CN109470324B

CN109470324B - 气体流量标定方法、装置以及控制系统和存储介质

Info

Publication number: CN109470324B
Application number: CN201811088838.5A
Authority: CN
Inventors: 何漫丽; 牟昌华; 杜井庆
Original assignee: Beijing Sevenstar Flow Co Ltd
Current assignee: Beijing Sevenstar Flow Co Ltd
Priority date: 2018-09-18
Filing date: 2018-09-18
Publication date: 2021-01-15
Anticipated expiration: 2038-09-18
Also published as: CN109470324A

Abstract

本发明实施例公开了一种气体流量标定方法、装置以及控制系统、存储介质，其中的方法包括：获得标定气体与多个设定点相对应的的实际流量和理论流量，计算流量系数并采用多项式拟合方法获得流量系数与设定点之间关系的曲线方程，根据曲线方程与流量理论方程获得气体流量方程，并根据气体流量方程和气体流量转换系数确定过程气体实际流量。本发明的气体流量标定方法、装置以及控制系统、存储介质，在全量程范围内能够满足流量检测的精度要求，可以实现不同气体间的流量转换，提高了对流量的控制精度，提高了工作效率。

Description

气体流量标定方法、装置以及控制系统和存储介质

技术领域

本发明涉及流量检测技术领域，尤其涉及一种气体流量标定方法、装置以及控制系统、存储介质。

背景技术

质量流量控制器(Mass flow controller，简称MFC)是一种用于提供高精度、快速响应的气体流量控制装置。质量流量控制器的工作原理有热式的(thermal-based)，压差式的(pressure differential-based)，压力体积温度式的(PVT-based),压力式的(pressure-based)等。压力式质量流量控制器(压力式MFC)利用一定条件下气体通过限流孔的速度达到音速来工作，即在限流孔进、出口压力满足一定条件下，气体通过限流孔的速度达到音速并且不会再增大，这种流动状态也称为阻塞流动。

在阻塞流动状态下，通过限流孔的气体流量与其进口压力成正比，同时还与限流孔的面积大小和气体属性等参数有关。对于MFC来说，由于限流孔直径非常小，在毫米甚至更小的量级，很难加工成理想的流线型音速孔口形状，所以在限流口处实际的流体流动面积与限流口的物理面积不相同，流量与限流口物理面积呈现非线性关系，而且流量越低，非线性越强。按行业标准，MFC用氮气标定，而用户使用的实际气体很可能是其他各种气体，这就存在不同气体间流量转换的问题。在不同气体间简单地使用转换系数会导致实际气体在全量程范围内不能满足流量精度要求。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的一个技术问题是提供一种气体流量标定方法、装置以及控制系统和质量流量控制器。

根据本发明的一个方面，提供一种气体流量标定方法，包括：获得多个设定点处标定气体的标定气体实际流量；其中，所述设定点为被标定质量流量控制器最大量程的不同百分比值的测试点；获得与各个设定点相对应的标定气体理论流量，计算所述标定气体实际流量与相应所述标定气体理论流量的比值，获得与各个设定点对应的流量系数；采用多项式拟合方法对各个设定点以及与各个设定点对应的流量系数进行曲线拟合，获得所述流量系数与所述设定点之间关系的曲线方程；根据所述曲线方程与流量理论方程获得气体流量方程，其中，所述气体流量方程用于确定标定气体与任一设定点对应的气体实际流量。

可选地，所述获得与所述标定气体实际流量相对应的标定气体理论流量包括：如果确定p2/p1≤(2/(r+1))^r/(r-1)，则根据气体理论流量方程获得所述标定气体理论流量为：

其中，Qs为标定气体理论流量，p1为喉口前端进气压力，p2为喉口后端出气压力，A为喉口面积，r＝Cp/Cv，Cp为气体的定压比热容，Cv为定容比热容，Mw为气体的摩尔质量，T1为喉口前端流道进口处温度。

可选地，所述曲线方程包括：三次多项式曲线方程；所述三次多项式曲线方程为：

Cd＝a·sp³+b·sp²+c·sp+d；

获得的所述气体流量方程为：

Qt＝Cd*Qs；

其中，Cd为所述流量系数，a、b、c、d为系数，sp为最大量程的百分比。

可选地，根据所述气体理论流量方程获得过程气体理论流量与标定气体理论流量之间的气体流量转换系数；根据所述气体流量方程和所述气体流量转换系数确定与所述设定点对应的过程气体实际流量。

