[科普中国]-在线测量

在线测量，原本指的是在工业生产线上进行的测量。后来，随着时代的前进和现实需求的不断提高，逐渐突破了传统的范畴，扩展为包括工程和科学研究乃至生活过程中所进行的一切实时或准实时测量。

简介在线测量，原本指的是在工业生产线上进行的测量。后来，随着时代的前进和现实需求的不断提高，逐渐突破了传统的范畴，扩展为包括工程和科学研究乃至生活过程中所进行的一切实时或准实时测量。

在相当长的历史时期内，测量基本上是静态的，即被测对象在测量过程中不变化或没有明显的变化；同时，测量大多是“离线”的，而不是“在线”的，即不是在生产、科研或工程进行过程中实现的。随着时代的前进，这种传统的测量方式已越来越不能满足科技、生产和社会发展的需要。比如，对于工业生产，离线的静态测量只能对原材料、零部件和成品分别进行检测，而对生产加工过程则无能为力。如果能在生产线上对生产过程加以监测，即进行所谓“在线测量”，则不仅可以降低消耗、减少成本、增加产量、提高效益，而且还可以保证产品的质量、增强产品的竞争力。另外，在线测量还能随时监测和诊断甚至进而排除生产设备的潜在故障，使生产系统处于最佳的运行状态。

对于科研、医疗保健和国防等诸多领域，在线测量同样具有相当重要的意义。例如，在新材料的研究中，对相变过程的检测便需要在线测量；在医疗诊断过程中，用便携式动态心电监护仪检测心脏的活动情况，也属于在线测量；在火箭的发射和运行中，对其推力、轨道参数等的监测和控制，更需要在线测量。

国际上，上60年代后期开始，在线测量便引起了人们的关注。这一方面是由于科技、生产和社会发展的需要，尤其是质量和效益的挑战；另一方面则是由于传感器技术、微型计算机技术、自动控制技术和图像识别技术等的进展，未在线测量的实现提供了必要的条件。1974年召开的第一次在线测量国际会议，进一步引起了全世界各国的普遍关注，对在线测量技术的开发与应用起了有力作用。近年来，除继续召开专门的在线测量国际会议外，几乎所有计量测试、仪器仪表方面的会议，都不同程度的涉及到在线测量，有些甚至明确的将在线测量列为重要的议题。

如今，在线测量技术已经成为现代计量测试的一个重点发展领域，不断取得新的进展，对科技、生产和社会的发展将会产生更加显著的影响。1

钻井液性能自动化在线测量研究简介钻井作业尤其是海洋钻井成本很高，有必要对施工细节进行优化。钻井液在钻井中的作用极为关键，具有携带岩屑、稳定井壁和传输信号等诸多功能。近50年来，钻井液性能控制一直受到业内人士的关注，在井下和地面对几个钻井参数进行在线测量能够预测并诊断施工中出现的问题。钻井自动化已成为现实，如自动化装卸钻杆、控制起下钻操作等，但钻井液性能数据主要来自于人工测量，钻井液样品要经过收集、运输、处理及分析，然后才得到性能报告。人工测量不利于分析流体特性中预期问题的影响，而且还不能正确表征温度和压力对钻井液性能的影响。随着钻井自动化的不断发展，在大多数的海洋钻井中都配备有实时井下传感器，从而可使用实时诊断系统预测井下复杂情况。2008年，saasen等用自动化钻井流动回路进行了一项试验，所用传感器为自行研发或由供应商处购入。试验过程中采集到了一些在线数据，包括钻井液流变性、电稳定性、滤失量、密度、硫化氢浓度、pH值、固相含量和粒径分布。研究发现，基于振动销或超声衰减的简单黏度计不能在预期的剪切速率下准确地测量流体的黏度，电稳定性测量需要专门研发的设备。用科里奥利装置测量了密度，而悬浮固体颗粒浓度是通过离线装置采用X射线技术确定的，并与使用固相蒸馏仪的API方法获得的结果进行了对比，为后续研究奠定了基础。2010年，Broussard等进行了钻井液性能自动化测量现场研究，利用振动U型技术和库艾特黏度计分别测量了密度和黏度，并与标准仪器离线状态下测得的结果进行了对比，结果表明，两种测量值在一定的误差范围内是一致的。2011年，Miller等提供了一口井钻井过程中获得的钻井液密度和黏度实时数据，分析认为，钻井监测过程中，实时在线数据质量得到提高。为了真正实现钻井液性能现场自动化在线测量，里约联邦农业大学与巴西国家石油公司的研究人员利用专门开发的大型自动化钻井液流动回路系统进行了大量试验，在线测量了流变性、密度、油水比、电稳定性（油基钻井液）、电导率（水基钻井液）和粒度分布等性能，并通过与离线测量值对比评价了在线传感器。结果表明，在线测量值与离线测量值基本相符，为油田现场应用提供了大量宝贵的数据。2

