CN112097868B - 一种空间用微气体流量控制器标定系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及测量标定技术领域，具体而言，涉及一种空间用微气体流量控制器标定系统及方法，包括：试验箱、真空计量罐以及真空泵，其中：试验箱内部包括依次连接的储气瓶、第一自锁阀、减压阀以及待标定微气体流量控制器；待标定微气体流量控制器通过旋转接点和气路管道与真空计量罐连通；真空泵通过第二自锁阀与气路管道连通，通过第三自锁阀与真空计量罐直接连通。本申请提供了一种真空环境下，温度变化或者不变化时微气体流量更精确的计量方法，消除了管道对流量控制器标定结果的影响，实现了微气体流量控制器设备在真空、变温环境下的标定，为空间用微气体流量控制器标定校准提供了数据。

Description

一种空间用微气体流量控制器标定系统及方法

技术领域

本申请涉及测量标定技术领域，具体而言，涉及一种空间用微气体流量控制器标定系统及方法。

背景技术

微气体流量控制器在航天领域有广泛的应用需求，市场上普通的气体流量控制器使用及标定环境均为标准气压，室温(标准温度)下，但是航天用流量控制器使用要求较高，气体出口多为真空环境且工作在变温状态下。

航天用微气体流量控制器，需对其在真空、变温状况下进行标定校准，以适应环境对流量控制器的影响。现常用的气体流量标定方法有标准流量控制器法、标准装置法等，计量部门检定时，通常将标准流量控制器接在待标定流量测量装置的入口处，检定流量示值误差，但是由于待标定流量测量装置的实际使用环境与状态与标定检验状态不同，检定结果不能证明实际工况下流量控制器的测量及控制精度，这些方法仅适用于常温，标准状况下的气体流量标定。

真空、变温环境下微小流量的测量，由于测量过程中气体管道温度变化导致气体体积变化与流动远远大于微小气体流量控制器的输出控制，影响不可忽视。因此需要一种标定方法，消除管道对流量控制器量的影响，实现微气体流量控制器量设备在真空、变温环境下的标定。

发明内容

本申请的目的在于提供一种空间用微气体流量控制器标定系统及方法，主要适用于在真空变温环境下对微流量控制器进行标定，测量准确，误差较小。

根据本申请提供的一种空间用微气体流量控制器标定系统，包括：试验箱、真空计量罐以及真空泵，其中：试验箱内部包括依次连接的储气瓶、第一自锁阀、减压阀以及待标定微气体流量控制器；待标定微气体流量控制器通过旋转接点和气路管道与真空计量罐连通；真空泵通过第二自锁阀与气路管道连通，通过第三自锁阀与真空计量罐直接连通。

进一步的，待标定微气体流量控制器与真空计量罐之间的气路管道上设置有第四自锁阀。

进一步的，待标定微气体流量控制器与真空计量罐之间的气路管道上还设置有手动阀。

进一步的，真空计量罐内部设置有第一压力传感器、第二压力传感器、第一温度计以及第二温度计。

进一步的，真空计量罐的外部设置有保温层。

进一步的，还包括控制系统，控制系统用于控制调整试验箱内的工况以及调节各阀门的开启与闭合。

进一步的，试验箱内为真空环境。

此外，本申请还提供了一种空间用微气体流量控制器标定方法，该方法应用于上述空间用微气体流量控制器标定系统中，该方法包括：步骤1：将各部件布置连接，调整试验箱内的环境，设定试验箱内的温度，使试验箱内部保持真空环境；步骤2：设定待标定微气体流量控制器的量程，打开第一自锁阀和减压阀，调整待标定微气体流量控制器入口的压力；步骤3：对真空计量罐进行排空处理，关闭手动阀，打开真空泵，关闭第二自锁阀和第四自锁阀，打开第三自锁阀，使真空计量罐压力降为初始气压并保持；步骤4：对气路管道进行预排空处理，关闭第三自锁阀和第四自锁阀，打开第二自锁阀，实现气路管道的真空预处理；步骤5：打开第四自锁阀，关闭第二自锁阀，关闭真空泵，使储气瓶内的气体通过待标定微气体流量控制器流入真空计量罐，开始进行真空计量罐内气压的测量；步骤6：调整真空计量罐内的温度，实时监控真空计量罐内的温度及压力的变化，每隔一段时间记录一次真空计量罐内的气压，为保证真空计量罐内的环境始终为中真空环境，当真空计量罐内的气压大于90Pa时，完成并结束该组数据的测量，打开手动阀，关闭第四自锁阀；步骤7：对气压测量数据进行处理，舍弃气流不稳定的测量数据；步骤8：对稳定状态下的气压测量数据进行处理，计算当前工况下待标定微气体流量控制器的标定值，获得单点标定数据；步骤9：设定试验箱不同的工况，即将试验箱内的温度调整成不同的温度，将待标定微气体流量控制器的量程调整成不同的量程；步骤10：重复步骤3到步骤8，获得不同工况下，多点标定数据的测量。

