CN104236641A - 基于恒压法的多介质气体配样标准流量计及流量提供方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于恒压法的多介质气体配样标准流量计以及流量提供方法，其特点在于：利用多介质气体配样，采用流经限流小孔的气体流量，通过恒压方法对气体压力、体积进行控制，实现获得一定流量值的标准气体流量；采用多介质气体配样，使气体流经限流小孔前端，通过微调阀、压力计和精密细活塞共同控制流经限流小孔后的气体压力和体积，实现不同量值标准气体流量的获得。流出限流小孔的气体流量进入变容室内，通过差压式真空计对变容室内气体压力进行监测，利用精密细活塞的移动对变容室容积进行改变，实现流出变容室气体流量的精确控制。

Description

基于恒压法的多介质气体配样标准流量计及流量提供方法

技术领域

本发明涉及流量计量器具的设计技术，具体涉及一种基于恒压法的多介质气体配样标准流量计，以及采用该流量计产生标准流量的方法。

背景技术

在真空系统中，获得标准气体流量的一个基本方法是采用气体漏率元器件，即利用经过计量部门计量后的标准参考漏孔连接入相应的真空系统。这种方法尽管可实现标准气体流量的获得，但由于一个漏率元器件只能提供一个流量值的标准气体流量，对于标准气体流量连续变化的情况或者短时间内数个不同流量值的标准气体混合后提供流量的情况，该方法难以保证所提供流量的精度。

另外一种提供正压标准气体流量的方法是利用通道型的漏率元器件通过极为有限的改变条件，使得通过其气体流量发生极为有限的改变。将数个漏率元器件并联，可以在不同量级内实现流量的控制。但是在使用的过程中漏率元器件工作状态发生变化，导致最终提供的标准气体流量出现较大的不确定度。

可见，目前提供标准气体流量的方案不能确保最终输出的标准气体流量的准确供给。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于恒压法的多介质气体配样标准流量计，以及采用该流量计产生标准流量的方法，能够确保标准气体流量的准确供给，适用于提供多介质的气体标准流量，尤其适用于需要准确提供一定流量值和多介质一定混合比例的标准气体流量。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

所述基于恒压法的多介质气体配样标准流量计，包括：多个单一气体接入端，各单一气体接入端各自通过一个阀门接入同一微调阀，微调阀顺次连接限流小孔、第四开关阀、变容室和第一开关阀；微调阀和限流小孔之间的管路上接入气体混合室；差压式真空计的一端连接变容室的入口，另一端通过第二开关阀连接变容室的出口，绝压式压力计测量变容室入口处的气体绝对压力；差压式真空计的两端之间进一步连接第三开关阀；变容室通过活塞改变容积。

所述使用上述标准流量计提供流量的方法，包括下列步骤：

步骤1、预先根据所需提供的流量Q，采用公式(A)计算所需的输出气体压力p₀；

$Q=p_0\frac{\mathrm{\ΔV}}{\mathrm{\Δt}}---\left(A\right)$

式(1)中，取假定的一个任意值；

步骤2、开始提供流量时，先关闭第四开关阀、第一开关阀和第二开关阀，通过单一气体接入端按需求接入不同气体，并打开单一气体接入端的阀门，通过微调阀控制气体流量，使气体流入气体混合室实现充分混合；

步骤3、打开第四开关阀，气体混合室内气体经由限流小孔、第四开关阀流向差压式真空计、第三开关阀和变容室；

步骤4、打开第三开关阀使得差压式真空计两端联通，此时差压式真空计的示数为0，将活塞完全深入变容室容腔内，用绝压式压力计测量流入变容室气体的绝对压力，记为p；当p达到p₀时，执行步骤5；

步骤5、关闭第三开关阀，计时器开始计时，且此时时刻记为t₁；由于气体的源源流入，使得差压式真空计的示值变大，以差压式真空计的示值为0为目标，不断调节活塞位置从而改变变容室的压力；当差压式真空计的示值稳定在0时，取稳定时刻记为t₂；

步骤6、获取活塞相对于t₁时刻的长度改变量，与活塞横截面相乘后，得到实际的变容室容积的改变量，为ΔV'；计算检查计算值是否为Q，如果是，则转入步骤7；否则，调节微调阀和第四开关阀后，重新执行步骤4；

