CN103344309A - 电驱动对称柱塞式气体微小流量标准装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电驱动对称柱塞式气体微小流量标准装置。右气缸固定在右支架和传动端板间，左气缸固定在传动支架和缓冲罐间；柱塞与左、右气缸水平同轴安装，右气缸经双向流量指示器与左气缸连通；传动端板和传动支架之间安装有滚珠丝杠；柱塞和T型连接块连接，T型连接块肩台与传动支架两侧顶面的直线导轨相配；其下部与丝杠螺母固接；带编码器的步进电机经减速机和膜片联轴器与滚珠丝杠右端连接，温度变送器安装在缓冲罐顶侧，被检流量计入口与缓冲罐连通，流量控制器安装在被检流量计的出口处。本发明通过柱塞运动时左右气缸内体积变化量的完全互补对称，减小检定时缸体内气体温度、压力的波动，实现微小流量计量，同时也可实现高压计量。

Description

电驱动对称柱塞式气体微小流量标准装置

技术领域

本发明涉及一种流量计量装置，尤其是涉及一种电驱动对称柱塞式气体微小流量标准装置。

背景技术

近年来，气体微小流量测量与控制在半导体制造业、医学化工、食品卫生、生物工程、高新技术等领域的应用越来越普遍，微小流量相关器具的检定校准成为当下流量计量领域的重要分支之一，通常，将微小流量的范围定义在10mL/min以下。

当前，微小气体流量计量技术主要有以下几种：皂膜式装置法、压力体积温度时间（PVTt）法、质量时间（mt）法、恒压式、变容积法（如活塞式）等，随着机电技术的发展，变容积法发展迅速，其中以活塞式最为典型。

传统的活塞式标准装置是由动力机构驱动活塞或柱塞平稳移动，由空间挤压产生稳定的流量。在进行微小流量计量时，一方面空间的挤压会改变气体的状态，使得计量精度降低，另一方面，如果高压条件下计量器具，动力机构会有巨大的负荷，难以实现。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种电驱动对称柱塞式气体微小流量标准装置，可用微小气体流量器具的计量校准。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明的右支架、传动端板、传动支架、缓冲罐、被检流量计、流量控制器、压力变送器和电机支架分别固定在基板上；右气缸固定在右支架和传动端板之间，右支架开有进气口与右气缸连通；左气缸固定在传动支架和缓冲罐之间，缓冲罐与左气缸出气口连通；柱塞与左气缸和右气缸水平同轴安装，并分别通过两道O型圈动密封，左气缸的两道O型圈靠近传动支架，右气缸的两道O型圈靠近传动端板；右气缸出气口经双向流量指示器与左气缸进气口连通，其中右气缸出气口靠近其O型圈右侧，左气缸进气口靠近其O型圈左侧；传动端板和传动支架之间安装有滚珠丝杠，滚珠丝杠位于柱塞的正下方；柱塞轴向中部开有凹槽，T型连接块上部开有通孔，并且T型连接块顶端开有与通孔连通的平面凹槽，柱塞穿过T型连接块上部的通孔，锁紧块紧固在T型连接块的平面凹槽内，底部压入柱塞凹槽，实现柱塞和T型连接块的刚性连接；T型连接块前后肩台下侧面分别安装滑块，滑块与传动支架前后两侧顶面对应的直线导轨相配合；与滚珠丝杠配合的丝杠螺母固定在T型连接块的下部；步进电机经减速机和膜片联轴器与滚珠丝杠右端连接，步进电机的右侧安装有编码器，减速机和膜片联轴器分别固定在电机支架的右侧和左侧；温度变送器安装在缓冲罐顶侧，压力变送器安装在缓冲罐的右侧，被检流量计入口与缓冲罐连通，流量控制器安装在被检流量计的出口处。

所述的右气缸两道O型圈之间开有测泄孔，左气缸两道O型圈之间开有测泄孔，差压变送器通过管道与两个测泄孔相连。

本发明具有的有益效果是：

1.本发明上游供给一定压强的气体到两气缸内部，流量调节由流量控制器完成，计量时，柱塞运动产生的波动可由左右缸体补偿，因此气体状态波动小，可实现微小流量精确计量；检定音速喷嘴时，系统不需安装流量控制器，系统可对音速喷嘴直接进行检定。