可选地，获得所述气体流量转换系数为：

其中，CFpg为过程气体理论流量与标定气体理论流量之间的气体流量转换系数，MwN2表示标定气体的气体摩尔质量，Mwpg表示过程气体的气体摩尔质量，T0N2为标定气体的温度，T0pg为过程气体的温度，rN2为标定气体的气体比热容，rpg为过程气体的气体比热容；所述标定气体为氮气。

根据本发明的另一方面，提供一种气体流量标定装置，包括：流量获得模块，用于获得多个设定点处标定气体的标定气体实际流量；其中，所述设定点为被标定质量流量控制器最大量程的不同百分比值的测试点；流量系数确定模块，用于获得与各个设定点相对应的标定气体理论流量，计算所述标定气体实际流量与相应所述标定气体理论流量的比值，获得与各个设定点对应的流量系数；系数曲线获得模块，用于采用多项式拟合方法对各个设定点以及与各个设定点对应的流量系数进行曲线拟合，获得所述流量系数与所述设定点之间关系的曲线方程；流量确定模块，用于根据所述曲线方程与流量理论方程获得气体流量方程，其中，所述气体流量方程用于确定标定气体与任一设定点对应的气体实际流量。

可选地，所述流量系数确定模块，用于如果确定p2/p1≤(2/(r+1))^r/(r-1)，则根据气体理论流量方程获得所述标定气体理论流量为：

Cd＝a·sp³+b·sp²+c·sp+d；

所述气体流量方程为：

Qt＝Cd*Qs；

可选地，流量转换模块，用于根据所述气体理论流量方程获得过程气体理论流量与标定气体理论流量之间的气体流量转换系数；根据所述气体流量方程和所述气体流量转换系数确定与所述设定点对应的过程气体实际流量。

可选地，所述流量转换模块，用于获得所述气体流量转换系数为：

根据本发明的又一方面，提供一种控制系统，包括：如上所述的气体流量标定装置。

根据本发明的又一方面，提供一种气体流量标定装置，包括：存储器；以及耦接至所述存储器的处理器，所述处理器被配置为基于存储在所述存储器中的指令，执行如上所述的方法。

根据本发明的再一方面，提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述指令被处理器执行如上所述的方法。

本发明的提供的气体流量标定方法、装置以及控制系统、存储介质，获得标定气体通过喉口的实际流量和理论流量，计算流量系数并采用多项式拟合方法获得流量系数与设定点之间关系的曲线方程，根据曲线方程与流量理论方程获得气体流量方程，并根据气体流量方程和气体流量转换系数确定过程气体实际流量；在全量程范围内能够满足流量检测的精度要求，可以实现不同气体间的流量转换，提高了对流量的控制精度，提高了工作效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据本发明的气体流量标定方法的一个实施例的流程示意图；

图2为基于压力检测的质量流量控制装置的工作原理示意图；

图3和图4分别为两种喉口结构的示意图；

图5和图6分别为用氮气测试的两个喉口的流量系数的曲线示意图；

图7为根据本发明的气体流量标定装置的一个实施例的模块示意图；

图8为根据本发明的气体流量标定装置的另一个实施例的模块示意图。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

图1为根据本发明的气体流量标定方法的一个实施例的流程示意图，如图1所示：

步骤101，获得多个设定点处标定气体的标定气体实际流量，其中，设定点为被标定质量流量控制器最大量程的不同百分比值的测试点。例如，设定点为被标定质量流量控制器最大量程的5％、10％、15％等的测试点。标定气体可以为氮气等，质量流量控制器可以为压力式质量流量控制器等，设定点位于质量流量控制器的气体通道内。

