CN112146720A

CN112146720A - 一种微小气体流量测量装置及方法

Info

Publication number: CN112146720A
Application number: CN202010998643.5A
Authority: CN
Inventors: 李增科; 胡向宇; 陈光锋; 刘泽; 王钦惠; 崔梧玉
Original assignee: Lanzhou Institute of Physics of Chinese Academy of Space Technology
Current assignee: Lanzhou Institute of Physics of Chinese Academy of Space Technology
Priority date: 2020-09-21
Filing date: 2020-09-21
Publication date: 2020-12-29
Anticipated expiration: 2040-09-21
Also published as: CN112146720B

Abstract

本发明涉及气体测量技术领域，尤其涉及一种微小气体流量测量装置及方法，包括储气罐、定容器、抽气泵、液面控制器、光栅检测装置以及步进电机伺服系统，其中：储气罐通过第一管路与定容器的进气口连通；抽气泵通过第二管路与定容器的出气口连通；液面控制器分别与抽气泵和光栅检测装置电连接；光栅检测装置和步进电机伺服系统共同配合记录定容器内液面的变化情况。本发明通过定容器内的液面变化，可以实现实时在线测量气体流量的功能，能够快速计算并记录气体流量的瞬态值，并且对电气动控制系统和液面检测系统采用联动式协调集中控制，自动化控制程度高。

Description

一种微小气体流量测量装置及方法

技术领域

本发明涉及气体测量技术领域，尤其涉及一种微小气体流量测量装置及方法。

背景技术

随着制造业技术的不断发展，微小气体测量技术的应用范围更加广泛，在航空航天技术、半导体制造业、真空镀膜技术、生物工程、精细化工、新兴能源、环境监测等众多领域中，某些关键工艺，要求对微小气体进行严格的控制。

因此需要对微小气体的流量进行严格的测量控制，对微小气体的测量精度、灵敏度以及相应时间等都需要进行测量研究。但是现有技术对微小气体流量的测量和评估缺乏比较准确和科学的测量仪器，在对微小气体流量测量的实验中也缺乏科学的分析依据，并且对于微小气体量程在1sccm以下的测量，通用化低成本的测量装置也不常见。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种微小气体流量测量装置及方法，可以实现动态实时在线测量气体流量的功能，快速计算并记录气体流量瞬态值。

本发明公开了一种微小气体流量测量装置，包括储气罐、定容器、抽气泵、液面控制器、光栅检测装置以及步进电机伺服系统，其中：储气罐通过第一管路与定容器的进气口连通；抽气泵通过第二管路与定容器的出气口连通；液面控制器分别与抽气泵和光栅检测装置电连接；光栅检测装置包括光栅检测器、光栅发射源、光栅读头以及光栅接收装置，光栅检测器分别与液面控制器、光栅发射源和光栅读头电连接，光栅发射源和光栅接收装置分别设置在定容器的两侧，用于检测定容器内液面位置的变化情况，光栅读头设置在定容器液面的上方，用于读取光栅信号，从而确定液面的变化情况；步进电机伺服系统通过支架与定容器固定连接，并且与光栅接收装置电连接，用于根据液面的位置变化控制光栅接收装置进行移动。

进一步的，储气罐与定容器进气口之间的第一管路上依次设置有减压阀、压力计、流量计以及截止阀。

进一步的，抽气泵与定容器出气口之间的第二管路上设置有电磁阀。

进一步的，定容器为比色管，比色管的下方设置有储水箱。

进一步的，步进电机伺服系统包括编码器、步进电机、减速器以及滚珠丝杆，编码器与步进电机连接，步进电机与减速器连接，滚珠丝杆通过联轴装置与减速器连接。

进一步的，滚珠丝杆与光栅接收装置电连接，用于根据液面的位置变化控制光栅接收装置进行移动。

本发明还公开了一种微小气体流量测量方法，该方法包括：步骤1：将各装置进行连接，检查气密性，此时定容器下方储水箱内的水会进入定容器内，启动液面控制器和光栅检测装置，记录此时的液面为第一液面，并在初始液面的下方选择一个液面作为测量的基准液面；步骤2：打开电磁阀，通过液面控制器控制抽气泵工作，通过定容器的出气口将定容器内的空气抽出，一段时间后关闭电磁阀和抽气泵，停止抽气，此时定容器内的液面会上升，通过光栅检测装置和步进电机伺服系统对液面进行检测，记录此时的液面为第二液面；步骤3：打开储气罐，调节减压阀，并观察压力计，使储气罐中的高压气体降至3-5MPa，然后使气体进入流量计，通过流量计设置气体的输出的流量范围，打开截止阀使气体通过进气口进入定容器；步骤4：气体进入定容器后，定容器内的液面会下降，一段时间后，通入气体相对稳定后，通过光栅检测装置和步进电机伺服系统配合记录下此时的测量液面为第三液面，并计算出第三液面与基准液面之间的高度，记为H₁；步骤5：随着气体的进入，定容器内的液面会持续下降，经过T’时间后，通过光栅检测装置和步进电机伺服系统配合记录下此时的测量液面为第四液面，并计算出第四液面与基准液面之间的高度，记为H₂；步骤6：通过定容器内的液面变化可以求出单位时间内气体体积的变化量，然后根据公式Q＝V_体/T’可以求出气体的流量，其中T’为通气时间，V_体＝S*ΔH，S为定容器的截面面积，ΔH为第三液面与第四液面的差值ΔH＝H₁-H₂。