2.本发明通过左右气缸相互连接，使得柱塞前后压力相等，动力机构的负荷仅为部件之间动摩擦，可以实现高压气体计量。

3.本发明可用于快速检定流量范围为（5-1000）mL/h的音速喷嘴、质量流量计、层流流量计等。

4.本发明具有精度高、压力可调、工作可靠、操作方便、检定时间短等特点。

附图说明

图1是本发明的结构原理示意图。

图2是本发明的立体结构原理示意图。

图中：1、进气口，2、右支架，3、右气缸，4、O型圈，5、传动端板，6、柱塞，7、锁紧块，8、T型连接块，9、传动支架，10、左气缸，11、温度变送器，12、缓冲罐，13、被检流量计，14、流量控制器，15、管道，16、压力变送器，17、支撑轴承盖，18、深沟球轴承，19、丝杠螺母，20、滚珠丝杠，21、角接触球轴承，22、固定轴承盖，23、锁紧螺母，24、膜片联轴器，25、电机支架，26、减速机，27、步进电机，28、编码器，29、基板，30、双向流量指示器，31、滑块，32、差压变送器，33、直线导轨。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1、图2所示，右支架2、传动端板5、传动支架9、缓冲罐12、被检流量计13、流量控制器14、压力变送器16和电机支架25分别固定在基板29上；右气缸3固定在右支架2和传动端板5之间，采用橡胶垫圈保证连接之间的密封性，右支架2上开有进气口1与右气缸3连通，压力稳定且压力可调的气源从进气口1进入右缸体3内部，作为气体计量时的流量源。

如图1、图2所示，传动端板5作为右气缸3和滚珠丝杠20固定侧的联接对象，传动端板5直接紧固在传动支架9上，传动端板5与传动支架9组成传动机构；左气缸10安装在传动支架9和缓冲罐12之间，缓冲罐12一方面充当左气缸10的固定支架，主要是为了进一步缓解系统内部气体的波动，另一方面为温度变送器11和压力变送器16的安装提供空间；柱塞6水平同轴配合安装在左右气缸中间，三者同轴度要求较高，同时与滚珠丝杠20的轴线平行度也有高精度的要求；柱塞6与左右缸体内壁之间分别通过两道O型圈4实现动密封，右气缸的两道O型圈之间开有测泄孔，左气缸的两道O型圈之间开有测泄孔，差压变送器32通过管道与两个测泄孔相连；右气缸靠近O型圈右侧开有出气口，左气缸靠近O型圈左侧开有进气口，右气缸的出气口与左气缸的进气口分别连接至双向流量指示器的两端。

如图1、图2所示，与滚珠丝杠20配合的丝杠螺母19固定在T型连接块8下部，柱塞6穿过T型连接块8上部的通孔，柱塞6轴向中部开有凹槽，T型连接块8顶端开有与通孔连通的平面凹槽，锁紧块7紧固在T型连接块8的平面凹槽内，锁紧块7底部压入柱塞6凹槽，实现柱塞6与滚珠丝杠20的刚性连接，同时实现柱塞6轴向和径向的定位；T型连接块8前后肩台下侧面分别安装滑块31，与滑块31相配合的直线导轨33安装在传动支架9前后两侧顶面上，滑块31和直线导轨33的配合消减柱塞6运动时径向的颤动；滚珠丝杠20采用固定-支撑的安装方式，其中，固定侧主要由一对角接触球轴承21、固定轴承盖22和锁紧螺母23组成，其中角接触球轴承21外圈过盈配合安装在固定轴承盖22的内孔上，固定轴承盖22左端顶到传动端板5的安装孔的底面，右端经法兰盘安装在传动端板5的表面，法兰盘后的滚珠丝杠20轴上安装有锁紧螺母23，实现滚珠丝杠20径向的固定；滚珠丝杠20的支撑侧由深沟球轴承18和支撑轴承盖17组成，其中深沟球轴承18外圈过盈配合安装在支撑轴承盖17的内孔中，支撑轴承盖17通过其法兰盘安装在传动支架9上。

如图1、图2所示，滚珠丝杠20与减速机26通过膜片联轴器24实现轴与轴的连接，减速机26的安装在电机支架25上，步进电机27通过法兰安装在减速机26上，步进电机27、减速机26、滚珠丝杠20的轴尽可能保持在同一水平轴线上；编码器28安装在步进电机27的右侧，将柱塞的位置反馈给控制系统；步进电机27由测控系统驱动，给定指定的控制参数可以实现柱塞6对应速度的稳定运动，结合装置的参数，可实现气体流量的精确计量。

如图1、图2所示，被检流量计13入口通过管道连接到缓冲罐12，出口经管道15连接到流量控制器14，流量控制器14的通讯线连接到测控系统，可由上位机写入命令完成整个系统的流量控制。

