CN112000160A - 一种大量程高精度气体压力和流量快速调节装置及其调节方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及气体流量调节技术领域，具体为一种大量程高精度气体压力和流量快速调节装置及其调节方法，是针对现有流量控制装置难以满足高压力、快速、大量程、高精度调节的缺陷所提出，调节装置包括主调节阀、多通路快速调节阀和反馈控制系统，主调节阀与多通路快速调节阀并联，设置在主管路上的主调节阀根据需要调节高压气流的流量、设置在次管路上的多通路快速调节阀快速及高精度地调节高压气流的流量、反馈控制系统控制主调节阀实现对高压气流的大流量控制，同时控制多通路快速调节阀实现对高压气流的小流量、快速、精确控制；调节方法包括流量调节和压力调节。本发明有利于缩短整个流量校准过程的气源消耗，节省校准成本，提高工作效率。
Description
技术领域：
本发明属于气体流量调节技术领域，具体涉及一种大量程高精度气体压力和流量快速调节装置及其调节方法。
背景技术：
气体流量精确控制在石油、天然气、化工、节能、环保、航空航天等领域有着广泛的需求，有多种形式的阀门可以实现气体流量控制，可以满足一般的工业现场需求。但是在流量计量校准领域，被校流量装置工作工况范围广，尤其是航空航天行业的被校流量装置，其流通流量越来越大，流量从几克每秒到几千克每秒；工作压力变化范围广，从负压到正压，导致压力变化工况多。因此，提出了流量和压力组合工况校准的需求。为了满足这类校准需求，需要一套适用于流量计量领域的大量程高精度气体压力和流量快速调节系统，为流量校准装置提供所需的流量和压力，以匹配被校流量装置流量和压力工况变化范围广的客观情况。这套系统一个难点在于，整个量程范围内都需要精确控制流量，流量调节分辨率最小可到0.5g/s以内；另一个难点在于，如何使被校流量装置在如此大量程流量和压力工作范围内，确保该系统能够快速调节流量和压力，同时这也这意味着能够节省大量高压气源，提高校准工作效率，节约客观的经济成本。而当前单纯的独立阀门式流量控制装置，难以同时满足这类高压力、大流量范围工况、高精度气体流量快速调节的需求。例如：发明名称为一种流体流量调节阀和发明名称为流量调节阀，公布了相同类型的调节阀，且都能够实现稳定的高精度流量调节，但在流量调节范围和控制速度方面受限。因此，本发明提出一种适用于高压力、大流量范围工况、高精度气体流量快速控制装置，对一些特殊的压力和流量控制需求具有重要作用。
发明内容：
本发明为解决现有流量控制装置难以满足高压力、大流量范围工况、高精度气体流量、快速调节的缺陷，提供了一种大量程高精度气体压力和流量快速调节装置及其调节方法，通过设置不同的调节管路，缩短整个流量校准过程的气源消耗，进而节省校准成本，提高工作效率。
本发明采用的技术方案在于：一种大量程高精度气体压力和流量快速调节装置，包括：主调节阀，安装在主管路上，用来根据需要调节高压气流的流量；反馈控制系统，用来根据主管路内高压气流的流量目标或压力目标来控制主调节阀的开度，还包括与主调节阀并联设置的多通路快速调节阀，所述多通路快速调节阀安装在与主管道并联的次管路上，用来调节高压气流的流量；所述多通路快速调节阀包括多个并联设置的节流喷嘴和分别与每个节流喷嘴串联的快速阀，所述反馈控制系统用来控制每个快速阀的开闭。
优选地，每个节流喷嘴的喷嘴尺寸不同，且不同节流喷嘴的喷嘴喉道面积按倍数关系设置，根据调节精度的需要设置节流喷嘴的最小喉道面积。
优选地，所述主调节阀为线性节流阀，其包括线性节流头和用来驱动线性节流头运动的驱动装置，所述反馈控制系统通过控制驱动装置实现线性节流头对管路节流面积的调节。
