CN103411724A - 一种定容快速充放气气腔压力的测量方法 - Google Patents

Abstract

一种定容快速充放气气腔压力的测量方法，在定容快速充放气过程中，实时检测容器入口处的气体质量流量和压力数据，并对检测得到的数据进行平均化处理，代入充气过程或放气过程容器内部压力计算公式得到容器内部压力值。该方法的可实现性好，可用于需要精确在线测量定容快速充放气过程容器内部压力的场合。

Description

一种定容快速充放气气腔压力的测量方法

技术领域

本发明涉及一种气体压力的测定方法，具体涉及一种固定容器在快速充放气过程中利用气体质量流量传感器和压力传感器间接、实时测量容器内部压力的方法。

背景技术

定容快速充放气过程（充、放气时间总长为数十到数百毫秒）在许多领域中得到了广泛应用，例如航空航天仪表的精密润滑，表面贴装中的定量点胶，化生、医药及医护行业试剂配制以及定量配药给药等。其特点是：（1）通过窄脉冲高压气体驱动密封在注射器中的液体材料从针头挤出而进行布施，而后通过气动回路中的方向控制阀使容器入口快速与大气连通，容器快速放气，准备进入下一个脉冲作用周期，即充、放气过程均通过容器入口实现，而通过方向控制阀的切换来控制充、放气动作；（2）每个周期挤出的液体量相对于注射器容积而言非常微小，因而在单一挤出周期中注射器内气体体积可视为不变，即为定容充放气。

在精密布施场合，需要精确控制挤出的液体量，为实现这一目标，必须准确地测量容器内气体压力。目前，对于精确测量定容快速充放气过程中容器内部压力的方法尚未见报到，大多都是采用测量容器入口处压力并以之代替容器内部作用压力。然而，在快速充放气过程中，由于气体作用时间很短，容器内部压力并没达到稳态，因而容器内部压力与入口压力之间有明显区别，上述简化引入了较大的误差，难以实现材料的定量挤出。大量实验表明，定容快速充气过程，容器内部压力与入口压力相近，但在放气过程，内部压力远大于入口压力。另一方面，由于受注射器结构及密封性要求的限制，现有传感器不能直接到达注射器内部直接进行压力测量，因而需要开发有效的容器内部瞬态压力间接测量方法。

发明内容

为解决定容快速充放气过程中容器内部压力测量不准确问题，本发明提出了一种利用气体质量流量传感器和压力传感器精确测量容器内部压力的方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种定容快速充放气气腔压力的测量方法，包括以下步骤：

步骤1）传感器安装：在紧邻容器入口处的管道上安装气体压力传感器和质量流量传感器；

步骤2）数据采集及计算：通过气体压力传感器和质量流量传感器得到容器入口气体压力和质量流量，后按下式（1）和（2）通过计算分别得到充气及放气时定容容器气腔的压力：

a、快速充气过程容器内部压力计算方法：

在容器快速充气过程中，容器气腔压力计算公式为

$P_r=\frac{\mathrm{ZRT}}{V}{\stackrel{`}{O}}_0^t{Q}_{\mathrm{in}}\mathrm{dt}---\left(1\right)$

其中，P_r为所求固定容器内部压力；Z为气体的压缩因子，为常值1.4；R为理想气体常数，R＝8.31J/（mol·K）；T为气体温度（K）；V为容器体积（m³），Q_in为容器内气体质量流量（m³/s），若忽略气体泄漏，则可认为容器内气体质量流量等于容器入口气体质量流量，而后者可通过在容器入口安装气体质量流量传感器来测量，亦即获得了Q_in；

b、快速放气过程容器内部压力计算方法：

在容器放气过程中，容器气腔压力计算公式为

$P_r=\frac{P_a}{2}+\sqrt{\frac{P_a^2}{4}+\frac{P_{0}T}{2T_0{r}_0}{\left(\frac{4Q_{\mathrm{out}}\sqrt{1-b^4}}{{\mathrm{pced}}_2^2}\right)}^2}---\left(2\right)$

其中，P₀，T₀，r₀分别为标准状态下气体的压力、温度和密度，其值分别为101.3kPa，273K，1.293kg/m³；T为容器内部气体温度（K），其值与容器充气过程中的数值相同；c为流出系数，其值等于实际流量除以理论流量，此处取值为1；e为气体的可压缩系数，e=1.4；b为容器入口管道直径与固定容器直径之比；P_a为容器入口处的压力（kPa）；d₂为容器入口管道直径（m）；Q_out为流出容器的气体质量流量(m³/s)，即等于容器入口气体质量流量，可通过在容器入口安装气体质量流量传感器测得。

