藥筒容積的高精度測(cè)量分析

郭浩， 馮進(jìn)良， 張堯禹， 才存良， 李思琦

(1.長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院， 吉林 長春 130022; 2.中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所， 吉林 長春 130033)

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藥筒容積的高精度測(cè)量分析

郭浩1， 馮進(jìn)良1， 張堯禹2， 才存良1， 李思琦1

(1.長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院， 吉林 長春 130022; 2.中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所， 吉林 長春 130033)

使用注水稱重法測(cè)量藥筒容積時(shí)，由于注入的液體具有表面張力，會(huì)出現(xiàn)液面中間高、邊緣低的現(xiàn)象，從而產(chǎn)生測(cè)量誤差。提出一種基于注水稱重法的高精度藥筒容積測(cè)量系統(tǒng)：采用不同深度的陣列電極測(cè)液位，能夠克服液體表面張力帶來的影響；通過無線傳輸模塊，將由特制電極采集傳感信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，并對(duì)流量進(jìn)行控制，以達(dá)到精確測(cè)量目的。經(jīng)過系統(tǒng)精度分析，分析結(jié)果表明：該系統(tǒng)精度達(dá)到了0.01%，滿足精度指標(biāo)要求。

兵器科學(xué)與技術(shù)； 高精度； 容積測(cè)量； 陣列電極； 液體表面張力

0　引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，有更多種的方法用于彈藥藥筒容積的測(cè)量。目前，在工程領(lǐng)域中測(cè)量容積的方法有幾何測(cè)量法、音頻檢測(cè)法等，應(yīng)用最廣泛的仍是注水稱重法。音頻檢測(cè)法需要在特定的環(huán)境中進(jìn)行，且存在內(nèi)耗使振動(dòng)衰減，會(huì)影響振動(dòng)響應(yīng)曲線，而且金屬材料腔體結(jié)構(gòu)與材料基體組織與內(nèi)耗密切相關(guān)，所以此方法的誤差不確定度極大，其頻率檢測(cè)相對(duì)誤差可達(dá)0.15%[1-2]，注水稱重法卻可以在大多數(shù)環(huán)境中進(jìn)行，且不會(huì)在藥筒內(nèi)部能量損耗而產(chǎn)生誤差；幾何測(cè)量法適用于內(nèi)部形狀規(guī)則的藥筒，在藥筒內(nèi)部不規(guī)則的地方會(huì)產(chǎn)生測(cè)量的不便且測(cè)量探頭容易在藥筒內(nèi)壁留下劃痕[3-5]，所產(chǎn)生的誤差大約在0.2%. 注水稱重法采用液體注入的形式不會(huì)對(duì)藥筒內(nèi)部造成損傷，精度更高，且比幾何法要能適應(yīng)更多類型的測(cè)量。藥筒容積是炮彈的發(fā)射彈道、精度、爆炸威力等各項(xiàng)能力的重要影響因素之一，則對(duì)藥筒容積的測(cè)量必須達(dá)到一個(gè)極高的精度才可以滿足各項(xiàng)能力的達(dá)標(biāo)。所以從軍用環(huán)境等多方面因素來考慮，注水稱重法具有原理簡單、操作方便、成本低、可批量進(jìn)行等諸多優(yōu)點(diǎn)，讓人們依舊偏愛此法。傳統(tǒng)的注水稱重法有無法克服液體表面張力致測(cè)量精度較低而需要改進(jìn)的地方。采用傳統(tǒng)液位檢測(cè)裝置來進(jìn)行容積測(cè)量的誤差極大，可高達(dá)1.2%[6]。所以針對(duì)提高其測(cè)量精度研究設(shè)計(jì)了一種新型容積測(cè)量裝置。

1　測(cè)量系統(tǒng)原理

先采用可達(dá)到精度要求的稱重計(jì)對(duì)空載的容器進(jìn)行稱重，并記錄數(shù)據(jù)。然后注入液體通過傳感器來確定水是否充滿容器，同時(shí)對(duì)水的流量進(jìn)行控制。當(dāng)容器內(nèi)充滿水時(shí)再次對(duì)容器整體進(jìn)行稱重，并記錄數(shù)據(jù)。最后通過公式計(jì)算得出容器容積。圖1所示是原理流程圖。

