工业测量（精选九篇）
工业测量 篇1
雷尼绍作为世界领先的测量与过程控制解决方案供应商, 是汽车工程领域中不可或缺的一部分。A M T S期间, 雷尼绍首次展出搭载其革命性产品REVO®多传感器五轴测量系统的大型龙门式三坐标测量机, 现场展示大型柴油机缸体的测量任务;龙门测量机边上的COORD3桥式测量机同时展示R E V O进行缸盖的测量任务, 双管齐下。
雷尼绍展台经理介绍, 2015年推雷尼绍出了REVO第二代, 在分辨率方面提高了近20倍, 在微观定位方面有很大的进步。REVO2可加载不同的测量模块, 如粗糙度测头, 非接触的光学照像测头等等。五轴龙门测量机可打造一个测量平台, 这个平台集多种功能于一身。不但可以测量大工件大尺寸, 更可以测量大工件小尺寸。测量大工件小尺寸时, 可以尽量通过测头的主动测量, 降低三个传统运动轴的移动, 从尔实现提高测量精度。另外龙门测量本身效率不高, 但通过五轴的扫描可提高测量速度、效率, 对于复杂工件, 特别是多孔或有曲面的产品, 五轴龙门测量机的测量效率比传统龙门测量机可提升至少三到五倍。
阀门座和阀导测量是汽车缸体中最棘手的测量任务之一。REVO采用Renscan 5五轴测量创新技术, 采用螺旋扫描, 一次扫描采集数以千计的数据点, 根据这些数据点可以确定高度、直径、阀门座宽度和形状, 可替代传统人工手动非标准检具, 并提高测量自动化水平, 提高测量效率。
同时, 雷尼绍的测量技术和西门子数字化制造全产品的生命周期管理已经有诸多成功的合作。智能制造一个重要环节是数据的可采集、可存储和可编辑, 工艺人员可根据这些可视化的大数据进行一个正确的判断, 在这方面雷尼绍和西门子公司在PLM上有较多的成功案例。
在展会现场, 我们见证了比对仪Equator™与机械臂协同合作实现全过程自动化质量在线控制检测, 亲身体验这个可以让工件检测达到100%并实现零废品率, 零件生产成本大大下降的质量利器。雷尼绍展台经理介绍, Equator的应用有四个阶段, 第一是检测阶段;第二个阶段结合机器人进行自动化检测;第三个阶段连接机床, 将测量结果反馈到机床操作系统, 形成一个闭环测量系统, 目前已经应用;第四个阶段是反馈到设计前端, 调整设计公差, 参与产品全生命周期的管理。
关于雷尼绍
雷尼绍, 是世界领先的工程科技公司之一, 在精密测量和医疗保健领域拥有专业技术。公司向众多行业和领域提供产品和服务——从飞机引擎、风力涡轮发电机制造, 到3D打印、口腔和脑外科医疗设备等。
工业测量 篇2
关键词：现代工业；三坐标测量机；测量坐标系；原来分析；系统研究
一、现代工业测量理论分析
工业测量是指为工业设备安装、制造、产品质量检验以及仿真建模等进行精密三维空间定位和数据获取的测量工作。工业测量是在工业生产和科研各环节中，为产品的设计、模拟、测量、放样、仿制、仿真、产品质量控制、产品运动状态，提供测量技术支撑的一门学科。测量，内容以产品的几何尺寸为主，但也涉及色彩、温度、速度与加速度及其他物理量。
伴随工业的发展，可选择的工业测量的手段或仪器设备名目繁多，如一、二、三维的机械型量测工具或设备，各种专用的基于光机电技术的一维传感器，基于测角的各类仪器设备，基于测距的各类光电测距仪器设备，基于各种固态摄像机的摄像设备和摄影测量系统，各种专用的一、二、三维工业摄影测量系统，光学显微摄像测量系统，电子显微摄像测量系统，基于高速影像的一、二、三维摄影测量系统，基于莫尔条纹的工业测量系统，基于光波干涉原理的测量系统，基于磁力场的三维量测系统，基于结构光的工业测量或工业摄像测量系统，Motography自动测量技术，乃至用于空抛物体运动轨迹测定的全球定位系统。
二、三维坐标测量机概述介绍
三维坐标测量机是一种高效率的精密测量设备，用规定的位置时，即自动停止测量台的驱动，同时将坐标J以测量各种机械零件、模具等的形位误差、轮廓尺寸、距测量值输人计算机。测量力由螺旋圈控制，在0.IN一J离等。随着电子技术和计算机技术的发展，三维坐标测0.4N之间分三档。量机配备了专用电子计算机、打印机、绘图机等，为其实三、数据处理系统现高效率、多用途提供了可能，使用起来也更加方便。
三、三维坐标测量机的原理分析
坐标测量原理——图1
三坐标测量机是基于坐标测量的通用化数字测量设备。它首先将各被测几何元素的测量转化为对这些几何元素上一些点集坐标位置的测量，在测得这些点的坐标位置后，再根据这些点的空间坐标值，经过数学运算求出其尺寸和形位误差。如图1所示，要测量零件上一圆柱孔的直径，可以在垂直于孔轴线的截面I内，触测内孔壁上三个点（点1、2、3），则根据这三点的坐标值就可计算出孔的直径及圆心坐标OI；如果在该截面内触测更多的点（点1，2，…，n，n为测点数），则可根据最小二乘法或最小条件法计算出该截面圆的圆度误差；如果对多个垂直于孔轴线的截面圆（I，II，…，m，m为测量的截面圆数）进行测量，则根据测得点的坐标值可计算出孔的圆柱度误差以及各截面圆的圆心坐标，再根据各圆心坐标值又可计算出孔轴线位置；如果再在孔端面A上触测三点，则可计算出孔轴线对端面的位置度误差。由此可见，CMM的这一工作原理使得其具有很大的通用性与柔性。从原理上说，它可以测量任何零件的任何几何元素的任何参数。
四、三维坐标测量系统分析
1.经纬仪测量系统
（1）手动经纬仪测量系统
手动经纬仪测量系统（MTS）是由多台高精度电子经纬仪构成的空间角度前方交会测量系统，手动经纬仪测量系统的硬件设备主要为高精度的电子经纬仪T2000/T3000系列（也可联Kern的E2/E20电子经纬仪）、基准尺、接口和联机电缆及微机等组成。采用手动照准目标，经纬仪自动读数，逐点观测的方法。系统定向软件采用基于大地测量控制网平差的互瞄法或基于摄影测量的光束法平差技术。
（2）自动经纬仪测量系统