本发明提供的定容快速充放气气腔压力的测量方法，在定容快速充放气过程中，容器内部压力值的获得可以通过在紧邻容器入口处的管道上安装气体质量流量传感器和压力传感器得到质量和压力数据，将得到的数据经过计算即可得到容器内部压力响应，该测量方法相对于直接在容器入口检测容器内部压力，检测结果精度显著提高，可用于在线检测，实际使用表明，所测容器内部压力与理论压力相比，平均误差为9.6%；而若以容器入口压力直接替代容器内部压力，其平均误差为24.1%，因而本发明所述方法明显提高了定容快速充放气过程容器内部压力测量精度。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1为定容快速充放气过程示意图。

图2为容器内部压力测量方案流程图。

图3(a)为t=14ms时容器内压力云图（充气）。

图3(b)为t=20ms时容器内压力云图（放气）。

图3(c)为t=70ms时容器内压力云图（充气）。

图3(d)为t=105ms时容器内压力云图（放气）。

图4为充放气周期40ms情况下容器入口压力与容器内部理论压力比较。

图5为充放气周期125ms情况下容器入口压力与容器内部理论压力比较。

图6为容器入口压力、内部理论压力、内部计算压力三者关系比较。

具体实施方式

附图1所示为固定容器在快速充放气过程中的示意图，紧邻容器入口处的管道上安装有气体质量流量传感器和压力传感器，用来实时测量容器在充放气过程中的气体质量流量和容器入口处的瞬态压力。因为容器在充气过程和放气过程中容器内部压力变化规律不同，以下分别从容器快速充气过程和放气过程来说明容器内部压力测量方法。

快速充气过程容器内部压力测量方法：

在容器快速充气过程中，根据理想气体状态方程和气体连续性方程可以推导得到固定容器在充气过程中容器内部压力计算公式为

$P_r=\frac{\mathrm{ZRT}}{V}{\stackrel{`}{O}}_0^t{Q}_{\mathrm{in}}\mathrm{dt}---\left(1\right)$

其中，P_r为容器内部压力，Z为气体的压缩因子，为常值1.4，R为理想气体常数，有R=8.31J/(mol□K),T为气体温度，对于快速充放气来说，容器内气体来不及和外界进行热交换，故不考虑容器内气体温度变化，一般取工作环境温度即可，V为容器体积，Q_in为流入容器内的气体质量流量。由(1)式可知，在固定容器快速充气过程中，只要在容器入口检测到流入容器内部的气体质量流量，即可根据公式求解得到容器内部压力响应。因此，为了获得充气过程中容器内部压力响应，在容器入口处的管道上安装气体质量流量传感器实时检测流入容器内部的气体质量流量。

快速放气过程容器内部压力测量方法：

在容器放气过程中，容器内部的高压气体经过容器入口及管道流入外界环境，由气体的连续性方程、伯努利方程及气体的状态方程可以推导得到固定容器在放气过程中容器内部压力计算公式为：

$P_r=\frac{P_a}{2}+\sqrt{\frac{P_a^2}{4}+\frac{P_{0}T}{2T_0{r}_0}{\left(\frac{4Q_{\mathrm{out}}\sqrt{1-b^4}}{{\mathrm{pced}}_2^2}\right)}^2}---\left(2\right)$

其中，P₀，T₀，r₀分别为标准状态下气体的压力、温度和密度，其值分别为101.3kPa、273K、1.293kg/m³，T为容器内部气体温度，其值与容器充气过程中的数值相同，c为流出系数，其值等于实际流量除以理论流量，此处取值为1，e为气体的可压缩系数，e=1.4，b为容器入口管道直径与固定容器直径之比，P_a为容器入口处的压力，Q_out为流出容器的气体质量流量，d₂为容器入口管道直径。由(2)式可知，在固定容器快速放气过程中，只要检测到容器入口处的气体压力以及流出容器的气体质量流量，即可根据公式求解得到容器内部压力响应。因此，在容器入口处的管道上安装了气体质量流体传感器之后还需要安装压力传感器才可以精确获得固定容器在放气过程中容器内部压力响应。

综上所述，在定容快速充放气过程中，容器内部压力值的获得可以通过在紧邻容器入口处的管道上安装气体质量流量传感器和压力传感器，如附图1所示，把检测得到的数据代入公式（1）、（2）中计算即可得到容器内部压力响应。该测量方法相对于直接在容器入口检测容器内部压力，检测结果精度显著提高，可用于在线检测。测量方案流程图如附图2所示。

具体实施步骤如下：首先，在紧邻容器入口处分别安装气体压力传感器和质量流量传感器，实时检测固定容器充放气过程中容器入口处气压和气体质量流量。其次，对检测得到的压力和流量数据进行平均化处理，消除白噪声等干扰信号。最后，把经过去噪得到的压力和流量数据代入本发明所建立的容器内部压力计算公式，即可得到定容快速充放气过程中容器内部气腔压力。

验证实例

如前所述，由于目前没有传感器能直接、有效地到达密封容积内部测量其瞬时压力，因而难以直接获得容器内真实压力值，本验证方案采用数值仿真方法，通过软件平台直接观测并获取容器充放气过程中容器内部压力P_M（理论压力）、容器进/出口气体质量流量Q、容器进/出口压力P_a三个重要参数（标准理论值），将Q、P_a代入计算公式（1）、（2）计算通过本发明所获得的容器内部瞬时压力值P_r，并进一步比较P_M、P_a、P_r三者之间的关系，从而验证本发明的必要性和有效性。

