CN100465587C - 独立于泵特性的低压损微流量计量装置 - Google Patents

Abstract

本发明是独立于泵特性的低压损微流量计量装置，其结构是微压差传感器的两个压力输入端分别通过第一塑料软管、第二塑料软管接到第一个三通阀门和第二个三通阀门，两个三通阀门之间通过第三塑料软管连接，支撑台架保持微压差传感器的两个压力输入端在一个水平面上以及第三塑料软管笔直。优点：具有低压损、高精度，可在线使用的优点。且本发明是在独立于电机特性的基础上对微流量流体进行计量，所以在使用过程中不必担心因电机的特性发生变化而影响计量精度。有效地解决了微流量计量上关于压力损失大、精度不高的问题，采用在线测量、闭环控制的方法为微流量流体计量领域提供了一种精度高、综合性能高并可独立于电机特性的微流量流体计量装置。

Description

独立于泵特性的低压损微流量计量装置

技术领域

本发明涉及的是一种可用于在线精确供油场合的独立于泵特性的低压损微流量计量装置。属于微流量液体计量技术领域。

背景技术

随着微电子机械工业的飞速发展，对微流量流体的精确计量在石油化工工业、医学制药工业、航空航天工业等很多行业都起有至关重要的作用。

目前国内外对微流量流体的计量研究主要从两个方面入手。一个方面是对微流量流体的驱动源进行研究。微流量流体通常采用微型泵对其进行输送，当泵的具体型号选定以后流体的流量主要由微型泵的转速、泵的出口压力决定。在很多情况下，微型泵的转速不容易控制也不方便测量，并且带动电机的特性可能会随着工作时间的持续而发生变化，这些都会导致计量的不精确。另一个方面是直接对流体的流量进行在线测量研究，这需要采用精确度高且压力损失很小的流量计。目前市场上的微流量计存在着很多不足，如测量结果的精度不够高、压力损失过大、产品的工艺要求及生产成本过高等等。

发明内容

本发明的目的旨在通过流体力学原理来实现对微流量流体的在线闭环计量，提出了一种独立于泵特性的低压损微流量计量装置。具有压损低、计量精度高且独立于泵特性等特点。

本发明的技术解决方案：其特征是与泵控制器、输送泵相串接的计量段，由微压差传感器、第一个三通阀门、第二个三通阀门、第一塑料软管、第二塑料软管、第三塑料软管和支撑台架组成，其中微压差传感器的两个压力输入端分别通过第一塑料软管、第二塑料软管接到第一个三通阀门和第二个三通阀门，两个三通阀门之间通过第三塑料软管连接；所述的第一个三通阀门与第二个三通阀门间的第三塑料软管的内径为2.4毫米，当计量的流体为航空煤油，流体的流量范围为20ml/min～300ml/min；所述的流体的流量是借助MATLAB软件，对实验数据进行二次曲线拟合，得到反映压差与流量之间关系的二次曲线方程，通过曲线方程，当压差被测量出来后，流量也随之可由方程求出；所述的计量段是对当前的流量进行在线测量，并把测量出来的实际流量反馈给泵控制器。泵控制器根据期望流量与实际流量之间的偏差对输送泵进行闭环控制，以实现对流量的精确计量。

本发明的优点：泵控制器以一片PIC18F252单片机为核心，根据期望流量与实际流量之间的偏差对输送泵进行闭环控制，以实现对流量的精确计量。具有低压损、高精度，可在线使用的优点。在独立于电机特性的基础上对微流量流体进行计量，所以在使用过程中不必担心因电机的特性发生变化而影响计量精度。从而有效解决了微流量计量上关于压力损失大、精度不高的问题，采用在线测量、闭环控制的方法为微流量流体计量领域提供了一种精度高、综合性能高并可独立于电机特性的微流量流体计量装置。

附图说明

附图1是本发明的原理框图。

附图2是计量段结构图。

附图3是泵控制器功能模块图。

附图4是独立于泵特性的低压损微流量计量装置实验效果图。

图中的W_r是期望流量、W是实际流量、e_wr是期望流量与实际流量之间的偏差、1是第一个三通阀门、2是第二个三通阀门、3是第一塑料软管、4是第二塑料软管、5是第三塑料软管、6是微压差传感器6。

具体实施方式

对照附图1，其结构是泵控制器PI与输送泵、计量段依次串接。

计量段是对当前的流量进行在线测量，并把测量出来的实际流量反馈给泵控制器。泵控制器根据期望流量与实际流量之间的偏差对输送泵进行闭环控制，以实现对流量的精确计量。

对照附图2，其结构是与泵控制器PI与输送泵相串接的计量段，由微压差传感器6、第一个三通阀门1、第二个三通阀门2、第一塑料软管3、第二塑料软管4、和第三塑料软管5和支撑台架组成，其中微压差传感器6的两个压力输入端分别通过第一塑料软管3、第二塑料软管4接到第一个三通阀门1和第二个三通阀门2，两个三通阀门1、2之间通过第三塑料软管5连接，支撑台架保持微压差传感器6的两个压力输入端在一个水平面上以及塑料软管笔直。

