CN113776628B - 一种高低压及温度可调的层流流量计测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高低压及温度可调的层流流量计测试装置,包括高压进气系统、工作腔体、层流流量计测试段、出气系统以及智能控制系统。高压进气系统包括高压气源、电磁阀、音速喷嘴和高压气室,以及加热元件、温度和压力传感器;工作腔体包括稳压气室,以及加热元件、温度和压力传感器;层流流量计测试段包括待测层流流量计和压差传感器;出气系统包括两个音速喷嘴、出气室、真空泵;智能控制系统完成对整个系统的信号收集和指令发送。本发明基于临界流效应和质量守恒原理,实现对温度和压力的稳定连续可调,利用本发明可用于研究分析不同压力和温度条件下的层流流量计的性能,分析温度及压力对层流流量计性能的影响,操作简便易行。
Description
技术领域
本发明涉及一种可调压力装置,特别涉及一种基于临界流效应和质量守恒定律的高低压及温度可调的层流流量计测试装置。
背景技术
层流流量计是由层流流量传感器和差压计组成的差压式流量计,是通过测量传感器两端的差压来测量流量的仪表,一般用来测量微小流量和高粘度流体的流量。
层流流量计广泛应用于内燃机行业及航空航天领域,既用于测量脉动进气流量,也是浓度探测方法-基于压差原理飞机灭火剂浓度测量装备的核心部件。当前对层流流量计的研究主要是在常温大气压下进行,而针对特殊的高低压以及不同温度下的应用场景,由于测试装置的缺乏,尚未有效开展,例如,对于航空航天领域,飞行器常常处于高空低压状态,低压下的流量或浓度测量的研究不可或缺。但是现有的压力调节装置一方面装置复杂、成本高,且只针对高压或低压调节,无法实现由高压向低压平缓过渡连续可调;另一方面,作为飞机灭火剂浓度测量装备中核心元件,需要分析其在不同温度下的性能,而现有调压装置不具备调温能力;公开号为CN111735520A的发明专利公布了一种高低压双校准段的气体流量标准装置及校准方法,但高压段与低压段为分开独立测试,无法实现由高压向低压的连续可调,且不具备在不同温度下的测试分析能力;此外,大多针对空气和某单一气体,对于飞机灭火剂浓度测量而言,需要分析不同种类及浓度飞机灭火剂的情况,而现有装置无法实现对不同气体种类和不同气体浓度下的压力可调。
鉴于此,本发明人针对层流流量计的应用场景需求,对上述问题进行深入研究,提出一种可解决上述难题的高低压可调的层流流量计测试装置设计。
发明内容
本发明目的在于:针对现有压力调节装备对于层流流量计测定方面的技术不足,提出一种基于临界流效应和质量守恒原理的高低压及温度可调的层流流量计测试装置,利用该装置能够实现51KPa-1MPa范围内的温度和压力稳定调节,并可基于应用场景,可实现对不同种类、不同浓度气体下层流流量计性能的测定,装置简单可靠,成本低廉。
本发明通过以下技术方案实现:
一种高低压及温度可调的层流流量计测试装置,包括依次顺序连接的高压进气系统、工作腔体、层流流量计测试段和出气系统,智能控制系统通过信号线分别与高压进气系统、工作腔体、层流流量计测试段和出气系统连接,智能控制系统用于采集测试数据的电信号和发出整个测试装置的控制信号,基于临界流效应和质量守恒原理完成层流流量计的功能测试;所述的高压进气系统在智能控制系统控制下用于提供稳定的初始高压,所述的工作腔体在智能控制系统控制下为层流流量计性能测试提供稳定的工作温度和压力,所述的层流流量计测试段在智能控制系统控制下用于测试待测层流流量计的性能,所述的出气系统在智能控制系统控制下用于产生负压并提供形成临界流效应的必要条件。
本发明的有益效果:
本发明克服传统调压装置只针对高压范围或只针对低压范围可调节,而难以同时实现具备高压和低压可调且不具备温度调节功能的技术缺陷,基于临界流效应和质量守恒原理,通过利用高压气源供压,并结合音速喷嘴的限流作用,实现了宽范围的高低压和温度可调,同时利用PID控制实现压力及温度的精确调节,确保层流流量计测试压力的稳定性,降低控制误差,此外,高压气源可采用不同种类、不同浓度的气体介质,上述特点极大丰富了层流流量计测试时的温度、压力范围和介质条件,为层流流量计测试提供了优良的测试场景。
