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1、 “大型设备及设施关键量在线计量技术的研究”项目获“国家质量基础的共性技术研究与应用”重点专项支持 王为农 位恒政 中国计量科学研究院 2017 年 7 月, 由中国计量科学研究院牵头, 联合十二家单位联合申报的“大型设备及设施关键量在线计量技术的研究”项目获得“国家质量基础的共性技术研究与应用”重点专项 (简称 NQI 专项) 支持。该项目以机械产品的几何量和力学量, 以及大型设施的热量、环境辐射量和形变量作为研究对象, 研究解决现场复杂环境条件下的溯源难题, 探索现场校准服务的新模式, 为各行业机械产品制造中的大型测量设备、大型设施的监测仪器提供在线校准的技术支撑。随着全社会对质量要求和环
2、保、安全标准要求的提升, 对用于质量控制和设施监测的数据准确度要求也越来越高, 对计量溯源提出了更高的要求。传统的校准技术要求测量仪器、设备送到实验室进行校准, 而大型测量设备及设施中的监控设备, 往往不能移动或拆卸, 需要计量服务位置前移, 提供在线计量服务。实验室校准方法往往不能直接适用于在线校准需求, 需要针对现场的复杂环境条件, 开展在线校准技术研究势在必行。本项目在大型测量设备在线计量技术的研究中, 针对机械产品生产线中典型的几何量和力学量测量设备的校准需求, 开展坐标测量机、多种力学传感器及设备现场校准技术研究;在大型设施计量设备和监测仪器在线计量技术的研究中, 针对大口径热水管道
3、、核电站及桥梁等大型设施中的计量设备或监测仪器全寿命周期不便拆卸的特点, 研究现场校准用标准器和校准技术。项目研究任务的设置如图 1 所示。以坐标测量机为代表的大型三维测量设备广泛应用在高端制造领域, 产品质量的提升对测量结果的不确定度要求越来越高。考虑到现场测量过程中误差源的复杂性, 需要针对具体的测量任务来分析测量结果的不确定度。面向任务的测量不确定度评价是一个非常复杂的过程, 现有方法对操作人员能力要求很高。通过开展的测量审核工作发现, 目前靠操作人员进行测量结果的评估, 正确评估率比较低。以坐标测量机为研究对象, 建立坐标测量机数字模型;研制坐标测量机现场校准用标准器及装置, 建立多不
4、确定度来源的坐标测量机误差分离方法;研究利用蒙特卡洛方法进行面向任务测量不确定度的数值评估技术;研究建立基于“互联网+”的三维坐标测量设备的溯源服务体系, 解决几何量坐标测量技术应用中多不确定度来源导致测量结果的不确定度与任务相关的校准问题, 推动高端机械产品质量的快速提升。项目成果将建立基于“互联网+”的三维测量设备溯源服务体系, 构建三维测量设备面向任务测量不确定度服务平台, 可有效解决用户测量不确定度评价问题, 应对国际标准的实施, 并在一定程度上减小溯源链, 实现量值溯源的扁平化, 具有良好的经济和社会效益。图 1 项目研究任务的设置 下载原图力学量及力学传感器在大型设备设施中应用广泛
5、, 但是目前普遍存在缺少在线溯源手段的问题。依据指南选取具有代表性的力学量, 开展动态力值、扭矩、超声振动模态在线校准技术和液体密度测量技术的研究, 建立力学传感器在线校准新模式。研究内容包括:研究力值传感器动态特性和影响量, 减小正弦力溯源到静态力的误差, 研制正弦力在线校准装置;采用质量和加速度分步溯源实现冲击力在线校准, 研制冲击力在线校准装置;研究现场扭矩拧紧设备多通道校准方法、研究螺栓模拟器模拟方法、研制螺栓模拟器, 研制扭矩在线校准装置;自主研制二维分量二波混合干涉仪装置, 建立基于激光干涉的超声传感器振动模态在线校准装置;搭建液体密度测量系统, 实现多个参数 (温度、压力等) 及
6、多种状态 (静态, 动态) 的密度测量研究。项目成果将建立覆盖动态力、扭矩、超声、液体密度的力学传感器及设备的在线校准装置, 为大型设备及设施的力学量在线校准提供准确可靠的溯源手段, 如疲劳试验机、冲击试验机、多轴扭矩拧紧设备、设备设施中的超声传感器、液体密度计等;为材料及产品质量控制、制造装配业、设备设施无损检测、石油石化贸易、食品药品生产、新能源能效分析等多个领域提供计量支撑;为全面建设面向各行各业的力学在线校准服务体系打下基础。针对大型设备及设施关键量在线计量技术在几何量、力学量等方面的在线计量需求, 基于工业机器人技术、多传感器数据融合技术、微弱信号特征值提取技术, 建立一条汽车盘式制
