CN107992105B - 一种流量控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种流量控制系统及其控制方法。该系统包括气源、测温排架、测压排架、调压阀和复合喷管，气源借助气源总阀和过滤器通过连接管路与复合喷管连通，调压阀安装在过滤器与复合喷管之间的连接管路上，测温排架安装在调压阀上游，测压排架安装在调压阀下游，复合喷管包括稳定段、喷管段和扩散段，喷管段为外轮廓为长方体的中心三元喷管与四个以三元喷管上下左右四个侧壁为底壁的四个二元喷管的组合，在喷管段的入口处安装有上下左右四个插板阀，从而分别对四个二元喷管入口进行关闭或开放，并通过左插板阀和右插板阀实现中心三元喷管的关闭或开放。本发明解决了气流流量大跨度调节精度较低以及控制不准的问题。

Description

一种流量控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种流量控制系统及其控制方法，特别是一种适用于气体的流量控制系统及其控制方法。

背景技术

目前工业上常用的气体流量主要采用流量计与调节阀配合或集成的流量调节器来实现，系统调节精度依赖于流量计的精度，而现有气体流量计整体精度不高，整体上精度在5％以上，大跨度流量的流量计精度偏差在30％以上，还有采用孔板配合调节阀来进行流量调节的，实现的调节精度有所提高，但限于孔板节流位置流动波动的不可避免，流量调节精度依然不高。另外，还有采用文丘里管进行节流配合调压阀来实现流量调节的，这种方式从根本上避免了流动的波动对压力调节的影响，但限于文丘里管流动特性的固化，在流量调节跨度较大时就要求调压阀调节压力跨度较大，当调压阀压力调节范围超出其固有调压特性时调压精度便降低，无法实现全试验工况下的流量高精度调节。

所以，需要设计一种适用于大跨度气体流量精确调节的方法及系统。

发明内容

本发明提供了一种流量控制系统及其控制方法，该系统可实现大跨度气体流量调节，保证调压阀在最优调压特性区间工作，并适合上下游气体压力、温度波动的工况，解决了气体流量高精度控制问题。

本发明的流量控制系统包括气源、测温排架、测压排架、调压阀和复合喷管，所述气源借助气源总阀和过滤器通过连接管路与所述复合喷管连通，所述调压阀安装在所述过滤器与所述复合喷管之间的连接管路上，所述测温排架安装在所述调压阀上游，所述测压排架安装在所述调压阀下游，所述复合喷管包括稳定段、喷管段和扩散段，所述喷管段为外轮廓为长方体的中心三元喷管与四个以三元喷管上下左右四个侧壁为底壁的四个二元喷管的组合，在所述喷管段的入口处安装有上下左右四个插板阀，从而能够分别对四个二元喷管入口进行关闭或开放，并通过左插板阀和右插板阀能够实现中心三元喷管的关闭或开放。

优选在所述测温排架与所述调压阀之间安装有用于对所述气源压力进行监测的测压排架。

优选所述复合喷管的五个喷管流道均能够实现超声速流动。

优选中心三元喷管用于实现中间流量区段也是最常用试验工况的流量为10％～50％的控制，上部二元喷管与下部二元喷管用于实现微小量试验工况的流量＜10％的控制，中心三元喷管与右部二元喷管及左部二元喷管用于实现大流量试验工况的流量为50％～100％的控制

本发明的流量控制方法用于上述4个技术方案中任一项所述的流量控制系统，其包括步骤一、根据试验所需流量预设调压阀开度；步骤二、根据试验所需流量打开复合喷管的五个喷管中对应喷管或喷管组合的插板阀；步骤三、开启总阀，根据测温排架和调压阀下游的测压排架反馈的数据以及所开放的喷管情况计算实际流量与试验所需流量的差值；步骤四、根据步骤三的差值，调整调压阀的开度至试验用的准确值；步骤五、开始试验。

优选所述步骤二中，根据试验所需流量，可以选择上下二元喷管与中心三元各自单独开放、上下二元喷管组合开放、上下二元喷管单独或一起与中心三元喷管组合开放、左右二元喷管与中心三元喷管的组合开放以及五个喷管一起开放中的任意一种。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)解决了气流流量大跨度调节精度较低的问题；