自动经纬仪测量系统（ATMS）是采用2台马达驱动电子经纬仪TM3000L和TM3000V所构成的空间前方交会测量系统，由于电子经纬仪采用马达驱动，因此操作可以自动进行。TM3000L有一个激光目标投射器，用于在被测物的表面上标志出目标点，TM3000V为摄像经纬仪，它内置一小型CCD摄像机，一个特制的广角镜可以获得一个9°×12°的目标的全景。用它来跟踪TM3000L发出的激光点，通过高精度图像处理软件可测定出目标点的三维坐标。
2.全站仪极坐标测量系统
（1）手动极坐标测量系统
极坐标测量系统是由一台高精度的测角、测距全站仪构成的单台仪器三维坐标测量系统（STS）。测角精度为±0.5″，测距标称精度为±（1 mm+1×10—6D）。用掌上计算机配合微机推出的一个产品为DCA—TC。其中DCP10软件装入掌上计算机用于控制TC2002进行数据采集和一般性处理，DCP20软件运行在微机上进行测量数据的综合处理和分析。TC2002在近距离测距时，无需棱镜作为测距目标，只需采用特制的不干胶（或磁性）反射片贴到被测物的表面上，软件处理时顾及了标志的厚度。极坐标法坐标测量系统的仪器设站非常方便和灵活，测程较远，实际上在100 m范围内的精度可达到±0.5 mm左右，因此特别适用于钢架结构测量和造船工业等中等精度要求的情况。
（2）自动极坐标测量系统
自动极坐标测量系统（APS）是由一台TM3000D马达驱动电子经纬仪和一台徕卡测距仪构成的，所用的测距仪可根据实际需求来选择某一型号。对于无棱镜合作的情况，可选DIOR3002，高精度测距仪可选DI2002。APS的照准和观测完全自动化，特别适用于露天矿建设工地等的滑坡变形监测。最新的APS—Win系统采用TM1800马达经纬仪或TCA1800/TCA2003自动跟踪全站仪。TCA1800全站仪采用了所谓的自动目标识别（ATR）技术，能自动瞄准棱镜进行测量。
3.激光跟踪测量系统
激光跟踪测量系统（LTS）的代表产品为SMART 310。与常规经纬仪测量系统不同的是，SMART 310激光跟踪测量系统可全自动地跟踪反射装置，只要将反射装置在被测物的表面移动，就可实现该表面的快速数字化，因此实际上SMART 310只需要一个操作员即可。由于干涉测量的速度极快（每秒钟最多到500次读数），因此它特别适用于动态目标的监测，如机器人的检校等。激光跟踪测量需要有专用的反射器配合，一般可根据不同的测量情况来进行选择，如“猫眼”反射器（Cat Eye）、角隅反射器（Corner Cube）、工具球反射器（TBR）等，不同反射器的常数和偏距是不同的。
4.数字摄影测量系统
采用数字近景摄影测量原理，通过2台高分辨率的数字相机对被测物同时拍摄，得到物体的数字影像，经计算机图像处理后得到精确的X、Y、Z坐标。坐标计算可采用脱机和联机2种方式。对于静态目标，脱机处理可采用单台数字相机，在2个或多个位置进行拍摄，图像可存入相机背后的PCMCIA卡中，然后将PCMCIA卡插入笔记本电脑即可进行图像处理。因此对静态目标来说，这种脱机方式只需一台数字相机，是最为经济的选择。
总结：随着新技术的发展，测量技术被广泛应用于实际工程中。与三坐标测量机配套的相应测量软件也逐渐成熟。本文讨论了在实际测量前期坐标系统建立的有关技术问题，坐标系统的建立对后续测量工作以及数据处理起到至关重要的作用。
参考文献：
[1]金淘，单岩，童水光.实物测量造型中的数据重定位方法.计算机辅助设计与图形学学报2001年.04
[2]于来法，段定乾.实时经纬仪工业测量系统.北京：测绘出版社，1996
[3]梁荣茗.三坐标测量机的设计、使用、维修与检定" 中国计量出版社.2000年
工业与民用建筑的施工测量探究 篇3
测绘地形图是将地面上的地物、地貌测绘在图纸上, 而施工放样则和它相反, 是将设计图纸上的建筑物、构筑物按其设计位置测设到相应的地面上。
测设精度的要求取决于建筑物或构筑物的大小、材料、用途和施工方法等因素。一般高层建筑物的测设精度应高于低层建筑物, 钢结构厂房的测设精度应高于钢筋混凝土结构厂房, 装配式建筑物的测设精度应高于非装配式建筑物。
2 工业厂房构件的安装测量
2.1 装配式单层工业厂房主要由柱、吊车梁、屋架、天窗架和屋面板等主要构件组成。
在吊装每个构件时, 有绑扎、起吊、就位、临时固定、校正和最后固定等几道操作工序。下面着重介绍柱子、吊车梁及吊车轨道等构件在安装时的校正工作。
2.1.1 吊装前的准备工作。柱子吊装前, 应根据轴线控制桩, 把定位轴线投测到杯形基础的顶面上, 并用红油漆画上“▲”标明。同时还要在杯口内壁, 测出一条高程线, 从高程线起向下量取一整分米数即到杯底的设计高程。
2.1.2 在柱子的三个侧面弹出往中心线, 每一面又需分为上、中、下三点, 并画小三角形“▲”标志, 以便安装校正。
2.1.3 柱长的检查与杯底找平。柱子在预制时, 由于模板制作和模板变形等原因, 不可能使柱子的实际尺寸与设计尺寸一样, 为了解决这个问题, 往往在浇注基础时把杯形基础底面高程降低2~5cm, 然后用钢尺从牛腿顶面沿柱边量到柱底, 根据这根柱子的实际长度, 用1:2水泥沙浆在杯底进行找平, 使牛腿面符合设计高程。
2.1.4 安装柱子时的竖直校正。柱子插入杯口后, 首先应使柱身基本竖直, 再令其侧面所弹的中心线与基础轴线重合。用木楔或钢楔初步固定, 然后进行竖直校正。校正时用两架经纬仪分别安置在往基纵横轴线附近, 离柱子的距离约为柱高的1.5倍。先瞄准柱子中心线的底部, 然后固定照准部, 再仰视柱子中心线顶部。如重合, 则柱子在这个方向上就是竖直的。如果不重合, 应进行调整, 直到柱子两个侧面的中心线都竖直为止。
由于纵轴方向上柱距很小, 通常把仪器安置在纵轴的一侧, 在此方向上, 安置一次仪器可校正数根柱子。