优选地，所述反馈控制系统包括控制器、运算器、第一传感器和第二传感器，所述第一传感器用来采集装置入口处高压气流的总压力值P01和总温度值T01，并反馈给运算器；所述第二传感器用来采集主管路与次管路调节混合后位于装置出口处高压气流的总压力值P02和气体质量流量m3，并反馈给运算器，所述控制器根据运算器反馈数据，对主调节阀的开度和多通路快速调节阀的开闭进行控制。
根据所述的一种大量程高精度气体压力和流量快速调节装置的调节方法，具体调节步骤如下：
步骤1、流量调节：所需流量目标m包括调节主管路内主调节阀实现大量程的流量目标m1和调节次管路内多通路快速调节阀实现小量程的流量目标m2；
步骤2、压力调节：所述主管路和次管路调节混合后气流的总压力为P02，根据目标压力P0分别对主管路上的主调节阀和次管路上的快速阀进行调节，实现精确的压力调节。
优选地，所述步骤1中m1＝k*m，其中k的取值范围为0.8～0.9，根据主管路的流量目标m1、装置入口处高压气流的总压力值P01和总温度值T01，计算得到线性节流阀形成的节流面积
根据线性节流阀的节流面积与开度线性变化公式A＝C*L，其中C为线性变化系数，反算确定线性节流阀的开度，即L＝A/C，再由反馈控制系统控制驱动装置实现所需开度，从而得到大于或小于流量目标m1的流量值。
优选地，所述步骤1中m2＝m-m1，根据流量目标m2、装置入口处高压气流的总压力值P01和总温度值T01，计算得到次管路形成的节流面积
根据次管路的节流面积A2和每个节流喷嘴的喉道面积进行计算，计算出适配节流喷嘴的个数n和确定需要开启节流喷嘴的喷嘴喉道面积，使每个适配节流喷嘴的喷嘴喉道面积
从而得到大于或小于流量目标m2的流量值，然后反馈控制系统根据第二传感器采集装置出口处得到的气体质量流量m3，对多通路快速调节阀中节流喷嘴进行多次调节，使适配的节流喷嘴开启，并将不需要的节流喷嘴关闭，从而达到所需流量目标m的目的。
优选地，所述步骤2中，所述反馈控制系统根据第二传感器采集装置出口处得到的总压力P02对多通路快速调节阀中节流喷嘴进行多次调节，使适配的节流喷嘴开启，并将不需要的节流喷嘴关闭，从而达到所需压力目标P0的目的。
优选地，所述反馈控制系统对节流喷嘴进行多次调节的具体步骤为，运算器将第二传感器采集得到的数值与所需的目标值相比较，如果采集得到的数值大于目标值，则运算器通过控制器关闭相应数量的节流喷嘴，以降低流量；如果采集得到的数值小于目标值，则运算器通过控制器快速打开相应数量的节流喷嘴，以增加流量，从而实现精确调节。
本发明的有益效果是：
1、本发明采用多通路并联形式，将线性节流阀安装在主管路中，利用线性节流阀尺寸越大、气流压力越高、流量范围越大的特点，使主管路实现大流量范围的快速调节；同时将多通路快速调节阀安装在与主管路并联的次管路上，利用节流喷嘴实现小流量、快速高精度压力和流量稳定调节，通过主管路和次管路组合实现全流程内流量和压力的高精度快速调节，该结构有利于缩短整个流量校准过程的气源消耗，节省校准成本，提高工作效率。
2、本发明在进行大流量高精度快速调节时，反馈控制系统预先计算出大量程的节流面积，并由线性节流阀进行快速调节，实现流量目标的80-90％，而剩余小流量则通过次管路上多通路快速调节阀实现高精度快速控制，使最终输出的气体流量满足目标流量值，整个调节过程花费时间少，调节精度高。
附图说明：
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1中的A处放大图；
其中：1高压气流、2装置入口、3主管路、4主调节阀、5线性节流头、6驱动装置、7反馈控制系统、8控制器、9运算器、10第一传感器、11第二传感器、12次管路、13多通路快速调节阀、14分管路、15节流喷嘴、16快速阀、17装置出口、18调节后气流。