附图说明:
图1为本发明提供的层流流量计测试装置的原理示意图;
图2为本发明提供的层流流量计测试装置的结构示意图;
图3为支架的结构示意图;
图4为第一音速喷嘴的结构透视图;
图5为第一音速喷嘴的结构剖视图;
图6为第一音速喷嘴与连接法兰连接处的密封结构示意图;
图7为第一加热元件的结构透视图;
图8为本发明的高低压调节控制流程图;
图中:0电磁阀,1-高压气源,2-第一加热元件,3-第一温度传感器,4-第一压力传感器,5-高压气室,6-第一音速喷嘴,7-第二加热元件,8-稳压气室,9-第二温度传感器,10-第二压力传感器,11-压差传感器,12-层流流量计,13-第二音速喷嘴,14-出气室,15-第一支架,16-真空泵,17-采集控制器,18-第二支架,19-第三支架,20-支撑底板,21-支撑竖板,41-O型密封圈,42-密封槽道,51-铂电阻传感器,52-绝缘陶瓷件,53-环氧树脂封装,54-多孔金属,55-陶瓷加热件。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例,进一步阐明本发明。应理解实施例仅用于说明本发明,而不用于限制本发明的保护范围。
如图1所示,为本发明提供的层流流量计测试装置的原理示意图;如图2所示,为本发明提供的层流流量计测试装置的结构示意图。
一种高低压及温度可调的层流流量计测试装置,包括依次顺序连接的高压进气系统、工作腔体、层流流量计测试段和出气系统,智能控制系统通过信号线分别与高压进气系统、工作腔体、层流流量计测试段和出气系统连接,智能控制系统用于采集测试数据的电信号和发出整个测试装置的控制信号,基于临界流效应和质量守恒原理完成层流流量计的功能测试。智能控制系统为采集控制器17。
所述的高压进气系统在智能控制系统控制下用于提供稳定的初始高压。高压进气系统包括:电磁阀0、高压气源1、第一加热元件2、第一温度传感器3、第一压力传感器4和高压气室5,高压气室5为两端开口的圆筒结构(一端为进口,另一端为出口)。高压气源1用于提供初始压力,本实施例选用2MPa的N2作为测试装置的气源。高压气源1通过输气管与可控开度的电磁阀0的进口连接,电磁阀0用于调节供给的气源压力。电磁阀0的出口通过输气管和连接法兰与高压气室5的进口密封连接,通过调节电磁阀0的开度,将高压气室5内的压力控制在层流流量计测试压力的2倍左右,本实例测试压力为90KPa,设定高压气室5的压力为180KPa。第一加热元件2位于高压气室5的入口处,用于加热气体,保证高压气室5的测试环境温度恒定,温度设定为25℃。第一温度传感器3和第一压力传感器4位于高压气室5的上方侧壁,与高压气室5贯通密封连接。第一温度传感器3和第一压力传感器4用于监测高压气室5内的温度和压力,并将采集的温度和压力信号反馈至采集控制器17,如果不同于设定值(25℃、180KPa),采集控制器17基于PID算法调节电磁阀0的开度和第一加热元件2的功率,以达到设定值。
所述的工作腔体在智能控制系统控制下为层流流量计性能测试提供稳定的工作温度和压力。工作腔体包括:第一音速喷嘴6、第二加热元件7、稳压气室8、第二温度传感器9和第二压力传感器10,稳压气室8为一端开口的圆筒结构(开口为进口),稳压气室8的横截面为漏斗状结构。稳压气室8的两端外表面的下部固定安装在第二支架18和第三支架19上,第二支架18和第三支架19放置在工作台上,形成一个稳定可靠的支撑结构。在稳压气室8的进口处安装第二加热元件7,用于加热气体,控制稳压气室8内的温度。第二加热元件7通过连接法兰与第一音速喷嘴6的出口密封连接,第一音速喷嘴6的进口与高压气室5的出口密封连接,第一音速喷嘴6用于获得稳定压力,该压力等于层流流量计12的测试压力。