2.1.5 柱子校正的注意事项。 (1) 校正用的经纬仪事前应经过严格检校, 因为校正柱子竖直时, 往往只用盘左或盘右观测, 仪器误差影响很大, 操作时还应注意使照准部水准管气泡严格居中。 (2) 柱子在两个方向的垂直度都校正好后, 应再复查平面位置, 看柱子下部的中线是否仍对准基础的轴线。 (3) 当校正变截面的柱子时, 经纬仪必需放在轴线上校正, 否则容易产生差错。 (4) 在阳光照射下校正柱子垂直度时, 要考虑温度影响, 因为柱子受太阳照射后, 柱子向阴面弯曲, 使往顶有一个水平位移。为此应在早晨或阴天时校正。 (5) 当安置一次仪器校正几根柱子时, 仪器偏离轴线的角度眉最好不超过15。
2.1.6 其它。竣工测量完成后, 应提交完整的资料, 包括工程的名称, 施工依据, 施工成果, 作为编绘竣工总平面图的依据。
2.2 竣工总平面图的编绘。
竣工总平面图上应包括建筑方格网点, 水准点、厂房、辅助设施、生活福利设施、架空及地下管线、铁路等建筑物或构筑物的坐标和高程, 以及厂区内空地和未建区的地形。有关建筑物、构筑物的符号应与设计图例相同, 有关地形图的图例应使用国家地形图图式符号。
厂区地上和地下所有建筑物、构筑物绘在一张竣工总平面图上时, 如果线条过于密集而不醒目, 则可采用分类编图。如综合竣工总平面图, 交通运输竣工总平面图和管线竣工总平面图等等。比例尺一般采用1:1000。如不能清楚地表示某些特别密集的地区, 也可局部采用1:500的比例尺。
如果施工的单位较多, 多次转手, 造成竣工测量资料不全, 图面不完整或与现场情况不符时, 只好进行实地施测, 这样绘出的平面图, 称为实测竣工总平面图。
3 民用建筑施工测量
1971年3月, 上海电视铁塔开始建设, 塔高205米。由上海测绘院和同济大学测量系承担工程测量任务, 塔身定位拼装是主要测量内容, 采用地面斜卧拼装, 整体竖起就位的施工方法, 设计指定拼装定位对205米高度偏离中心不得大于20毫米, 在拼装过程中, 严格控制测量误差, 最终天线安装偏心值为5毫米。上海电视铁塔于1984年建成。
1973年, 上海勘察院承担上海体育馆工程测量任务, 根据体育馆结构施工流程, 首先在直径110米圆周上, 树立36根高26米的立柱, 然后在现场进行大屋顶金属网架地面拼装, 最后整体吊装就位。测量的主要内容, 是配合设计、施工进行建筑物轴线控制测量, 定位放样工作和屋顶网架拼装测量, 屋顶网架变形测量, 其中36根柱子中心定位 (误差要求±5毫米) 和网架拼装是两项关键性的测量工作。在网架拼装前, 地面设置支承网架的223只高度不同的钢模台。设计要求模台间距6.111米, 误差不大于2毫米, 55米屋顶半径允许误差10毫米。当时采用钢尺量距, 2秒级经纬仪定向测角, 精密水准仪测高。为避免白天气温对钢尺的影响, 改为傍晚丈量, 网架的几何数据选用两套测量方法进行, 最后取平均值以提高测量精度。在作业过程中加强检查, 网架拼装误差绝大部分控制在设计限差内, 个别数据稍有超限, 最终整体网架吊装全部准确就位于36根柱子上, 使体育馆屋顶网架施工安装一次成功, 该工程于1975年竣
1983年, 在上海体育馆东南兴建一座室内游泳馆, 采用了三向金属网架屋顶, 由于馆型采用六角形, 施工测量精度略高于体育馆。上海勘察院测量队承担工程测量, 由于有了体育馆的测量经验, 游泳馆测量方法仅选用一种。屋顶网架地面拼装时, 改手工量距为使用电磁波测距仪测距。网架起吊就位于28根立柱上, 完全满足安装的要求, 全部符合验收标准。
1989年初, 在陆家嘴建造上海东方明珠电视塔, 塔高468米。工程施工测量由上海市建筑一公司承担。在施工前, 工程技术人员对高、大、重、深、造型复杂的电视塔, 如何准确控制塔身的垂直度是一大难题。电视塔直筒垂直测量是整个测量的重点, 是保证塔身垂直度的关键, 它的难度和复杂不仅表现在测量控制点布设困难, 而且受施工条件的干扰和不良气候的影响。根据设计提出测量精度要求:塔筒4个垂准基点的标准差小于2毫米, 塔筒中心点控制到平台误差小于3毫米, 塔中心米字形轴线长度误差1/20000, 竣工后塔身垂直度偏差小于50毫米, 测绘人员决定用Wild ZL天顶垂准仪作垂准测量, 用Wild T2级经纬仪 (附弯管) 作垂准检查。根据建筑施工工艺和程序, 自行设计作业方法, 首先在-0.05米处建立高精度小控制网, 在不同标高设立基准平台, 作为投点的依据, 然后将控制网和基准面4个中心点 (3个直筒中心和塔体中心) , 精确投到随筒体高度而提升的施工平台上, 进行米字形轴线测量。每当平台上升一次 (3米) , 投点和轴线测设并检查一次, 由底到顶共测设90多次, 由于道道工序有检查, 最终筒体中心偏差为22毫米, 其它3个直筒体的偏差在15毫米以内, 达到塔筒体垂准测量优异成绩, 在球体钢结构安装时, 球体玻璃幕按图纸要求顺利镶嵌到位, 实践检验测量方法是成功的。在电视塔工程测量鉴定会上, 一致评价塔位垂准测量作业达世界先进水平。
参考文献
[1]吕云麟.高等专科工业与民用建筑专业教材[M].北京:中国建筑工业出版社, 1997.
[2]建筑工程测量中等职业教育国家规划 (工业与民用建筑专业) [M].北京:中国建筑工业出版社, 2003.
工业测量 篇4
数字近景摄影测量在工业检测中的应用
论述了利用数字相机与实时数字近景摄影测量技术相结合建立的工业零件检测系统的方法.该方法通过直接线性变换提供的概略初值,由理论严密的自检校光束法平差完成高精度的平差计算的数字近景摄影测量的处理的基本过程,并经后续处理,完成工业目标的自动检测.本系统利用目标点位的概略定位与最小二乘影像匹配相结合,达到目标点位的子像素级的`精确配准和数字影像的自动量测技术.这种通过非接触方式建立的工业检测系统在精度、可靠性、灵活性、自动化程度、实时性等方面具有更大的优越性,能较好地满足高精度工业检测的要求.
