CN106527544B - 一种温度、湿度、流量、压力可控的音速喷嘴气体实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种温度、湿度、流量、压力可控的音速喷嘴气体实验装置，包括气源模块，气体温度控制模块，蒸发加湿模块和音速喷嘴气体实验管段，其中，气源模块，包括空气压缩机1、冷却器2、除油器3、冷干机4、吸干机、储气罐7、自力式调压阀8以及稳压管10，气体从压缩机出来后，依次经过冷却器2、除油器3、冷干机4、吸干机后进入储气罐7中，并通过自力式调压阀8进入到稳压罐10中，稳压罐10后接一电动流量和压力调节阀12；经过电动流量和压力调节阀12的气体进入管道加热器14。
Description
技术领域
本发明涉及音速喷嘴气体实验装置，尤其是一种温度、湿度、流量、压力可控的音速喷嘴气体实验装置。
背景技术
临界流文丘里喷嘴简称音速喷嘴，是最常用的气体流量传感器之一，目前被广泛地应用于航空航天、环保节能、石油化工等各领域，采用音速喷嘴作为气体流量标准装置具有结构简单、重复性好、性能稳定、坚固耐用、无可动部件、维护方便和准确度等级高等特点。喷嘴的测量对象多数含有水蒸汽，而气体在音速喷嘴高速流动而产生的温度骤降会使水蒸汽发生凝结。音速喷嘴的超音速凝结流动现象涉及到了热阻塞及自激振荡等现象，其变化规律以及对喷嘴流量计量精度的影响一直未得到很好的解释和解决。由于超音速凝结流动现象是一个涉及到液滴成核、液滴生长、超音速流动、可压缩边界层等多个物理现象的复杂相变过程，仅靠理论分析和模拟计算很难准确描述，因此需要在音速喷嘴标准装置基础上建立相关的凝结实验平台来验证数学模型的正确性，而凝结实验平台不同温度、湿度、压力和流量的实现是平台建立关键所在。
目前国内研究音速喷嘴超音速凝结流动现象的凝结实验平台很少可以同时满足不同温度、湿度、压力和流量的控制，更多的是各个实验条件的单独控制与实现，忽略了温度、湿度、压力和流量之间的耦合关系，从而导致了实验条件建立存在缺陷，影响了对于凝结实验现象的研究。
发明内容
为了解决上述问题中的不足，本发明提供了一种温度、湿度、流量、压力可控的气体实验装置。本发明采用的技术方案是：
一种温度、湿度、流量、压力可控的音速喷嘴气体实验装置，包括气源模块，气体温度控制模块，蒸发加湿模块和音速喷嘴气体实验管段，其中，
气源模块，包括空气压缩机1、冷却器2、除油器3、冷干机4、吸干机、储气罐7、自力式调压阀8以及稳压罐10，气体从压缩机出来后，依次经过冷却器2、除油器3、冷干机4、吸干机后进入储气罐7中，并通过自力式调压阀8进入到稳压罐10中，稳压罐10后接一电动流量和压力调节阀12，实现17～1023.5m3/h的气体流量调节，以及将压力误差控制在1％；经过电动流量和压力调节阀12的气体进入管道加热器14；
气体温度控制模块，包括管道加热器14、加热前压力传感器11、加热丝温度传感器13、出口温度传感器16、可控硅、温度控制仪以及控制电路；加热丝温度传感器13起超温保护作用，防止加热丝因温度过高而损坏；出口温度传感器16用于对所加热气体起温度反馈作用，在管道加热器出口处配有一加热后压力传感器17，用于监测管道加热器的压力变化，确保不会出现过压负载出现；温控仪用于对可控硅输出功率进行调节，从而实现对加热丝温度控制；经过温度控制和调节的气体进入蒸发加湿模块；
蒸发加湿模块，包括高压微雾模块、两级蒸发结构，温度传感器22、压力传感器23和湿度传感器24，两级蒸发结构包括前一级的整流器18和后一级的蒸发器组成，经过高压微雾模块处理的高压水汽被喷入整流器18内，用以调节气体湿度；整流器由DN50-100变径短节、DN100气体整流器和DN100-50变径短节组成，用于将不规则流动的气流变成规则流动的气流或把旋转的气流改变为直线流动的气流；蒸发器由同心圆锥壳19、DN400蒸发腔20和升气管21组成，用于使管道内各处气体湿度基本一致，由蒸发加湿模块的出口与音速喷嘴气体实验管段的入口相连。
