藥筒容積的高精度測量分析

郭浩， 馮進良， 張堯禹， 才存良， 李思琦

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

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藥筒容積的高精度測量分析

郭浩1， 馮進良1， 張堯禹2， 才存良1， 李思琦1

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

使用注水稱重法測量藥筒容積時，由于注入的液體具有表面張力，會出現液面中間高、邊緣低的現象，從而產生測量誤差。提出一種基于注水稱重法的高精度藥筒容積測量系統：采用不同深度的陣列電極測液位，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傳輸到計算機，并對流量進行控制，以達到精確測量目的。經過系統精度分析，分析結果表明：該系統精度達到了0.01%，滿足精度指標要求。

兵器科學與技術； 高精度； 容積測量； 陣列電極； 液體表面張力

0　引言

隨著科學技術的發展，有更多種的方法用于彈藥藥筒容積的測量。目前，在工程領域中測量容積的方法有幾何測量法、音頻檢測法等，應用最廣泛的仍是注水稱重法。音頻檢測法需要在特定的環境中進行，且存在內耗使振動衰減，會影響振動響應曲線，而且金屬材料腔體結構與材料基體組織與內耗密切相關，所以此方法的誤差不確定度極大，其頻率檢測相對誤差可達0.15%[1-2]，注水稱重法卻可以在大多數環境中進行，且不會在藥筒內部能量損耗而產生誤差；幾何測量法適用于內部形狀規則的藥筒，在藥筒內部不規則的地方會產生測量的不便且測量探頭容易在藥筒內壁留下劃痕[3-5]，所產生的誤差大約在0.2%. 注水稱重法采用液體注入的形式不會對藥筒內部造成損傷，精度更高，且比幾何法要能適應更多類型的測量。藥筒容積是炮彈的發射彈道、精度、爆炸威力等各項能力的重要影響因素之一，則對藥筒容積的測量必須達到一個極高的精度才可以滿足各項能力的達標。所以從軍用環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、可批量進行等諸多優點，讓人們依舊偏愛此法。傳統的注水稱重法有無法克服液體表面張力致測量精度較低而需要改進的地方。采用傳統液位檢測裝置來進行容積測量的誤差極大，可高達1.2%[6]。所以針對提高其測量精度研究設計了一種新型容積測量裝置。

1　測量系統原理

先采用可達到精度要求的稱重計對空載的容器進行稱重，并記錄數據。然后注入液體通過傳感器來確定水是否充滿容器，同時對水的流量進行控制。當容器內充滿水時再次對容器整體進行稱重，并記錄數據。最后通過公式計算得出容器容積。圖1所示是原理流程圖。

圖1　原理流程圖Fig.1　Principle flow chart

首先，把稱重計放在隔震臺上，再對藥筒及附件進行稱重且記錄下數據。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射模塊相連。

在計算機上的相應界面上輸入待測藥筒的大致的容積等參數，便于計算機控制。系統工作，打開流量閥并對藥筒注水，當液位達到第1個規定液位時，第1個液位探頭收到信號，然后將液位信息通過無線發射模塊發送到接收模塊再傳給計算機，由計算機通過比例、積分和微分(PID)對流量控制閥進行控制，減小注水的流量；當液位到達第2個規定液位時，第2個液位探頭同樣收到信號，將液位信息通過無線通訊模塊傳輸給計算機，之后控制流量改為微量注入；當液面與蓋板接觸時，探頭檢測到后，計算機控制流量閥停止注水。此時，再次對藥筒整體進行稱重，前后兩次稱重的差值即是注水的質量，通過公式計算可得出藥筒容積，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量；ma為注水后容器及其內液體的質量；ρ為液體密度。

2　液位控制系統

液位控制系統是影響測量精度的最重要的一個因素。因為在藥筒內的水必須是剛好充滿容器，不能多也不能少。這就對液位控制系統的精度有一個相對較高的要求。

其構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液位控制系統原理

由不同深度的電極深入藥筒內，主電極發出信號，液面依次到達規定液位檢測電極后檢測電極接收信號，發送給計算機來控制流量系統減小流量直至停止注水。由于液體具有表面張力，這會導致液面出現中間高、邊緣低的現象，在接觸蓋板時會在邊緣部分形成空隙，并未充滿藥筒，從而使測量得到的值存在誤差。所以對此問題提出了解決方案。