作 者：贾盛举 于晶涛 作者单位：同济大学,遥感技术应用研究中心,上海,200092刊 名：测绘学报 ISTIC EI PKU英文刊名：ACTA GEODAETICA ET CARTOGRAPHICA SINICA年，卷(期)：200231(z1)分类号：P23关键词：计算机视觉 实时 影像匹配 光线束法平差
工业机器人视觉测量的优化校准 篇5
在先进自动化生产过程中,工业机器人视觉测量系统对关键尺寸进行在线实时监测,及时调整动作幅度和角度,可有效控制产品质量的稳定性[1,2]。由于结合了非接触测量方式和机器人运动灵活的优点,可以解决传统三坐标测量机对盲孔、深孔等的测量难题,也可以克服接触式测量头对复杂工件的干涉,在先进制造业中得到了逐渐推广和应用。实际的工业现场环境复杂,多种因素都有可能导致系统在运行过程中产生一定的偏差、测量精度降低,引起误差的原因主要有温度漂移和关节松动变形等,使测量模型的参数值改变从而导致定位误差增大,因此需要定期对工业机器人视觉测量系统进行精确的校准,从而实现精确定位和视觉测量。目前,国内外关于该领域的研究还比较少,也没有解决好工业机器人视觉测量的精确校准难题。本文对工业机器人的视觉测量误差模型进行了相关研究,建立了针对显著变化参数的测量误差模型,采用遗传算法去求解最优的模型参数,从而达到精确校准,可以满足工业机器人实际生产的要求。
1 工业机器人测量系统工作原理
图1为应用于工业机器人的测量系统工作原理示意图。图中共存在4个坐标系,分别为机器人基础坐标系ORXRYRZR、机器人末端关节坐标系OHXHYHZH、工件坐标系OWXWYWZW和视觉传感器坐标系OCXCYCZC。
视觉测量结果为被测点P在工件坐标系OWXWYWZW下的坐标PW,即
式(1)中,PC为被测点P在视觉传感器测量坐标系下的坐标值;AHE为机器人手眼关系,即机器人末端关节坐标系到视觉传感器测量坐标系的齐次坐标变换关系,一旦传感器安装到末端关节上就保持不变;AWR为机器人基础坐标系到装置坐标系的齐次坐标变换关系,工位安装完成后同样为定值;ARH为机器人末端关节坐标系到机器人基础坐标系的齐次坐标变换关系,即
式(2)中的Aii-1表示i-1坐标系到i坐标系的齐次坐标变换矩阵,在测量过程中会受到温度变化和关节松动变形的影响。
2 机器人视觉定位误差模型
采用D-H模型[3]对机器人进行分析,假设每个关节都存在连杆参数偏差,那么传感器坐标系相对于机器人基础坐标系的变换为
结合变换微分可以推导出末端关节相对于机器人基础坐标系的位置偏差为
其中
表示第i个关节的连杆参数qi、ai、ai、di,下角标[1:3,4]表示取对应矩阵第4列的1至3行。
为了说明本文的校准方法,这里以ABB2400型机器人为例,是一种典型的6关节工业机器人。
关节1单独转动时对机器人6个不同姿态的TCP进行了测量,关节2和关节3单独转动时各测量了5个不同姿态下的TCP坐标值,关节4、关节5和关节6单独转动时分别测量了9个、6个和10个不同姿态下的TCP坐标值。关节单独转动时,以关节2、关节3和关节4产生的偏差最明显,然而,当关节2和关节3同时转动时,TCP在y方向的定位偏差反而减小,这说明关节2和关节3同时转动会对y轴方向的误差有抵消作用。
结合大量的实验数据进一步分析,当关节1转动时,7个姿态中只有x方向的坐标出现了较大偏差,若考虑测量噪声的存在,其它方向的坐标值可以认为没有变化,对照机器人运动学模型,可以确定此时杆件长度参数a1产生了较为明显的变化。结合实际测量样本值,并以此类推,可以采用同样的方法总结出有可能产生较大变化量的模型参数如表1所示,分别描述了与各个关节关系较大的模型参数,这也是引起测量误差的主要因素和原因。只要我们能够确定出表1中的有关模型参数的准确值,就可以较好地实现工业机器人视觉测量的校准。
3 基于遗传算法的精确校准方法
由表1的分析可知,对于6关节的ABB2400型机器人,当发生温度漂移或者关节松动变形时,引起视觉定位中的某一些参数值发生变化,因而为了实现精确校准,就需要根据实际样本数据来寻找到最佳的参数值。根据上述分析可知,对于视觉测量校准而言,主要是对表1的模型参数予以寻优,当参数优化后,就可以克服温度漂移和关节松动变形等的影响,从而提高视觉测量准确度。这里采用遗传算法对这些参数予以优化,优化后得到的参数值将具有很好的测量准确度。
遗传算法(Genetic Algorithm)[4,5]是一类借鉴生物界的进化规律(适者生存,优胜劣汰遗传机制)演化而来的随机化搜索方法。它是由美国的J.Holland教授1975年首先提出,其主要特点是直接对结构对象进行操作,不存在求导和函数连续性的限定;具有内在的隐并行性和更好的全局寻优能力;采用概率化的寻优方法,能自动获取和指导优化的搜索空间,自适应地调整搜索方向,不需要确定的规则。遗传算法的这些性质,已被人们广泛地应用于组合优化、机器学习、信号处理、自适应控制和人工生命等领域[4,5]。
遗传算法主要有遗传、交叉、变异等几个模拟生物进化的过程组成,遗传算法的框架可非形式地表示如下:
随机地将种群中的个体两两配对,进行交配操作;
执行变异操作;
利用选择机制形成下一代候选解:
遗传算法主要的特点体现在智能性和本质并行性两个方面.遗传算法智能性是由于在确定了编码方案、适应值函数及遗传算子后,利用演化过程中获得的信息自行组织搜索,因此具有根据环境的变化自动发现环境的特性和规律的能力;而其并行性是由它全局搜索方式决定的。按照遗传算法的程序,根据实际测量的样本数据值就可以计算得到最佳的模型参数值,以此得到确切的视觉测量值,避免温度漂移和关节松动变形等对测量结果准确度的影响。
4 仿真研究
这里我们选取了100组实际测量样本数据为依据来建立精确的视觉测量校准值,其中遗传算法的参数值为种群数为30,二进制码长度为20,交叉概率为0.45,变异概率为0.1。当采用遗传算法优化后,就可以根据新寻优的参数值作为视觉测量校准的精确值,从而得到比较准备的视觉测量结果。
仿真实验中,针对各个关节松动变形和温度漂移的情况,予以了实验验证,仿真结果如表2所示,描述了校准前和校准后的误差情况。表2的仿真结果表明,相比于校准前的误差值,根据本文方法校准后,视觉测量的准确度大大提高了,视觉测量的误差显著减小了,从而验证了本文算法的有效性。
5 结束语
针对工业机器人视觉测量系统,本文提出了一种基于遗传算法的优化校准方法,首先根据机器人的D-H正向运动学模型和微分运动学模型建立末端关节坐标系的定位误差模型,然后利用遗传算法选择最优的参数值,从而实现了精确校准。仿真实验表明,该方法能大大减小视觉测量误差,可以满足实际生产的要求。
参考文献
[1]王一,刘常杰,任永杰,等.通用机器人视觉检测系统得全局校准技术[J].光学精密工程,2009,17(12):3028-3033.
[2]任永杰,邾继贵,杨学友,等.机器人柔性视觉检测系统现场标定技术[J].机器人,2009,31(1):82-87.
[3]Denavit J,Hartenberg R S.A kinematic notation for lowerpair mechanisms based on matrices[J].Journal of Applied Mechanics,1955,22(2):215-221.
[4]吉根林.遗传算法研究综述[J].计算机应用与软件,2004,21(2):69-73.
