沈小燕，崔廷，林杰，孫杰，李東升

(中國(guó)計(jì)量學(xué)院計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，浙江杭州 310018)

膜式燃?xì)獗黹y蓋密封性檢測(cè)研究

沈小燕，崔廷，林杰，孫杰，李東升

(中國(guó)計(jì)量學(xué)院計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，浙江杭州 310018)

膜式燃?xì)獗硎且环N應(yīng)用廣泛的燃?xì)庥?jì)量?jī)x表，燃?xì)獗碇虚y蓋與閥座是構(gòu)成其計(jì)量誤差的主要因素，而表面粗糙度大小決定著氣閥密封性能的好壞。分析了非接觸方法測(cè)量表面粗糙度方案，發(fā)現(xiàn)光譜共焦法更適合閥蓋的表面粗糙度測(cè)量;利用光譜共焦法對(duì)二維氣浮平臺(tái)上的閥蓋進(jìn)行表面粗糙度測(cè)量，測(cè)量結(jié)果與采用東京精密公司生產(chǎn)的觸針式粗糙度儀測(cè)量值相比，存在較小誤差。研究結(jié)果表明了光譜共焦法測(cè)量燃?xì)獗黹y蓋表面粗糙度的可行性，為定量檢測(cè)閥蓋工作面密封性提供了有效手段。

膜式燃?xì)獗?閥蓋;密封性;表面粗糙度;光譜共焦法

天然氣、煤氣和液化石油氣已廣泛應(yīng)用于社會(huì)各領(lǐng)域，作為專(zhuān)門(mén)用來(lái)測(cè)量燃?xì)怏w積流量的膜式燃?xì)獗?，具有結(jié)構(gòu)緊湊、計(jì)量準(zhǔn)確和安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。閥蓋和閥座是膜式燃?xì)獗淼暮诵牟考?，工作過(guò)程中緊密配合，起著流量密封和機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)作用，是構(gòu)成膜式燃?xì)獗碛?jì)量誤差的主要因素。為使膜式燃?xì)獗碛?jì)量準(zhǔn)確、減少輸差，保證貿(mào)易結(jié)算的公平性，閥蓋與閥座之間的密封配合至關(guān)重要［1］。

目前，檢測(cè)閥蓋與閥座密封性的有效手段不足，工業(yè)在線(xiàn)檢查方法大多是觀察法和壓力法［2－4］。觀察法常用刀口尺卡在被測(cè)工件工作面上，在通光情況下觀察刀刃與工作面相接部分的透光情況來(lái)分析燃?xì)獗黹y密封性好壞。該方法簡(jiǎn)單實(shí)用，但主要依靠操作人員的經(jīng)驗(yàn)，缺乏科學(xué)性，存在較大的人為誤差，并且會(huì)污染被測(cè)氣閥工作面。壓力法是一種密封性定量檢測(cè)方法，將高壓氣體壓入構(gòu)建的氣閥密閉腔，用壓力傳感器感受其內(nèi)部壓力變化，如果被測(cè)氣閥密封性較差，氣體的泄漏量會(huì)較多，檢測(cè)到的前后壓力變化值也相應(yīng)較大。壓力法結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度不高，效率較低。為了更準(zhǔn)確、更高效地、更科學(xué)地判斷工件密封性好壞，需采用現(xiàn)代新的檢測(cè)方法。

