溯源或传递链的封闭。在线实流检定最符合流量量值的动态溯源特征，它充分考虑了物性参数、操作条件、环境条件、安装条件等诸多影响，保证检定条件与实际使用条件的充分一致，对于贸易结算的测量仪表，买卖双方都希望能采用在线实流检定，以实现真正的计量公正。 摘 要：分析了传统表面粗糙度测量仪的基本原理，对采用计算机系统的改进方案进行了讨论，并指出其发展方向。
关键词：表面粗糙度；表面粗糙度测量仪；计算机

引 言

表面质量的特性是零件较为重要的特性之一，在计量科学中表面质量的检测具有重要的地位。比较早人们是用标准样件或样块，通过肉眼观察或用手触摸，对表面粗糙度做出定性的综合评定。1929年德国的施马尔茨(G.Schmalz)首先对表面微观不平度的深度进行了定量测量。1936年美国的艾卜特(E.J.Abbott)研制成功第一台车间用的测量表面粗糙度的轮廓仪。1940年英国Taylor-Hobson公司研制成功表面粗糙度测量仪“泰吕塞夫(TALYSURF)”。以后，各国又相继研制出多种测量表面粗糙度的仪器。目前，测量表面粗糙度常用的方法有：比较法、光切法、干涉法、针描法和印模法等，而测量迅速方便、测值精度较高、应用较为广泛的就是采用针描法原理的表面粗糙度测量仪。本文将详细讨论表面粗糙度测量仪的原理及其改进方案。

1 传统表面粗糙度测量仪的工作原理

1.1 针描法

针描法又称触针法。当触针直接在工件被测表面上轻轻划过时，由于被测表面轮廓峰谷起伏，触针将在垂直于被测轮廓表面方向上产生上下移动，把这种移通过电子装置把信号加以放大，然后通过指零表或其它输出装置将有关粗糙度的数据或图形输出来。

1.2 仪器的工作原理

采用针描法原理的表面粗糙度测量仪由传感器、驱动器、指零表、记录器和工作台等主要部件组成，见图1。

图1 测量系统图 图2 电感传感器工作原理图

电感传感器是轮廓仪的主要部件之一，其工作原理见图2，在传感器测杆的一端装有金刚石触针，触针尖端曲率半径r很小，测量时将触针搭在工件上，与被测表面垂直接触，利用驱动器以一定的速度拖动传感器。由于被测表面轮廓峰谷起伏，触状在被测表面滑行时，将产生上下移动。此运动经支点使磁芯同步地上下运动，从而使包围在磁芯外面的两个差动电感线圈的电感量发生变化。

图3为仪器的工作原理主框图。传感器的线圈与测量线路是直接接入平衡电桥的，线圈电感量的变化使电桥失去平衡，于是就输出一个和触针上下的位移量成正比的信号，经电子装置将这一微弱电量的变化放大、相敏检波后，获得能表示触针位移量大小和方向的信号。此后，将信号分成三路：一路加到指零表上，以表示触针的位置，一路输至直流功率放大器，放大后推动记录器进行记录；另一路经滤波和平均表放大器放大之后，进入积分计算器，进行积分计算，即可由指示表直接读出表面粗糙度Ra值。

图3 传统表面粗糙度测量仪工作原理框图

指零表的作用反映铁芯在差动电感线圈中所处的位置。当铁芯处于差动电感线圈的中间位置时，指零表指针指示出零位，即保证处于电感变化的线性范围之内。所以，在测量之前，必须调整指零表，使其处于零位。噪声滤波的目的在于剔除一些干扰信号，如电气元件的噪声所引起的虚假信号。大量的测试表明，高于400Hz的信号即不是被测表面粗糙度所引的信号，必须从总信号中加以剔除。所以噪声滤波器是一种低通(低频能通过)滤波器，它使400Hz以下的低频信号顺利通过，而将400Hz以上的高频信号迅速衰减，从而达到滤波的目的。波度滤波的目的则是用以滤掉距大于取样长度的波度，因此它是一个高通(高频能通过)滤波器，使表面粗糙度所引起的高频(相对于波度引起的低频而言)信号能自由通过。

经过噪声滤波和波度滤波以后，剩下来的就是与被测表面粗糙度成比例的信号，再经平均表放大器后，所输出的电流I与被测表面轮廓各点偏离中线的高度y的绝对值成正比，然后经积分器完成 的积计算，得出Ra值，由指零表显示出来。

这种仪器适用于测定0.02-10μm的Ra值，其中有少数型号的仪器还可测定更小的参数值，仪器配有各种附件，以适应平面、内外圆柱面、圆锥面、球面、曲面、以及小孔、沟槽等形状的工件表面测量。测量迅速方便，测值精度高。

2 传统表面粗糙度测量仪的不足

传统表面粗糙度测量仪存在以下几个方面的不足：

(1)测量参数较少，一般仅能测出Ra、Rz、Ry等少量参数；
(2)测量精度较低，测量范围较小，Ra值的范围一般为0.02-10μm左右；
(3)测量方式不灵活，例如：评定长度的选取，滤波器的选择等；
(4)测量结果的输出不直观。

造成上述几个方面不足的主要原因是：系统的可靠性不高，模拟信号的误差较大且不便于处理等。

3 对传统表面粗糙度测量仪的改进

3.1 传统表面粗糙度测量仪的改进方案

为了克服传统表面粗糙度测量仪的不足，应该采用计算机系统对其进行改进。例如，英国兰克精密机械有限公司制造的“泰吕塞夫(TALYSURF)”10型和我国哈尔滨量具刃具厂制造的2205型表面粗糙度测量仪就采用了计算机系统，使其性能较之传统表面粗糙度测量仪有极大的提高。其基本原理如图4所示，从相敏整流输出的模拟信号，经过放大及电平转换之后进入数据采集系统，计算机自动地将其采集的数据进行数字滤波和计算，得到测量结果，测量结果及轮廓图形在显示器显示或打印输出。