工业标准信号产生与测量仪表设计 篇6
这篇论文介绍了工业信号的产生与测量原理,主要研究了基于TI公司MSP430F42x的工业信号的产生与测量仪表的设计。
工业信号的产生与测量仪表在生产过程系统中是非常重要的检测仪表,可模拟输出多种工业控制过程测控中所需的检测信号,同时也可测量这些工业控制过程中产生的信号,其大量用于工业仪表的现场调校。
本设计的特点是保证测量精度的情况下使低功耗更低,成本更低。在信号测量部分,16位ADC保证了测量精度;在信号输出部分,电压信号和电流信号采用PWM方式产生。
本设计由两片MSP430F系列MCU组成,MSP430F425实现电压和电流信号的测量,而MSP430F449实现电压和电流信号的输出及频率信号的测量与输出。
1 工业标准信号的采集[1]
该仪表中的信号测量部分采用MSP430F425实现,该单片机功耗非常低,电源电流400μA;待机模式的电源电流为1.6μA。该单片机采用16位精简指令结构(RSIC),具有125ns指令周期;可以安装低频32k或8M高频晶体。具有3路16位Sigma-Delta方式的ADC、直接驱动128段液晶显示器的驱动模块、1个RS232C/SPI通信口、1个具有捕获/比较功能的16位定时器,以及16k程序闪速存储器和2k随机存储器。
(1)测量部分
该仪表的测量部分如图1所示。三路ADC分别测量电流、电压和输出端反馈的电流、电压信号。
该仪表采用16位ADC测量4～24mA的电流信号,电流信号首先转换成小于VREF=1.2V的电压信号,然后连接到ADC的差动输入端,采用50Ω电阻,则24mA时产生1.2V的差动电压。
该仪表采用16位ADC测量0～10V的电压信号,为使输入阻抗大于10MΩ,使用了OP27运放组成了仪表放大器的输入结构,同时还使用差动输出结构的运放THS4130连接ADC的差动输入端。这样THS4130输出信号为VOD=(RF/RG)*(1+2R2/R1)*VI,在满量程为10V时,选择R1=R2=1kΩ,RG=30kΩ,RF=1k,则最大VOD=1.0V;在满量程为1.0V时,选择R1=R2=1kΩ,RG=30kΩ,RF=10k,则最大VOD=1.0V,量程由开关S1选择。为满足ADC的需求,将VCM端与VREF相连,使输出电压偏移+1.2V。
该仪表采用一路16位ADC测量该仪表的输出电压或电流,对输出信号进行校正,使输出电压和电流的误差更小。
ADC时钟选择MCLK,采用锁相环使频率稳定到1.048MHz,采样率为4096,定时3路连续转换,32个转换结果相加取平均值。
测量部分的单片机采用SPI接口顺序输出3路ADC的数据到数据处理与显示部分。
(2)数据处理与显示部分[2,3]
数据处理与显示功能由MSP430F449实现,其原理图如图2所示。
从图2可以知道,数据处理与显示电路中具有4×4键盘和7位液晶显示器。其F449的SPI0引脚P3.3、P3.1与测量部分的F425单片机的P1.6 、P2.1引脚相连,F425担当主机,定时向从机F449发送数据。
数据处理与显示部分将测量的数据乘以按键输入的比例系数,并转换成十进制数后,输出到液晶显示器上。液晶显示器在按键控制下,可以单独显示输入的电压或是电流,也可以显示输出的电压和电流,或是顺序定时显示它们。该部分以同样的方式处理被测量的频率和显示输出的频率。
2 产生电压与电流信号[4,5]
该仪表产生工业标准的4～20mA电流和0～10V电压信号,其原理图如图3所示。
由图3可以看出,电压信号与电流信号都是采用PWM实现。为使输出电压和电流数值准确,采用了反馈控制原理,就是使F425单片机测量输出的电压或者电流,然后将测量数据与电压或电流的设定值比较后,用误差值校正输出。
PWM由F449单片机的定时器B输出模式7实现,对于20mA的满度电流,为达到0.1%的精度,需要每一个定时器B的计数数字代表的电流为22μA。这里取5μA,设置CCR0=4000,若时钟频率为8MHz,则PWM的频率为2000Hz。对于10V电压信号,为达到0.1%精度,需要每一个定时器B的计数数字代表的电压为10mV,这里取2.5mV,设置CCR0=4000,取时钟频率为8MHz,则PWM的频率同样为2000Hz。
由于输出的是直流电压和电流信号,所以采用简单的RC滤波就能满足要求。
F449实现电压输出的过程:键盘输入需要输出的电压值后,计算出相应的CCR1的数值,则输出TB1按照CCR1给定的占空比输出频率为2000Hz的脉冲,经过滤波后输出稳定直流电压;该电压的1/10反馈到16位ADC的输入端,产生当前输出电压的数值数据,该数据经过32次累加平均后,与设定值比较,其误差值与CCR1数值相加产生新的CCR1数值,也就调整了输出电压。由于CCR1数值中的一个数字代表的电压值比10mV误差小的多,所以肯定有一个CCR1数值使输出电压满足要求。
F449实现准确电流输出的过程与实现电压输出的过程基本相同,只是采样输出电流。
3 测量与产生频率信号
(1)频率信号的测量
由F449中的定时器B实现频率的测量,1～1000Hz频率信号从CCP模块输入引脚输入,在第一个被测脉冲上升沿捕获定时器的TBR数值,在第二个脉冲上升沿再次捕获TBR的数值,则两次TBR数值之差就是被测脉冲周期。
(2)频率信号输出
F449的TB6引脚输出频率信号,其范围为1～1000Hz,使定时器B工作在连续计数的比较模式,根据输出频率,不断设置CCR6的数值,则在TBR数值与CCR6数值相同时,使输出端TB6产生置位与复位,输出频率信号。
输入的频率信号与输出的频率信号,都要经过信号处理电路,使其满足接口电路的逻辑电平。
4 结论
本文设计了工业电压、电流与频率信号的测量与产生仪表的工作原理,给出了主要部分的电原理图。设计采用16位ADC测量电流与电压信号,使该仪表可以在工业现场测量变送器是输出信号;而采用反馈误差消除方法输出的电压和电流信号,可以检查数据采集仪表的准确性。经过验证,利用MSP430系列MCU实现的测量与信号产生仪表是成功的和实用的。
另外,需要注意的是在电路板的设计及实际调试当中,对于模拟信号应进行有效的屏蔽与可靠的接地,只有这样才能保证该设备的正常使用与测量精度。
参考文献
[1]夏路易.单片机原理及应用[M].北京:电子工业出版社,2010.
[2]沈建华,杨艳琴,翟骁曙.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2004.
[3]Texas Instruments Incorporated,Msp430x42x,Msp430x4-xx Family User’s Guide[S].2003.
[4]魏小龙.MSP430系列单片机接口技术与系统设计实例[M].北京:北京航空航天大学出版社,2002.