进一步的，步骤2中待标定微气体流量控制器的量程包括满量程、90％量程、80％量程、70％量程、60％量程、50％量程、40％量程、30％量程、20％量程以及10％量程。

进一步的，步骤8中的气体质量流量值根据如下关系进行计算：

其中：c为气体质量流量，M为气体摩尔质量，R为摩尔气体常数，V为真空计量罐容积，T为真空计量罐内温度，Δt为时间间隔，Δp为Δt时间内真空计量罐内气压变化量，Δm为真空计量罐中气体质量变化量。

本申请提供的一种空间用微气体流量控制器标定系统及方法，具有以下有益效果：

本申请的流量控制器设置在真空环境下，然后采用真空计量罐在中真空环境下对通过流量控制器的气体进行收集，根据定容变压原理，真空计量罐的容积和温度保持不变，罐内气压的变化率即可表征气体的流量，提供了一种真空环境下，温度变化或者不变化时微气体流量更精确的计量方法，将管道容积与真空计量罐容积共同考虑，消除了管道对流量控制器标定结果的影响，实现了微气体流量控制器设备在真空、变温环境下的标定，为空间用微气体流量控制器标定校准提供了数据。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是根据本申请实施例提供的一种空间用微气体流量控制器标定系统的示意图；

图2是根据本申请实施例提供的一种空间用微气体流量控制器标定系统的真空计量罐内气压随时间变化的示意图；

图3是根据本申请实施例提供的一种空间用微气体流量控制器标定系统的真空计量罐内气压测量的示意图；

图中：1-试验箱、2-储气瓶、3-第一自锁阀、4-减压阀、5-待标定微气体流量控制器、6-旋转接点、7-气路管道、8-第四自锁阀、9-真空计量罐、10-第一压力传感器、11-第一温度计、12-保温层、13-第二温度计、14-第二压力传感器、15-第三自锁阀、16-真空泵、17-第二自锁阀、18-控制系统、19-手动阀。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。

另外，术语“多个”的含义应为两个以及两个以上。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

如图1所示，本申请提供的空间用微气体流量控制器标定系统，包括：试验箱1、真空计量罐9以及真空泵16，其中：试验箱1内部包括依次连接的储气瓶2、第一自锁阀3、减压阀4以及待标定微气体流量控制器5；待标定微气体流量控制器5通过旋转接点6和气路管道7与真空计量罐9连通；真空泵16通过第二自锁阀17与气路管道7连通，通过第三自锁阀15与真空计量罐9直接连通。

具体的，本申请实施例采用定容变压原理对微气体流量控制器进行标定，试验箱1为微气体流量控制器提供真空变温的环境，通过真空计量罐9收集通过微流量控制器的气体，真空计量罐9的容积和温度保持不变，真空计量罐9内的气压变化率即可表征气体流量，实现了微气体流量控制器设备在真空、变温环境下的标定。试验箱1优选为高低温循环箱或者其他可以调节温度的真空实验设备，主要为待标定微气体控制器5提供真空、变温的环境，标定过程中，可以改变试验箱1的温度，对试验箱1进行不同工况的设定，从而实现微气体流量控制器多点测量标定。真空计量罐9主要用于收集通过微流量控制器的气体，容积优选为10L，标定过程中，保持罐内的温度不变，通过记录罐内气压的变化，即可计算出气体质量流量，多次计算取平均值，即可获得单点标定数据。真空泵16主要用于抽气，保证真空计量罐9和气路管道7的环境在标定过程中为真空环境，消除真空计量罐9和气路管道7内残余气体对流量控制器的影响，减少误差，确保标定数据的准确性。第一自锁阀3和减压阀4设置在储气瓶2和待标定微气体流量控制器5之间，第一自锁阀3用于控制储气瓶2内气体的流出，减压阀4用于调节气体流入的压力，控制微气体流量控制器入口的压力。气路管道7用于气体的流动，从微气体流量控制器出来的气体通过气路管道7进入真空计量罐9。真空泵16通过第二自锁阀17与气路管道7连通，用于抽取气路管道7内的残余气体，保证气路管道7内部环境为真空，通过第三自锁阀15与真空计量罐9连通，用于抽取真空计量罐9内的残余气体，保证真空计量罐9内的环境为真空。