第二温度传感器9和第二压力传感器10位于稳压气室8的上方侧壁,与稳压气室8贯通密封连接。第二温度传感器9和第二压力传感器10用于监测稳压气室8内的温度和压力,并将采集的温度和压力信号反馈至采集控制器17。稳压气室8内的温度应与高压气室5内的温度相同,稳压气室8内的压力应与层流流量计12的测试压力相同,如果采集的温度和压力数值不同于设定值(25℃、90KPa),采集控制器17基于PID算法调节电磁阀0的开度和第二加热元件7的功率,以达到设定值。在第一音速喷嘴6处达到临界流效应,质量流量与后端压力无关,第一音速喷嘴6处临界流状态下的质量流量Qm6计算公式如下:
其中,Cd为流量系数,S为音速喷嘴喉口面积,P为气室内的压力,T为高压气室内的温度,M为气体相对分子质量,R为气体常数项,k为绝热指数。因此,对于同一气体,只要确保温度和压力不变,质量流量一致。
所述的层流流量计测试段在智能控制系统控制下用于测试待测层流流量计的性能。层流流量计测试段可方便拆卸,包括:差压传感器11和待测层流流量计12。层流流量计12的进口端与稳压气室8的封闭端贯通密封连接,因此,层流流量计12的压力与稳压气室8内的压力相同,差压传感器11位于层流流量计12侧壁上方,差压传感器11与待测层流流量计12的两端的侧壁贯通密封连接。层流流量计12进行测试时,由临界流喷嘴尺寸可获得体积流量QV13,通过差压传感器11可测得层流流量计12在不同压力、流量、气体成分下的压差,并基于泊肃叶方程可进一步分析层流流量计的性能,包括线性、流量修正系数、压差波动等特性。
所述的出气系统在智能控制系统控制下用于产生负压并提供形成临界流效应的必要条件。出气系统包括:第二音速喷嘴13、出气室14、第一支架15和真空泵16。出气室14为一端开口的圆筒结构(开口为出口),出气室14的横截面为漏斗状结构。层流流量计12的出口端通过连接法兰与第二音速喷嘴13的进口端密封连接,第二音速喷嘴13的出口端通过连接法兰和连接管道与出气室14的封闭端贯通密封连接,出气室14的出口通过连接法兰和输气管与真空泵16连接。出气室14的封闭端的侧壁固定安装在第一支架15上,第一支架15放置在工作台上,形成一个稳定可靠的支撑结构。第二音速喷嘴13与第一音速喷嘴6的喉口直径相同,真空泵16所抽取的负压保证两个第二音速喷嘴13处达到临界流状态,根据临界流形成条件,本实施例中真空泵16抽气形成的压力不高于40KPa,同时根据质量守恒,第一音速喷嘴6控制的质量流量Qm6等于出气系统中的两个第二音速喷嘴13处的质量流量Qm13之和,而由于三个音速喷嘴尺寸一致,温度以及气体类型相同,第二音速喷嘴13处质量流量变为第一音速喷嘴6处的一半:
Qm6=Qm13+Qm13=2Qm13;
根据临界流质量流量方程,第二音速喷嘴13前端压力P应等于第一音速喷嘴6前端压力的一半,即P/2,第二音速喷嘴13前端与层流流量计测试段的层流流量计12连接,压力相等,由此实现降压,因此,通过调节高压进气系统的高压气源1输出到高压气室5的压力,便可实现对层流流量计测试段的层流流量计12处测试压力从高压到低压的连续可调;同时,通过层流流量计12的体积流量QV13可由质量流量Qm13求得体积流速信息如下,用于层流流量计12的分析过程:
其中,ρ为气体密度,Cd为流量系数,S为音速喷嘴喉口面积,T为高压气室内的温度,M为气体相对分子质量,R为气体常数项,k为绝热指数。
若分析同一温度和压力条件下不同流速下的层流流量计性能变化,可根据流速需求选用不同喉口直径尺寸的音速喷嘴,即可实现同一温度和压力下的流速调节。
所述采集控制器17,可使用具备采集控制功能的工控机,例如NI公司的CDAQ系列,采集控制器17通过信号线分别与第一温度传感器3、第一压力传感器4、第二温度传感9、第二压力传感器10、电磁阀0、第一加热元件2和第二加热元件7连接,采集温度和压力信号,并基于PID算法控制电磁阀0的开度及第一加热元件2、第二加热元件7的加热功率,形成温度和压力闭环控制,实现系统内温度恒定,调节高压进气系统的高压气室5内的压力,监测工作腔体的稳压气室8的压力,以确保层流流量计测试段的温度和压力符合测试要求,层流流量计12处的压力稳定可调,通过采集控制器17的控制,保证层流流量计12的测试温度恒定在25℃,压力为90KPa。