圖1　原理流程圖Fig.1　Principle flow chart

首先，把稱重計(jì)放在隔震臺(tái)上，再對(duì)藥筒及附件進(jìn)行稱重且記錄下數(shù)據(jù)。然后安裝好附件，即蓋板和注液漏斗，蓋板上的傳感電路與發(fā)射模塊相連。

在計(jì)算機(jī)上的相應(yīng)界面上輸入待測(cè)藥筒的大致的容積等參數(shù)，便于計(jì)算機(jī)控制。系統(tǒng)工作，打開流量閥并對(duì)藥筒注水，當(dāng)液位達(dá)到第1個(gè)規(guī)定液位時(shí)，第1個(gè)液位探頭收到信號(hào)，然后將液位信息通過無線發(fā)射模塊發(fā)送到接收模塊再傳給計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)通過比例、積分和微分(PID)對(duì)流量控制閥進(jìn)行控制，減小注水的流量；當(dāng)液位到達(dá)第2個(gè)規(guī)定液位時(shí)，第2個(gè)液位探頭同樣收到信號(hào)，將液位信息通過無線通訊模塊傳輸給計(jì)算機(jī)，之后控制流量改為微量注入；當(dāng)液面與蓋板接觸時(shí)，探頭檢測(cè)到后，計(jì)算機(jī)控制流量閥停止注水。此時(shí)，再次對(duì)藥筒整體進(jìn)行稱重，前后兩次稱重的差值即是注水的質(zhì)量，通過公式計(jì)算可得出藥筒容積，即

V=(ma-mb)/ρ，

(1)

式中：V為容器的容積；mb為未注水前容器的質(zhì)量；ma為注水后容器及其內(nèi)液體的質(zhì)量；ρ為液體密度。

2　液位控制系統(tǒng)

液位控制系統(tǒng)是影響測(cè)量精度的最重要的一個(gè)因素。因?yàn)樵谒幫矁?nèi)的水必須是剛好充滿容器，不能多也不能少。這就對(duì)液位控制系統(tǒng)的精度有一個(gè)相對(duì)較高的要求。

其構(gòu)成主要由容器口蓋板(絕緣材料)、陣列電極、傳感電路三部分組成。

2.1液位控制系統(tǒng)原理

由不同深度的電極深入藥筒內(nèi)，主電極發(fā)出信號(hào)，液面依次到達(dá)規(guī)定液位檢測(cè)電極后檢測(cè)電極接收信號(hào)，發(fā)送給計(jì)算機(jī)來控制流量系統(tǒng)減小流量直至停止注水。由于液體具有表面張力，這會(huì)導(dǎo)致液面出現(xiàn)中間高、邊緣低的現(xiàn)象，在接觸蓋板時(shí)會(huì)在邊緣部分形成空隙，并未充滿藥筒，從而使測(cè)量得到的值存在誤差。所以對(duì)此問題提出了解決方案。