其中的高压微雾模块包括水处理器44、储水池47、入口电磁阀45、液位控制器46、电加热恒温控制器55、三通合流阀56、温度传感器57、变频器60、变频调速电机59、液压隔膜计量泵58、脉动阻尼器49、压力变送器51、高压电磁阀组52、单向止回阀组53、高压超微雾化喷嘴组54以及控制器，经过水处理过后的纯净水进入储水池47，储水池47用于存储经水处理器44净化后的纯净水，液位控制仪46和入口电磁阀45用于确保储水池47的水位处于安全范围内；
储水池47的出口连通电加热恒温控制器55，从电加热恒温控制器55出来的水通过三通合流阀56与旁通水路的常温水合流，合流的水经过液压隔膜计量泵58后压力被抬升；
在三通合流阀56与液压隔膜计量泵58之间设置有温度传感器57，控制器根据温度传感器57的输入信号通过对三通合流阀56冷热两端开合比例的不同实现水温的控制；
液压隔膜计量泵58将管路中的压力抬升至足够的压力，其出口是高压管路，在高压管路中配置有脉动阻尼器46，经过脉动阻尼器46的高压水在到达高压超微雾化喷嘴组54之前通过压力变送器51实现压力监测，脉动阻尼器46通过用于泄压保护的安全阀与储水池47相连；在高压管路后端依次连接高压电磁阀组52、单向止回阀组53以及高压超微雾化喷嘴组54，控制器通过变频器60控制电机59的转速，从而改变液压隔膜计量泵58柱塞的往复频率实现流量控制。
优选地，所述的音速喷嘴气体实验管段依次包括汇气管25、相互并联的两个不同管径的直管段、滞止容器38、标准音速喷嘴组39、气动阀门组41以及消音器43，在两个不同管径的直管段上分别设置有开关阀、压力表、被测表和夹表器；标准音速喷嘴组39由不同喉径大小的高精度音速喷嘴组成，通过不同音速喷嘴通断的组合能够标定气体流量。
附图说明
图1为温度、湿度、流量、压力可控的音速喷嘴实验装置工艺流程图
图2为高压微雾模块工艺流程图
图3为控制系统的工作流程图
具体实施方式
为了能进一步了解本发明的特征、技术手段以及所达到的具体目的、功能，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。
参见图1，该装置气源模块包括空气压缩机1、水冷式冷却器2、高效除油器3、风冷式冷干机4、吸干机A罐5、吸干机B罐6、储气罐7、自力式调压阀8以及稳压罐10。选用适当的压缩机为系统提供压力和流量，气体从压缩机出来后分为两路，经除油、过滤、冷却、干燥，进入储气罐7中，并由自力式调压阀8进入到稳压罐10中，稳压罐10后接一电动流量和压力调节阀12，可以实现17～1023.5m3/h的气体流量调节，以及将压力误差控制在1％。
气体温度控制模块包括压力传感器11、温度传感器13和16、管道加热器14、可控硅16、温度控制仪以及控制电路。使用管道加热器14对气体直接加热，执行器为可控硅，控制器为温控仪和PLC，PLC和温控仪采用RS485通信方式连接。为使温度控制安全可靠、控制精度高，整个气体温度控制模块配有2个温度传感器分别是出口温度传感器16以及加热丝温度传感器13，加热丝温度传感器13主要起超温保护作用，防止加热丝因温度过高而损坏，出口温度传感器16则用于对所加热气体起温度反馈作用，在管道加热器出口处配有一压力传感器17，用于监测管道加热器的压力变化，确保不会出现过压负载出现。PLC收集管道加热器的温度、压力信息后进行综合分析处理，将控制信息传至温控仪，由温控仪对可控硅输出功率进行调节，从而实现对加热丝温度控制。