进一步的，待标定微气体流量控制器5与真空计量罐9之间的气路管道7上设置有第四自锁阀8。第四自锁阀8设置在待标定微气体流量控制器5与真空计量罐9之间的气路管道7上，主要用于控制气体是否能够进入真空计量罐9。

进一步的，待标定微气体流量控制器5与真空计量罐9之间的气路管道7上还设置有手动阀19。在真空计量罐9与气体管道7抽真空过程中，经过待标定微气体流量控制器5的气体将通过手动阀19流出。

进一步的，真空计量罐9内部设置有第一压力传感器10、第二压力传感器14、第一温度计11以及第二温度计13。压力传感器主要用于测量真空计量罐9内部的压力，温度计主要用于测量真空计量罐9内部的温度，第一压力传感器10和第一温度计11放置在真空计量罐9内部气流的远端处，第二压力传感器14和第二温度计13放置在真空计量罐9内部气流的入口处。标定过程中，读取两组压力值和温度值，然后取平均值，计算出当前真空计量罐9内的压力和温度，使测量数据更加的准确，减少误差。

进一步的，真空计量罐9的外部设置有保温层12。保温层12设置在真空计量罐9的外部，主要用于对真空计量罐9进行保温，标定过程中，使真空计量罐9内的温度保持不变。

进一步的，还包括控制系统18，控制系统18用于控制调整试验箱1内的工况以及调节各阀门的开启与闭合。控制系统18与系统各部件采用常规的电连接即可，在标定过程中主要用于调节各阀门的开启与闭合，实现真空计量罐9和气路管道7的排空处理以及控制气体的流动情况，并且可以调整试验箱1温度等参数，实现了在不同试验箱1工况下，多点标定数据的测量。

进一步的，试验箱1内为真空环境。试验箱1内的环境保持为真空环境，保证微气体流量控制器出口环境为真空，实现微气体流量控制器在真空、变温的环境下进行测量标定。

此外，本申请实施例还提供了一种空间用微气体流量控制器标定方法，该方法应用于上述空间用微气体流量控制器标定系统中，该方法包括：步骤1：将各部件布置连接，调整试验箱1内的环境，设定试验箱1内的温度，使试验箱1内部保持真空环境；步骤2：设定待标定微气体流量控制器5的量程，打开第一自锁阀3和减压阀4，调整待标定微气体流量控制器5入口的压力；步骤3：对真空计量罐9进行排空处理，关闭手动阀19，打开真空泵16，关闭第二自锁阀17和第四自锁阀8，打开第三自锁阀15，使真空计量罐9压力降为初始气压并保持；步骤4：对气路管道7进行预排空处理，关闭第三自锁阀15和第四自锁阀8，打开第二自锁阀17，实现气路管道7的真空预处理；步骤5：打开第四自锁阀8，关闭第二自锁阀17，关闭真空泵16，使储气瓶2内的气体通过待标定微气体流量控制器5流入真空计量罐9，开始进行真空计量罐9内气压的测量；步骤6：调整真空计量罐9内的温度，实时监控真空计量罐9内的温度及压力的变化，每隔一段时间记录一次真空计量罐9内的气压，为保证真空计量罐9内的环境始终为中真空环境，当真空计量罐9内的气压大于90Pa时，完成并结束该组数据的测量，打开手动阀19，关闭第四自锁阀8，其中中真空环境的范围为10²Pa-10^-1Pa；步骤7：对气压测量数据进行处理，舍弃气流不稳定的测量数据，当真空计量罐9内的气压变化率保持不变时，气流为稳定状态，测量的数据为稳定数据，当真空计量罐9内的气压变化率一直在变化时，测量的数据为不稳定数据，如图2所示，为真空计量罐9内气压随时间变化的示意图，其中，A、E段为流动不稳定阶段，B、F段为稳定阶段，即有效数据测量阶段，C为真空计量罐9排空阶段、D段为气路管道7排空阶段；步骤8：对稳定状态下的气压测量数据进行处理，计算当前工况下待标定微气体流量控制器5的标定值，获得单点标定数据；步骤9：设定试验箱1不同的工况，即将试验箱1内的温度调整成不同的温度，将待标定微气体流量控制器5的量程调整成不同的量程；步骤10：重复步骤3到步骤8，获得不同工况下，多点标定数据的测量。

