摘 要： 流量測量儀表的檢定，通常采用實(shí)流檢定和干式檢定兩種方式。采用何種方式檢定流量儀表取決于計(jì)量系統(tǒng)對測量不確定度的要求、被檢流量計(jì)的類型、用途、所具備的檢定條件、檢定所需費(fèi)用等諸多因素。一般，用于液體計(jì)量的流量儀表（如原油和水計(jì)量儀表）基本上采用實(shí)流檢定，而氣體計(jì)量的流量儀表（如天然氣貿(mào)易結(jié)算用的差壓式流量儀表）絕大多數(shù)采用干式檢定方式，只有極少數(shù)采用臨界流噴嘴在線實(shí)流檢定或離線檢定。

一、幾種檢定方式的選取

流量測量儀表的檢定，通常采用實(shí)流檢定和干式檢定兩種方式。采用何種方式檢定流量儀表取決于計(jì)量系統(tǒng)對測量不確定度的要求、被檢流量計(jì)的類型、用途、所具備的檢定條件、檢定所需費(fèi)用等諸多因素。一般，用于液體計(jì)量的流量儀表（如原油和水計(jì)量儀表）基本上采用實(shí)流檢定，而氣體計(jì)量的流量儀表（如天然氣貿(mào)易結(jié)算用的差壓式流量儀表）絕大多數(shù)采用干式檢定方式，只有極少數(shù)采用臨界流噴嘴在線實(shí)流檢定或離線檢定。

二、幾種檢定方式的差異

1.檢定結(jié)論上的不同

采用組合測量方法對流量儀表進(jìn)行干式檢定，是根據(jù)各有關(guān)參數(shù)的測量結(jié)果及其不確定度，按照誤差處理方法合成出儀表的流量測量總不確定度的，是以一定的置信度間接確定流量儀表的不確定度范圍的，它不能給出具體誤差值。它通常是以大量豐富的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)化的技術(shù)要求為前提，保持了計(jì)量的試驗(yàn)性和一致性的特點(diǎn)。比如，標(biāo)準(zhǔn)孔板節(jié)流裝置、臨界流文丘利噴嘴等已有相當(dāng)成熟的干式檢定技術(shù)。以孔板流量計(jì)為例，其流出系數(shù)公式是建立在極其豐富和充分的試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上的，標(biāo)準(zhǔn)上給出的流出系數(shù)的誤差范圍：不大于0.6%。在合成孔板流量測量的不確定度時，也只能以一定的置信度給出一定的不確定度范圍。

實(shí)流檢定尤其是在線實(shí)流檢定最符合準(zhǔn)確性、一致性、溯源性和試驗(yàn)性等計(jì)量特點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)真正的流量測量儀表校準(zhǔn)或賦值，能保證量值傳遞或溯源性的連續(xù)和封閉。離線檢定給出流量儀表在檢定條件下的誤差值或流量計(jì)系數(shù)，但因其實(shí)際操作條件和安裝條件不同于檢定條件，介質(zhì)的有關(guān)物性參數(shù)甚至介質(zhì)本身也有所不同，實(shí)際上這種檢定不是真正意義上的校準(zhǔn)或賦值。嚴(yán)格地講，流量儀表的離線檢定結(jié)果只能說明其在檢定條件下的計(jì)量特性，大多數(shù)的實(shí)際使用現(xiàn)場環(huán)境條件、儀表的安裝條件和操作條件與檢定條件相
比有很大不同，這樣會給流量儀表帶來附加誤差，而附加誤差大小總是以一定的經(jīng)驗(yàn)主觀判斷的，所以離線檢定對于流量測量結(jié)果要求不高，或者說即使有附加誤差也能滿足預(yù)期的測量要求，不失為一種簡單易行的選擇。