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，氣閥工作面的密封性與表面粗糙度有重要關(guān)系［5］。氣閥工作面越粗糙，密封性越不好;氣閥工作面越光滑，密封性越好。通過(guò)測(cè)量氣閥工作面的表面粗糙度大小，可判斷其密封性合格與否。根據(jù)測(cè)頭是否與被測(cè)表面接觸，表面粗糙度測(cè)量方法可分為接觸式和非接觸式。接觸式測(cè)量多采用金屬探針，易磨損或劃傷被測(cè)工件表面，測(cè)量速度受到一定限制，且存在接觸誤差。非接觸式測(cè)量多采用光學(xué)探針，無(wú)表面磨損和接觸誤差，測(cè)量速度不受限制，常用的方法有光切法、散射法、光譜共焦法、干涉法等［6］。膜式燃?xì)獗須忾y材質(zhì)是塑料，接觸式測(cè)量時(shí)易受污染，文中采用非接觸方法對(duì)燃?xì)獗黹y蓋工作面進(jìn)行表面粗糙度測(cè)量論證，并使用光譜共焦位移傳感器掃描高精度二維氣浮平臺(tái)上的閥蓋，分析閥蓋工作面表面粗糙度大小與其密封性合格與否的關(guān)系，為定量判斷燃?xì)獗黹y蓋工作面密封性合格與否提供了科學(xué)依據(jù)，對(duì)工業(yè)零件密封性檢測(cè)有一定的指導(dǎo)作用。

1 膜式燃?xì)獗砉ぷ髟?/h2>

膜式燃?xì)獗硎抢脷怏w在流動(dòng)過(guò)程中進(jìn)出口處的壓力差作為動(dòng)力，由閥蓋、閥座的相對(duì)位置來(lái)控制氣體流向的分配。膜式燃?xì)獗韮?nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。燃?xì)獗砟ず杏蓛蓚€(gè)氣體測(cè)量室組成，每個(gè)氣體測(cè)量室由一張柔軟的膜片將其分為兩個(gè)體積相同的小計(jì)量室。當(dāng)分配的氣體依次進(jìn)入4個(gè)小計(jì)量室時(shí)，推動(dòng)膜片自由地?cái)[動(dòng)，膜片組件的運(yùn)動(dòng)通過(guò)搖桿帶動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)3使閥蓋1在閥座2上做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而控制各計(jì)量室依次充氣和排氣，使燃?xì)獗磉B續(xù)循環(huán)工作。同時(shí)，連桿機(jī)構(gòu)3的偏心轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)齒輪驅(qū)動(dòng)機(jī)械式單向計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，并通過(guò)顯示器顯示燃?xì)獗砼懦龅捏w積量。

圖1 膜式燃?xì)獗斫Y(jié)構(gòu)示意圖

閥蓋與閥座是膜式燃?xì)獗淼年P(guān)鍵部件，為使燃?xì)獗砉ぷ鲿r(shí)計(jì)量準(zhǔn)確，需保證閥蓋與閥座工作面旋轉(zhuǎn)配合時(shí)不泄漏氣體。待檢的閥蓋與閥座工作面如圖2所示。

圖2 膜式燃?xì)獗斫Y(jié)構(gòu)示意圖

燃?xì)獗黹y工作面密封性檢測(cè)主要針對(duì)閥蓋，閥蓋工作面密封性較差時(shí)會(huì)直接導(dǎo)致燃?xì)獗碛?jì)量不準(zhǔn)確。燃?xì)獗黹y工作面的表面粗糙度與其密封性相關(guān)性較大，通過(guò)測(cè)量氣閥工作面的表面粗糙度大小可判斷其密封性合格與否。

2 測(cè)量方案

表面粗糙度指加工表面具有的微小間距與微小峰谷不平度，是反映機(jī)械零件表面微觀幾何形狀的重要指標(biāo)，與零件的密封性、配合性、穩(wěn)定性等有重要關(guān)系［7］。表面粗糙度測(cè)量主要分為接觸式和非接觸式，接觸式測(cè)量存在固有的、不可消除的缺點(diǎn)，因此，測(cè)量閥蓋表面粗糙度采用非接觸式方案進(jìn)行論證。