步骤102，获得与各个设定点相对应的标定气体理论流量，计算标定气体实际流量与相应标定气体理论流量的比值，获得与各个设定点对应的流量系数。

步骤103，采用多项式拟合方法对各个设定点以及与各个设定点对应的流量系数进行曲线拟合，获得流量系数与设定点之间关系的曲线方程。可以采用现有的多项式拟合方法。

步骤104，根据曲线方程与流量理论方程获得气体流量方程，其中，气体流量方程用于确定标定气体与任一设定点对应的气体实际流量。

在一个实施例中，基于压力检测的质量流量控制装置的工作原理如图2所示：压电阀通过其开度控制需要流入该控制装置的流量；压电阀驱动系统输出控制信号给压电阀来控制其开度以控制流量；气体通道连接气体从进气到出气各部件，喉口前端流道、后端流道和喉口装入气体通道内，其作用是使气体从进气的亚音速流动到达喉口时达到音速流动，喉口决定一定压力下流过该流量控制器的最大流量即控制器的量程。

压力传感器1和2分别检测喉口前端流道的压力p1和其后端压力p2；压力传感器的电阻为热敏电阻，可通过压力传感器1的阻值变化来获得气体温度T1；控制系统存储相关数据、程序和控制命令，以实现对整个控制装置的控制。

气体通过喉口的流动按其马赫数可分为非阻塞流和阻塞流。压力式质量流量控制装置利用阻塞原理工作。如果确定p2/p1≤(2/(r+1))^r/(r-1)，气体在喉口处为音速流动即阻塞流流动，通过喉口的流量不受其后端出口压力p2的影响，而只与喷嘴流道前端压力p1呈线性关系,则根据气体理论流量方程获得标定气体理论流量为：

通过公式(1-1)计算的流量为理想喉口形状的气体理论流量。在质量流量控制装置的应用里，由于喉口直径非常小，在毫米甚至1/10mm的量级，如此小的喉口要加工成理想喉口形状几乎不可能或者需要非常高的成本。如图3和图4分别为较小流量和较大流量两种喉口结构。

通过喉口的实际流量Qt可以通过实验测得，流量系数Cd为实际流量与理论流量之比：

Cd＝Qt/Qs (1-2)；

在一个实施例中，在标定前测试喉口的流量系数特性，测试在不同压力p1下对应的喉口的实际气体流量，计算相应的流量系数Cd，在5％-100％设定点范围内，用多项式拟合得到流量系数与设定点sp关系的曲线方程。采用多项式拟合方法对流量系数和对应的设定点进行曲线拟合可以有多种方法，例如，曲线方程包括三次多项式曲线方程，三次多项式曲线方程为：

Cd＝a·sp³+b·sp²+c·sp+d (1-3)；

其中，Cd为流量系数，a、b、c、d为系数，sp为最大量程的百分比。

图5和图6分别为用氮气测试的某两个直径规格均为0.009inch和两个直径规格为0.35mm喉口的流量系数Cd的曲线。流量系数为各测量点实际测试流量值和相应的计算理论流量值之比。由图5、6可以得出：(1)在低流量部分，流量系数具有很强的非线性；(2)即使是相同的直径规格，由于加工中可能存在的细微差别，流量系数存在差别；(3)由于加工或安装的细微差别，在低流量(低设定点)段，流量系数也可能会有较大的差异。

在一个实施例中，可以采用测试的方法得到气体通过喉口时不同流量的流量系数,基于多个流量系数进行三次多项式拟合,得到流量系数曲线方程，将流量系数曲线方程与流量理论方程相乘得到流量方程，质量流量控制装置在标定点外的其他任意点工作时，根据检测到的压力值p1由流量方程得到其对应流量。

基于流量方程获得的气体流量方程为：

Qt＝Cd*Qs (1-4)；

在一个实施例中，根据气体理论流量方程获得过程气体理论流量与标定气体理论流量之间的气体流量转换系数；根据气体流量方程和气体流量转换系数确定与设定点对应的过程气体实际流量。过程气体可以为空气、氦气、氢气等气体。

质量流量控制装置使用氮气标定，其流量为QN，实际控制的过程气体的流量为Qpg，气体流量转换系数CF为实际过程气体流量与氮气流量之比

CF＝Qpg/QN² (1-5)；

可以由理想形状喉口的气体理论流量方程获得气体流量转换系数为：

其中，CFpg为过程气体理论流量与标定气体理论流量之间的气体流量转换系数，标定气体为氮气，MwN2表示标定气体的气体摩尔质量，Mwpg表示过程气体的气体摩尔质量，T0N2为标定气体的温度，T0pg为过程气体的温度，rN2为标定气体的气体比热容，rpg为过程气体的气体比热容。例如，用氮气在20摄氏度时标定的质量流量控制装置，使用Ar气工作在23C时的气体流量转换系数为0.883。