如图1、图2所示，本发明的工作原理是：

该发明以柱塞6作为容积计量标准。该装置工作时，上游气源持续提供压力稳定且压力可调的气体，气体经右支架2的进气口1流入右气缸3内部，经双向流量指示器30进入左气缸10直至充满整个系统，进入气缸后的气体很快处于压力平衡；通过上位机调节流量控制器14的流量值（假设流量为Q₀），由于气源的提供的气体压力一直高于流量控制器出口端，在压差的作用下，系统可以产生流量控制器的设定流量Q₀；计算机控制步进电机27以某一速度v（即流量Q_s）驱动滚珠丝杠旋转，柱塞6在滚珠丝杠20的带动下作平移运动，柱塞6向前运动进入左气缸10，同时抽离右气缸3；柱塞6的左右柱体有相等的直径d_k，柱塞排出的流量为：

$Q_S=\frac{\mathrm{\π}}{4}{d^2}_k\·v$

柱塞6运动引起左气缸10和右气缸3分别产生Q_k1和Q_k2流量值，柱塞6运动的速度由步进电机27的转动频率f和丝杆的螺距s共同决定。

$Q_S=Q_{k1}=Q_{k2}=\frac{\mathrm{\π}}{4}{d^2}_k\·f\·s$

当柱塞6置换的左右气缸的气体流量Q_s等于流过被检流量计的流量Q₀时，双向流量指示器示值等于0，缸体内部压力、温度T处于平衡状态，控制系统实时记录步进电机步长和速率、柱塞位置、温度、压力、时间等参数；若Q_s不等于Q₀时，即双向流量指示器示值不为零，反馈系统会根据参数调整柱塞运动速度v，使之最终达到平衡状态。由于左右气缸的完全补偿，柱塞运动调节不会对被检流量计的流量产生影响；最后，读取双向流量指示器的示值，根据步进电机最后确定的运行参数、装置结构参数计算出柱塞运动产生的流量，计算出被检流量计的标准流量，对被检流量计进行检定校准。

Claims (2)

1.一种电驱动对称柱塞式气体微小流量标准装置，其特征在于：右支架（2）、传动端板（5）、传动支架（9）、缓冲罐（12）、被检流量计（13）、流量控制器（14）、压力变送器（16）和电机支架（25）分别固定在基板（29）上；右气缸（3）固定在右支架（2）和传动端板（5）之间，右支架（2）开有进气口（1）与右气缸（3）连通；左气缸（10）固定在传动支架（9）和缓冲罐（12）之间，缓冲罐（12）与左气缸（10）出气口连通；柱塞（6）与左气缸（10）和右气缸（3）水平同轴安装，并分别通过两道O型圈（4）动密封，左气缸（10）的两道O型圈靠近传动支架（9），右气缸（2）的两道O型圈靠近传动端板（5）；右气缸（3）出气口经双向流量指示器（30）与左气缸（10）进气口连通，其中右气缸（3）出气口靠近其O型圈右侧，左气缸（10）进气口靠近其O型圈左侧；传动端板（5）和传动支架（9）之间安装有滚珠丝杠（20），滚珠丝杠（20）位于柱塞（6）的正下方；柱塞（6）轴向中部开有凹槽，T型连接块（8）上部开有通孔，并且T型连接块（8）顶端开有与通孔连通的平面凹槽，柱塞（6）穿过T型连接块（8）上部的通孔，锁紧块（7）紧固在T型连接块（8）的平面凹槽内，底部压入柱塞（6）凹槽，实现柱塞（6）和T型连接块（8）的刚性连接；T型连接块（8）前后肩台下侧面分别安装滑块（31），滑块（31）与传动支架（9）前后两侧顶面对应的直线导轨（33）相配合；与滚珠丝杠（20）配合的丝杠螺母（19）固定在T型连接块（8）的下部；带编码器（28）的步进电机（27）经减速机（26）和膜片联轴器（24）与滚珠丝杠（20）右端连接，减速机（26）和膜片联轴器（24）分别固定在电机支架（25）的右侧和左侧；温度变送器（11）安装在缓冲罐（12）顶侧，压力变送器（16）安装在缓冲罐（12）的右侧，被检流量计（13）入口与缓冲罐（12）连通，流量控制器（14）安装在被检流量计（13）的出口处。

2.根据权利要求1所述的对称柱塞式气体微小流量标准装置，其特征在于：所述的右气缸（3）两道O型圈之间开有测泄孔，左气缸（10）两道O型圈之间开有测泄孔，差压变送器（32）通过管道与两个测泄孔相连。

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