步骤7、打开开关阀，开始提供流量为Q的气体；

在提供流量的过程中，进一步利用差压式真空计监测变容室内压力变化，通过调节活塞的位置，令差压式真空计的示值稳定在0，从而达到输出气体压力恒定为p₀的效果。

其中，公式(A)中的ΔV取变容室的最大变化体积，Δt取估算的试验时间，该试验时间长于从关闭第三开关阀到变容室内气体压力稳定到所需输出气体压力的所需时间。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明采用恒压法对该气体流量进行准确的测量，采用差压式真空计控制流出流量的稳定性，完全克服在获得已有标准流量计存在的流量连续变化，更换或者并联不同结构类型漏率元器件所带来的标准气体流量的不准确的问题。既实现不同量值正压标准气体流量的获得，又提高了流量的准确度。

(2)气体标准流量通过多介质气体配样流，采用阀门、压力计、微调阀和气体混合室，可以实现多介质气体标准流量的提供，同时也可以实现组分比例的气体配样。

附图说明

图1是本发明基于恒压法的多介质气体配样标准流量计结构图。

图中：1、2、3—单一气体接入端，4、5、6—单一气体接入端所连接的阀门，7—微调阀，8—气体混合室，9—限流小孔，10—第四开关阀，11—差压式真空计，12—第三开关阀，13—绝压式压力计，14—活塞，15—变容室，16—第一开关阀，17—第二开关阀。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种基于恒压法的多介质气体配样标准流量计，如图1所示，包括多个单一气体接入端，本实施例示出了包括三个单一气体接入端1～3的情况。各单一气体接入端各自通过一个阀门(阀门4、5、6)接入同一微调阀7。微调阀7顺次连接限流小孔9、第四开关阀10、变容室15和第一开关阀16。微调阀7和限流小孔9之间的管路上接入气体混合室8；差压式真空计11的一端连接变容室15的入口，另一端通过第二开关阀17连接变容室15的出口。绝压式压力计13测量变容室15入口处的气体绝对压力；差压式真空计11的两端之间进一步连接第三开关阀12；变容室15通过活塞14改变容积。

本实施例中，采用自动控制方案，因此还包括控制中心和计时器；

控制中心用于控制各阀的开闭，接收差压式真空计11和绝压式压力计13采集的信息，通过移动机构控制变容室15的活塞14位移。

计时器与控制中心相连，用于记录气体开始流入变容室15到压力稳定所经历的时长。

其中，限流小孔9可以是具有一定通导能力的限流原件。变容室15容积可以为未知，差压式真空计(11)具有相对压力的测量能力。绝压式压力计(13)具有绝对压力的测量能力。

使用上述标准流量计提供多介质混合标准流量的方法具体包括如下步骤：

步骤1、控制中心预先根据所需提供的流量Q，采用公式(1)计算所需的输出气体压力p₀；

$Q=p_0\frac{\mathrm{\ΔV}}{\mathrm{\Δt}}---\left(1\right)$

式(1)中，取假定的一个任意值，该比值的大小决定了决定了实验中，变容室的压力从初始值变化到p₀的快慢。

在实际中，优选的，公式(1)中的ΔV取变容室(5)的最大变化体积，这样可以防止所需容积超出变容室量程。Δt取估算的试验时间，该试验时间长于从控制中心关闭第三开关阀12到变容室5内气体压力稳定到所需输出气体压力的所需时间，该时间Δt设定的需要足够大，以保证给予足够的时间，令变容室的压力从初始值变到p₀并处于稳定状态。

步骤2、开始提供流量时，控制中心先关闭第四开关阀10、第一开关阀16和第二开关阀16，通过单一气体接入端按需求接入不同气体，并打开单一气体接入端的阀门(阀门4、5、6)通过微调阀7控制气体流量，使气体流入气体混合室8实现充分混合。接入气体的混合比例可以通过阀门4、5、6的开通时间来控制。

其中，微调阀7控制流量的目的是限流，保证气体在混合室及其后续管路中保持分子流平衡态，防止压力过大造成的混合不均匀的问题。

步骤3、控制中心打开第四开关阀10，气体混合室8内气体经由限流小孔9、第四开关阀10流向差压式真空计11、第三开关阀12和变容室15。

步骤4、控制中心打开第三开关阀12使得差压式真空计11两端联通，此时差压式真空计11的示数为0，将活塞14完全深入变容室容腔内，以实现调零，用绝压式压力计13测量流入变容室气体的绝对压力，记为p；当p达到p₀时，执行步骤5。

步骤5、控制中心关闭第三开关阀12，控制计时器开始计时，且此时时刻记为t₁；此时差压式真空计11连接第二开关阀17的一端压力固定，变容室15出口的压力与第二开关阀17入口的压力相同，因此可以利用差压式真空计11监测变容室内压力变化。