2.1 光切法

光切法是將一束平行光以一定角度投射于被測(cè)表面上，光帶與表面輪廓相交的截面曲線(xiàn)能反映被測(cè)表面的微觀幾何形狀［8］。光切法測(cè)量原理圖如圖3所示。光源1通過(guò)聚光鏡2、窄縫3和透鏡4后，以45°角的方向投射至被測(cè)閥蓋表面5上，形成一狹細(xì)光帶，光帶邊緣的形狀即為光束與閥蓋表面相交的曲線(xiàn)，此輪廓曲線(xiàn)反射后經(jīng)透鏡6成像于分劃板7上。人眼通過(guò)透鏡8可觀測(cè)到分劃板上表面粗糙度曲線(xiàn)。

圖3 光切法測(cè)量原理圖

當(dāng)被測(cè)閥蓋表面發(fā)生h的位移變化時(shí)，投射方向位移變化為h'，分劃板上的成像間距為h″，由于投射角度為45°，h與h'的關(guān)系為

當(dāng)觀察用的顯微鏡的倍率為β時(shí)，可得h″與h'的關(guān)系為

根據(jù)公式 (1)和 (2)，可求得被測(cè)表面的高度變化h為

常用的表面粗糙度參數(shù)為輪廓算術(shù)平均偏差Ra，光切法可測(cè)Ra的范圍為0.16～16μm，不能有效分辨表面光滑的工件。閥蓋由純黑色塑料注塑而成，反光率不足20%，進(jìn)入視野的光強(qiáng)較弱，易造成被測(cè)閥蓋表面輪廓的失真，從而不能準(zhǔn)確地判斷閥蓋工作面密封性合格與否。另外，閥蓋工作面表面粗糙度較小，需選擇分辨率較高的物鏡，使工作距離不足1 mm，不易進(jìn)行操作。綜合考慮，光切法不適合閥蓋表面粗糙度的測(cè)量。

2.2 散射法

光學(xué)散射法是利用散射光的光強(qiáng)分布規(guī)律來(lái)進(jìn)行表面粗糙度測(cè)量的［9］。散射法測(cè)量原理圖如4所示。當(dāng)光強(qiáng)為Iin的一束光以θ1角度入射至被測(cè)表面上時(shí)，入射光將被散射，其中一部分遵循幾何光學(xué)原理，發(fā)生鏡面反射，光強(qiáng)為Is;另一部分光發(fā)生漫反射，被散射到θi角度的任意空間方向上，光強(qiáng)為Id。發(fā)生反射的光強(qiáng)分布與被測(cè)表面輪廓特征和粗糙度大小有關(guān)，對(duì)于表面粗糙度值較小的表面，鏡面反射的光強(qiáng)大于漫反射的光強(qiáng);對(duì)于表面粗糙度值較大的表面，鏡面反射的光強(qiáng)小于漫反射的光強(qiáng)。

圖4 散射法測(cè)量原理圖

若忽略被測(cè)材料的光吸收率，并假定表面微觀不平度呈高斯分布，則入射光強(qiáng)Iin等于鏡面反射光強(qiáng)Is與漫反射光強(qiáng)Id之和

式中:λ為光波波長(zhǎng)，Rq為輪廓均方根偏差。

當(dāng)Iin一定時(shí)，若可測(cè)得Is或Id，便可得到工件表面粗糙度的Rq值。散射法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量速度快，缺點(diǎn)是不能定量地評(píng)價(jià)表面粗糙度值，僅能評(píng)定被測(cè)表面的平均特性，只能進(jìn)行比較測(cè)量。

2.3 光譜共焦法

光譜共焦法是利用光譜色散原理，在空間形成一系列焦點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量的?；诠庾V共焦法設(shè)計(jì)的傳感器精度可達(dá)納米級(jí)，廣泛應(yīng)用在光刻機(jī)裝調(diào)及工作臺(tái)上樣品定位等超精密場(chǎng)合［10］。光譜共焦傳感器的測(cè)量原理如圖5所示。復(fù)色光源1(如白光)經(jīng)透鏡2作用后形成平行光，接著通過(guò)分劃板3，又經(jīng)能產(chǎn)生色散的成像透鏡4后，如果剛好黃綠光匯聚于被測(cè)物體表面5上，反射光再次經(jīng)成像透鏡4和分劃板3后，經(jīng)透鏡6匯聚的黃綠光通過(guò)小孔7被光譜儀8(或單色儀)接受。