2.2液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

如圖2所示，蓋板選用絕緣材料來制作，電極采用直徑非常小(絲狀)且具有良好導(dǎo)電性的金屬材料制成。電極按照一定的陣列規(guī)律，長短不一的分布在蓋板上。同時(shí)，蓋板上留有一個(gè)注水孔和若干氣孔以便往容器內(nèi)注水和保持內(nèi)外壓強(qiáng)平衡。中間的電極為發(fā)射電極(即電極1)，長度要足夠長，能夠深入容器內(nèi)。一開始大量注水，但要保證測(cè)量誤差達(dá)到要求且后期液面平穩(wěn)，則需要在水達(dá)到一定液位時(shí)減緩注水速度，控制流量。此時(shí)在蓋板上再放置一電極即電極2，其長度要?jiǎng)偤眠_(dá)到減緩注水時(shí)的液位。當(dāng)注水液位達(dá)到該液位時(shí)會(huì)連通兩電極，從而接受到信號(hào)對(duì)注水流量流速進(jìn)行控制。其他電極也是同原理。當(dāng)快注滿時(shí)，在蓋板上配置一個(gè)與此液位相對(duì)應(yīng)的電極(即電極3)，在液位到達(dá)時(shí)連通電極3使流量控制系統(tǒng)改為微量注入。由于液體具有表面張力，所以當(dāng)液面觸碰到蓋板時(shí)注水實(shí)際還未充滿整個(gè)容器，在蓋板的邊緣依舊留有空隙。所以在蓋板的邊緣周圍也均設(shè)置若干電極，即電極4～電極8，其長度就與蓋板面齊平。當(dāng)水連通蓋板邊緣的所有電極后即可證明容器被裝滿水了，此時(shí)發(fā)送信號(hào)停止注水。

圖2　液位測(cè)量裝置原理圖Fig.1　The principle chart of liquid level measuring device

2.3數(shù)據(jù)采集控制單元

藥筒容積測(cè)量數(shù)據(jù)采集及控制單元需實(shí)現(xiàn)流量控制，液位判斷等功能，如圖3所示，系統(tǒng)采用開關(guān)閥控制、調(diào)節(jié)閥控制流量計(jì)，實(shí)現(xiàn)液位的精確判斷和液量的微量控制。

圖3　藥筒容積檢測(cè)系統(tǒng)控制單元Fig.3　Control unit of detection system of cartridge volume

3　流量控制系統(tǒng)

流量控制系統(tǒng)主要由PID智能算法、調(diào)節(jié)閥、流量傳感器、控制單元組成，可實(shí)現(xiàn)對(duì)瞬時(shí)流量的測(cè)量、變換、顯示、通訊和控制[7-8]。

3.1PID算法

PID控制為比例、積分和微分3環(huán)節(jié)疊加，公式為

(2)

式中：u(t)為輸出信號(hào)；e(t)為輸入偏差，即給定值與測(cè)量值之差；KP為比例系數(shù)；TI為積分時(shí)間；TD為微分時(shí)間；u0為控制常量。

3.2PID調(diào)節(jié)的可編程控制器實(shí)現(xiàn)方法

流量控制系統(tǒng)中采用青島奧博儀表設(shè)備有限公司ORB-LWGY小口徑渦輪流量計(jì)，依靠螺紋連接，適合測(cè)量低粘度的介質(zhì)。采用上海奇眾閥門制造有限公司ZDSJP型比例微分電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，配套德國進(jìn)口PS或3810系列執(zhí)行機(jī)構(gòu)。采用西門子S7-200系列下的226CN作為控制CPU，226CN內(nèi)部集成4路PID調(diào)節(jié)，此系統(tǒng)選擇第0路PID控制回路。因?yàn)榱髁坑?jì)與電磁閥均采用4～20 mA控制，因此，由設(shè)置向?qū)傻腜ID控制子程序如圖4所示。

圖4　PID控制子程序Fig.4　PID control subroutine

圖5　中斷程序設(shè)置程序梯形圖Fig.5　Interrupt program setup program ladder diagram

圖6　數(shù)據(jù)采集梯形圖Fig.6　Data acquisition ladder diagram

數(shù)據(jù)采集部分由定時(shí)器中斷程序采集，每100 ms采集一次，中斷程序設(shè)置程序梯形圖如圖5所示。數(shù)據(jù)采集梯形圖如圖6所示。PID調(diào)節(jié)部分主程序如圖7所示。

圖7　PID調(diào)節(jié)部分主程序Fig.7　PID control part of the main program ladder diagram

4　無線通訊模塊

在注水測(cè)液位時(shí)，如果采用有線通訊，傳感器的引線在蓋板和支架之間，會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差，從而影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。所以采用非接觸式的形式，即液位信息通過無線通訊模塊發(fā)送出去，接受模塊接收后通過信號(hào)放大，A/D轉(zhuǎn)換后傳輸給計(jì)算機(jī)，然后發(fā)送控制流量的指令。如圖8所示。