7、动器装配生产线。利用项目中研究的在线溯源技术成果, 进行性能改进和提升。为三维测量设备、力学参数测量仪器等的在线校准方法研究提供试验平台。城市供水供热主干管道中用于热量贸易交接的流量和温度仪表, 大量存在无法拆卸送检、量值无法溯源的问题, 对在线校准提出了迫切的需求。研究内容包括:研究大口径热水管道中流量的在线校准方法, 研制基于插入式多声道超声时差法的便携水流量在线校准装置, 开发适应现场复杂流场条件的平均流速计算模型, 发展流速和面积分别溯源的现场数据溯源手段, 辅以方便可靠的现场安装技术, 实现现场流量仪表的在线校准;研究大口径热水管道温度的在线校准方法, 研制基于温标固定点传递技术的便
8、携式现场多固定点比较标定装置, 以及与温度固定点直接结合的自校准温度传感器, 实现现场温度仪表的在线校准。项目成果可用于解决城市供热主干管道中热量贸易交接的流量和温度仪表的量值准确性, 避免出现贸易纠纷, 具有良好的社会效益, 也可为中国计量科学研究院及国家带来明显和直接的经济效益, 提高中国计量院在供水供热行业的影响力。传感器形变监测系统与大型建筑设施的建造同时形成, 监测传感器与设施结构安装紧密, 如桥梁形变监测是以动态连续的数据来分析并及时感知桥梁健康状况, 形成全生命周期桥梁状态演变大数据, 桥梁全寿命周期大于 50 年, 监测系统传感器寿命周期为 57 年, 因此, 存在更换传感器,
9、 变形数据丢失问题, 需突破桥梁全寿命周期内应变形变连续准确监测数据的技术瓶颈。针对大型建筑设施监测系统的计量需求, 研究大型建筑设施监测系统的计量溯源装置及方法, 实现大型建筑设施监测系统数据的计量溯源, 保证其数据的可靠性, 为大型建筑安全服役提供技术支撑, 促进大型建筑设施变形监测市场良好有序发展, 提高大型建筑设施安全监控水平。研究内容包括:基于多参数实验模型, 共激励条件下多源数据动态分析在线校准技术, 研究应变监测传感器计量特性及计量溯源方法, 以及利用大数据平差综合分析实现全球卫星定位自动监测系统的在线校准方法, 解决大型建筑设施全寿命周期内形变监测系统的计量校准问题。项目成果将
10、形成一套完整的形变监测系统在线校准溯源体系, 提高大型建筑设施变形监测信息的可靠性和有效性, 确保安全、验证设计、预防灾害。为大型建筑设施寿命周期安全运行建立科学的管理系统提供技术保障, 满足安全防范、实时预警的高要求, 及时掌握建筑物的动态, 把事故消灭于未然。保证大型建筑设施长期运行的安全质量, 预防灾害、避免重大经济损失。在科学的意义上, 更好地理解变形的机理, 验证大型建筑设施工程设计的理论, 进行反馈设计, 以及建立有效的变形预报模型, 为测量、工程地质、水文、结构力学、地球物理、计算机、通信等诸多学科提供科学数据信息。核设施周边环境 辐射水平以及反应堆含氚碳的放射性流出物的连续监测
11、, 可为核设施/反应堆放射性物质释放量的评估、暴露人群所受辐射剂量及其健康风险的估算提供数据支持, 是保障核安全的重要手段。为满足核设施/反应堆中大量使用的固定式 剂量监测仪表和放射性氚碳监测仪表现场校准的计量需求, 解决当前固定式 剂量监测仪表和放射性氚碳监测仪表主要在校准实验室中进行, 而现场实际测量环境与实验室标准条件差异较大, 难以满足实际计量需求的问题, 研究内容包括:开展固定式环境 射线剂量和氚碳流出物监测仪表在线溯源技术研究, 利用蒙卡模拟计算, 优化设计便携式剂量校准装置和液闪TDCR 测量装置, 进行实验室测量验证和在线现场测量验证, 建立固定式环境 辐射剂量监测仪表现场校准
12、装置和便携式液闪 TDCR 校准装置。项目完成后, 将建立较为完整的适用于大型核设施/反应堆安全运行和事故预警用的固定式环境 辐射剂量仪表和放射性氚碳核素流出物监测仪表的现场校准溯源链条, 通过开展现场校准, 为核设施监控的准确可靠提供技术保证, 提高核设施利用率, 为大型设施的安全运行提供必要的计量保障。项目研究所建立的测量方法将通过计量校准规范的制修订, 以及校准技术培训等方式, 实现推广应用。项目成果将使我国在大型核设施防护监控方面的计量能力取得长足进步, 达到或接近国际先进水平, 对保障相应科研、工农业生产等领域的技术发展和推进计量技术进步都具有十分重要的意义。项目团队集合了国内相关领
13、域的国家级研究院所、大学、省市级计量研究院和公司等 13 个单位, 专家和技术骨干 69 人。其中, 中国计量科学研究院基于研究成果, 在坐标测量技术、力学传感器校准、流量、温度、密度、电离辐射等实验室校准方面, 建立了国家计量基准、标准数十项, 获得国际互认的校准测量能力 200 余项, 为开展相关领域测量设备的在线校准研究奠定了基础;中国辐射防护研究院、交通运输部公路科学研究所长期开展核设施安全监测, 道路、桥梁变形和安全技术研究;中国计量大学为我国计量行业培养了大批计量技术人才, 并在技术应用和推广中取得了丰硕成果;上海、重庆等省、市、自治区计量院长期从事计量技术研究和量值传递工作, 具有丰富的实践经验。为项目的顺利完成奠定了基础。