所述高压气源1的气体种类和浓度可根据测试需要进行更换,实现针对不同气体及不同浓度下的层流流量计性能测试,本实施例选用纯N2,N2经高压气源1进入调压装置并最终经由真空泵16排出,由于N2无污染可直接排入大气。
所述工作腔体的稳压气室8内绝对气压51KPa-1MPa可调。
本实施例中,第一温度传感器3和第二温度传感器9选用高精度热电偶温度传感器。
如图3所示,为支架的结构示意图。第一支架15、第二支架18和第三支架19的结构大致相同,包括:支撑底板20和支撑竖板21,支撑底板20放置在工作台上,支撑底板20的上表面中间位置固定设置支撑竖板21,支撑底板20和支撑竖板21垂直相交,支撑竖板21远离的支撑底板20的一侧为弧形结构,弧形结构的形状和尺寸与稳压气室8和出气室14的外周相配合,通过弧形结构使稳压气室8和出气室14可以平稳可靠地放置在第一支架15、第二支架18和第三支架19上。
音速喷嘴为现有产品。如图4所示,为第一音速喷嘴的结构透视图;如图5所示,为第一音速喷嘴的结构剖视图;如图6所示,为第一音速喷嘴与连接法兰连接处的密封结构示意图。第一音速喷嘴6密封连接时,在与其相连的连接法兰的侧面设置密封槽道42,在密封槽道42中设置O型密封圈41,通过O型密封圈41与密封槽道42的紧密贴合密封方式,以实现测试装置气路的密闭性,保证测试过程中压力恒定在90KPa,避免漏气对层流流量计12的测试环境造成干扰。第二音速喷嘴13的结构和连接方式与第一音速喷嘴6相同。
如图7所示,为第一加热元件的结构透视图。第一加热元件2包括:铂电阻传感器51、绝缘陶瓷件52、环氧树脂封装53、多孔金属54和陶瓷加热件55,第一加热元件2的壳体为中空的圆柱筒,圆柱筒的中心设置有柱状结构的绝缘陶瓷件52,绝缘陶瓷件52的内部设置多孔金属54和陶瓷加热件55,第一加热元件2的壳体与绝缘陶瓷件52之间的空腔中设置铂电阻传感器51,铂电阻传感器51用于采集温度值,并根据温度值控制陶瓷加热件55,第一加热元件2的壳体与绝缘陶瓷件52之间的空腔中填充环氧树脂封装53。第二加热元件7与第一加热元件2的结构相同。加热元件需要根据设备的情况自行匹配加热元件的尺寸,此结构的加热元件控温快,恒温性好,体积微小可控。
如图8所示,为本发明的高低压调节控制流程图。在测试装置的工作过程中,实时监测高压气室和稳压气室内的温度,以及监测工作腔体内的压力,通过调整电磁阀的开度以及加热元件的功率,使测试装置稳定达到测试所需要的压力和温度环境。
本发明可实现不同种类、不同浓度的气体介质下,高低压范围内的压力以及温度的连续可调,实现满足层流流量计测试应用的环境条件,为层流流量计测试提供了优良的测试场景。
最后说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种高低压及温度可调的层流流量计测试装置,其特征在于,包括依次顺序连接的高压进气系统、工作腔体、层流流量计测试段和出气系统,智能控制系统通过信号线分别与高压进气系统、工作腔体、层流流量计测试段和出气系统连接,智能控制系统用于采集测试数据的电信号和发出整个测试装置的控制信号,并且完成层流流量计的功能测试;所述的高压进气系统在智能控制系统控制下用于提供稳定的初始高压,所述的工作腔体在智能控制系统控制下为层流流量计性能测试提供稳定的工作温度和压力,所述的层流流量计测试段在智能控制系统控制下用于测试待测层流流量计的性能,所述的出气系统在智能控制系统控制下用于产生负压并提供形成临界流效应的必要条件;