进一步的，步骤2中待标定微气体流量控制器5的量程包括满量程、90％量程、80％量程、70％量程、60％量程、50％量程、40％量程、30％量程、20％量程以及10％量程。为了实现全量程、多工况下的微气体流量控制器标定，需要分别设定微气体流量控制器的量程输出，通过设置微气体流量控制器不同的量程输出，可以实现多点标定，标定的数据更加准确。

进一步的，步骤8中的气体质量流量值根据如下关系进行计算：

真空计量罐9内气体的密度小于标准状况，满足理想气体状态方程，当气流稳定时，气路管道7内气体流动达到稳态，气体质量流量c满足上述公式，其中：c为气体质量流量，M为气体摩尔质量，R为摩尔气体常数，V为真空计量罐9容积，T为真空计量罐9内温度，Δt为时间间隔，Δp为Δt时间内真空计量罐9内气压变化量，Δm为真空计量罐9中气体质量变化量。获得多个Δt时间间隔下的气体质量流量测量值，取平均值后，即可得到单点标定数据。

下面以单点标定测量为例，对本申请实施例进行进一步的说明：

步骤1：将各部件布置连接，调整试验箱1内的环境，设定试验箱1内的温度为40℃，使试验箱1内部保持真空环境；

步骤2：设定待标定微气体流量控制器5的量程为满量程，打开第一自锁阀3和减压阀4，调整待标定微气体流量控制器5入口的压力为0.3MP；

步骤3：对真空计量罐9进行排空处理，关闭手动阀19，打开真空泵16，关闭第二自锁阀17和第四自锁阀8，打开第三自锁阀15，使真空计量罐9压力降为初始气压并保持；

步骤4：对气路管道7进行预排空处理，关闭第三自锁阀15和第四自锁阀8，打开第二自锁阀17，实现气路管道7的真空预处理；

步骤5：打开第四自锁阀8，关闭第二自锁阀17，关闭真空泵16，使储气瓶2内的气体通过待标定微气体流量控制器5流入真空计量罐9，开始进行真空计量罐9内气压的测量；

步骤6：调整真空计量罐9内的温度，保持20℃不变，实时监控真空计量罐9内的温度及压力的变化，每隔10s记录一次真空计量罐9内的气压，当真空计量罐9内的气压大于90Pa时，完成该组数据的测量，打开手动阀19，关闭第四自锁阀8。其中，真空计量罐9内的气压数据如下表所示：

时间t(s)	0	10	20	30	40	50	60	70	80
										罐内气压(Pa)	0.36	1.05	2.50	4.68	7.94	11.61	15.21	18.81	22.45
时间t(s)	90	100	110	120	130	140	150	160	170
										罐内气压(Pa)	26.04	29.70	33.35	36.94	40.57	44.21	47.87	51.50	55.15
时间t(s)	180	190	200	210	220	230	240	250	260
										罐内气压(Pa)	58.79	62.38	65.99	69.65	73.26	76.85	80.50	84.11	87.7

表1.真空计量罐9内气压测量表

步骤7：对气压测量数据进行处理，舍弃气流不稳定的测量数据，真空计量罐9气压与时间的关系如图3所示，各点的斜率即为实时动态流量乘以一个常数，舍弃前段斜率不稳定的数据。