首先将第一塑料软管、第二塑料软管的一端接到微压差传感器上，然后将第一塑料软管、第二塑料软管的另一端接到第一个三通阀门、第二个三通阀门上。

微压差传感器6，可采用霍利威尔公司的DC-Series型微压差传感器。该传感器量程为0～1000Pa，采用7伏至30伏直流电源供电，输出为0.5伏至4.5伏的直流电压信号。具有体积小、反应灵敏、测量精度高的优点。

对照附图3，泵控制器的核心为一片PIC18F252单片机，有核心控制器、测量模块、显示模块、控制驱动模块，核心控制器的三个输出端分别与测量模块、显示模块、控制驱动模块的输入端对应相接。

测量模块，核心控制器PIC18F252单片机通过其自带的A/D采集通道对微压差传感器输出的电压信号采集。

显示模块，核心控制器PIC18F252单片机内的控制算法将测量到的电压信号转化成当前的流量值，并对其加以显示。

控制驱动模块，核心控制器PIC18F252单片机根据反馈回来的当前流量与期望流量之间的偏差对输送泵进行闭环控制。

实施例，对微型涡喷发动机的燃油进行计量：

计量的流体为航空煤油，流体的流量范围为20ml/min～300ml/min。计量段中的两个三通阀之间的塑料软管内径为2.4毫米。根据已知的流体物理属性、流量范围、管道内径由流体力学中雷诺数计算公式( $\mathrm{Re}=\frac{\mathrm{\ρVd}}{\mathrm{\μ}}$ )可以判断出管道中的流体为层流流动。

在判断出层流的基础上，管道长度的选择可由流体力学公式 $l=\frac{\mathrm{\Δp\π}{d}^4}{128\mathrm{\μQ}}$ 计算，其中l表示管道的长度，Δp表示两个三通阀之间的微压差，d表示塑料软管的内径，μ表示流体的粘度，Q表示流量的流量。为了使得流体的流量范围与微压差传感器的量程范围相匹配，管道的长度选为12厘米。

在装置的硬件结构确定的情况下，为了进一步提高计量的精确度，需要对装置进行实验标定。具体步骤如下：

1)利用量筒与秒表，分别测量出计量段的压差在100pa、200pa、300pa、400pa、500pa、600pa、700pa、800pa和900pa时所对应的燃油流量。

2)借助MATLAB软件，对实验数据进行二次曲线拟合，得到反映压差与流量之间关系的二次曲线方程。通过曲线方程，当压差被测量出来后，流量也随之可由方程求出。

3)用C语言编程实现通过压差求流量的算法，并将代码移植到泵控制器中的PIC18F252单片机中。

采用了独立于泵特性的低压损微流量计量装置后，微型涡喷发动机的燃油计量精度有了显著提高。其实验效果图如图4所示，从图4中可以看出，没有采用独立于泵特性的低压损微流量计量装置前，原先的供油曲线与直线y＝x的图象有相当的偏差，这说明油泵的实际供油量与供油需求量存在相当的偏差。采用了独立于泵特性的低压损微流量计量装置对流量进行在线闭环控制后，现在的供油曲线与直线y＝x的图象几乎重合，这说明油泵的实际供油量很接近于给定的供油需求量。

Claims (2)

1、独立于泵特性的低压损微流量计量装置，用于计量航空煤油的流量，其流量范围为20ml/min～300ml/min，其特征是与泵控制器、输送泵相串接的计量段，由微压差传感器、第一个三通阀门、第二个三通阀门、第一塑料软管、第二塑料软管、第三塑料软管和支撑台架组成，其中微压差传感器的两个压力输入端分别通过第一塑料软管、第二塑料软管接到第一个三通阀门和第二个三通阀门，两个三通阀门之间通过第三塑料软管连接；所述的第一个三通阀门与第二个三通阀门间的第三塑料软管的内径为2.4毫米；所述的流体的流量是借助MATLAB软件，对实验数据进行二次曲线拟合，得到反映压差与流量之间关系的二次曲线方程，通过曲线方程，当压差被测量出来后，流量也随之可由方程求出；所述的计量段是对当前的流量进行在线测量，并把测量出来的实际流量反馈给泵控制器，泵控制器根据期望流量与实际流量之间的偏差对输送泵进行闭环控制，以实现对流量的精确计量。

2、根据权利要求1所述的独立于泵特性的低压损微流量计量装置，其特征是依次将第一塑料软管、第二塑料软管的一端接到微压差传感器上，另一端接到第一个三通阀门、第二个三通阀门上。

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