圖5 光譜共焦位移傳感器測(cè)量原理圖

光譜儀接收到的是單色光波長(zhǎng)，離焦反射的其他光譜成分則被小孔遮擋。從而可以確定單色光的波長(zhǎng)，每一個(gè)波長(zhǎng)都對(duì)應(yīng)一個(gè)位移值，根據(jù)波長(zhǎng)變化情況即可推算出被測(cè)表面的輪廓變化特征。當(dāng)黃綠光匯聚于被測(cè)表面上，光譜儀得到的光譜分布如圖6所示，光譜的峰值在555 nm處。如果被測(cè)表面有一個(gè)微小的位移變化，那么光譜儀可得到另一個(gè)光譜曲線(xiàn)，同時(shí)得到另一個(gè)光譜峰值。這兩個(gè)峰值之差代表著被測(cè)表面的位移變化。

基于光譜共焦法設(shè)計(jì)的傳感器探頭是無(wú)摩擦結(jié)構(gòu)，可有效地避免溫度變化或機(jī)械變形對(duì)測(cè)量帶來(lái)的影響。憑借獨(dú)特的測(cè)量原理，光譜共焦位移傳感器可實(shí)現(xiàn)納米級(jí)的位移測(cè)量。由于被測(cè)閥蓋表面粗糙度較小，故文中采用光譜共焦位移傳感器對(duì)待檢閥蓋進(jìn)行測(cè)量。

3 測(cè)量實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

圖6 光譜共焦位移傳感器測(cè)量原理圖

測(cè)量實(shí)驗(yàn)分三部分內(nèi)容進(jìn)行:首先，使用標(biāo)準(zhǔn)的觸針式表面粗糙度儀對(duì)閥蓋進(jìn)行表面粗糙度測(cè)量，分析合格與不合格閥蓋表面粗糙度特征;其次，使用光譜共焦位移傳感器，搭建簡(jiǎn)易的測(cè)量裝置，對(duì)同一個(gè)閥蓋進(jìn)行表面粗糙度測(cè)量，并對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行表面粗糙度處理;最后，對(duì)兩次測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，論證光譜共焦法測(cè)量閥蓋工作面密封性的可行性。表面粗糙度參數(shù)采用輪廓算術(shù)平均Ra進(jìn)行評(píng)定［11］。

采用東京精密公司生產(chǎn)的型號(hào)為SURFCOM 1910DX3的觸針式輪廓儀對(duì)工件進(jìn)行表面粗糙度測(cè)量。選擇一組已被傳統(tǒng)檢測(cè)法確定的合格與不合格閥蓋，將其固定在測(cè)量平臺(tái)上，設(shè)評(píng)價(jià)長(zhǎng)度為4 mm，觸針式表面粗糙度測(cè)量如圖7所示。

圖7 觸針式表面粗糙度測(cè)量

選擇合格閥蓋工作面上5段直線(xiàn)進(jìn)行表面粗糙度測(cè)量，經(jīng)平均后得Ra的值為1.23μm;同樣選擇不合格閥蓋工作面上5段直線(xiàn)進(jìn)行表面粗糙度測(cè)量，經(jīng)平均后得Ra的值為2.94μm。因此，根據(jù)閥蓋工作面的表面粗糙度大小，可判斷其密封性合格與否。

選用德國(guó)米銥公司生產(chǎn)的optoNCDT系列型號(hào)為IFS2401-0.12的光譜共焦位移傳感器，分辨率5 nm，線(xiàn)性量程120μm，絕對(duì)誤差0.12μm，采樣頻率100～2 000 Hz可調(diào)，24VDC供電。將已被觸針式輪廓儀檢測(cè)過(guò)的合格與不合格閥蓋放置于AEROTECH二維氣浮平臺(tái)上，該平臺(tái)定位精度為0.3μm，搭建的測(cè)量裝置如圖8所示。