图4 改进后的表面粗糙度测量仪工作原理框图

要采用计算机系统对传统的表面粗糙度测量仪进行改进，就要编制相应的计算机软件，可以采用比较直观的菜单形式。可以按如图5所示的菜单使用流程图编制软件：

图5 菜单使用流程框图

3.2 改进后的表面粗糙度测量仪的功能及使用效果

由于采用计算机系统，将模拟信号转换为数字信号进行灵活的处理，显著地提高了系统的可靠性，所以既大大增加了测量参数的数量，又提高了测量精度。例如：哈尔滨量具刃具厂制造的2205型表面粗糙度测量仪的测量参数多达二十六个，测量范围为0.001～50μm，可任选1～5倍的取样长度作为评定长度，测量结果及图形在显示器、打印机或绘图仪上非常直观地输出来。它还采用了较为先选的可选择的数字滤波器，它与模拟滤波器相比其特性更为准确，且不会有元器件参数误差带来的影响。

另一方面，若在表面粗糙度测量仪测量实验的教学过程中引入改进后的表面粗糙度测量仪，就实验的直观教学功能而言，也很有意义。改进后的电动输廓仪，通过计算机软件与硬件的结合(尤其是软件)大大加强了实验过程的直观性，这体现在以下几个方面：

(1)整个实验过程非常直观地通过软件的各级菜单进行控制。操作简单、一目了然。
(2)输入与显示同步，即在测量进行过程的同时，触针在被测表面上滑行的轨迹动态地显示在计算机屏幕上。
(3)测量结果及相关图形能非常直观地、准确地输出在显示器、打印机或绘图仪上。

很显然，以上这些直观的教学效果是其它传统的表面粗糙度测量实验方法所不具备的。它在得到正确的测量结果的同时，还充分运用了直观教学的原理，帮助学生加深对表面粗糙度的概念及其各种参数的直观理解。

4 结 语

(1)传统的表面粗糙度测量仪由传感器、驱动器、指零表、记录器和工作台等主要部件组成，从输入到输出全过程均为模拟信号。而在传统的表面粗糙度测量仪的基础上，采用计算机系统对其进行改进后，通过模-数转换将模拟量转换为数字量送入计算机进行处理，使得仪器在测量参数的数量、测量精度、测量方式的灵活性、测量结果输出的直观性等方面有了极大的提高。

(2)从前面的分析知，整个改进方案并不复杂，因此对于目前仍广泛使用的传统的表面粗糙度测量仪的改进具有一定的意义。

(3)随着电子技术的进步，某些型号的表面粗糙度测量仪还可将表面粗糙度的凹凸不平作三维处理，测量时在相互平行的多个截面上进行，通过模-数变换器，将模拟量转换为数字量，送入计算机进行数据处理，记录其三维放大图形，并求出等高线图形，从而更加合理的评定被测面的表面粗糙度。

参考文献：
［1］ 廖令钊等.互换性与技术测量［M］.北京：中国计量出版社，1991.
［2］ 李柱.互换性与测量技术基础［M］.北京：中国计量出版社，1983.

Analysis of the principle of surface roughness measuring

equipment and the plan of its improvement

YANG Xu-dong

(Department of Mechanical Engineering,GUT,Guiyang 550003,China)

Abstract：This paper analyzes the principle of the traditional surface roughness measuring equipment and discusses the plan of ist improvement It also directs the tendency of ist development.

Key words:surface roughness;measuring equipment;computer  水滴角测量仪采用现代化工艺制造，仪器采用先进的专用CMOS数字摄像机，配倍高分辨率变焦式显微镜和高亮度LED背景光源系统，搭配三维样品台，可进行工作台上下、左右、前后等方向移动。实现微量进样及上下、左右精密移动。同时还设计了伸缩杆结构工作台，能适应在不同用户材料厚度加大的场合。水滴角测量仪框架可以根据式样的大小适量调节，扩大了仪器的使用范围。软件搭配修正功能，测试多次后的结果可以同时保存在同一报告下，能让用户更好的对材料数据进行管控。

　　

　　水滴角测量仪液滴法操作步骤：首先调整水平，再把试样置于工作台上，用弹片压紧，利用微量进样器调整液滴的量，使在针头形成液滴，转动旋钮使工作台上移，让试样表面与液滴接触，再下移工作台，试样上即可留下液滴，点击后，即可按下述方法进行接触角的测量。水滴角测量仪测量的方法有三点法测量，只需要点三点就可以测量出角度，非常快捷。

　　

　　水滴角测量仪新表面表征、表面纯度测试、固体表面处理评价、液体配方设计、表面清洁度分析、等离子清洗效果分析、固液体之间或固体黏驸特性研究、表面印刷性能的表征、玻璃（包括塑料或金属等固体）表面润湿性研究、分析表面改性等。水滴角测试仪半导体，平面显示器、光学行业掩膜亲水性测量；表面清洁与附着质量测量；油墨附着度测量；催化剂测量；胶水胶体性质相容性测量；染料的紧扣度；晶圆的洁净度测量；CMP的研究测量、光阻与显影剂的研究。

　　

　　水滴角测量仪主要用于测量液体对固体的接触角、水滴角、亲水角、润湿角，分析固体表面的润湿行为，广泛适用于石油、化工、医药、电力、印刷、学校等科学研究领域。水滴角测量仪主要用于测量液体对固体的静态接触角。分析固体表面的润湿行为，计算表面自由能（固体表面张力），设计构造建立在模块化的概念上，制造上选用精美的工业铝型材为主体，它为您的应用和选择提供了很大的灵活性。