由于关闭第三开关阀12，气体源源不断流入变容室15，使得差压式真空计11的示值变大，控制中心以差压式真空计11的示值为0为目标，不断调节活塞位置从而改变变容室的压力，经历多个气体流入、压力上升、活塞移动，压力下降的过程，差压式真空计11的示值最终会稳定在0；当真空计11示值多次连续采样值均为0时，认为差压式真空计11的示值稳定在0时，取稳定时刻记为t₂。所述稳定时刻可以取多次连续采样值为0的第一个时刻作为t₂。

本实施例中，因为有控制中心，因此可以实现数据监控、活塞移动的自动控制。在实际中，也可以采用手动控制，或者半自动。

步骤6、获取活塞14相对于t₁时刻的长度改变量，与活塞横截面相乘后，得到实际的变容室容积的改变量，为ΔV'；计算检查计算值是否为Q，如果是，则认为所提供流量达到预期，转入步骤7；否则，调节微调阀7和第四开关阀10后，重新执行步骤4。

步骤7、打开开关阀16，开始提供流量为Q的气体。

在本步骤提供流量的过程中，进一步利用差压式真空计11监测变容室内压力变化，通过调节活塞的位置，令差压式真空计11的示值稳定在0，从而达到输出气体压力恒定为p₀的效果，消除由于多介质气体配样控制造成的管路内压力波动，以及环境温度对管理压力的干扰，提高所提供流量的准确度。

至此，本流程结束。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于恒压法的多介质气体配样标准流量计，其特征在于，包括：多个单一气体接入端，各单一气体接入端各自通过一个阀门接入同一微调阀(7)，微调阀(7)顺次连接限流小孔(9)、第四开关阀(10)、变容室(15)和第一开关阀(16)；微调阀(7)和限流小孔(9)之间的管路上接入气体混合室(8)；差压式真空计(11)的一端连接变容室(15)的入口，另一端通过第二开关阀(17)连接变容室(15)的出口，绝压式压力计(13)测量变容室(15)入口处的气体绝对压力；差压式真空计(11)的两端之间进一步连接第三开关阀(12)；变容室(15)通过活塞(14)改变容积。

2.一种使用权利要求1的标准流量计提供流量的方法，其特征在于，包括下列步骤：

步骤1、预先根据所需提供的流量Q，采用公式(A)计算所需的输出气体压力p₀；

$Q=p_0\frac{\mathrm{\ΔV}}{\mathrm{\Δt}}---\left(A\right)$

式(1)中，取假定的一个任意值；

步骤2、开始提供流量时，先关闭第四开关阀(10)、第一开关阀(16)和第二开关阀(17)，通过单一气体接入端按需求接入不同气体，并打开单一气体接入端的阀门，通过微调阀(7)控制气体流量，使气体流入气体混合室(8)实现充分混合；

步骤3、打开第四开关阀(10)，气体混合室(8)内气体经由限流小孔(9)、第四开关阀(10)流向差压式真空计(11)、第三开关阀(12)和变容室(15)；

步骤4、打开第三开关阀(12)使得差压式真空计(11)两端联通，此时差压式真空计(11)的示数为0，将活塞(14)完全深入变容室容腔内，用绝压式压力计(13)测量流入变容室气体的绝对压力，记为p；当p达到p₀时，执行步骤5；

步骤5、关闭第三开关阀(12)，计时器开始计时，且此时时刻记为t₁；由于气体的源源流入，使得差压式真空计(11)的示值变大，以差压式真空计(11)的示值为0为目标，不断调节活塞位置从而改变变容室的压力；当差压式真空计(11)的示值稳定在0时，取稳定时刻记为t₂；

步骤6、获取活塞(14)相对于t₁时刻的长度改变量，与活塞横截面相乘后，得到实际的变容室容积的改变量，为ΔV'；计算检查计算值是否为Q，如果是，则转入步骤7；否则，调节微调阀(7)和第四开关阀(10)后，重新执行步骤4；

步骤7、打开开关阀(16)，开始提供流量为Q的气体；

在提供流量的过程中，进一步利用差压式真空计(11)监测变容室内压力变化，通过调节活塞的位置，令差压式真空计(11)的示值稳定在0，从而达到输出气体压力恒定为p₀的效果。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，公式(A)中的ΔV取变容室(5)的最大变化体积，Δt取估算的试验时间，该试验时间长于从关闭第三开关阀(12)到变容室(5)内气体压力稳定到所需输出气体压力的所需时间。