由气体流量转换系数乘以包含流量系数的流量方程获得实际控制的过程气体流量，获得的过程气体流量：

Qpg＝CFpg*Qt (1-7)；

当用氮气标定的质量流量控制装置用于控制其他过程气体时，该气体的流量根据检测到的压力值p1由流量方程得到其对应的氮气流量(Qt)，再乘以气体流量转换系数CFpg得到过程气体的流量。

在一个实施例中，如图7所示，本发明提供一种气体流量标定装置70，包括：流量获得模块71、流量系数确定模块72、系数曲线获得模块73、流量确定模块74和流量转换模块75。

流量获得模块71用于获得多个设定点处标定气体的标定气体实际流量；其中，设定点为被标定质量流量控制器最大量程的不同百分比值的测试点。流量系数确定模块72获得与各个设定点相对应的标定气体理论流量，计算标定气体实际流量与相应标定气体理论流量的比值，获得与各个设定点对应的流量系数。

系数曲线获得模块73采用多项式拟合方法对各个设定点以及与各个设定点对应的流量系数进行曲线拟合，获得流量系数与设定点之间关系的曲线方程。流量确定模块74用于根据曲线方程与流量理论方程获得气体流量方程，其中，气体流量方程用于确定标定气体与任一设定点对应的气体实际流量。

在一个实施例中，流量系数确定模块72如果确定p2/p1≤(2/(r+1))^r/(r-1)，则根据气体理论流量方程获得标定气体理论流量为：

曲线方程包括：三次多项式曲线方程；三次多项式曲线方程为：

Cd＝a·sp³+b·sp²+c·sp+d；

气体流量方程为：

Qt＝Cd*Qs；

流量转换模块75根据气体理论流量方程获得过程气体理论流量与标定气体理论流量之间的气体流量转换系数。流量转换模块75根据气体流量方程和气体流量转换系数确定与设定点对应的过程气体实际流量。

流量转换模块75获得气体流量转换系数为：

其中，CFpg为过程气体理论流量与标定气体理论流量之间的气体流量转换系数，标定气体包括：氮气；MwN2表示标定气体的气体摩尔质量，Mwpg表示过程气体的气体摩尔质量，T0N2为标定气体的温度，T0pg为过程气体的温度，rN2为标定气体的气体比热容，rpg为过程气体的气体比热容。

在一个实施例中，本发明提供一种控制系统，包括如上任一实施例中的气体流量标定装置。

在一个实施例中，本发明提供一种质量流量控制器，包括如上任一实施例中的控制系统。

图8为根据本公开的气体流量标定装置的又一个实施例的模块示意图。如图8所示，该装置可包括存储器81、处理器82、通信接口83以及总线84。存储器81用于存储指令，处理器82耦合到存储器81，处理器82被配置为基于存储器81存储的指令执行实现上述的气体流量标定方法。

存储器81可以为高速RAM存储器、非易失性存储器(non-volatile memory)等，存储器81也可以是存储器阵列。存储器81还可能被分块，并且块可按一定的规则组合成虚拟卷。处理器82可以为中央处理器CPU，或专用集成电路ASIC(Application SpecificIntegrated Circuit)，或者是被配置成实施本公开的气体流量标定方法的一个或多个集成电路。

在一个实施例中，本公开提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机指令，指令被处理器执行时实现如上任一个实施例中的气体流量标定方法。

上述实施例中提供的气体流量标定方法、装置以及控制系统、存储介质，获得标定气体与多个设定点相对应的实际流量和理论流量，计算流量系数并采用多项式拟合方法获得流量系数与设定点之间关系的曲线方程，根据曲线方程与流量理论方程获得气体流量方程，并根据气体流量方程和气体流量转换系数确定过程气体实际流量；在全量程范围内能够满足流量检测的精度要求，可以实现不同气体间的流量转换，提高了对流量的控制精度，提高了工作效率。

