CN103058512B - 一种光纤预制棒制造时控制气态原料流量的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光纤预制棒制造时控制气态原料流量的装置和方法，该装置包括：内液位控制单元，由液位计和比例控制阀组成，通过比例控制阀的控制使液位高度控制在蒸发器容积固定高度处；内液温控制单元，由一个液体温度传感器和蒸发器外加热器组成；内蒸汽压力控制单元，内蒸汽压力P1通过控制化学原料液体的温度来调整；微孔前压力P2控制单元，该单元控制调整前压力P2的值来控制气态化学原料的流量，P2的控制是通过PID控制一个电子针阀开闭的大小实现的；压力传感器，其读取的数值为微孔后压力P3；计算单元，在不同P2压力下，测量在一段时间内液态化学品的使用量，计算气态化学原料流量与微孔前后压力差之间的3次线性方程系数。

Description

一种光纤预制棒制造时控制气态原料流量的装置和方法
技术领域
本发明涉及光纤预制棒制造领域，尤其是涉及一种光纤预制棒制造时控制气态原料流量的装置和方法。
背景技术
随着光通信行业的飞速发展，光纤需求迅速增长，对光纤预制棒制造所需液态化学品气态供应系统要求越来越高，不但需要控制其气态供应量，更需要大容量并能够在单位时间内输出量更大的蒸发系统。
目前使用的液态化学品气态供应系统中，蒸发器一般采用双容器自重开闭法来控制液态化学品的流入量，这种方法容易出现补不进液态原料或补料过度的问题，且蒸发量一般不大。蒸发器一般采用内部加热的方法，由于加热器直接接触化学品，使用一段时间后加热器表面结垢，致使加热效率降低或不能加热；对于气态流量控制一般采用质量流量控制计（MFC）来控制，虽然MFC控制较为精确但它容易发生堵塞现象，维护成本高。
本发明开发的光纤预制棒所用液态化学品气化并定量输送的系统，液体供应部分采用化学品液位计115和比例控制阀102控制液态化学品在蒸发器内的液位，对液体的加热采用非接触式外部加热，同时根据气化量的不同需求，可设计不同容积的化学品罐120；对于气态流量控制采用电子针阀控制微孔110前压力传感器111的值（微孔前压力P2）来实现，大小不同的微孔对应不同流量的量程，维护十分方便。
发明内容
本发明提供了一种光纤预制棒制造时控制气态原料流量的装置，该装置包括：
蒸发器120的内液位控制单元，由液位计115和比例控制阀102组成，通过比例控制阀的控制使液位高度控制在蒸发器容积固定高度处；
蒸发器120的内液温控制单元，由一个液体温度传感器116和蒸发器外加热器121组成，外加热器通过PID控制；
蒸发器120内蒸汽压力控制单元，内蒸汽压力值由化学原料液体的温度和化学原料液
位的高低来决定，由压力传感器117来读取，液位的高度恒定，内蒸汽压力P1通过控制化学原料液体的温度来调整；
微孔110前压力P2控制单元，前压力值由压力传感器111读取，该单元控制调整前压力P2的值来控制气态化学原料的流量，P2的控制是通过PID控制一个电子针阀112开闭的大小实现的；
压力传感器109，其读取的数值为微孔110后压力P3；
计算单元，在不同P2压力下，测量在一段时间内液态化学品的使用量，计算气态化学原料流量与微孔前后压力差之间的3次线性方程系数。
进一步，在微孔前方增加了一个过滤器113。
进一步，为了保证气态化学原料流量的稳定，须满足下面条件：P1>P2>P3。
进一步，沿气体流向气态管道温度逐渐升高。
进一步，液态化学原料通过液态化学品入口进入，经过气动阀101和液体比例控制阀102，再经过手动阀103和106进入蒸发器120；气态化学原料经气动阀114和过滤器113流经电子针阀112。
本发明还提供了一种光纤预制棒制造时控制气态化学原料流量的方法，该方法包括：
步骤（1）在不同微孔前压力P2下，测量在一段时间内液态化学品的使用量；
步骤（2）计算气态化学原料流量与微孔前后压力差之间的3次线性方程系数；
步骤（3）通过电子针阀112控制不同的P2控制获得对应的气态化学原料流量。
进一步，可以通过液体流量计来测量液态化学原料的使用量或者通过测量化学原料缓冲罐一段时间内的重量变化来实现。
进一步，电子针阀112通过PID控制。