具体实施方式：
实施例1
如图1和图2所示，本发明为一种大量程高精度气体压力和流量快速调节装置，主管路3内的高压气流从调节装置的装置入口2进入，调节后气流18从装置出口17流出。
所述调节装置包括主调节阀4、反馈控制系统7和多通路快速调节阀13，所述主调节阀4安装在主管路3上，用来实现对高压气流的大流量调节。所述主调节阀4采用线性节流阀，其包括线性节流头5和驱动装置6，驱动装置6可带动线性节流头5前后移动以改变管路流通面积，利用线性节流阀尺寸越大，气流压力越高，流量范围越大的特点，进而对主管道3实现大量程的流量调节，而调节后气流18压力的调节最终通过流量的调节进行转换实现。
所述多通路快速调节阀13与主调节阀4并联设置，多通路快速调节阀13安装在与主管路3并联设置的次管路12上，用来实现对次管路12内高压气流的小流量、快速、高精度调节。
所述多通路快速调节阀13包括多个并联设置的节流喷嘴15和分别与每个节流喷嘴15串联的快速阀16，每个节流喷嘴15分别通过分管路14与次管路12连通，通过控制快速阀16可实现对该分管路14的快速开启或关闭，起到流量的快速调节作用和节流面积变化作用，所述快速阀16的调节时间可达到毫秒级。而并排设置在不同通路中节流喷嘴15的喷嘴尺寸不同，且不同节流喷嘴15间的喷嘴喉道面积按倍数关系设置，可成倍增加或减小，其中最小喷嘴的喉道面积决定次管路12的最小流量分辨率。所述多通路快速调节阀13并排设置分管路14的具体数量，可以根据整个量程与所需小流量的流量比例进行具体设计。
所述次管路12流量控制的增量由需要的节流喷嘴15数量及最小节流喷嘴15的喷嘴喉道面积决定，控制精度由最小节流喷嘴15的流通流量决定。由于多通路快速调节阀13的流量流通能力有限，主要是用来提高精度、快速调节，是对大流量调节起微调补充的作用，也可以单独用于调节小流量。
所述反馈控制系统7根据所需流量或压力来确定主管路3中线性节流阀的开度，并根据流量精度的需要，确定需要开启的节流喷嘴15个数和适配的节流喷嘴15喉道面积，使次管路12中多通路快速调节阀13实现小流量、快速、高精度调节，进而对调节装置的出口流量和压力实现稳定控制。
所述反馈控制系统7包括控制器8、运算器9、第一传感器10和第二传感器11，所述控制器8与运算器9连接，第一传感器10与采集装置入口2连接，第二传感器11与装置出口17连接，第一传感器10及第二传感器11还与运算器9连接，控制器8还与驱动装置6及快速阀16连接；所述第一传感器用来采集装置入口2处高压气流的总压力值P01和总温度值T01，并反馈给运算器；所述第二传感器11包括压力传感器和气体质量流量计，分别用来采集主管路与次管路调节混合后高压气流的总压力值P02和气体质量流量m3，并反馈给运算器。所述控制器8根据运算器9反馈的数据通过对主调节阀4中驱动装置6进行控制，实现线性节流头5对管路流通面积的调节开度，驱动装置6作动速度可保证0.1mm以内的作动精度和1-2m/s的作动速度，同时通过对多通路快速调节阀13各分管路14中快速阀16的开启或关闭，从而实现对次管路12节流面积毫秒量级的快速调节，压力的调节最终通过流量的调节进行转换实现。
实施例2
实施例2用于实施例1所述调节装置的调节方法，本实施例的调节方法主要是针对流量进行调节，具体调节步骤如下：
步骤1、所需的流量目标m包括调节主管路3内主调节阀4实现大量程的流量目标m1和调节次管路12内多通路快速调节阀13实现快速、精准、小量程的流量目标m2，流量目标m中的80％～90％为流量目标m1，流量目标m1由主调节阀4调节实现，m1＝k*m，其中k的取值范围为0.8～0.9，根据主管路3的流量目标m1、装置入口2处高压气流的总压力值P01和总温度值T01，计算得到线性节流阀形成的节流面积