2.對物性參數(shù)影響的修正程度不同

幾乎所有流量測量儀表的測量結(jié)果都受到被測介質(zhì)有關(guān)物性參數(shù)的影響，只是影響程度不一樣。對于能以顯函數(shù)表現(xiàn)其對流量測量結(jié)果影響的物性參數(shù)，只要知道這些參數(shù)的實(shí)際值，就能對其進(jìn)行修正，如天然氣相對密度、壓縮因子、等熵指數(shù)等對孔板流量計(jì)測量的影響。但對大多數(shù)流量測量儀表來說，物性參數(shù)對其計(jì)量性能的影響難以用數(shù)學(xué)公式準(zhǔn)確地表達(dá)出來，比如，在液體計(jì)量中，容積式流量計(jì)和速度式流量計(jì)對液體黏度的變化十分敏感，特別是在低黏度下和儀表測量范圍的下限，目前還沒有通用的黏度修正公式。在天然氣流量測量中，天然氣密度變化對渦輪、渦街等速度式流量計(jì)有明顯的影響，若考慮流量計(jì)在低壓下用空氣做介質(zhì)檢定的結(jié)果是否能直接用于高壓下的天然氣時，在線實(shí)流檢定成為完全消除物性參數(shù)影響的唯一選擇，因?yàn)楦墒綑z定、離線檢定不能消除物性參數(shù)對上述流量測量儀表的影響。

3.對操作條件影響的修正程度不同

流量儀表的操作條件或運(yùn)行條件直接影響其計(jì)量性能，操作壓力或溫度變化對流量儀表的最直接影響就是其計(jì)量腔體的改變，其間接影響是被測介質(zhì)黏度、密度等物性，間接影響可在修正物性參數(shù)影響時考慮。由于流量儀表結(jié)構(gòu)和形狀的復(fù)雜性及裝配的離散性，幾乎不可能采用計(jì)算方法對其腔體隨操作條件的變化精確地進(jìn)行修正，也不可能根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)針對所有流量計(jì)擬合出滿足準(zhǔn)確度要求的經(jīng)驗(yàn)公式。

對于容積式流量計(jì)，計(jì)量腔體的變化會導(dǎo)致作為測量基準(zhǔn)的容積的改變，會引起內(nèi)部漏失量的變化，從而影響流量測量結(jié)果。對于速度式流量計(jì)，操作條件的改變將引起其流通面積的變化，從而導(dǎo)致儀表系數(shù)的變化。如果檢定時流量儀表的操作條件能與實(shí)際使用時相同或接近，則離線檢定能滿足要求，但是，由于操作條件的復(fù)雜性和多變性，離線檢定往往不能復(fù)現(xiàn)實(shí)際操作條件，只有在線檢定能解決高準(zhǔn)確度的流量測量問題，否則要考慮附加的誤差。

三、結(jié)論

綜上所述，對于流量測量儀表，干式檢定適用的儀表十分有限，且它只能確定流量測量的不確定度范圍不能直接對流量儀表進(jìn)行校準(zhǔn)或賦值。離線檢定適用于對流量準(zhǔn)確度要求不高的場合，它體現(xiàn)了流量溯源的動態(tài)特點(diǎn)，但很難做到溯源或傳遞鏈的封閉。在線實(shí)流檢定最符合流量量值的動態(tài)溯源特征，它充分考慮了物性參數(shù)、操作條件、環(huán)境條件、安裝條件等諸多影響，保證檢定條件與實(shí)際使用條件的充分一致，對于貿(mào)易結(jié)算的測量儀表，買賣雙方都希望能采用在線實(shí)流檢定，以實(shí)現(xiàn)真正的計(jì)量公正。 摘 要：分析了傳統(tǒng)表面粗糙度測量儀的基本原理，對采用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的改進(jìn)方案進(jìn)行了討論，并指出其發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞：表面粗糙度；表面粗糙度測量儀；計(jì)算機(jī)

引 言

表面質(zhì)量的特性是零件較為重要的特性之一，在計(jì)量科學(xué)中表面質(zhì)量的檢測具有重要的地位。比較早人們是用標(biāo)準(zhǔn)樣件或樣塊，通過肉眼觀察或用手觸摸，對表面粗糙度做出定性的綜合評定。1929年德國的施馬爾茨(G.Schmalz)首先對表面微觀不平度的深度進(jìn)行了定量測量。1936年美國的艾卜特(E.J.Abbott)研制成功第一臺車間用的測量表面粗糙度的輪廓儀。1940年英國Taylor-Hobson公司研制成功表面粗糙度測量儀“泰呂塞夫(TALYSURF)”。以后，各國又相繼研制出多種測量表面粗糙度的儀器。目前，測量表面粗糙度常用的方法有：比較法、光切法、干涉法、針描法和印模法等，而測量迅速方便、測值精度較高、應(yīng)用較為廣泛的就是采用針描法原理的表面粗糙度測量儀。本文將詳細(xì)討論表面粗糙度測量儀的原理及其改進(jìn)方案。