圖8 光譜共焦法測(cè)量裝置

為防止閥蓋在測(cè)量的過(guò)程中搖擺晃動(dòng)，檢測(cè)速度不能過(guò)快。實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置二維氣浮平臺(tái)的速度為0.3 mm/s，用自行搭建的測(cè)量裝置對(duì)閥蓋工作面進(jìn)行表面粗糙度測(cè)量，并采用高斯低通濾波器對(duì)原始輪廓數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到閥蓋的表面粗糙度曲線(xiàn)如圖9所示。

圖9 閥蓋表面粗糙度測(cè)量結(jié)果

從圖9可以看出:不合格閥蓋比合格閥蓋表面輪廓凹凸程度更大。設(shè)取樣長(zhǎng)度0.8 mm，評(píng)價(jià)長(zhǎng)度4 mm，對(duì)閥蓋工作面的表面粗糙度Ra進(jìn)行評(píng)定，結(jié)果如表1所示。

表1 閥蓋表面粗糙度

根據(jù)表1所測(cè)結(jié)果，與標(biāo)準(zhǔn)觸針式表面粗糙度儀所測(cè)值相比，合格閥蓋的表面粗糙度Ra差值為

光譜共焦法所測(cè)結(jié)果與觸針式輪廓儀所測(cè)值相比有一定誤差，主要有兩方面原因:自行搭建的測(cè)量裝置穩(wěn)定性差，氣浮平臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)存在微小的振動(dòng);兩次測(cè)量雖然針對(duì)同一個(gè)閥蓋，但不能完全保證測(cè)量的是閥蓋的同一區(qū)域表面。

4 結(jié)論

提出了通過(guò)測(cè)量閥蓋工作面的表面粗糙度對(duì)其密封性合格與否進(jìn)行判斷的方法，討論了非接觸方法測(cè)量閥蓋表面粗糙度方案，論證了光譜共焦法檢測(cè)閥蓋密封性的可行性。利用光譜共焦位移傳感器測(cè)量閥蓋表面粗糙度結(jié)果與觸針式輪廓儀所測(cè)值相比，存在一定的誤差，但不影響對(duì)閥蓋密封性合格與否的判斷。通過(guò)光譜共焦法測(cè)量氣閥工作面表面粗糙度大小，為檢測(cè)膜式燃?xì)獗黹y密封性合格與否提供了一種科學(xué)有效的手段。

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Research on the Tightness Testing on Valve Bonnetof Diaphragm Gas Meter

SHEN Xiaoyan，CUITing，LIN Jie，SUN Jie，LIDongsheng
(College of Metrology＆ Measurement Engineering，China Jiliang University，Hangzhou Zhejiang 310018，China)

Diaphragm gasmeter is an instrumentwhich iswidely used formeasuring gas volume.Valve bonnet and valve seatare themain factors of itsmetering error.Whereas surface roughness determines the performance of valve gas tightness.Non-contactmethods of surface roughnessmeasurementwere studied.Itwas found that spectral confocalmethod wasmore suitable tomeasure the surface roughness of valve bonnet.Then，the surface roughness of valve bonnetwhich was on a two-dimensionalair floating stagewasmeasured by spectral confocalmethod.Comparing the measure results with the data gotten by stylus profilometer produced by ACCRETECH，there is little error between them.The results demonstrate the feasibility of spectral confocalmethod tomeasure the surface roughness of valve bonnet，which provides an effective way to detect the gas tightness of valve bonnetworking face.

Diaphragm gasmeter;Valve bonnet;Gas tightness;Surface roughness;Spectral confocalmethod

TG84

A

1001－3881(2014)10－178－4

10.3969/j.issn.1001 －3881.2014.10.054

2013－04－01

沈小燕 (1982—)，女，博士研究生，講師，主要研究方向?yàn)楝F(xiàn)代精密測(cè)試技術(shù)。E－mail:xyshen@cjlu.edu.cn。