變壓力耐受質(zhì)量流量計(jì)
作者：龔婭 黃鈺誠 覃思博 蔡坤鵬（能源與動(dòng)力工程系）
指導(dǎo)老師：張揚(yáng) （能源與動(dòng)力工程系）
關(guān)鍵詞：音速阻塞 自動(dòng)控制 變壓力耐受 多量程 高精度 低成本
摘要
本氣體流量控制裝置基于“音速阻塞”原理設(shè)計(jì)，將質(zhì)量流量控制轉(zhuǎn)化為壓力控制過程；采用機(jī)械自動(dòng)控制，在壓力波動(dòng)環(huán)節(jié)依然可以實(shí)現(xiàn)精確控制流量；利用新型結(jié)構(gòu)在保證控制精度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了量程段的拓展。
1 研制背景
氣體流量控制器是能源、環(huán)保、化工、醫(yī)藥、航空航天等領(lǐng)域不可缺少的重要設(shè)備，其精度、穩(wěn)定性等對科學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性、工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量具有重要影響，同時(shí)對于節(jié)能減排的推進(jìn)具有實(shí)質(zhì)性的貢獻(xiàn)和顯著效果。已有的質(zhì)量控制裝置大多只適用于穩(wěn)定壓力條件，流量計(jì)上下游壓力變化時(shí)流量控制會產(chǎn)生較大誤差。
2 設(shè)計(jì)思路
2.1氣路部分
利用“音速阻塞現(xiàn)象”解決下游壓力波動(dòng)問題。一維等熵的連續(xù)流動(dòng)，假定噴嘴各截面的參考狀態(tài)參數(shù)相同，則臨界壓力
。環(huán)境背景壓力Pb ≤P*時(shí)，出口處為聲速，出口后產(chǎn)生膨脹波且降壓至與環(huán)境壓力匹配，出現(xiàn)“音速阻塞”，下游壓力波動(dòng)無法向上游傳播且有：
式中γ-絕熱指數(shù)，R-理想氣體常數(shù)，A*-噴嘴喉部面積，T0-環(huán)境溫度。
利用減壓閥的結(jié)構(gòu)特性解決上游壓力波動(dòng)問題并調(diào)節(jié)壓力，做到控制流量。
采用多通閥（三通閥）的新型結(jié)構(gòu)拓展量程，在保證控制精度的同時(shí)在單套裝置上實(shí)現(xiàn)了多量程可選。
圖1 裝置連接示意圖
2.2 電路部分
引入自動(dòng)控制和人機(jī)交互界面，利用單片機(jī)完成流量的自動(dòng)精確控制。輸入目標(biāo)流量對應(yīng)的電壓值（0-2V對應(yīng)0-300psi，壓力和流量函數(shù)關(guān)系對應(yīng)），控制端讀取信號并利用函數(shù)關(guān)系完成目標(biāo)輸入的轉(zhuǎn)換。氣體狀態(tài)通過壓力傳感器采集并輸出一個(gè)4-20mA的信號，對應(yīng)0-300psi的壓力，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)化成0-5V的電壓，控制端獲取該信號并利用標(biāo)定的壓力-電壓函數(shù)關(guān)系完成傳感器輸入的轉(zhuǎn)換?？刂贫私Y(jié)合試驗(yàn)標(biāo)定的氣體壓力-質(zhì)量流量數(shù)據(jù)進(jìn)行PID調(diào)節(jié)并輸出信號給電機(jī)完成減壓閥閥門的運(yùn)動(dòng)控制進(jìn)而自動(dòng)完成流量控制達(dá)到指定流量。
圖2 自動(dòng)控制及人機(jī)交互電路圖
3 優(yōu)勢及創(chuàng)新
1) 低成本、大量程、變壓力耐受、高精度、氣體適應(yīng)性廣、帶自動(dòng)控制；將流量控制簡化為壓力控制。
表1 標(biāo)定氣體流量與壓力的線性關(guān)系及R值
表2 不同氣體流量控制裝置的成本比較
2) 集成度高，操作簡單；采用PID整定，響應(yīng)快、控制精度高，且很好地解放了人力。
3) 市場潛力大，推廣可行性高。
圖3 整體裝置
裝置正面 裝置左側(cè) 裝置右側(cè)
圖4 產(chǎn)品實(shí)物圖
圖5 設(shè)備集成效果圖 圖6 設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型圖