(2)适用于多种气体种类，包括但不限于空气，适应性更广；

(3)可提供压力、温度参数的修正，解决因气体大气量排气引起的压力、温度变化对气体流量控制不准的问题。

附图说明

图1为本发明流量控制系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明所述的气体控制系统主要包括：输气总阀1、过滤器2、测温排架3、1#测压排架4、调压阀5、2#测压排架6、复合喷管7。输气总阀1为气体开关阀门，控制试验的启停，输气总阀1后布置过滤器2，过滤器2将气体中的杂质过滤掉，为保证经过测量传感器及调节装置气体洁净，过滤器2后连接测温排架3，测温排架3上安装温度传感器，用于测量气体总温，测温排架3后安装1#测压排架4，1#测压排架4上安装压力传感器，用于提供调压阀5阀前总压，为确定调压特性提供输入参数，1#测压排架4后设置调压阀5，调压阀5为气体压力调节装置，其根据阀前阀后压力的反馈应用压力PID控制参数实时调节阀位，使压力达到目标值，压力目标值由实时采集的压力及温度信号经流量函数实时运算得出，调压阀5后布置2#测压排架6，2#测压排架6上安装压力传感器，用于提供调压阀5阀后总压，为压力调节提供实时反馈，2#测压排架6后设置复合喷管7，复合喷管7用于节制气体流量，使气体流量保持稳定，屏蔽下游流动波动，营造稳定的阀后压力环境，复合喷管7具有多个流道，可以实现不同流量区间的多组合控制，在气流压力保持不变的情况下实现气流流量的调节。气体流动沿管道依次通过输气总阀1、过滤器2、测温排架3、1#测压排架4、调压阀5、2#测压排架6、复合喷管7。首先根据试验气体流量确定复合喷管的流道，由于复合喷管结构较为复杂，下面给出复合喷管的说明，复合喷管共五个流道，分别位于复合喷管中央及四周，中央为中心三元喷管，中心三元喷管内壁为轴对称，外壁为方形，外壁上下左右方向有上部二元喷管、下部二元喷管、左部二元喷管、右部二元喷管，五个流道均可实现超声速流动，在复合喷管7入口有插板阀，用于控制复合喷管7的流道，分别为上插板阀、下插板阀、左插板阀和右插板阀、分别负责上部二元喷管、下部二元喷管、左部二元喷管和右部二元喷管的状态管控，其中右插板阀及左插板阀的阀板可继续伸长至中心三元喷管入口中心，形成对中心三元喷管的状态管控。中心三元喷管用于实现中间流量区段也是最常用试验工况的流量(10％～50％)控制，上部二元喷管与下部二元喷管用于实现微小量试验工况的流量(＜10％)控制，中心三元喷管与右部二元喷管及左部二元喷管用于实现大流量试验工况的流量控制(50％～100％)。在小流量试验工况时，关闭右插板阀及左插板阀直至将中心三元喷管入口关闭，开启上插板阀或下插板阀(根据实际流量需要，可同时开启)可实现小流量气体流量控制，当进行常规典型试验工况时，关闭上插板阀及下插板阀，使右插板阀及左插板阀半开至中心三元喷管入口完全打开，而右部二元喷管及左部二元喷管入口处于关闭状态，即可应用中心三元喷管实现常规典型试验气体流量控制。当需要进行更大流量气体流量调节试验时，使右插板阀及左插板阀全开至中心三元喷管、右部二元喷管及左部二元喷管入口完全打开，三处流道均以超声速流动流出，实现更大流量控制试验需求。将上插板阀、下插板阀、左插板阀及右插板阀全部完全打开，即可实现五处流道全部以超声速流动流出，实现最大流量控制试验需求。确定好试验试验流量对应的复合喷管7流道后确定调压阀5工作区间，在本发明的流量控制系统中，调压阀最佳调压特性区间即为系统调压工作区间，再根据确定的调压工作区间确定调压阀控制PID控制参数，根据测温排架3、1#测压排架4、2#测压排架6采集的阀前总温总压及阀后总压计算出目标流量对应的目标压力，即可通过控制调压阀5阀芯位置及其对应的目标压力关系使调压阀5阀后的压力处于调节目标附近的误差带内，应用PID形成压力闭环调节。