1 傳統(tǒng)表面粗糙度測量儀的工作原理

1.1 針描法

針描法又稱觸針法。當(dāng)觸針直接在工件被測表面上輕輕劃過時，由于被測表面輪廓峰谷起伏，觸針將在垂直于被測輪廓表面方向上產(chǎn)生上下移動，把這種移通過電子裝置把信號加以放大，然后通過指零表或其它輸出裝置將有關(guān)粗糙度的數(shù)據(jù)或圖形輸出來。

1.2 儀器的工作原理

采用針描法原理的表面粗糙度測量儀由傳感器、驅(qū)動器、指零表、記錄器和工作臺等主要部件組成，見圖1。

圖1 測量系統(tǒng)圖 圖2 電感傳感器工作原理圖

電感傳感器是輪廓儀的主要部件之一，其工作原理見圖2，在傳感器測桿的一端裝有金剛石觸針，觸針尖端曲率半徑r很小，測量時將觸針搭在工件上，與被測表面垂直接觸，利用驅(qū)動器以一定的速度拖動傳感器。由于被測表面輪廓峰谷起伏，觸狀在被測表面滑行時，將產(chǎn)生上下移動。此運(yùn)動經(jīng)支點(diǎn)使磁芯同步地上下運(yùn)動，從而使包圍在磁芯外面的兩個差動電感線圈的電感量發(fā)生變化。

圖3為儀器的工作原理主框圖。傳感器的線圈與測量線路是直接接入平衡電橋的，線圈電感量的變化使電橋失去平衡，于是就輸出一個和觸針上下的位移量成正比的信號，經(jīng)電子裝置將這一微弱電量的變化放大、相敏檢波后，獲得能表示觸針位移量大小和方向的信號。此后，將信號分成三路：一路加到指零表上，以表示觸針的位置，一路輸至直流功率放大器，放大后推動記錄器進(jìn)行記錄；另一路經(jīng)濾波和平均表放大器放大之后，進(jìn)入積分計(jì)算器，進(jìn)行積分計(jì)算，即可由指示表直接讀出表面粗糙度Ra值。

圖3 傳統(tǒng)表面粗糙度測量儀工作原理框圖

指零表的作用反映鐵芯在差動電感線圈中所處的位置。當(dāng)鐵芯處于差動電感線圈的中間位置時，指零表指針指示出零位，即保證處于電感變化的線性范圍之內(nèi)。所以，在測量之前，必須調(diào)整指零表，使其處于零位。噪聲濾波的目的在于剔除一些干擾信號，如電氣元件的噪聲所引起的虛假信號。大量的測試表明，高于400Hz的信號即不是被測表面粗糙度所引的信號，必須從總信號中加以剔除。所以噪聲濾波器是一種低通(低頻能通過)濾波器，它使400Hz以下的低頻信號順利通過，而將400Hz以上的高頻信號迅速衰減，從而達(dá)到濾波的目的。波度濾波的目的則是用以濾掉距大于取樣長度的波度，因此它是一個高通(高頻能通過)濾波器，使表面粗糙度所引起的高頻(相對于波度引起的低頻而言)信號能自由通過。

經(jīng)過噪聲濾波和波度濾波以后，剩下來的就是與被測表面粗糙度成比例的信號，再經(jīng)平均表放大器后，所輸出的電流I與被測表面輪廓各點(diǎn)偏離中線的高度y的絕對值成正比，然后經(jīng)積分器完成 的積計(jì)算，得出Ra值，由指零表顯示出來。

這種儀器適用于測定0.02-10μm的Ra值，其中有少數(shù)型號的儀器還可測定更小的參數(shù)值，儀器配有各種附件，以適應(yīng)平面、內(nèi)外圓柱面、圓錐面、球面、曲面、以及小孔、溝槽等形狀的工件表面測量。測量迅速方便，測值精度高。