进一步，液态化学原料通过液态化学品入口进入，经过气动阀101和液体比例控制阀102，再经过手动阀103和106进入蒸发器120；气态化学原料经气动阀114和过滤器113流经电子针阀112。
根据本发明的装置和方法可以根据需求设计出不同的蒸发量和不同的输出流量，以适应于不同的光纤预制棒制造工艺和高效低成本制造光纤预制棒。
附图说明
图1是根据本发明的装置的电路结构图。
图2是SiCl4流量随微孔前压力P2变化趋势图。
图1中附图标记含义为：101、107、108、114为气动阀，102为比例控制阀，103、104、105、106为手动阀，109、111、117为压力传感器，110为微孔，112为电子针阀，113为过滤器，115为液位计，116为温度传感器，118为蒸发器内气态化学品，119为蒸发器内气态化学品，120为蒸发器，121为加热器。
具体实施方式
以下结合说明书附图及实施例对本发明做进一步说明。
本发明公开的一种光纤预制棒制造所用液态化学品（如SiCl4，SiCl4，BBr3，POCl3等）变为气态并定量输送至反应器的装置如图1所示，主要包括：
（1）蒸发器120内液位控制单元，它由液位计115和比例控制阀102组成，液位高度控制在容积的1/4~4/5处，蒸发器120的容积为10~100升，主要是根据气化量的不同选择适当容积的蒸发器。
（2）蒸发器120内液温控制单元，它由一个液体温度传感器116和蒸发器外加热器121组成，外加热器通过PID（比例/积分/微分）控制，液体温度控制在65℃～120℃范围内，由于加热器不接触化学品增加了加热器的寿命和蒸发器内液温控制系统的稳定性。
（3）蒸发器120内蒸汽压力（用P1表示，传感器117的读数）控制单元，它由化学品液体的温度和化学品液位的高低来确定，一般液位的高度是恒定的，所以P1主要通过控制化学品液体的温度来实现。为了保证压力P2满足要求，P1不小于1550torr（这个单位是压强单位，中文名字叫“乇”，代表是1mm的Hg柱的压强，脱理拆利实验时760mm Hg柱为一个标准大气压，即101325pa，所以1Torr=101325/760=133pa）。
（4）微孔110前压力P2控制单元（前压力的值是传感器111的读数），此单元实际是控制调整不同的前压力P2对应不同的气态化学品流量供应，所以通过改变P2大小来控制气态化学品的流量。P2的控制是由一个电子针阀112开闭的大小实现的，它需要精确的PID控制。
（5）从蒸发器120流出的气态化学品管道均要进行保温处理，气态化学品是通过气化得来的，在常温下很容易液化，这样就造成化学品供应的不稳定，所以本发明要求化学品气态管道保温70~150℃，优选地沿气体流向温度逐渐升高。
（6）气态化学品流量是根据微孔前后压力差dp（也就是说微孔前压力P2和微孔后压力P3的差值）通过3次线性方程来标定的，标定方法是在不同P2压力下，在一段时间内测量液态化学品的使用量（此用量可以通过液体流量计实现，也可以通过测量化学品缓冲罐一段时间的重量变化实现，为了计算精确，测量时间不能太短），计算单元计算出气态化学品流量和dp的3次线性方程系数，可得到方程：flow =a3×(dp)3+ a2×(dp)2+ a1×dp+a0 （其中a0，a1，a2，a3，为三次方程系数；dp为微孔前后的压差，flow为气态化学品流量）。微孔孔径不同，气态化学品流量和dp的3次线性方程系数也不相同，本发明的微孔孔径范围在1mm~5mm，为了防止化学品气态中存在的杂质颗粒附着在微孔上影响流量的精确性，特别在微孔前方增加了一个过滤器113。为了保证气态化学品流量的稳定，须满足下面条件：P1>P2>P3，且P2必须在适用范围内标定。P3的值就是压力传感器109的读数。
如图1所示，我们依据该图来描述系统是如何工作的。
（1）液态化学品（这里以SiCl4为例）通过液态化学品入口进入，经过气动阀101（常闭阀）和液体比例控制阀102，再经手动阀103和106进入蒸发器120，蒸发器的容积为10L，液位计115控制在容积的2/3高度。随着SiCl4的使用，要不断有液态SiCl4补充到蒸发器120内，通过102的控制使SiCl4液位维持在容积的2/3高度。