本发明提供的一种微小气体流量测量装置及方法，具有以下有益效果：

1、本发明通过定容器内的液面变化，可以实现实时在线测量气体流量的功能，能够快速计算并记录气体流量的瞬态值，并且对电气动控制系统和液面检测系统采用联动式协调集中控制，自动化控制程度高。

2、本发明微小气体流量测量装置测量范围宽，可对0-10SCCM，10-30SCCM以及30SCCM以上气体流量范围进行测量，并且可以实现测量值与量程范围接近的流量计作数据对比，计算并记录两者之间的相对误差，实现对测量仪器仪表的检测和评估。

3、本发明采用毛细比色管容积式测量技术，可以提高系统测量的灵敏度和精确度，对流量量程范围为0-10SSCM之间的测量效果更加显著。

附图说明

为了更清楚的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，显而易见的，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的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1为本发明实施例微小气体流量测量装置的结构示意图；

图2为本发明实施例微小气体流量测量装置A处液面位置变化放大示意图；

图中：1-储气罐、11-减压阀、12-压力计、13-流量计、14-截止阀、15-电磁阀、2-定容器、21-第一管路、22-第二管路、23-进气口、24-出气口、3-抽气泵、4-液面控制器、41-基准液面、42-第一液面、43-第二液面、44-第三液面、45-第四液面、51-光栅检测器、52-光栅发射源、53-光栅读头、54-光栅接收装置、61-编码器、62-步进电机、63-减速器、64-滚珠丝杆、7-储水箱。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例公开了一种微小气体流量测量装置包括储气罐1、定容器2、抽气泵3、液面控制器4、光栅检测装置以及步进电机伺服系统，其中：储气罐1通过第一管路21与定容器2的进气口23连通；抽气泵3通过第二管路22与定容器2的出气口24连通；液面控制器4分别与抽气泵3和光栅检测装置电连接；光栅检测装置包括光栅检测器51、光栅发射源52、光栅读头53以及光栅接收装置54，光栅检测器51分别与液面控制器4、光栅发射源52和光栅读头53电连接，光栅发射源52和光栅接收装置54分别设置在定容器2的两侧，用于检测定容器2内液面位置的变化情况，光栅读头53设置在定容器2液面的上方，用于读取光栅信号，从而确定液面的变化情况；步进电机伺服系统通过支架与定容器2固定连接，并且与光栅接收装置54电连接，用于根据液面的位置变化控制光栅接收装置54进行移动。

具体的，本发明实施例提供的微小气体流量测量装置主要利用定积法测量微小气体的流量，选择比色管作为定容器2的容体，在满足一定负压下的有限空间内，通入微小流量气体后使空间压力增加，压强随之增大，液面会随之向下移动，通过光栅检测装置测量前后的移动距离和时间间隔，并根据已知的截面面积，可以计算得出通入气体的体积，从而计算得出气体的流量，同时可以将计算得出的微小气体流量与量程范围内接近的流量计13的数据作对比，实现对流量计13等流量测量装置的检测和评估。在本发明实施例中，储气罐1主要用于储存气体，并向定容器2内提供气体，通过第一管路21将气体从进气口23输送到定容器2内，定容器2主要是观察测量装置，通过持续通入气体，定容器2内部的液面会发生变化，通过观察定容器2液面的变化情况，可以计算得出通入气体的流量，抽气泵3主要用于抽取定容器2内的气体，通过第二管路22将气体从定容器2的出气口24抽出，使定容器2内部形成负压，为气体的进入提供“虚拟真空”的试验环境，液面控制器4主要用于根据液面位置变化的不同控制光栅检测装置测量液面位置以及控制抽气泵3的工作状态，并实时将液面位置的测量结果反馈给控制终端，光栅检测器51一方面用于根据液面控制器4的指令控制光栅发射源52发射光源检测定容器2内的液面，另一方面用于接收光栅读头53的数据信号，从而确定定容器2内液面位置变化的情况，并将液面位置变化情况实时反馈给液面控制器4，光栅接收装置54用于接收光栅发射源52发射的光源，步进电机伺服系统与光栅接收装置54电连接，主要用于根据定容器2内液面位置变化的不同控制光栅接收装置54进行上下移动，从而使光栅读头53能够读取到不同液面位置变化的数据信息。