根据线性节流阀的节流面积与开度线性变化公式A＝C*L，其中C为线性变化系数，反算确定线性节流阀的开度，即L＝A/C，再由反馈控制系统7控制驱动装置6实现所需开度，从而得到接近流量目标m1的流量值。
步骤2、所述步骤1中流量目标m中剩余10％～20％为流量目标m2，即m2＝m-m1，流量目标m2由次管路12调节实现，根据流量目标m2、装置入口2处高压气流的总压力值P01和总温度值T01，计算得到次管路12形成的节流面积
根据次管路12的节流面积A2和每个节流喷嘴15的喉道面积进行计算，计算出适配节流喷嘴15的个数n和确定需要开启节流喷嘴15的喷嘴喉道面积，使每个适配节流喷嘴15的喷嘴喉道面积
从而得到接近流量目标m2的流量值。
步骤3、反馈控制系统7的运算器9将第二传感器11在装置出口17处采集得到的气体质量流量m3与所需的流量目标m相比较，根据比较的结果仅对多通路快速调节阀13进行调节，而并不对主调节阀4的开度进行调节。具体调节过程为：
当采集的气体质量流量m3大于流量目标m时，则运算器9通过控制器8快速关闭适配数量的节流喷嘴15，实现快速、精确地降低流量的目的；当采集的气体质量流量m3小于流量目标m时，则运算器9通过控制器8快速打开适配数量的节流喷嘴15，实现快速、精确地增加流量的目的，通过多次调节直到使气体质量流量m3达到所需流量目标m时为止。
实施例3
实施例3用于实施例1所述调节装置的调节方法，本实施例的调节方法主要是针对压力进行调节，具体调节步骤如下：
所述装置入口2处高压气流为总压力值P01，装置出口17高压气流为总压力P02，即主管路3气流流经线性节流阀和次管路12气流经多通路快速调节阀13阀后的气流总压力。在总压比σ＝P02/P01＜0.77时(即线性节流头要处于节流状态时需满足的现有参数)，主管路3内高压气流流经主调节阀4和多通路快速调节阀13都能达到节流状态，反馈控制系统7的运算器9将第二传感器11在装置出口17采集得到的总压力P02与所需的压力目标P0相比较，当总压力P02大于压力目标P0时，则运算器9通过控制器8快速关闭适配数量的节流喷嘴15，实现快速、精确地降低流量的目的；当总压力P02小于压力目标P0时，则运算器9通过控制器8快速打开适配数量的节流喷嘴15，实现快速、精确地增加流量的目的，通过多次调节直到使装置出口17高压气流为总压力P02达到所需压力目标P0时为止。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种大量程高精度气体压力和流量快速调节装置，包括：
主调节阀(4)，安装在主管路(3)上，用来根据需要调节高压气流的流量；
反馈控制系统(7)，用来根据主管路(3)内高压气流的流量目标或压力目标来控制主调节阀(4)的开度，
其特征在于：还包括与主调节阀(4)并联设置的多通路快速调节阀(13)，
所述多通路快速调节阀(13)安装在与主管道(3)并联的次管路(12)上，用来调节高压气流的流量；所述多通路快速调节阀(13)包括多个并联设置的节流喷嘴(15)和分别与每个节流喷嘴(15)串联的快速阀(16)，所述反馈控制系统(7)用来控制每个快速阀(16)的开闭。
2.如权利要求1所述的一种大量程高精度气体压力和流量快速调节装置，其特征在于：每个节流喷嘴(15)的喷嘴尺寸不同，且不同节流喷嘴(15)的喷嘴喉道面积按倍数关系设置，根据调节精度的需要设置节流喷嘴(15)的最小喉道面积。