蒸发加湿模块包括温度传感器22、压力传感器23、湿度传感器24、蒸发器。蒸发器具有两级结构，由前一级的整流器18和后一级的蒸发器组成。所述整流器由DN50-100变径短节、DN100气体整流器和DN100-50变径短节组成。作用主要为：可以将不规则流动的气流变成规则流动的气流，或把旋转的气流改变为直线流动的气流。所述蒸发器由同心圆锥壳19、DN400蒸发腔20和升气管21组成。作用主要为：使管道内各处气体湿度基本一致，避免了湿度分布不均匀的情况；通过机械结构使气体达到湿度分布均匀、平稳流动的状态；使微雾颗粒完全蒸发，气体湿度改变明显，拓展了微雾加湿技术在管道气体加湿领域的应用。
音速喷嘴气体实验管段包括汇气管25、DN50直管段、DN100直管段、开关阀26和31、压力表27和32、被测表28和33、夹表器30和35、滞止容器38、标准音速喷嘴组39、气动阀门组41以及消音器43。汇气管25出口分为两种规格的实验管段，DN50直管段和DN100直管段，可以满足不同大小规格的被检表要求。气动夹表器30和35可以根据被夹表28和33自动伸缩调节长度，同时方便拆卸。标准音速喷嘴组39由11支不同喉径大小的高精度音速喷嘴组成，通过不同音速喷嘴通断的组合能够标定整个实验装置的气体流量。消音器43可以消除实验气体向外排放时的噪音污染。
参见图2，高压微雾模块包括水处理器44、储水池47、入口电磁阀45、液位控制器46、电加热恒温控制器55、三通合流阀56、温度传感器57、变频器60、变频调速电机59、液压隔膜计量泵58、脉动阻尼器49、压力变送器51、高压电磁阀组52、单向止回阀组53、高压超微雾化喷嘴组54以及控制电路。经过气源模块和气体温度控制模块的气体是干燥的纯净气体。要对气源进行湿度控制，就需要对干燥气体进行加湿，本装置采用的是高压微雾加湿方式。经过水处理过后的纯净水进入储水池47，储水池47用于存储经水处理器44净化后的纯净水，液位控制仪46和入口电磁阀45用于确保该模块的水位处于安全范围内。电加热恒温控制器55、三通合流阀56和温度传感器57用于控制管路中水的温度，有利于提高雾化蒸发效率。液压隔膜计量泵58可以实现精确的流量控制并将系统的压力抬升至几十公斤以上。在计量泵柱塞行程一定的情况下，流量与电机的转速成线性关系，变频器60通过变频输出方式控制变频调速电机59的转速，从而改变计量泵柱塞的往复频率实现流量控制。压力变送器51可以反馈经过脉动阻尼器49消除系统脉动后的准确压力值，确保高压水管路的压力安全。通过高压电磁阀组52的通断组合实现不同的流量控制，在电磁阀52和超微雾化喷嘴54之间配有单向止回阀53，保证系统单向运行而不受雾化喷嘴下游环境的影响，扩大了装置的使用范围。该模块独立于气体管路，高压水管路最后由高压超微雾化喷嘴54输送进入气路中实现雾化加湿，完成湿度控制。
参见图3，控制系统的流程图揭示了本发明一种温度、湿度、流量、压力可控的气体实验装置中各个模块组合工作方式。该装置的控制核心是PLC，所有传感器和控制信息以及控制命令均要经过PLC接受、处理、分析和发送。PLC控制模块包括控制电路、PLC、上位机。PLC接收传感器信息并分析处理、发送控制信息，同时，这些信息将同步显示在上位机中，在上位机可以实时进行各种参数设置。所述控制模块和参数采用前馈—反馈的复杂控制结构，结合模糊PID控制策略完成音速喷嘴气体实验装置中温度、湿度、流量、压力参数的精确控制作用。
Claims (2)
1.一种温度、湿度、流量、压力可控的音速喷嘴气体实验装置，包括气源模块，气体温度控制模块，蒸发加湿模块和音速喷嘴气体实验管段，其中，