气体具有可压缩性，流动中的气体流动状态随压力和温度会发生变化，气体调节装置主要针对气体压力调节，在工业中常遇到上游压力不稳定，气体膨胀温度降低的情况，利用流量信号对气体压力进行调节的方式忽略温度变化的影响无法实现流量高精度调节。原理如下：

根据气体动力学原理：

气体流量为压力、温度、速度系数及面积等物理量的函数，具体关系式为：

其中γ气体比热比，R为气体常数，P₀为气体总压，T₀为气体总温，A为截面积，q(λ)为流量函数，λ为速度系数。

流量函数

可以看出，气体流量与气体成分，气体压力、气体温度、速度系数及面积等密切相关，气体的可压缩性决定其流动具有不稳定性，波动不可避免，其波动程度直接影响流动控制精度，为实现气体流量的高精度控制研制了气体流量控制系统，基本原理是采用超声速喷管节流，根据气流整个试验过程中在超声速喉部处始终保持λ＝1的特性，再采用高精度调压阀对气体压力进行精确调节，采集超声速喷管前后压力及气源温度值反馈至高精度调压阀，实现气体流量的精确控制，为实现调压阀最佳调压特性使气体调节压力始终处于最佳调压特性对应的调压区间，研制了一套复合喷管，可以根据气体流量的不同选择相应的流道保证调压区间，且能满足大跨度流量调节需求。

本发明所述的气体流量控制系统主要包括：输气总阀、过滤器、测温排架、1#测压排架、调压阀、2#测压排架、复合喷管。输气总阀为气体开关阀门，控制试验的启停，过滤器将气体中的杂质过滤掉，为保证经过测量传感器及调节装置气体洁净，测温排架上安装温度传感器，用于测量气体总温，1#测压排架上安装压力传感器，用于提供调压阀阀前总压，为确定调压特性提供输入参数，调压阀为气体压力调节装置，根据阀前阀后压力的反馈应用压力PID控制参数实时调节阀位，使压力达到目标值，压力目标值由实时采集的压力及温度信号经流量函数实时运算得出，2#测压排架上安装压力传感器，用于提供调压阀阀后总压，为压力调节提供实时反馈，复合喷管用于节制气流流量，使气体流量保持稳定，屏蔽下游流动波动，营造稳定的阀后压力环境，复合喷管具有多个流道，可以实现不同流量区间的多组合控制，在气流压力保持不变的情况下实现气流流量的调节。

根据本发明的流量控制系统进行调节的步骤包括：

步骤一、根据试验所需流量预设调压阀开度；

步骤二、根据试验所需流量打开复合喷管的五个喷管中对应喷管或喷管组合的插板阀；

步骤三、开启总阀，根据测温排架和调压阀下游的测压排架反馈的数据以及所开放的喷管情况计算实际流量与试验所需流量的差值；

步骤四、根据步骤三地差值，调整调压阀的开度至试验用的准确值；

步骤五、开始试验。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种流量控制系统，其特征在于，包括：输气总阀(1)、过滤器(2)、测温排架(3)、1#测压排架(4)、调压阀(5)、2#测压排架(6)、复合喷管(7)；

输气总阀(1)为气体开关阀门，用于控制试验的启停；

输气总阀(1)后布置过滤器(2)；其中，(2)，用于将气体中的杂质过滤掉；

过滤器(2)后连接测温排架(3)，测温排架(3)上安装温度传感器，用于测量气体总温；

测温排架(3)后安装1#测压排架(4)，1#测压排架(4)上安装1#压力传感器，用于提供调压阀(5)阀前总压；

1#测压排架(4)后设置调压阀(5)；其中，调压阀(5)为气体压力调节装置，根据阀前阀后压力的反馈应用压力PID控制参数实时调节阀位，使压力达到目标值；压力目标值由实时采集的压力及温度信号经流量函数实时运算得出；

