代替塞規的高精度孔徑測量方法——泊肅葉壓差法

摘要：針對現有壓力衰減法孔徑測量中存在的基本概念不清和實施方法不明確等問題，本文詳細介紹了壓力衰減法的孔徑測量基本原理，并重點介紹壓差法測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確測量提供切實可行的解決方案。

在工業生產和實驗室研究中存在著大量管件內部孔徑的測量需求，而且還要求具有較高的測量精度，常見的需要精密測量的幾類孔徑有：

（1）毛細管內徑。

（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）栓環縫通道等效孔徑。

（5）藥用玻璃瓶或藥品包裝系統漏孔孔徑。

通道孔徑主要分為直接測量方法和間接測量方法。直接測量主要是通過精密的尺規等工具進行測量，如游標卡尺、圓錐尺、針規和塞規等，但直接測量方法并不適應于細長管和針栓環縫通道等的孔徑或等效通徑的測量。

間接測量法主要有光學法和流體標定法。光學法一般是利用像素為基本單位對各種形狀的孔進行測量，適用于元件表面孔和裂紋的測量。但對于細長或者彎曲多變的孔徑，光學法不適用。流體標定方法是一種基于壓力衰減法的有效的等效通徑標定方法，流體介質多以氣體和液體為主，通過流量計和壓力傳感器分別測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）在低于和高于一個標準大氣壓的負壓和正壓條件下，都可以采用壓力衰減法進行孔徑測量，但絕大多數文獻和專利報道對此并沒有明確的規定，正負壓測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孔徑管道的兩側形成恒定壓力差，并同時測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條件和影響測量精度的最重要因素。對于精確的壓力控制在各種文獻和專利報道中很少看到，大多報道只是給出一個不完整的壓力衰減法測試框圖，對精確的壓力控制以生成高精度的恒定壓差還未見報道。

針對上述現有壓力衰減法孔徑測量中存在的問題，本文將詳細介紹壓力衰減法孔徑測量的基本原理，重點介紹壓差法測量中的高精度壓力控制方法，為微小孔徑和等效孔徑的準確測量提供切實可行的解決方案。

在恒定壓差條件下，在粗細均勻的水平剛性圓管中作層流流動的黏性流體，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對流量產生明顯的影響。這就是壓力衰減法孔徑測量的依據，孔徑的微小改變都會引起流量的顯著變化，因此壓力衰減法在孔徑測量中具有很高的靈敏度，但前提是一要準確控制管道兩端的壓力，二是要準確測量體積流量。

依據泊肅葉定律，孔徑測量的關鍵是實現準確的壓力控制和流量測量。為此，本文針對高精度孔徑測量提出的解決方案如圖2所示。

圖2 壓力衰減法孔徑測量裝置結構示意圖

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

此孔徑測量裝置涉及以下幾方面的主要內容：

（1）此孔徑測量裝置采用了正壓壓力控制方案，這主要是因為正壓控制同樣可以達到很高的精度，而且，相對于負壓真空環境下的測量和控制造價較低。正壓控制過程中，采用純凈的高壓氣瓶和減壓閥提供穩定的高壓氣源，高壓氣源同時供給兩個壓力控制閥以實現不同的正壓壓力控制。

（2）由于要測量進出兩個腔室的氣體流量，需要在兩個腔室的進氣口和出氣口處分別安裝氣體質量流量計進行流量測量，因此壓力控制閥無法直接對兩個腔室的壓力直接控制。為此，解決方案采用了串級控制方式，即在兩個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，并兩個通道分別設定不同的壓力值，由此來驅動壓力控制閥進行雙回路的壓力控制，由此實現兩個腔室內的壓力準確穩定在設定值上。

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

（4）此解決方案中的孔徑測量裝置是一個對稱裝置，這種對稱結構設計的目的是可以對被測孔徑管件進行雙向測試，這也是一種提高孔徑測量精度的途徑之一。

（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，兩個通道獨立運行，可滿足各種孔徑精度測量中的壓力控制需要。

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

（7）由于此孔徑測量裝置是直接控制兩個腔室的壓力，所以在室溫下運行時腔室溫度的波動對壓力變化沒有影響，腔室壓力控制自動會消除掉溫度影響而保持腔室氣壓恒定。

（8）為了實現數據的自動采集和計算孔徑測量結果，雙通道壓力控制器和兩個氣體質量流量計需要與計算機通訊連接（圖2中并未繪出）。由此，通過計算機可設定控制壓力，采集壓力和流量變化曲線以監控壓力和流量是否穩定，當達到穩態狀態后可通過壓力和流量采集數據并依據泊肅葉公式計算得到孔徑測量值。

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