首先应用计算流体力学仿真软件FLUENT对定容脉冲充放气过程进行数值仿真。数值建模时取直径为30mm，长为70mm的圆柱形容器。气体在容器内的流动设为湍流，气体的属性设置为可压缩气体，且不考虑重力的影响。容器入口管道长为200mm，内半径为2mm，气源压力设置为：充气时300kPa（气压源），放气时为0kPa。过程恒温为300K。

考虑两种充放气模式：其一为窄脉冲快速充放气，周期为40ms，其中充气时间为15ms，放气时间为25ms。其二为长时充放气，周期为125ms，其中充气100ms，放气25ms。图3(a)为脉冲充放气14ms（充气阶段）时压力云图，可以看出，容器内压力并未达到稳态，容器底部压力最大，但容器入口处压力与容器内部压力值近似相等，在243kPa～250kPa之间有微小波动。图3(b)为脉冲充放气20ms（放气阶段）时压力云图，可见放气时容器内部压力较均匀，容器入口处压力与容器内部压力相差较大，容器入口压力在100kPa左右，而容器内部压力在180kPa左右。图3(c)为长时充放气70ms（充气阶段）时压力云图，可见容器入口处压力与容器内部压力值更接近；图3(d)为长时充放气105ms（放气阶段）时压力云图，可见容器内压力均匀，且明显大于入口压力，但压力差值比脉冲快速充放气时要小。

为不失一般性，图4、图5分别给出了充放气周期为40ms和125ms全过程中容器入口处压力P_a与容器内部理论压力曲线P_M，可以看出，两种情况在充气过程中，容器内部压力与容器入口处压力基本相等；但在放气过程中，容器内部的压力与容器入口处压力相差较大，且充气时间越短，放气时压差越大。

图6为周期为40ms情况下，P_M、P_a、P_r三者之间的关系比较结果，以数值仿真压力P_M为参考标准，评价不同测量方法的平均压力误差为：

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}}_i=\frac{|\∫P_i\mathrm{dt}-{\∫P}_M\mathrm{dt}|}{\∫P_M\mathrm{dt}}\×100\%,(i=\mathrm{1,2})---\left(3\right)$

其中，i=1表示容器入口参量，i=2表示依据本发明所建模型计算得到的参量。计算得到入口观测压力相对于容器内部压力平均误差为

模型计算压力相对于容器内部压力的平均误差为

因此，由本发明方法所测容器内部压力较在容器口直接安装压力传感器测量内部压力有更高的准确性。

Claims (1)

1.一种定容快速充放气气腔压力的测量方法，包括以下步骤：

步骤1）传感器安装：在紧邻容器入口处的管道上安装气体压力传感器和质量流量传感器；

步骤2）数据采集及计算：通过气体压力传感器和质量流量传感器得到容器入口气体压力和质量流量，后按下式（1）和（2）通过计算分别得到充气及放气时定容容器气腔的压力：

a、快速充气过程容器内部压力计算方法：

在容器快速充气过程中，容器气腔压力计算公式为

$P_r=\frac{\mathrm{ZRT}}{V}{{\stackrel{`}{O}}_0}^t{Q}_{\mathrm{in}}\mathrm{dt}---\left(1\right)$

其中，P_r为所求固定容器内部压力；Z为气体的压缩因子，为常值1.4；R为理想气体常数，R＝8.31J/（mol·K）；T为气体温度（K）；V为容器体积（m³），Q_in为容器内气体质量流量（m³/s），若忽略气体泄漏，则可认为容器内气体质量流量等于容器入口气体质量流量，而后者可通过在容器入口安装气体质量流量传感器来测量，亦即获得了Q_in；

b、快速放气过程容器内部压力计算方法：

在容器放气过程中，容器气腔压力计算公式为

$P_r=\frac{P_a}{2}+\sqrt{\frac{P_a^2}{4}+\frac{P_{0}T}{2T_0{r}_0}{\left(\frac{4Q_{\mathrm{out}}\sqrt{1-b^4}}{{\mathrm{pced}}_2^2}\right)}^2}---\left(2\right)$

其中，P₀，T₀，r₀分别为标准状态下气体的压力、温度和密度，其值分别为101.3kPa，273K，1.293kg/m³；T为容器内部气体温度（K），其值与容器充气过程中的数值相同；c为流出系数，其值等于实际流量除以理论流量，此处取值为1；e为气体的可压缩系数，e=1.4；b为容器入口管道直径与固定容器直径之比；P_a为容器入口处的压力（kPa）；d₂为容器入口管道直径（m）；Q_out为流出容器的气体质量流量(m³/s)，即等于容器入口气体质量流量，可通过在容器入口安装气体质量流量传感器测得。

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