进一步的，储气罐1与定容器2进气口23之间的第一管路21上依次设置有减压阀11、压力计12、流量计13以及截止阀14。减压阀11主要用于将储气罐1内的高压气体进行降压，降到3-5MPa，确保气体能够平稳的进入定容器2内部，压力计12主要用于读取第一管路21的压力值，通过压力计12的读数来调整减压阀11，使第一管路21内的本底压力保持在3-5MPa，流量计13用于设定进入定容器2内气体的流量范围，同时可以根据最终的气体流量测量值，与流量计13的量程范围数据作比对，记录两者之间的相对误差，对研制的流量计13进行检测和评估，截止阀14主要用于控制气体的流通和切断，打开截止阀14，气体通过进气口23进入定容器2内，关闭截止阀14，气体会被切断，不会进入定容器2内。

进一步的，抽气泵3与定容器2出气口24之间的第二管路22上设置有电磁阀15。电磁阀15与液面控制器4连接，主要配合抽气泵3进行抽气，当测量开始前，打开电磁阀15和抽气泵3，将定容器2内的气体通过出气口24抽出，使定容器2内部形成负压环境，便于后续气体平稳的进入，当测量进行时，气体通过进气口23进入定容器2内部时，关闭电磁阀15和抽气泵3，不再抽取定容器2内部的气体。

进一步的，定容器2为比色管，比色管的下方设置有储水箱7。定容器2优选为密闭的毛细比色管，便于观察检测液面的变化情况，储水箱7设置在比色管的下方，储水箱7内的水会进入比色管内，根据比色管内气压值的不同，比色管内水的液面会发生变化，根据液面位置变化情况可以计算得出通入气体的流量值。

进一步的，步进电机伺服系统包括编码器61、步进电机62、减速器63以及滚珠丝杆64，编码器61与步进电机62连接，步进电机62与减速器63连接，滚珠丝杆64通过联轴装置与减速器63连接。步进电机伺服系统整体固定在固定座上，编码器61主要用于将滚珠丝杆64的直线位移信号转换为电信号进行传输，通过步进电机62和减速器63可以控制滚珠丝杆64上下移动。

进一步的，滚珠丝杆64与光栅接收装置54电连接，用于根据液面的位置变化控制光栅接收装置54进行移动。滚珠丝杆64主要用于控制光栅接收装置54的位置，根据定容器2内液面变化的位置不同，可以实时通过步进电机62控制滚珠丝杆64上下移动，从而带动光栅接收装置54上下移动，使光栅接收装置54移动到定容器2液面位置处，便于光栅读头53读取液面数据信息。

本发明实施例还公开了一种微小气体流量测量方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：将各装置进行连接，检查气密性，此时定容器2下方储水箱7内的水会进入定容器2内，启动液面控制器4和光栅检测装置，记录此时的液面为第一液面42，并在初始液面的下方选择一个液面作为测量的基准液面41，此时截止阀14处于关闭状态，气体不进入定容器2内；

步骤2：打开电磁阀15，通过液面控制器4控制抽气泵3工作，通过定容器2的出气口24将定容器2内的空气抽出，一段时间后关闭电磁阀15和抽气泵3，停止抽气，此时定容器2内的液面会上升，通过光栅检测装置和步进电机伺服系统对液面进行检测，记录此时的液面为第二液面43，打开电磁阀15和抽气泵3抽取定容器2内的气体，使定容器2内部形成负压，为气体流入提供“虚拟真空”的测量环境，此时外界压强大于定容器2内部的压强，在外界大气压强的作用下，定容器2内的液面会上升；

步骤3：打开储气罐1，调节减压阀11，并观察压力计12，实时观察压力计12并且调节减压阀11，使储气罐1中的高压气体降至3-5MPa，确保第一管路21内气体的平稳性，然后使气体进入流量计13，通过流量计13设置气体的输出的流量范围，打开截止阀14使气体通过进气口23进入定容器2；

步骤4：气体进入定容器2后，定容器2内的液面会下降，一段时间后，通入气体相对稳定后，通过光栅检测装置和步进电机伺服系统配合记录下此时的测量液面为第三液面44，并计算出第三液面44与基准液面41之间的高度，记为H₁，当气体开始短暂通入后，液面会开始下降，但是此时气体不够稳定，为了提高测量的准确性，需要通入气体一段时间后再进行记录测量，此时气体通过缓冲处于层流状态，测量结果相对准确；