气源模块，包括空气压缩机(1)、冷却器(2)、除油器(3)、冷干机(4)、吸干机、储气罐(7)、自力式调压阀(8)以及稳压罐(10)，气体从压缩机出来后，依次经过冷却器(2)、除油器(3)、冷干机(4)、吸干机后进入储气罐(7)中，并通过自力式调压阀(8)进入到稳压罐(10)中，稳压罐(10)后接一电动流量和压力调节阀(12)，实现17～1023.5m3/h的气体流量调节，以及将压力误差控制在1％；经过电动流量和压力调节阀(12)的气体进入管道加热器(14)；
气体温度控制模块，包括管道加热器(14)、加热前压力传感器(11)、加热丝温度传感器(13)、出口温度传感器(16)、可控硅、温度控制仪以及控制电路；加热丝温度传感器(13)起超温保护作用，防止加热丝因温度过高而损坏；出口温度传感器(16)用于对所加热气体起温度反馈作用，在管道加热器出口处配有一加热后压力传感器(17)，用于监测管道加热器的压力变化，确保不会出现过压负载；温控仪用于对可控硅输出功率进行调节，从而实现对加热丝温度控制；经过温度控制和调节的气体进入蒸发加湿模块；
蒸发加湿模块，包括高压微雾模块、两级蒸发结构，温度传感器(22)、压力传感器(23)和湿度传感器(24)，两级蒸发结构包括前一级的整流器(18)和后一级的蒸发器，经过高压微雾模块处理的高压水汽被喷入整流器(18)内，用以调节气体湿度；整流器由DN50-100变径短节、DN100气体整流器和DN100-50变径短节组成，用于将不规则流动的气流变成规则流动的气流或把旋转的气流改变为直线流动的气流；蒸发器由同心圆锥壳(19)、DN400蒸发腔(20)和升气管(21)组成，用于使管道内各处气体湿度基本一致，由蒸发加湿模块的出口与音速喷嘴气体实验管段的入口相连；
其中的高压微雾模块包括水处理器(44)、储水池(47)、入口电磁阀(45)、液位控制器(46)、电加热恒温控制器(55)、三通合流阀(56)、温度传感器(57)、变频器(60)、变频调速电机(59)、液压隔膜计量泵(58)、脉动阻尼器(49)、压力变送器(51)、高压电磁阀组(52)、单向止回阀组(53)、高压超微雾化喷嘴组(54)以及控制器，经过水处理过后的纯净水进入储水池(47)，储水池(47)用于存储经水处理器(44)净化后的纯净水，液位控制仪(46)和入口电磁阀(45)用于确保储水池(47)的水位处于安全范围内；
储水池(47)的出口连通电加热恒温控制器(55)，从电加热恒温控制器(55)出来的水通过三通合流阀(56)与旁通水路的常温水合流，合流的水经过液压隔膜计量泵(58)后压力被抬升；
在三通合流阀(56)与液压隔膜计量泵(58)之间设置有温度传感器(57)，控制器根据温度传感器(57)的输入信号通过对三通合流阀(56)冷热两端开合比例的不同实现水温的控制；
液压隔膜计量泵(58)将管路中的压力抬升至足够的压力，其出口是高压管路，在高压管路中配置有脉动阻尼器(46)，经过脉动阻尼器(46)的高压水在到达高压超微雾化喷嘴组(54)之前通过压力变送器(51)实现压力监测，脉动阻尼器(46)通过用于泄压保护的安全阀与储水池(47)相连；在高压管路后端依次连接高压电磁阀组(52)、单向止回阀组(53)以及高压超微雾化喷嘴组(54)，控制器通过变频器(60)控制电机(59)的转速，从而改变液压隔膜计量泵(58)柱塞的往复频率实现流量控制。
2.根据权利要求(1)所述的温度、湿度、流量、压力可控的音速喷嘴气体实验装置，其特征在于，所述的音速喷嘴气体实验管段依次包括汇气管(25)、相互并联的两个不同管径的直管段、滞止容器(38)、标准音速喷嘴组(39)、气动阀门组(41)以及消音器(43)，在两个不同管径的直管段上分别设置有开关阀、压力表、被测表和夹表器；标准音速喷嘴组(39)由不同喉径大小的高精度音速喷嘴组成，通过不同音速喷嘴通断的组合能够标定气体流量。
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