工业测量 篇7
实施在机测量的随机量仪主要由接触式测头、信号接收器和输出电缆 (或接口装置) 组成。根据传送信号的性质, 又分为红外线和无线电两种。相比之下, 后一种信号传送能力更强些, 不但传送距离远, 而且在有物体阻挡的情况下也不受影响。但实际上, 在企业中用得更多的还是前一种。其工作过程为接触式测头的检测结果以红外信号方式发送到安装在加工中心内的接收器, 接收器通过输出电缆 (或经过接口装置) 再将信号传送到机床控制系统。而测头作为红外信号发送器可在360°范围内发送信号, 接口装置在对信号数据进行处理后将其传送到数控机床和加工中心的控制系统。但在多数情况下, 检测程序还是由机床厂商按实际需求编制后, 根据输入的信号实现相应的功能。
在多数情况下, 测头就像刀具一样, 平时存放在数控机床和加工中心的刀具库中, 然后依照不同的要求, 在一道加工工序之前或之后调出, 再按规定的程序执行自动检测, 从而实现某种功能。概括地说, 通过在机测量主要可以达到以下3个目的。
(1) 刀具状态的检测
有别于实现在机检测的其他功能时的测头存放在机床刀具库中, 此时测量装置 (测头) 一般是设置在机床的某一固定位置。对刀测量装置有接触式和非接触 (光学) 式两种, 图1是常用的接触式测头的两个示例。对于加工中心来讲, 测量装置均安装在工作台面上, 如图1a和图1b所示。从图1可见, 刀库中的某把刀具按事先设置的程序及设定的尺寸进行接触对刀测量, 据此评价刀具的状态。同时也能进行刀具破损或安装型号正确与否的识别。在这种应用场合, 检测信号是采用电缆传送方式输入接口装置, 或直接与机床数控系统连接。图1c是对刀测量在数控车床上的应用, 此时测量装置 (测头) 安装在一个固定于车床床头箱上的可卸式测量手臂的前端, 也是通过接触式测头进行对刀测量的。
(2) 确定加工状态:工件找正、参数设定和补偿
所谓“找正”是指为了保证工件的正确安装和定位而采取的相应措施。出现或存在“不正”的现象既有夹具方面的原因, 也有工件自身因素的影响。无疑加工状态的找正是确保工件加工质量的基础。另外, 由于受到温度变化和刀具磨损等渐变因素的作用, 加工状态的稳定性也会发生改变, 影响到制成品的质量, 故在必要时, 找正后也需要采取相应的补偿措施。数控机床和加工中心所具备的检测功能在这一过程中发挥了重要的作用。
(3) 工件的自动检测
工业测量 篇8
近年来,随着电力变频器、无线电通信系统在煤矿井下的广泛应用和煤矿机电设备功率的不断提高,煤矿井下电磁干扰强度不断升级,煤矿监控系统和通信系统受干扰的情况日益严重,煤矿井下的电磁兼容环境和煤矿监控设备的抗干扰设计成为研究热点[1,2,3,4,5]。
为了确定煤矿监控设备的抗干扰等级,首先要研究煤矿监控设备使用环境中的干扰种类和强度。根据干扰耦合通道划分,电磁干扰可以分为空间电磁场辐射耦合、通过设备电缆的传导耦合两大类[6]。其中通过设备电缆的传导耦合又分为电磁场电缆感应、电缆间电磁感应、电缆的直接传导3种。电磁场电缆感应耦合方式是先辐射后感应的耦合方式,所以可以归为辐射耦合[6],也可以归为传导耦合。
测量工业环境中的干扰强度一般采用干扰测量仪或频谱分析仪[1,2,3,4,6,7]。这种方法只考虑干扰源而不考虑干扰的耦合方式,测量的是干扰源的辐射干扰强度,难以对瞬变脉冲群干扰和浪涌干扰强度建立数量上的等效关系。目前,虽然有针对传导干扰的测量方法的研究,但都是针对直接传导类型(主要又是电源线上的干扰)的研究[8,9,10,11],不适用于通过电缆感应的传导干扰的测量。
工业环境中使用的测控系统,尤其是煤矿监控系统,电缆覆盖范围很大,通过电缆感应的传导干扰是主要干扰。笔者在一些煤矿井下实测干扰时发现,在一些井下巷道中,设备及电缆都很少,使用谱频分析仪几乎发现不了干扰,但该处的瓦斯传感器仍然发生受干扰冒大数的情况,说明使用频谱分析仪进行干扰测量有其局限性。鉴此,本文提出一种测量工业环境感应传导干扰的方法,该方法适用于对工业环境的感应传导干扰(包括瞬变脉冲群干扰和浪涌干扰)强度进行测量。
1 感应传导干扰对设备的作用机理及衡量干扰信号强度的指标选择
根据感应传导干扰的原理,可知感应传导干扰影响被干扰设备的过程:干扰源发出的干扰在被干扰设备的外部电缆中感应出一串干扰脉冲信号,当被干扰设备的内部电路对干扰脉冲信号产生反应时即发生干扰。
干扰脉冲信号可用2个指标来衡量其大小:干扰信号幅值和单个脉冲强度(电压-时间积分)。对于受干扰设备来说,只有干扰信号的幅度和强度均达到一定的阈值才会对干扰产生反应。一般来说,高速电路具有较低的强度阈值,而低速电路具有较高的强度阈值。所以可以把在设备外边电缆上感应的干扰脉冲信号的最大幅值和脉冲的最大强度作为表示干扰强度的指标。一般来说,幅度没有达到阈值的干扰信号即使有较大的强度也不会产生实质性的干扰,所以这2个指标中,干扰信号的幅度指标应该是主要指标,干扰信号的脉冲强度指标可以作为辅助性的指标对主要指标进行一定的修正,因为低幅值高强度的干扰脉冲是较难滤除的,而高幅值低强度的干扰脉冲用一个低通滤波器就能有效抑制其幅度。
2 瞬变脉冲群干扰强度的测量方法
瞬变脉冲群干扰是一种因电压快速变化而引起的干扰,主要通过线间电容耦合。图1为干扰源和被干扰体之间的耦合示意图。显然,接收干扰的电缆和发出干扰的电缆距离越近,并行距离越长,接收干扰的强度越大。
瞬变脉冲群干扰对同一电缆中2芯线间的干扰既有共模干扰,也有差模干扰。由于安全监控系统中常用的本质安全电路是不接地的,与对地干扰相比,线间干扰对安全监控系统的影响较大。所以,笔者采用测量线间干扰信号的方法来测量井下环境瞬变脉冲群干扰强度。
为便于现场作业,采用HBYV非双绞2芯线作为干扰接收体。首先在实验室采用标准干扰发生器通过电容耦合夹方式注入瞬变脉冲群作为干扰源,2芯线间接2 kΩ电阻(该值接近大多数煤矿监控设备的输入等效电阻),记录2芯线间电阻上的感应信号并作为基准数据。现场测量时,将2芯线铺设在干扰源电缆附近,2芯线间也接2 kΩ电阻,通过数字示波器捕捉电阻上的最大干扰信号,如图2所示。
最后通过井下和实验室2种环境下2芯线间干扰电压值和单脉冲强度值的对比确定井下干扰源相当于标准干扰源的强度。
3 浪涌干扰强度的测量方法
电缆间传导产生的浪涌干扰是因电流快速变化而引起的干扰,主要通过线间电感(磁场)耦合。图3为干扰源和被干扰体之间的耦合示意图。