3.如权利要求1或2所述的一种大量程高精度气体压力和流量快速调节装置，其特征在于：所述主调节阀(4)为线性节流阀，其包括线性节流头(5)和用来驱动线性节流头(5)运动的驱动装置(6)，所述反馈控制系统(7)通过控制驱动装置(6)实现线性节流头(5)对管路节流面积的调节。
4.如权利要求3所述的一种大量程高精度气体压力和流量快速调节装置，其特征在于：所述反馈控制系统(7)包括控制器(8)、运算器(9)、第一传感器(10)和第二传感器(11)，所述第一传感器(10)用来采集装置入口(2)处高压气流的总压力值P01和总温度值T01，并反馈给运算器(9)；所述第二传感器(11)用来采集主管路(3)与次管路(12)调节混合后位于装置出口(17)处高压气流的总压力值P02和气体质量流量m3，并反馈给运算器(9)，所述控制器(8)根据运算器(9)反馈的数据，对主调节阀(4)的开度和多通路快速调节阀(13)的开闭进行控制。
5.根据权利要求1至4任一项所述的一种大量程高精度气体压力和流量快速调节装置的调节方法，其特征在于，具体调节步骤如下：
步骤1、流量调节：所需流量目标m包括调节主管路(3)内主调节阀(4)实现大量程的流量目标m1和调节次管路(12)内多通路快速调节阀(13)实现小量程的流量目标m2；
步骤2、压力调节：所述主管路(3)和次管路(12)调节混合后气流的总压力为P02，根据目标压力P0分别对主管路(3)上的主调节阀(4)和次管路(12)上的快速阀(16)进行调节，实现精确的压力调节。
6.如权利要求5所述的调节方法，其特征在于：所述步骤1中m1＝k*m，其中k的取值范围为0.8～0.9，根据主管路(3)的流量目标m1、装置入口(2)处高压气流的总压力值P01和总温度值T01，计算得到线性节流阀形成的节流面积
根据线性节流阀的节流面积与开度线性变化公式A＝C*L，其中C为线性变化系数，反算确定线性节流阀的开度，即L＝A/C，再由反馈控制系统(7)控制驱动装置(6)实现所需开度，从而得到大于或小于流量目标m1的流量值。
7.如权利要求6所述的调节方法，其特征在于：所述步骤1中m2＝m-m1，根据流量目标m2、装置入口(2)处高压气流的总压力值P01和总温度值T01，计算得到次管路(12)形成的节流面积
根据次管路(12)的节流面积A2和每个节流喷嘴(15)的喉道面积进行计算，计算出适配节流喷嘴(15)的个数n和确定需要开启节流喷嘴(15)的喷嘴喉道面积，使每个适配节流喷嘴(15)的喷嘴喉道面积
从而得到大于或小于流量目标m2的流量值，然后反馈控制系统(7)根据第二传感器(11)采集装置出口(17)处得到的气体质量流量m3，对多通路快速调节阀(13)中节流喷嘴(15)进行多次调节，使适配的节流喷嘴(15)开启，并将不需要的节流喷嘴(15)关闭，从而达到所需流量目标m的目的。
8.如权利要求5所述的调节方法，其特征在于：所述步骤2中，所述反馈控制系统(7)根据第二传感器(11)采集装置出口(17)处得到的总压力P02对多通路快速调节阀(13)中节流喷嘴(15)进行多次调节，使适配的节流喷嘴(15)开启，并将不需要的节流喷嘴(15)关闭，从而达到所需压力目标P0的目的。
9.如权利要求7或8所述的调节方法，其特征在于：所述反馈控制系统(7)对节流喷嘴(15)进行多次调节的具体步骤为，运算器(9)将第二传感器(11)采集得到的数值与所需的目标值相比较，如果采集得到的数值大于目标值，则运算器(9)通过控制器(8)关闭相应数量的节流喷嘴(15)，以降低流量；如果采集得到的数值小于目标值，则运算器(9)通过控制器(8)快速打开相应数量的节流喷嘴(15)，以增加流量，从而实现精确调节。
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