變壓力耐受質(zhì)量流量計
作者：龔婭 黃鈺誠 覃思博 蔡坤鵬（能源與動力工程系）
指導老師：張揚 （能源與動力工程系）
關(guān)鍵詞：音速阻塞 自動控制 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，將質(zhì)量流量控制轉(zhuǎn)化為壓力控制過程；采用機械自動控制，在壓力波動環(huán)節(jié)依然可以實現(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實現(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)定性等對科學實驗結(jié)果的可靠性、工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量具有重要影響，同時對于節(jié)能減排的推進具有實質(zhì)性的貢獻和顯著效果。已有的質(zhì)量控制裝置大多只適用于穩(wěn)定壓力條件，流量計上下游壓力變化時流量控制會產(chǎn)生較大誤差。
2 設(shè)計思路
2.1氣路部分
利用“音速阻塞現(xiàn)象”解決下游壓力波動問題。一維等熵的連續(xù)流動，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，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在單套裝置上實現(xiàn)了多量程可選。
圖1 裝置連接示意圖
2.2 電路部分
引入自動控制和人機交互界面，利用單片機完成流量的自動精確控制。輸入目標流量對應的電壓值（0-2V對應0-300psi，壓力和流量函數(shù)關(guān)系對應），控制端讀取信號并利用函數(shù)關(guān)系完成目標輸入的轉(zhuǎn)換。氣體狀態(tài)通過壓力傳感器采集并輸出一個4-20mA的信號，對應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)合試驗標定的氣體壓力-質(zhì)量流量數(shù)據(jù)進行PID調(diào)節(jié)并輸出信號給電機完成減壓閥閥門的運動控制進而自動完成流量控制達到指定流量。
圖2 自動控制及人機交互電路圖
3 優(yōu)勢及創(chuàng)新
1) 低成本、大量程、變壓力耐受、高精度、氣體適應性廣、帶自動控制；將流量控制簡化為壓力控制。
表1 標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