调压阀(5)后布置2#测压排架(6)，2#测压排架(6)上安装2#压力传感器，用于提供调压阀(5)阀后总压，为压力调节提供实时反馈；

2#测压排架(6)后设置复合喷管(7)；其中，复合喷管(7),用于节制气体流量，使气体流量保持稳定，屏蔽下游流动波动，营造稳定的阀后压力环境；

复合喷管(7)共五个流道，实现不同流量区间的多组合控制，在气流压力保持不变的情况下实现气流流量的调节；其中，复合喷管(7)的五个流道分别位于复合喷管中央及四周，中央为中心三元喷管，中心三元喷管内壁为轴对称，外壁为方形，外壁上下左右方向有上部二元喷管、下部二元喷管、左部二元喷管、右部二元喷管；

在复合喷管(7)入口设置有四个插板阀，用于控制复合喷管7的流道；其中，四个插板阀分别为上插板阀、下插板阀、左插板阀和右插板阀，分别负责上部二元喷管、下部二元喷管、左部二元喷管和右部二元喷管的状态管控；右插板阀及左插板阀的阀板继续伸长至中心三元喷管入口中心，形成对中心三元喷管的状态管控；

中心三元喷管用于实现中间流量区段也是最常用试验工况的流量为10％～50％的控制；上部二元喷管与下部二元喷管用于微小量试验工况的流量＜10％的控制；中心三元喷管与右部二元喷管及左部二元喷管用于实现微小量试验工况的流量＜10％的控制；

在小流量试验工况时，关闭右插板阀及左插板阀直至将中心三元喷管入口关闭，开启上插板阀或下插板阀，实现小流量气体流量控制；

当进行常规典型试验工况时，关闭上插板阀及下插板阀，使右插板阀及左插板阀半开至中心三元喷管入口完全打开，而右部二元喷管及左部二元喷管入口处于关闭状态，即可应用中心三元喷管实现常规典型试验气体流量控制；

当需要进行更大流量气体流量调节试验时，使右插板阀及左插板阀全开至中心三元喷管、右部二元喷管及左部二元喷管入口完全打开，三处流道均以超声速流动流出，实现更大流量控制试验需求；

将上插板阀、下插板阀、左插板阀及右插板阀全部完全打开，即可实现五处流道全部以超声速流动流出，实现最大流量控制试验需求；

确定好试验试验流量对应的复合喷管(7)流道后确定调压阀(5)工作区间，调压阀最佳调压特性区间即为系统调压工作区间，再根据确定的调压工作区间确定调压阀控制PID控制参数，根据测温排架(3)、1#测压排架(4)、2#测压排架(6)采集的阀前总温总压及阀后总压计算出目标流量对应的目标压力，通过控制调压阀(5)阀芯位置及其对应的目标压力关系使调压阀(5)阀后的压力处于调节目标附近的误差带内，应用PID形成压力闭环调节；

气体流量q_m为与压力、温度、速度系数及面积相关的函数，表示如下：

其中，γ表示气体比热比，R表示为气体常数，P₀表示气体总压，T₀表示气体总温，A表示截面积，q(λ)表示流量函数，λ表示速度系数；

2.如权利要求1所述的流量控制系统，其特征在于：所述复合喷管的五个喷管流道均能够实现超声速流动。

3.一种流量控制方法，其用于权利要求1-2中任一项所述的流量控制系统，其特征在于，包括：

步骤一、根据试验所需流量预设调压阀开度；

步骤二、根据试验所需流量打开复合喷管的五个喷管中对应喷管或喷管组合的插板阀；

步骤三、开启总阀，根据测温排架和调压阀下游的测压排架反馈的数据以及所开放的喷管情况计算实际流量与试验所需流量的差值；

步骤四、根据步骤三的差值，调整调压阀的开度至试验用的准确值；

步骤五、开始试验。

4.如权利要求3所述的流量控制方法，其特征在于：所述步骤二中，根据试验所需流量，选择上下二元喷管与中心三元各自单独开放、上下二元喷管组合开放、上下二元喷管单独或一起与中心三元喷管组合开放、左右二元喷管与中心三元喷管的组合开放以及五个喷管一起开放中的任意一种。