2 傳統(tǒng)表面粗糙度測量儀的不足

傳統(tǒng)表面粗糙度測量儀存在以下幾個方面的不足：

(1)測量參數(shù)較少，一般僅能測出Ra、Rz、Ry等少量參數(shù)；
(2)測量精度較低，測量范圍較小，Ra值的范圍一般為0.02-10μm左右；
(3)測量方式不靈活，例如：評定長度的選取，濾波器的選擇等；
(4)測量結(jié)果的輸出不直觀。

造成上述幾個方面不足的主要原因是：系統(tǒng)的可靠性不高，模擬信號的誤差較大且不便于處理等。

3 對傳統(tǒng)表面粗糙度測量儀的改進(jìn)

3.1 傳統(tǒng)表面粗糙度測量儀的改進(jìn)方案

為了克服傳統(tǒng)表面粗糙度測量儀的不足，應(yīng)該采用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對其進(jìn)行改進(jìn)。例如，英國蘭克精密機(jī)械有限公司制造的“泰呂塞夫(TALYSURF)”10型和我國哈爾濱量具刃具廠制造的2205型表面粗糙度測量儀就采用了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，使其性能較之傳統(tǒng)表面粗糙度測量儀有極大的提高。其基本原理如圖4所示，從相敏整流輸出的模擬信號，經(jīng)過放大及電平轉(zhuǎn)換之后進(jìn)入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)自動地將其采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波和計(jì)算，得到測量結(jié)果，測量結(jié)果及輪廓圖形在顯示器顯示或打印輸出。

圖4 改進(jìn)后的表面粗糙度測量儀工作原理框圖

要采用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對傳統(tǒng)的表面粗糙度測量儀進(jìn)行改進(jìn)，就要編制相應(yīng)的計(jì)算機(jī)軟件，可以采用比較直觀的菜單形式?？梢园慈鐖D5所示的菜單使用流程圖編制軟件：

圖5 菜單使用流程框圖

3.2 改進(jìn)后的表面粗糙度測量儀的功能及使用效果

由于采用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進(jìn)行靈活的處理，顯著地提高了系統(tǒng)的可靠性，所以既大大增加了測量參數(shù)的數(shù)量，又提高了測量精度。例如：哈爾濱量具刃具廠制造的2205型表面粗糙度測量儀的測量參數(shù)多達(dá)二十六個，測量范圍為0.001～50μm，可任選1～5倍的取樣長度作為評定長度，測量結(jié)果及圖形在顯示器、打印機(jī)或繪圖儀上非常直觀地輸出來。它還采用了較為先選的可選擇的數(shù)字濾波器，它與模擬濾波器相比其特性更為準(zhǔn)確，且不會有元器件參數(shù)誤差帶來的影響。

另一方面，若在表面粗糙度測量儀測量實(shí)驗(yàn)的教學(xué)過程中引入改進(jìn)后的表面粗糙度測量儀，就實(shí)驗(yàn)的直觀教學(xué)功能而言，也很有意義。改進(jìn)后的電動輸廓儀，通過計(jì)算機(jī)軟件與硬件的結(jié)合(尤其是軟件)大大加強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)過程的直觀性，這體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)整個實(shí)驗(yàn)過程非常直觀地通過軟件的各級菜單進(jìn)行控制。操作簡單、一目了然。
(2)輸入與顯示同步，即在測量進(jìn)行過程的同時，觸針在被測表面上滑行的軌跡動態(tài)地顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上。
(3)測量結(jié)果及相關(guān)圖形能非常直觀地、準(zhǔn)確地輸出在顯示器、打印機(jī)或繪圖儀上。

很顯然，以上這些直觀的教學(xué)效果是其它傳統(tǒng)的表面粗糙度測量實(shí)驗(yàn)方法所不具備的。它在得到正確的測量結(jié)果的同時，還充分運(yùn)用了直觀教學(xué)的原理，幫助學(xué)生加深對表面粗糙度的概念及其各種參數(shù)的直觀理解。