可能以许多方式来实现本发明的方法和系统。例如，可通过软件、硬件、固件或者软件、硬件、固件的任何组合来实现本发明的方法和系统。用于方法的步骤的上述顺序仅是为了进行说明，本发明的方法的步骤不限于以上具体描述的顺序，除非以其它方式特别说明。此外，在一些实施例中，还可将本发明实施为记录在记录介质中的程序，这些程序包括用于实现根据本发明的方法的机器可读指令。因而，本发明还覆盖存储用于执行根据本发明的方法的程序的记录介质。

本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims

1.一种气体流量标定方法，其特征在于，包括：

获得多个设定点处标定气体的标定气体实际流量；其中，所述设定点为被标定质量流量控制器最大量程的不同百分比值的测试点；

获得与各个设定点相对应的标定气体理论流量，计算所述标定气体实际流量与相应所述标定气体理论流量的比值，获得与各个设定点对应的流量系数；

采用多项式拟合方法对各个设定点以及与各个设定点对应的流量系数进行曲线拟合，获得所述流量系数与所述设定点之间关系的曲线方程；

根据所述曲线方程与流量理论方程获得气体流量方程，其中，所述气体流量方程用于确定标定气体与任一设定点对应的气体实际流量；

所述获得与所述标定气体实际流量相对应的标定气体理论流量包括：

如果确定p2/p1≤(2/(r+1))r/(r-1)，则根据气体理论流量方程获得所述标定气体理论流量为：

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述曲线方程包括：三次多项式曲线方程；

所述三次多项式曲线方程为：Cd＝a·sp3+b·sp2+c·sp+d；

获得的所述气体流量方程为：Qt＝Cd＊Qs；

其中，Cd为所述流量系数，a、b、c、d为系数，sp为最大量程的百分比，Qt为通过喉口的实际流量。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

根据所述气体理论流量方程获得过程气体理论流量与标定气体理论流量之间的气体流量转换系数；

根据所述气体流量方程和所述气体流量转换系数确定与所述设定点对应的过程气体实际流量。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，

获得所述气体流量转换系数为：

其中，CFpg为过程气体理论流量与标定气体理论流量之间的气体流量转换系数，MwN2表示标定气体的气体摩尔质量，Mwpg表示过程气体的气体摩尔质量，TON2为标定气体的温度，TOpg为过程气体的温度，rN2为标定气体的气体比热容，rpg为过程气体的气体比热容；所述标定气体为氮气。

5.一种气体流量标定装置，其特征在于，包括：

流量获得模块，用于获得多个设定点处标定气体的标定气体实际流量；其中，所述设定点为被标定质量流量控制器最大量程的不同百分比值的测试点；

流量系数确定模块，用于获得与各个设定点相对应的标定气体理论流量，计算所述标定气体实际流量与相应所述标定气体理论流量的比值，获得与各个设定点对应的流量系数；

系数曲线获得模块，用于采用多项式拟合方法对各个设定点以及与各个设定点对应的流量系数进行曲线拟合，获得所述流量系数与所述设定点之间关系的曲线方程；

流量确定模块，用于根据所述曲线方程与流量理论方程获得气体流量方程，其中，所述气体流量方程用于确定标定气体与任一设定点对应的气体实际流量；

所述流量系数确定模块，用于如果确定p2/p1≤(2/(r+1))r/(r-1)，则根据气体理论流量方程获得所述标定气体理论流量为：

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述曲线方程包括：三次多项式曲线方程；

所述三次多项式曲线方程为：Cd＝a·sp3+b·sp2+c·sp+d；

所述气体流量方程为：Qt＝Cd＊Qs；

7.如权利要求5所述的装置，其特征在于，还包括：

流量转换模块，用于根据所述气体理论流量方程获得过程气体理论流量与标定气体理论流量之间的气体流量转换系数；根据所述气体流量方程和所述气体流量转换系数确定与所述设定点对应的过程气体实际流量。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，

所述流量转换模块，用于获得所述气体流量转换系数为：

9.一种控制系统，其特征在于，包括：如权利要求5至8任一所述的气体流量标定装置。

10.一种气体流量标定装置，包括：

存储器；以及耦接至所述存储器的处理器，所述处理器被配置为基于存储在所述存储器中的指令，执行如权利要求1至4中任一项所述的方法。

11.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述指令被处理器执行如权利要求1至4中任一项所述的方法。