步骤5：随着气体的进入，定容器2内的液面会持续下降，经过T’时间后，通过光栅检测装置和步进电机伺服系统配合记录下此时的测量液面为第四液面45，并计算出第四液面45与基准液面41之间的高度，记为H₂，随着气体的持续通入，定容器2内的气压越来越大，液面会持续下降，记录该时间段内液面下降的高度变化，通过公式可以得到通入气体的流量；

步骤6：通过定容器2内的液面变化可以求出单位时间内气体体积的变化量，然后根据公式Q＝V_体/T’可以求出气体的流量，其中T’为通气时间，V_体＝S*ΔH，S为定容器2的截面面积，ΔH为第三液面44与第四液面45的差值ΔH＝H₁-H₂，将液面之间的差值和通气的时间代入上述公式，即可求出进入定容器2内气体的流量，测量范围宽，测量结果准确，可以实现对现有微小气体流量测量装置的检测和评估，能够对某些同类型或量程相近流量计改进技术的研究和应用，提供合理的反馈机制。

以上借助具体实施例对本发明做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的描述，不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。

Claims

1.一种微小气体流量测量装置，其特征在于，包括储气罐、定容器、抽气泵、液面控制器、光栅检测装置以及步进电机伺服系统，其中：

所述储气罐通过第一管路与所述定容器的进气口连通；

所述抽气泵通过第二管路与所述定容器的出气口连通；

所述液面控制器分别与所述抽气泵和所述光栅检测装置电连接；

所述光栅检测装置包括光栅检测器、光栅发射源、光栅读头以及光栅接收装置，所述光栅检测器分别与所述液面控制器、所述光栅发射源和所述光栅读头电连接，所述光栅发射源和所述光栅接收装置分别设置在所述定容器的两侧，用于检测所述定容器内液面位置的变化情况，所述光栅读头设置在所述定容器液面的上方，用于读取光栅信号，从而确定液面的变化情况；

所述步进电机伺服系统通过支架与所述定容器固定连接，并且与所述光栅接收装置电连接，用于根据液面的位置变化控制所述光栅接收装置进行移动。

2.根据权利要求1所述的微小气体流量测量装置，其特征在于，所述储气罐与所述定容器进气口之间的第一管路上依次设置有减压阀、压力计、流量计以及截止阀。

3.根据权利要求1所述的微小气体流量测量装置，其特征在于，所述抽气泵与所述定容器出气口之间的第二管路上设置有电磁阀。

4.根据权利要求1所述的微小气体流量测量装置，其特征在于，所述定容器为比色管，所述比色管的下方设置有储水箱。

5.根据权利要求1所述的微小气体流量测量装置，其特征在于，所述步进电机伺服系统包括编码器、步进电机、减速器以及滚珠丝杆，所述编码器与所述步进电机连接，所述步进电机与所述减速器连接，所述滚珠丝杆通过联轴装置与所述减速器连接。

6.根据权利要求5所述的微小气体流量测量装置，其特征在于，所述滚珠丝杆与所述光栅接收装置电连接，用于根据液面的位置变化控制所述光栅接收装置进行移动。

7.一种微小气体流量测量方法，其特征在于，该方法应用与如权利要求1-6任一项所述的微小气体流量测量装置中，该方法包括：

步骤1：将各装置进行连接，检查气密性，此时定容器下方储水箱内的水会进入定容器内，启动液面控制器和光栅检测装置，记录此时的液面为第一液面，并在初始液面的下方选择一个液面作为测量的基准液面；

步骤2：打开电磁阀，通过液面控制器控制抽气泵工作，通过定容器的出气口将定容器内的空气抽出，一段时间后关闭电磁阀和抽气泵，停止抽气，此时定容器内的液面会上升，通过光栅检测装置和步进电机伺服系统对液面进行检测，记录此时的液面为第二液面；

步骤3：打开储气罐，调节减压阀，并观察压力计，使储气罐中的高压气体降至3-5MPa，然后使气体进入流量计，通过流量计设置气体的输出的流量范围，打开截止阀使气体通过进气口进入定容器；

步骤4：气体进入定容器后，定容器内的液面会下降，一段时间后，通入气体相对稳定后，通过光栅检测装置和步进电机伺服系统配合记录下此时的测量液面为第三液面，并计算出第三液面与基准液面之间的高度，记为H₁；

步骤5：随着气体的进入，定容器内的液面会持续下降，经过T’时间后，通过光栅检测装置和步进电机伺服系统配合记录下此时的测量液面为第四液面，并计算出第四液面与基准液面之间的高度，记为H₂；

步骤6：通过定容器内的液面变化可以求出单位时间内气体体积的变化量，然后根据公式Q＝V_体/T’可以求出气体的流量，其中T’为通气时间，V_体＝S*ΔH，S为定容器的截面面积，ΔH为第三液面与第四液面的差值ΔH＝H₁-H₂。