步骤8：根据图3中后段稳定数据计算出各时间段内气体质量流量值，取平均值，获得单点标定数据，完成一组有效数据的测量，在本申请实施例中，根据表中测量值，可以计算得到气体的流量为2sccm。

最后设定试验箱1不同的工况，设定微气体流量控制器不同的量程，重复上述测量计算步骤，实现真空变温环境下，全量程的微气体流量控制器的标定。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种空间用微气体流量控制器标定系统，其特征在于，包括：试验箱、真空计量罐以及真空泵，其中：

所述试验箱内部包括依次连接的储气瓶、第一自锁阀、减压阀以及待标定微气体流量控制器；

所述待标定微气体流量控制器通过旋转接点和气路管道与所述真空计量罐连通；

所述真空泵通过第二自锁阀与所述气路管道连通，通过第三自锁阀与所述真空计量罐直接连通；

所述待标定微气体流量控制器与所述真空计量罐之间的气路管道上设置有第四自锁阀；

所述待标定微气体流量控制器与所述真空计量罐之间的气路管道上还设置有手动阀；

还包括控制系统，所述控制系统用于控制调整所述试验箱内的工况以及调节各阀门的开启与闭合。

2.如权利要求1所述的空间用微气体流量控制器标定系统，其特征在于，所述真空计量罐内部设置有第一压力传感器、第二压力传感器、第一温度计以及第二温度计。

3.如权利要求2所述的空间用微气体流量控制器标定系统，其特征在于，所述真空计量罐的外部设置有保温层。

4.如权利要求1所述的空间用微气体流量控制器标定系统，其特征在于，所述试验箱内为真空环境。

5.一种空间用微气体流量控制器标定方法，其特征在于，该方法应用于如权利要求1-4任一项所述的空间用微气体流量控制器标定系统中，该方法包括：

步骤1：将各部件布置连接，调整试验箱内的环境，设定试验箱内的温度，使试验箱内部保持真空环境；

步骤2：设定待标定微气体流量控制器的量程，打开第一自锁阀和减压阀，调整待标定微气体流量控制器入口的压力；

步骤3：对真空计量罐进行排空处理，关闭手动阀，打开真空泵，关闭第二自锁阀和第四自锁阀，打开第三自锁阀，使真空计量罐压力降为初始气压并保持；

步骤4：对气路管道进行预排空处理，关闭第三自锁阀和第四自锁阀，打开第二自锁阀，实现气路管道的真空预处理；

步骤5：打开第四自锁阀，关闭第二自锁阀，关闭真空泵，使储气瓶内的气体通过待标定微气体流量控制器流入真空计量罐，开始进行真空计量罐内气压的测量；

步骤6：调整真空计量罐内的温度，实时监控真空计量罐内的温度及压力的变化，每隔一段时间记录一次真空计量罐内的气压，为保证真空计量罐内的环境始终为中真空环境，当真空计量罐内的气压大于90Pa时，完成并结束该组数据的测量，打开手动阀，关闭第四自锁阀；

步骤7：对气压测量数据进行处理，舍弃气流不稳定的测量数据；

步骤8：对稳定状态下的气压测量数据进行处理，计算当前工况下待标定微气体流量控制器的标定值，获得单点标定数据；

步骤9：设定试验箱不同的工况，即将试验箱内的温度调整成不同的温度，将待标定微气体流量控制器的量程调整成不同的量程；

步骤10：重复步骤3到步骤8，获得不同工况下，多点标定数据的测量。

6.如权利要求5所述的空间用微气体流量控制器标定方法，其特征在于，所述步骤2中待标定微气体流量控制器的量程包括满量程、90％量程、80％量程、70％量程、60％量程、50％量程、40％量程、30％量程、20％量程以及10％量程。

7.如权利要求5所述的空间用微气体流量控制器标定方法，其特征在于，所述步骤8中的气体质量流量值根据如下关系进行计算：

其中：c为气体质量流量，M为气体摩尔质量，R为摩尔气体常数，V为真空计量罐容积，T为真空计量罐内温度，Δt为时间间隔，Δp为Δt时间内真空计量罐内气压变化量，Δm为真空计量罐中气体质量变化量。