变压力耐受质量流量计

作者：龚娅 黄钰诚 覃思博 蔡坤鹏（能源与动力工程系）

指导老师：张扬 （能源与动力工程系）

关键词：音速阻塞  自动控制  变压力耐受  多量程  高精度  低成本

摘要

本气体流量控制装置基于“音速阻塞”原理设计，将质量流量控制转化为压力控制过程；采用机械自动控制，在压力波动环节依然可以实现精确控制流量；利用新型结构在保证控制精度的同时实现了量程段的拓展。

1 研制背景

气体流量控制器是能源、环保、化工、医药、航空航天等领域不可缺少的重要设备，其精度、稳定性等对科学实验结果的可靠性、工业产品的质量具有重要影响，同时对于节能减排的推进具有实质性的贡献和显著效果。已有的质量控制装置大多只适用于稳定压力条件，流量计上下游压力变化时流量控制会产生较大误差。

2 设计思路

2.1气路部分

利用“音速阻塞现象”解决下游压力波动问题。一维等熵的连续流动，假定喷嘴各截面的参考状态参数相同，则临界压力。环境背景压力Pb ≤P*时，出口处为声速，出口后产生膨胀波且降压至与环境压力匹配，出现“音速阻塞”，下游压力波动无法向上游传播且有：

式中γ-绝热指数，R-理想气体常数，A*-喷嘴喉部面积，T0-环境温度。

    利用减压阀的结构特性解决上游压力波动问题并调节压力，做到控制流量。

采用多通阀（三通阀）的新型结构拓展量程，在保证控制精度的同时在单套装置上实现了多量程可选。

图1 装置连接示意图

2.2 电路部分

引入自动控制和人机交互界面，利用单片机完成流量的自动精确控制。输入目标流量对应的电压值（0-2V对应0-300psi，压力和流量函数关系对应），控制端读取信号并利用函数关系完成目标输入的转换。气体状态通过压力传感器采集并输出一个4-20mA的信号，对应0-300psi的压力，经过AD转换模块转化成0-5V的电压，控制端获取该信号并利用标定的压力-电压函数关系完成传感器输入的转换。控制端结合试验标定的气体压力-质量流量数据进行PID调节并输出信号给电机完成减压阀阀门的运动控制进而自动完成流量控制达到指定流量。

图2 自动控制及人机交互电路图

3 优势及创新

1) 低成本、大量程、变压力耐受、高精度、气体适应性广、带自动控制；将流量控制简化为压力控制。

表1 标定气体流量与压力的线性关系及R值

表2 不同气体流量控制装置的成本比较

2) 集成度高，操作简单；采用PID整定，响应快、控制精度高，且很好地解放了人力。

3) 市场潜力大，推广可行性高。

图3 整体装置

                    装置正面                                     装置左侧                                                     装置右侧

图4 产品实物图

                        图5 设备集成效果图                                                               图6 设备内部结构模型图