圖8　無線通訊模塊工作示意圖Fig.8　Schematic diagram of the wireless communication module

5　全系統(tǒng)誤差分析

設(shè)計(jì)可以分成兩個(gè)量程進(jìn)行測(cè)量，對(duì)其精度要求亦不同，則藥筒容積測(cè)量范圍為0.04～25 L，藥筒容積測(cè)量誤差：測(cè)量誤差≤1 mL，測(cè)量容積V≤1 L；測(cè)量誤差≤1‰×V，測(cè)量容積V>1 L.

5.1密度誤差、稱重誤差引起的誤差ΔVmρ

按誤差傳遞定律

(3)

式中：m為被測(cè)藥筒盛放水的質(zhì)量；Δm為稱重誤差；ρ為水密度；Δρ為密度標(biāo)定誤差，取0.000 1 g/mL；

測(cè)量時(shí)按容積為1 L，則最大質(zhì)量為1 000 g. 由此計(jì)算：

0.14 mL.

155 mm彈藥室容積略小于25 L，測(cè)量時(shí)按最大容積為25 L，則最大質(zhì)量為25 000 g，此時(shí)稱重誤差Δm為0.5 g. 由此計(jì)算：

5.2液位判斷引起的誤差ΔVh

液面?zhèn)鞲衅黜憫?yīng)時(shí)間及響應(yīng)精度為50 μm，若判斷液位的孔徑(即注水孔，見圖2)為φ8 mm，則由此引進(jìn)的誤差為

(4)

5.3溫度變化引起的誤差ΔVt

由于水注射前后溫度變化很小，并且水在溫度較小變化下引起的密度變化很小，設(shè)計(jì)時(shí)采用溫度補(bǔ)償措施可有效控制該項(xiàng)誤差，可忽略不計(jì)。

5.4總的測(cè)量誤差ΔV

綜上所述，系統(tǒng)滿足精度指標(biāo)要求。

6　結(jié)論

通過對(duì)文獻(xiàn)[1-2]查詢，其他測(cè)量方法的最佳測(cè)量精度大約在0.1%～0.2%的范圍內(nèi)，而利用本文中設(shè)計(jì)的測(cè)量裝置能夠?qū)嵾_(dá)到0.01%的程度，基本可以達(dá)到系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)。該系統(tǒng)成功減小了液體表面張力所引起的誤差和流量控制的誤差，使測(cè)量精度大幅度提高。這對(duì)于提高炮彈參數(shù)測(cè)量精度具有實(shí)用意義。

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High Precision Measurement of Cartridge Volume

GUO Hao1, FENG Jin-liang1, ZHANG Yao-yu2, CAI Cun-liang1， LI Si-qi1

(1.School of Optics Electronic Engineering, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, Jilin, China; 2.Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033, Jilin, China)

A phenomenon that liquid level is low at the edge and high in the middle appears to cause the measuring errors due to the surface tension of the injected liquid when the cartridge volume is measured by water injection weighing method. A high precision measuring system based on the water injection weighing method is proposed. In the proposed system, the array electrodes are used to measure liquid level to overcome the effect of the liquid surface tension. The sensor signal is picked up by a specially made electrode, and then it is transmitted to a computer through a wireless module to control the flow until the cartridge is filled with the water, so as to achieve the purpose of accurate measurement. The accuracy of the system is analyzed. The analysis result shows that the accuracy of the system is up to 0.01%, which meets the requirement of precision index.

ordnance science and technology; high precision; volume measurement; array electrode; liquid surface tension

2014-05-08

郭浩(1989—)， 男， 碩士研究生。 E-mail: guohao8963@163.com；

馮進(jìn)良(1964—)， 男， 教授， 碩士生導(dǎo)師。 E-mail: feng_20071101@163.com

TJ410.6

A

1000-1093(2015)04-0758-05

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.04.026