煤矿井下本质安全设备虽然不接地,但本质安全设备的外壳是等效接地的(比如通过铁丝固定在巷道壁上),而本质安全电路和设备外壳之间一般有几十到几百皮法的电容,所以井下并行电缆电感耦合通路是存在的。显然,电缆并行距离越长、接收干扰的电缆和地之间所围面积越大,接收干扰的强度也就越大。
同样采用HBYV非双绞2芯线作为干扰接收体,现场测量时铺设在干扰源电缆附近,2芯线一端可直接接地,另一端通过1 000 pF电容接地,通过数字示波器捕捉电容两端的最大干扰信号,如图4所示。
实验室标准信号采用标准浪涌干扰发生器作为干扰源,施加到通过1 000 pF电容接地的电线上,测量电容两端的电压。最后通过井下和实验室2种环境下电容两端干扰电压幅值和单脉冲强度值的对比确定井下干扰源相当于标准干扰源的强度。
这种浪涌干扰对不接地的煤矿本质安全设备产生干扰的作用机理:本质安全的内部电路会造成不同芯线对地的阻抗不同,对地浪涌产生的共模干扰会通过不同芯线对地的不同阻抗转变为芯线间的差模干扰。
4 测量结果
4.1 瞬变脉冲群干扰强度的测量
采用第2节所述方法在实验室使用SANKI公司的SKS-0404GB瞬变脉冲群干扰发生器产生干扰,并用安捷伦U1602B手持示波器测量,结果如表1所示。从表1可看出,测量值和干扰源强度基本成线性关系。
采用该方法对平顶山瑞平煤电公司庇山矿-50绞车电控装置的250 kW/660 V变频器进行了干扰测量。该绞车房变频器主输出电缆已经使用了屏蔽电缆。靠近变频器输出至电动机约30 m长电缆,HBYV电线中感应的干扰信号如图5所示,其中电压(单向峰值)达15.2 V。
由于脉冲幅值、脉冲强度和干扰源强度基本成线性关系,因此,所测干扰相当于实验室标准干扰的等级=实验室产生的标准干扰强度等级/标准干扰强度等级下实验室产生的所测干扰脉冲幅度×现场所测干扰脉冲幅值,即变频器实际发出的脉冲群干扰幅值为1 000/90×15.2≈170 V。单脉冲强度(选取图5中最大的脉冲强度)=单脉冲最大单向幅值×脉冲宽度/2,即9×7/2=31 500 V·ns(见图5(a)中的黑色面积),远远大于170 V标准干扰。这说明用170 V标准干扰等级来模拟该变频器干扰是不够的,但具体相当于多大的标准干扰,这和受干扰设备的具体电路有关,很难确定。但大于170 V标准干扰等级可以肯定,即一般来说,用抗170 V标准干扰等级的措施并不能抗该变频器产生的干扰。
图6为笔者在吉林辽源矿业(集团)有限责任公司龙家堡矿井下变频器启动瞬间捕捉到的一个干扰,其中电压(单向峰值)达45.6 V,相当于500 V标准干扰等级;但单脉冲强度约为34×50/2=850 V·ns,也和500 V标准干扰等级相当。所以可以确定该处的变频器干扰和500 V等级的标准脉冲群干扰相当。
4.2 浪涌干扰强度的测量
采用第3节所述方法在实验室使用SANKI公司的NS61000-5E浪涌干扰发生器测量的浪涌干扰波形如图7所示。从图7可看出,干扰脉冲幅值和干扰源幅值基本一致(表示与浪涌干扰发生器发生的浪涌电压值一致,也是200 V)。
笔者对皖北煤电集团有限责任公司钱营孜矿井下3213工作面回风巷沿线进行了干扰测量。巷道内有一根660 V电缆给沿线多台潜水泵和钻机供电。实地测量到的水泵(钻机)启动时在100 m并行电线上感应的浪涌干扰波形如图8所示。若考虑并行距离为1 km,可以确定为相当于1 400 V等级的标准浪涌干扰,但脉冲强度要明显小于标准浪涌干扰。
5 影响测量结果的因素
(1) 测量电线和干扰源电缆并行距离越长,接收的干扰能量就越多。但对于瞬变脉冲群干扰,实验室测量数据证明,干扰强度和并行距离并不是正比关系,其原理是高频下的分布参数造成叠加情形复杂化。对于用电设备开停造成的电缆间耦合浪涌干扰,现场测量结果表明,干扰强度和并行距离基本成正比关系。为了便于现场测试并使测量结果具有可比性,可以将100 m的长度作为标准长度,但用较短长度的测量数据来估计较长长度情况下的干扰时,误差会增加,所以有条件的情况下应该尽量用较长长度的电线进行测量。
(2) 实际测量中,首先要对干扰源进行定位,然后根据干扰源的性质沿干扰源电缆敷设。比如对于变频器发出的干扰,测量电线应该沿“电力变压器-变频器-电动机”的电力电缆和“变频器-控制台”的控制电缆敷设。
(3) 测量电线的类型也会对测量结果产生影响。比如双绞线本身具有一定的抗干扰性,会使测量结果不够客观;传输频带窄的电缆会滤掉干扰的高频成分。对于煤矿安全监控系统的应用要求来说,采用非双绞普通电话线做干扰接收电缆是合适的。因为煤矿安全监控系统对于干扰的响应属于低频系统,所以测量干扰的频段可以限制在20 MHz以下的低频范围。由于测量仪器本身具有误差和分散性,不同示波器的测量结果会有较大误差,所以现场测量的数据和实验室测量的数据应该使用同一仪器测量的数据进行比对。用于测量的示波器应该是经过全频段比对或校准的。
(4) 另外对干扰的捕捉技巧也很重要。现场测量时,首先应该以较大的时标和幅值记录干扰的“概貌”,然后再捕捉干扰的最大幅值和最大强度。一般现场测量到的干扰不会是现场的最大干扰。6 结语
针对煤矿井下电缆间感应传导干扰,提出了瞬变脉冲群干扰和浪涌干扰强度的测量方法,并在实验室和煤矿现场进行了实际测量。该方法是对所处环境中由电缆感应的电磁干扰水平的测量,可用于评估该环境下设备承受的感应传导干扰的强度等级,是对应用频谱分析仪进行干扰测量的补充。
摘要：针对采用干扰测量仪或频谱分析仪只能测量工业环境中干扰源的辐射干扰强度的问题,提出了一种测量工业环境感应传导干扰的方法。该方法采用HBYV非双绞2芯线作为干扰接收体,采用数字示波器记录干扰波形的最大幅值和单个脉冲的最大强度,通过与标准干扰发生器感应到HBYV非双绞2芯线上的干扰信号大小进行比较,确定干扰强度。以瞬变脉冲群干扰强度和浪涌干扰强度的测量为例,详细介绍了该方法的具体实现。
关键词：工业环境,干扰源,感应干扰,传导干扰,干扰测量,测量方法
参考文献
[1]孙继平,冯德旺,郑召文,等.电快速瞬变脉冲群对矿井大巷电磁辐射环境的影响[J].北京理工大学学报,2009(4):58-60,77.
[2]孙继平,郑召文,冯德旺,等.浪涌对矿井水泵房电磁环境的影响[J].煤炭学报,2010(2):175-178.
[3]孙继平,王福增.煤矿井下中央变电所内电磁干扰测试及分析[J].工矿自动化,2010(4):4-6.