所述的工作腔体包括:第一音速喷嘴(6)、第二加热元件(7)、稳压气室(8)、第二温度传感器(9)和第二压力传感器(10),稳压气室(8)为一端开口的圆筒结构,稳压气室(8)的横截面为漏斗状结构,在稳压气室(8)的进口处安装第二加热元件(7),第二加热元件(7)通过连接法兰与第一音速喷嘴(6)的出口密封连接,第一音速喷嘴(6)的进口与高压气室(5)的出口密封连接,第二温度传感器(9)和第二压力传感器(10)位于稳压气室(8)的上方侧壁,与稳压气室(8)贯通密封连接,稳压气室(8)的两端外表面的下部固定安装在第二支架(18)和第三支架(19)上,第二支架(18)和第三支架(19)放置在工作台上;
所述出气系统包括:第二音速喷嘴(13)、出气室(14)、第一支架(15)和真空泵(16),出气室(14)为一端开口的圆筒结构,出气室(14)的横截面为漏斗状结构,层流流量计(12)的出口端通过连接法兰与第二音速喷嘴(13)的进口端密封连接,第二音速喷嘴(13)的出口端通过连接法兰和连接管道与出气室(14)的封闭端贯通密封连接,出气室(14)的出口通过连接法兰和输气管与真空泵(16)连接;
第二温度传感器(9)和第二压力传感器(10)用于监测稳压气室(8)内的温度和压力,并将采集的温度和压力信号反馈至智能控制系统,如果采集的温度和压力数值不同于设定值,智能控制系统基于PID算法调节电磁阀(0)的开度和第二加热元件(7)的功率以达到设定值。
2.根据权利要求1所述的高低压及温度可调的层流流量计测试装置,其特征在于,所述的高压进气系统包括:电磁阀(0)、高压气源(1)、第一加热元件(2)、第一温度传感器(3)、第一压力传感器(4)和高压气室(5),高压气室(5)为两端开口的圆筒结构,高压气源(1)通过输气管与可控开度的电磁阀(0)的进口连接,电磁阀(0)的出口通过输气管和连接法兰与高压气室(5)的进口密封连接,第一加热元件(2)位于高压气室(5)的入口处,第一温度传感器(3)和第一压力传感器(4)位于高压气室(5)的上方侧壁,与高压气室(5)贯通密封连接。
3.根据权利要求1所述的高低压及温度可调的层流流量计测试装置,其特征在于,层流测试段包括:差压传感器(11)和层流流量计(12),层流流量计(12)的进口端与稳压气室(8)的封闭端贯通密封连接,差压传感器(11)位于层流流量计(12)侧壁上方,差压传感器(11)与层流流量计(12)的两端的侧壁贯通密封连接。
4.根据权利要求1所述的高低压及温度可调的层流流量计测试装置,其特征在于,出气室(14)的封闭端的侧壁固定安装在第一支架(15)上,第一支架(15)放置在工作台上。
5.根据权利要求1所述的高低压及温度可调的层流流量计测试装置,其特征在于,所述的智能控制系统为采集控制器(17),采集控制器(17)通过信号线分别与第一温度传感器(3)、第一压力传感器(4)、第二温度传感器(9)、第二压力传感器(10)、电磁阀(0)、第一加热元件(2)和第二加热元件(7)连接,采集控制器(17)使用具备采集控制功能的工控机。
6.根据权利要求2所述的高低压及温度可调的层流流量计测试装置,其特征在于,高压气源(1)选用纯N2;第一加热元件(2)包括:铂电阻传感器(51)、绝缘陶瓷件(52)、环氧树脂封装(53)、多孔金属(54)和陶瓷加热件(55),第一加热元件(2)的壳体为中空的圆柱筒,圆柱筒的中心设置有柱状结构的绝缘陶瓷件(52),绝缘陶瓷件(52)的内部设置多孔金属(54)和陶瓷加热件(55),第一加热元件(2)的壳体与绝缘陶瓷件(52)之间的空腔中设置铂电阻传感器(51),第一加热元件(2)的壳体与绝缘陶瓷件(52)之间的空腔中填充环氧树脂封装(53)。
7.根据权利要求1所述的高低压及温度可调的层流流量计测试装置,其特征在于,第一音速喷嘴(6)和第二音速喷嘴(13)密封连接时,在与其相连的连接法兰的侧面设置密封槽道(42),在密封槽道(42)中设置O型密封圈(41)。
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