试验装备为了对现有的或新设计的钻井液性能在线测量传感器进行测试，里约联邦农业大学与巴西国家石油公司合作，专门设计开发了大型自动化钻井液流动回路系统。该系统由管线、2台泵、3个罐、测试仪器和监控系统组成，罐体积为500L，可实时监测返出钻井液的温度、压力和体积流量，测量钻井液的流变性、密度、电稳定性、电导率和固相含量，并可在较大范围内对不同作业条件下的传感器进行评估。

1、流变性测量仪

原始的流程黏度计是Brookfield公司生产的库艾特黏度计TT-100，该黏度计与FANN35A黏度计一样，能在6种不同的剪切 速率下工作。该黏度计工作压力为0.1014～1.5207Mpa，最高工作温度160°C，体积流量1~3m3/h，主要局限性是固体悬浮物的尺寸，允许固体颗粒的最大直径是1mm。

2、密度测量仪

Metroval公司生产的科里奥利密度计以科里奥利力为基础，不仅能测量密度，还能测量质量流量。该密度计局限性也是固体颗粒的尺寸，允许固体颗粒的最大直径是1mm，并且流体中必须不含气体或气泡。

3、电导率和乳液稳定性测量仪

按照离线标准仪器（FANN 25D）的技术设计，制作了一个专门的传感器样机（EEON）。该样机原理：监视器产生特定的信号并发送到信号放大器，放大的信号被发送到浸入在管路中的探针，由于电压产生电流，样机信息通过模拟信号返回到监视器。样机的结构可以被灵活地调整并改变信号的各个方面，如形式、频率、幅度、电压升高速率等，从而使用户能够探索不同类型电信号对最终电压值的影响。2

结论1）钻井液流变性、密度、电稳定性和电导率以及固相颗粒质量浓度在线评估表明，测量结果与常规离线测量结果基本相符。

2）根据在线评估结果，认为在线传感器可用于油田现场，进行钻井复杂问题的自动化诊断。

3）为了在将来实现钻井自动化，建议对更多的传感器进行在线评估并进行现场试验，以满足现场应用的需要。2

环形机匣在线测量技术简介在航空制造业快速发展的今天，新产品研制的种类越来越多，企业不但追求研制进度和成本，而且更加注重以产品质量来赢得竞争的主动权，这一领域对加工精度和效率提出了越来越高的要求。企业多在成品检验和工序结束环节配备了三座标测量机进行质量控制，即离线检测。而在机床上使用机载测头进行在线测量，既可方便工件的装夹找正，又可减少工件的周转和因超差返修造成的多次装夹时间。同时增加中间环节的质量控制手段，减少了某些特殊工装的设计和制造，可以大大缩短辅助时间，提高生产效率，提高产品的一次合格率，既降低了生产成本，又加快了新产品研制的速度。根据测量结果自动生成误差补偿数据反馈到数控系统，保证工件的加工尺寸和精度，是提高数控机床加工精度和自动化水平的有效方法之一功能应用。

功能1）在线测量

空间尺寸的测量，机匣壳体外环凸台平面至零件回转中心距离尺寸的测量，径向凸台至中心尺寸4510-0.1（4处），将实测 Z 值通过 R 参数读取，验证测量程序正确性。以往在加工的过程中要测量至中心尺寸，需要使用百分表打表检查，先测量转盘中心或者转盘边缘做为参考基准在打表测量凸台尺寸，最后换算出零件至中心尺寸。通过在线测量，使用在线测量点测量程序可以直接测量出至中心尺寸，提高了测量的效率，大大简化了工人的操作难度。

2、刀长补偿功能

通过使用在线测量功能，可以对零件加工位置的实际状态进行测量。可以通过铣刀试切后在线测量并通过指令L766将测量值直接补偿至某刀具长度中，对加工过程中由于刀具磨损较大而影响零件加工尺寸的可以通过该方法及时对刀长以及刀半径进行补偿 ；如果零件尺寸误差是由零件本身状态不好所影响的，可以通过在线测量程序测量实际值并设置 R参数，在将 R参数带入到实际加工程序中的加工方式，实现刀长补偿功能，实现对零件局部尺寸的精确调整与加工。

在航空制造业快速发展的今天，新产品研制的种类越来越多，企业不但追求研制进度和成本，而且更加注重以产品质量来赢得竞争的主动权，这一领域对加工精度和效率提出了越来越高的要求。通过 STC1600机床在线测量功能开发，掌握了基于机床的典型特征的在线测量方法，并应用在线测量对加工中的刀具进行补偿，实现了在线测量对实际加工的反馈机制。根据测量结果自动生成误差补偿反馈到数控系统，保证工件尺寸精度及批量加工尺寸的一致性。在数控机床上进行在线检测是提高数控机床自动化加工水平和保证工件加工精度的有效方法之一。3