[4]孙继平,任锦彪,冯德旺,等.煤矿井下变电所电气设备电磁辐射特性的测试[J].煤炭学报,2010(5):160-163.
[5]王华平.单片机电磁干扰噪声抑制及优化方案[J].工矿自动化,2011(5):26-30.
[6]王定华,赵家升.电磁兼容原理与设计[M].成都:电子科技大学出版社,1995:34-113.
[7]BS DD CLC/TS50217—2005Guide for in Situ Measurements-In Situ Measurement of Disturbance Emission[S].
[8]李敬怡.传导干扰测试系统的研究与设计[D].北京:北京交通大学,2008.
[9]颜伟,赵阳,陆婋泉,等.传导电磁干扰综合测量与分析系统[J].东南大学学报:自然科学版,2009(增刊2):36-41.
[10]魏克新,张海梅,梁斌.电源线传导电磁干扰测试方法的研究[J].华东电力,2010(9):54-58.
工业硫磺酸度测量不确定度的评估 篇9
1 测量方法与数学模型[1]
(1)测量依据:
GB/T2449-2006《工业硫磺》,GB/T601-2002《化学试剂标准滴定溶液的制备》中氢氧化钠标准溶液的制备。
(2)被测对象:
工业硫磺。
(3)环境条件:
温度为(20±5)℃。
(4)测量过程:
使用5 mL移液管和50 mL容量瓶将浓度为0.5 mol/L的氢氧化钠标准溶液稀释到0.05 mol/L。用天平秤取样m=25 g两份,分别置于锥形瓶中,加入异丙醇和水后,摇振20分钟后,用稀释后的氢氧化钠标准溶液滴定至终点,分别消耗标准溶液V1=0.39 mL、V2=0.38 mL,同时做空白试验,消耗稀释后的氢氧化钠标准溶液V0=0.09 mL。
1.2 数学模型
式中:X——样品的酸度(以H2SO4计),质量分数/%
V0 ——滴定空白所消耗的氢氧化钠标准溶液体积,mL
V1——滴定样品所消耗的氢氧化钠标准溶液体积,mL
C——氢氧化钠标准溶液的浓度,mol/L
m——所称量样品的质量,g
w2——测得硫磺水分,质量分数/%
M——硫酸的摩尔质量
2 不确度的来源识别
图1的因果关系图标明了不确定度的有关来源。
3 测量不确度的评定[2]
3.1 输入量m的标准不确定度分量u(m)的评定
称取样品25 g,所用天平校准证书给出的U99rel=0.2%,kp=2.576,则不确定度u=0.08 mg,按均匀分布标准不确度
3.2 标准溶液浓度C的标准不确定度u(c)的评定
已知氢氧化钠标准溶液的浓度为0.50000 mol/L,其扩展不确定度U=0. 00020 mol/L,k=2,使用5 mL移液管和50 mL容量瓶将浓度稀释到0.05000 mol/L。标准溶液浓度C的标准不确定度u(c)的主要来源于标准溶液的配制,稀释所用移液管、容量瓶体积读数的重复性、容量的最大允许误差和温度偏离校准温度带来的影响。将各不确定度分量汇总为表1的Excel电子表格[4],在WORD里插入Excel电子表格。
从表1中得出: u(c)=0.000113 mol/L。
3.3 滴定样品所消耗的标准溶液体积V1的标准不确定度u(v1)的评定[3]
输入量V1的不确定度有二个来源:①滴定用10 mL滴定管为A级,其容量最大允许误差为±0.025 mL,即分散区间半宽为a=0.025 mL,服从均匀分布,
3.4 滴定空白所消耗的标准溶液体积V0的标准不确定度u(v0)的评定[3]
输入量V0的不确定度有:①滴定用10 mL滴定管为A级,其容量最大允许误差为±0.025 mL,即分散区间半宽为a=0.025 mL,服从均匀分布,
3.5 样品重复测定引入的标准不确定度uR的评定[3]
由于平行测定二次,n=2,极差R=(V2-V1)mL=(0.39-0.38)mL,查极差系数表得,C=1.13,实验标准偏差s=R/C,由于取两次滴定的平均值作为测量结果,则平均值的标准不确定度
4 合成标准不确定度及扩展不确定度的评定
利用Excel电子表,在B2~B8单元格中输入各不确定度的来源;在C2~C9和D2~D9单元格中输入各分散区间的半宽及其包含因子;在E2~E9单元格输入公式u=a/k;在F列是计算u(y,xi)的,该列数据分别是用[xi+u(xi)]和xi 计算出来的y之差。将各不确定度分量汇总为表2。
从表2中可以直接得出硫磺酸度的结果及扩展不确定度:
X=(0.0029±0.0004)质量分数/%,(K=2)
5 讨 论
前文所做的评定,是严格按照《工业硫磺》方法酸度测量要求进行的,与生产实际较接近,因此评定的不确定度较大,测量结果可靠性不高。在研究中发现,滴定管带来的不确度分量比较大,解决这一原因有两种方法:一是增加标准溶液的消耗量;二是使用精准度更高的滴定管。
5.1 增加标准溶液的消耗量
把0.5 mol/L的氢氧化钠标准溶液稀释到0.01mol/L,使用5 mL移液管和250 mL容量瓶,只需在表1标准溶液稀释结果及其不确定度分量汇总电子表格里更改单元格C7、C8及D10的数值即可得到稀释后标准溶液的不确度(见表3)。
稀释后溶液浓度的标准不确定度u(c)2=0.000022 mol/L,稀释倍数增加后,稀释后标准溶液的不确度减小。
更改表3硫磺酸度测量结果及不确定度分量汇总的计算电子表格的单元格E3、F10,用0.01 mol/L标准溶液滴定时样品消耗标准溶液的量输入到单元格B11、D11、F11,见表4。
从表4里可以直接得出增加标准溶液稀释倍数后,硫磺酸度的结果及扩展不确定度:
X=(0.0029±0.0001)质量分数/%,(K=2)
5.2 使用精准度更高的滴定管
依据消耗标准溶液的体积,选用1 mL的微量滴定管,其MPE为0.010 mL,最小刻度为0.01 mL,在表3硫磺酸度测量结果及不确定度分量汇总的计算电子表格的单元格C4、C6、C8,内输入相应的值,见表5即可以得到U=0.0002。
硫磺酸度的结果及扩展不确定度:
X=(0.0029±0.0002)质量分数/%,(K=2)
6 结 论
通过比较得知,增加稀释标准溶液的倍数,可以提高硫磺酸度测定的准确度,对减小硫磺酸度结果的不确定度效果最明显。应用Excel表的功能,使评定测量不确度的计算变的简捷、快速。
硫磺酸度结果报告为:
X=(0.0029±0.0001)质量分数/%,
参考文献
[1]GB/T2449-2006《工业硫磺》.
[2]JJF1059-1999测量不确定度评定与表示[S].
[3]范巧成.Excel在测量不确定度评定中的应用[J].理化检验:化学分册,2009,45(8):931-935.