（2）蒸发器内上部气态SiCl4的压力传感器117显示压力3000torr， 液态SiCl4的温度通过温度传感器116显示温度为110℃，液态SiCl4的温度控制是由外部加热器121控制的。气态SiCl4经气动阀114和过滤器113流经电子针阀112，通过112控制不同的P2得到不同的流量。气态SiCl4流经的管道加热温度设定为90℃。
（3）这里的微孔孔径采用3.8mm，选定的P2必须在有效量程范围内使用。
表1有效范围内SiCl4流量标定表
流量方程为：
Flow =0.000021×(dp)3-0.00393×(dp)2+ 1.12851×dp+25.233737
以上所述，仅是本发明典型实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施所做的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术方案范围内。

Claims (9)

1.一种光纤预制棒制造时控制气态原料流量的装置，其特征在于该装置包括：
蒸发器（120）的内液位控制单元，由液位计（115）和比例控制阀（102）组成，通过比例控制阀的控制使液位高度控制在蒸发器容积固定高度处；
蒸发器（120）的内液温控制单元，由一个液体温度传感器（116）和蒸发器外加热器（121）组成，外加热器通过PID控制；
蒸发器（120）内蒸汽压力控制单元，内蒸汽压力值由化学原料液体的温度和化学原料液
位的高低来决定，由压力传感器（117）来读取，液位的高度恒定，内蒸汽压力P1通过控制化学原料液体的温度来调整；
微孔（110）前压力P2控制单元，前压力值由压力传感器（111）读取，该单元控制调整前压力P2的值来控制气态化学原料的流量，P2的控制是通过PID控制一个电子针阀（112）开闭的大小实现的；
压力传感器（109），其读取的数值为微孔（110）后压力P3；
计算单元，在不同P2压力下，测量在一段时间内液态化学品的使用量，计算气态化学原料流量与微孔前后压力差之间的3次线性方程系数。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：在微孔前方靠近蒸发器一侧增加了一个过滤器（113）。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：为了保证气态化学原料流量的稳定，须满足下面条件：P1>P2>P3。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：沿气体流向气态管道温度逐渐升高。
5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：液态化学原料通过液态化学品入口进入，经过气动阀（101）和液体比例控制阀（102），再经过手动阀1（103）和手动阀2（106）进入蒸发器（120）；气态化学原料经气动阀（114）和过滤器（113）流经电子针阀（112）。
6.一种光纤预制棒制造时控制气态原料流量的方法，其特征在于：
步骤（1）在不同微孔前压力P2下，测量在一段时间内液态化学品的使用量，所述微孔前压力值由位于微孔（110）与电子针阀（112）之间的传感器（111）读取；
步骤（2）计算气态化学原料流量与微孔前后压力差之间的3次线性方程系数；
步骤（3）通过电子针阀（112）控制不同的P2控制获得对应的气态化学原料流量。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：可以通过液体流量计来测量液态化学原料的使用量或者通过测量化学原料缓冲罐一段时间内的重量变化来实现。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：电子针阀（112）通过PID控制。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：液态化学原料通过液态化学品入口进入，经过气动阀（101）和液体比例控制阀（102），再经过手动阀1（103）和手动阀2（106）进入蒸发器（120）；气态化学原料经气动阀（114）和过滤器（113）流经电子针阀（112）。
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