在线测量设备的电气安全高精度的工件加工越来越多。手工测量工件，人工成本高，测量的误差大，测量精度达不到要求。高精密度设备操作复杂，检测效率低。因此，催生了在线测量设备。在线测量设备是在不改变或少量改变生产工艺设备的情况下。进行增设加装的。这就要求设备的电气要适用于各种不同的应用场景。电气安全是关系到人员安全、设备好坏、生产是否能正常进行的大事，要作为重中之重抓起、抓紧。要求人们不但要有防范各种电气危险因素，消除电气事故隐患，防止电气安全事故的发生，更为有效保障人们的生命和财产免受损失。

非标在线测量设备的事故分类1、触电事故

人身触及带电体（或过分接近高压带电体）时，由于电流流过人体而造成的人身伤害事故。触电事故是由于电流能量施于人体而造成的。

2、雷电和静电事故

局部范围内暂时失去平衡的正、负电荷，在一定条件下将电荷的能量释放出来，对人体造成的伤害或引发的其他事故。雷击常可摧毁建筑物，伤及人、畜，还可能引起火灾。静电放电的最大威胁是引起火灾或爆炸事故，也会造成对人体的伤害。

3、射频伤害

电磁场的能量对人体造成的伤害，亦即电磁场伤害。在高频电磁场的作用下，人体因吸收辐射能量，各器官会受到不同程度的伤害，从而引起各种疾病。除高频电磁场外，高压的高强度工频电磁场也会对人体造成一定的伤害。

4、电路故障

电能在传递、分配、转换过程中，由于失去控制而造成的事故。线路和设备故障不但威胁人身安全，而且会严重损坏电气设备。以上四种电气事故，以触电事故最为常见。但无论哪种事故，都是由于各种类型的电流、电荷、电磁场的能量不适当释放或转移造成的。在非标在线测量设备设计、安装、维护中应充分分析电气事故原因，采用一切可以应用的方法去杜绝和减少事故的发生。1

避免常见触电事故的措施触电事故是常见的，占电气事故的大部分，因此，研究和探讨触电事故的规律和预防措施是十分必要的。为有效防止触电事故，既要有技术措施又要有组织管理措施，归纳起来有以下几个方面:

1、防止接触带电部件

最常见、最常用的安全措施有绝缘、屏护和安全间距。就防止电击而言，屏护和间距属于防止直接接触电击的安全措施。此外，屏护和安全间距还是防止短路、故障接地等电气事故的安全措施之一。

2、防止电气设备漏电伤人

保护接地和保护接零，是防止间接触电的基本技术措施。

3、保护接地

即将正常运行的电气设备不带电的金属部分和大地紧密连接起来。其原理是通过接地把漏电设备的对地电压限制在安全范围内，防止触电事故。保护接地适用于中性点不接地的电网中，一般设备接地电阻不大于4欧。

4、保护接零

在380/220V三相四线制供电系统中，把用电设备在正常情况下不带电的金属外壳与电网中的零线紧密连接起来。其原理是在设备漏电时，电流经过设备的外壳和零线形单相短路，短路电流烧断保险丝或使自动开关跳闸，从而切断电源，消除触电危险。保护接零适用于电网中性点接地的低压系统中。

5、采用安全电压

IEC提出，由相应的预期接触电压、时间曲线，得出，在干燥条件下接触电压不大于50V时，人体不致发生心室纤颤，因此规定了特低电压不超过50V，安 全特低电压不超过42V。我国标准《安全电设备与自动化压》（GB 3805—83）规定我国安全电压额定值的等级为42 V、36 V、24 V、12 V和6 V，应根据作业场所、操作员条件、使用方式、供电方式、线路状况等因素选用。非标在线测量设备，除了电源供电外，设备中的控制回路和主回路均优先采用相应等级的安全电压，是防止发生触电伤亡事故的根本性措施。通常采用24V电源进行供电。

6、安装漏电保护装置

漏电保护装置，又称触电保安器。在低压电网中发生电气设备及线路漏电或触电时，它可以立即发出报警信号并迅速自动切断电源，从而保护人身安全。漏电保护装置按动作原理可分为电压型、零序电流型、泄漏电流型和中性点型四类。其中，电压型和零序电流型两类应用较为广泛，非标在线测量设备中通采用电流型，常用于电源进向侧保护。

7、合理使用防护用具

在特殊的非标在线测量电气作业中，合理匹配和使用绝缘防护用具，对防止触电事故，保障操作人员在生产过程中的安全健康具有重要意义。

8、实施安全用电组织措施

防止触电事故，技术措施十分重要，组织管理措施亦必不可少。其中，包括制定非标在线测量设备电气安全使用说明书，对操作人员进行安全用电检查、教育和培训，组织事故分析案等。1

本词条内容贡献者为:

李勇 - 副教授 - 西南大学