2.2液位控制系統設計方案

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)且具有良好導電性的金屬材料制成。電極按照一定的陣列規律，長短不一的分布在蓋板上。同時，蓋板上留有一個注水孔和若干氣孔以便往容器內注水和保持內外壓強平衡。中間的電極為發射電極(即電極1)，長度要足夠長，能夠深入容器內。一開始大量注水，但要保證測量誤差達到要求且后期液面平穩，則需要在水達到一定液位時減緩注水速度，控制流量。此時在蓋板上再放置一電極即電極2，其長度要剛好達到減緩注水時的液位。當注水液位達到該液位時會連通兩電極，從而接受到信號對注水流量流速進行控制。其他電極也是同原理。當快注滿時，在蓋板上配置一個與此液位相對應的電極(即電極3)，在液位到達時連通電極3使流量控制系統改為微量注入。由于液體具有表面張力，所以當液面觸碰到蓋板時注水實際還未充滿整個容器，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置若干電極，即電極4～電極8，其長度就與蓋板面齊平。當水連通蓋板邊緣的所有電極后即可證明容器被裝滿水了，此時發送信號停止注水。

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

2.3數據采集控制單元

藥筒容積測量數據采集及控制單元需實現流量控制，液位判斷等功能，如圖3所示，系統采用開關閥控制、調節閥控制流量計，實現液位的精確判斷和液量的微量控制。

圖3　藥筒容積檢測系統控制單元Fig.3　Control unit of detection system of cartridge volume

3　流量控制系統

流量控制系統主要由PID智能算法、調節閥、流量傳感器、控制單元組成，可實現對瞬時流量的測量、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環節疊加，公式為

(2)

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

3.2PID調節的可編程控制器實現方法

流量控制系統中采用青島奧博儀表設備有限公司ORB-LWGY小口徑渦輪流量計，依靠螺紋連接，適合測量低粘度的介質。采用上海奇眾閥門制造有限公司ZDSJP型比例微分電動調節閥，配套德國進口PS或3810系列執行機構。采用西門子S7-200系列下的226CN作為控制CPU，226CN內部集成4路PID調節，此系統選擇第0路PID控制回路。因為流量計與電磁閥均采用4～20 mA控制，因此，由設置向導生成的PID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　中斷程序設置程序梯形圖Fig.5　Interrupt program setup program ladder diagram

圖6　數據采集梯形圖Fig.6　Data acquisition ladder diagram

數據采集部分由定時器中斷程序采集，每100 ms采集一次，中斷程序設置程序梯形圖如圖5所示。數據采集梯形圖如圖6所示。PID調節部分主程序如圖7所示。

圖7　PID調節部分主程序Fig.7　PID control part of the main program ladder diagram

4　無線通訊模塊

在注水測液位時，如果采用有線通訊，傳感器的引線在蓋板和支架之間，會產生測量誤差，從而影響測量結果的準確性。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送出去，接受模塊接收后通過信號放大，A/D轉換后傳輸給計算機，然后發送控制流量的指令。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　全系統誤差分析

設計可以分成兩個量程進行測量，對其精度要求亦不同，則藥筒容積測量范圍為0.04～25 L，藥筒容積測量誤差：測量誤差≤1 mL，測量容積V≤1 L；測量誤差≤1‰×V，測量容積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為被測藥筒盛放水的質量；Δm為稱重誤差；ρ為水密度；Δρ為密度標定誤差，取0.000 1 g/mL；

測量時按容積為1 L，則最大質量為1 000 g. 由此計算：

0.14 mL.

155 mm彈藥室容積略小于25 L，測量時按最大容積為25 L，則最大質量為25 000 g，此時稱重誤差Δm為0.5 g. 由此計算：

5.2液位判斷引起的誤差ΔVh

液面傳感器響應時間及響應精度為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，設計時采用溫度補償措施可有效控制該項誤差，可忽略不計。

5.4總的測量誤差ΔV

綜上所述，系統滿足精度指標要求。

6　結論

通過對文獻[1-2]查詢，其他測量方法的最佳測量精度大約在0.1%～0.2%的范圍內，而利用本文中設計的測量裝置能夠實達到0.01%的程度，基本可以達到系統技術指標。該系統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，使測量精度大幅度提高。這對于提高炮彈參數測量精度具有實用意義。

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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；

馮進良(1964—)， 男， 教授， 碩士生導師。 E-mail: feng_20071101@163.com

TJ410.6

A

1000-1093(2015)04-0758-05

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.04.026