4 結(jié) 語

(1)傳統(tǒng)的表面粗糙度測量儀由傳感器、驅(qū)動器、指零表、記錄器和工作臺等主要部件組成，從輸入到輸出全過程均為模擬信號。而在傳統(tǒng)的表面粗糙度測量儀的基礎(chǔ)上，采用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對其進(jìn)行改進(jìn)后，通過模-數(shù)轉(zhuǎn)換將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，使得儀器在測量參數(shù)的數(shù)量、測量精度、測量方式的靈活性、測量結(jié)果輸出的直觀性等方面有了極大的提高。

(2)從前面的分析知，整個改進(jìn)方案并不復(fù)雜，因此對于目前仍廣泛使用的傳統(tǒng)的表面粗糙度測量儀的改進(jìn)具有一定的意義。

(3)隨著電子技術(shù)的進(jìn)步，某些型號的表面粗糙度測量儀還可將表面粗糙度的凹凸不平作三維處理，測量時在相互平行的多個截面上進(jìn)行，通過模-數(shù)變換器，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，記錄其三維放大圖形，并求出等高線圖形，從而更加合理的評定被測面的表面粗糙度。

參考文獻(xiàn)：
［1］ 廖令釗等.互換性與技術(shù)測量［M］.北京：中國計(jì)量出版社，1991.
［2］ 李柱.互換性與測量技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京：中國計(jì)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  水滴角測量儀采用現(xiàn)代化工藝制造，儀器采用先進(jìn)的專用CMOS數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，配倍高分辨率變焦式顯微鏡和高亮度LED背景光源系統(tǒng)，搭配三維樣品臺，可進(jìn)行工作臺上下、左右、前后等方向移動。實(shí)現(xiàn)微量進(jìn)樣及上下、左右精密移動。同時還設(shè)計(jì)了伸縮桿結(jié)構(gòu)工作臺，能適應(yīng)在不同用戶材料厚度加大的場合。水滴角測量儀框架可以根據(jù)式樣的大小適量調(diào)節(jié)，擴(kuò)大了儀器的使用范圍。軟件搭配修正功能，測試多次后的結(jié)果可以同時保存在同一報告下，能讓用戶更好的對材料數(shù)據(jù)進(jìn)行管控。

　　

　　水滴角測量儀液滴法操作步驟：首先調(diào)整水平，再把試樣置于工作臺上，用彈片壓緊，利用微量進(jìn)樣器調(diào)整液滴的量，使在針頭形成液滴，轉(zhuǎn)動旋鈕使工作臺上移，讓試樣表面與液滴接觸，再下移工作臺，試樣上即可留下液滴，點(diǎn)擊后，即可按下述方法進(jìn)行接觸角的測量。水滴角測量儀測量的方法有三點(diǎn)法測量，只需要點(diǎn)三點(diǎn)就可以測量出角度，非?？旖?。

　　

　　水滴角測量儀新表面表征、表面純度測試、固體表面處理評價、液體配方設(shè)計(jì)、表面清潔度分析、等離子清洗效果分析、固液體之間或固體黏駙特性研究、表面印刷性能的表征、玻璃（包括塑料或金屬等固體）表面潤濕性研究、分析表面改性等。水滴角測試儀半導(dǎo)體，平面顯示器、光學(xué)行業(yè)掩膜親水性測量；表面清潔與附著質(zhì)量測量；油墨附著度測量；催化劑測量；膠水膠體性質(zhì)相容性測量；染料的緊扣度；晶圓的潔凈度測量；CMP的研究測量、光阻與顯影劑的研究。

　　

　　水滴角測量儀主要用于測量液體對固體的接觸角、水滴角、親水角、潤濕角，分析固體表面的潤濕行為，廣泛適用于石油、化工、醫(yī)藥、電力、印刷、學(xué)校等科學(xué)研究領(lǐng)域。水滴角測量儀主要用于測量液體對固體的靜態(tài)接觸角。分析固體表面的潤濕行為，計(jì)算表面自由能（固體表面張力），設(shè)計(jì)構(gòu)造建立在模塊化的概念上，制造上選用精美的工業(yè)鋁型材為主體，它為您的應(yīng)用和選擇提供了很大的靈活性。