CN114859985A - 一种气体流量控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种气体流量控制装置及控制方法，进气端与可调速泵的输入端连接，可调速泵的输出端与限流器的输入端连接，限流器的输出端与出气端连接，差压传感器设置在可调速泵与限流器之间。根据目标流量获取差压传感器的理论压差及可调速泵的第一泵开度值；控制可调速泵达到第一泵开度值，并获取差压传感器的实际压差；判断所述实际压差与所述理论压差是否相等，若否，则根据实际压差计算所述可调速泵的第二泵开度值，并继续对可调速泵进行控制。通过本公开提供的装置及方法，有效解决了现有技术中气体流量控制装置易受采集环境压力变化影响导致流量不稳定的问题。

Description

一种气体流量控制装置及控制方法

技术领域

本公开涉及气体分析技术领域，具体涉及一种气体流量控制装置及控制方法。

背景技术

现有技术中，如图1所示，采用传统结构的压力式气体流量控制器通常包括限流器、比例阀、压力传感器和转速固定的泵，而比例阀需要进口采购，价格昂贵，成本较高，此外，比例阀在恶劣的环境下，容易堵塞，报废率较高，且维修困难。

另一方面，传统结构的压力式气体流量控制器的流量计算公式为：流量＝(进气端压力-出气端压力)/限流器的阻力，其中出气端压力为大气压力，较为稳定，限流器的阻力为常数，可见进气端压力是影响流量稳定的主要因素。而在实际工况中，进气端压力多随气体采集环境压力的变化而变化，从而导致流量不稳定。

发明内容

有鉴于此，本公开提供了一种气体流量控制装置及控制方法，能够有效解决现有技术中的压力式气体流量控制器易受气体采集环境压力影响导致流量不稳定且成本较高的问题。

下文中将给出关于本公开的简要概述，以便提供关于本公开的某些方面的基本理解。应当理解，此概述并不是关于本公开的穷举性概述。它并不是意图确定本公开的关键或重要部分，也不是意图限定本公开的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

根据本公开的第一方面，提供了一种气体流量控制装置，包括：进气端、可调速泵、差压传感器、限流器及出气端，所述进气端与所述可调速泵的输入端连接，所述可调速泵的输出端与所述限流器的输入端连接，所述限流器的输出端与所述出气端连接，所述差压传感器设置在所述可调速泵与所述限流器之间，用于检测所述可调速泵的输出端与所述限流器的输入端之间的压差。

根据本公开的第二方面，提供了一种气体流量控制方法，应用于如本公开第一方面所述的气体流量控制装置，所述控制方法包括：

步骤100：根据目标流量获取所述差压传感器的理论压差及所述可调速泵的第一泵开度值；

步骤200：控制所述可调速泵达到第一泵开度值，并获取所述差压传感器的实际压差；

步骤300：判断所述实际压差与所述理论压差是否相等，若是，则控制所述可调速泵保持所述第一泵开度值；否则，则根据所述实际压差计算所述可调速泵的第二泵开度值；

步骤400：根据所述第二泵开度值校正所述第一泵开度值，并返回步骤200。

在一些实施例中，基于以下公式根据目标流量预设差压传感器的理论压差：

PS₁＝Q*R-ΔPc

其中，PS₁为差压传感器的理论压差，ΔPc为限流器两端的临界压差，Q为目标流量，R为限流器的阻力。

在一些实施例中，基于以下公式根据目标流量获取所述可调速泵的第一泵开度值：

D₁＝Q*k

其中，D₁为可调速泵的第一泵开度值，Q为目标流量，k为所述可调速泵的开度参数。

在一些实施例中，基于以下公式根据所述实际压差计算所述可调速泵的第二泵开度值：

e＝PS₁-PS₂

其中，D₂为可调速泵的第二泵开度值，D₁为可调速泵的第一泵开度值，PS₁为差压传感器的理论压差，PS₂为差压传感器的实际压差，K_P为比例调节系数，K_i为积分调节系数，t为积分时间。

在一些实施例中，所述根据所述第二泵开度值校正所述第一泵开度值，具体包括：

将所述第二泵开度值赋值给所述第一泵开度值。

本公开提供的气体流量控制方法能够在气体流量控制装置的进气端压力变化时，通过调整可调速泵的泵开度值来减少或增大进气量，从而降低进气端压力变化对流量的影响，有效解决了现有技术中的压力式气体流量控制器易受气体采集环境压力变化影响，而导致流量不稳定的问题；此外，本公开提供的气体流量控制装置不包括比例阀，有效降低了成本。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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他的附图。通过附图所示，本申请的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本申请的主旨。

图1是传统结构的压力式气体流量控制器的结构示意图。

图2是根据本公开实施例提供的一种气体流量控制装置的结构示意图。

图3是根据本公开实施例提供的一种气体流量控制方法的流程图。

具体实施方式

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描述。

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定义和解释。同时，在本申请的描述中诸如“第一”、“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

下文中将结合附图对本公开的示例性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施例的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中可以做出很多特定于实施例的决定，以便实现开发人员的具体目标，并且这些决定可能会随着实施例的不同而有所改变。

在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本公开，在附图中仅仅示出了与根据本公开的方案密切相关的装置结构，而省略了与本公开关系不大的其他细节。

应理解的是，本公开并不会由于如下参照附图的描述而只限于所描述的实施形式。在本文中，在可行的情况下，实施例可以相互组合、不同实施例之间的特征替换或借用、在一个实施例中省略一个或多个特征。

如图2所示，本公开实施例提供的一种气体流量控制装置，包括：进气端1、可调速泵2、差压传感器3、限流器4及出气端5。所述进气端1与所述可调速泵2的输入端连接，所述可调速泵2的输出端与所述限流器4的输入端连接，所述限流器4的输出端与所述出气端5连接，所述差压传感器3设置在所述可调速泵2与所述限流器4之间，用于检测所述可调速泵2的输出端与所述限流器4的输入端之间的压差。其中，可调速泵2的开度可调节；限流器4的孔径为固定值，无法调节开度。

本公开实施例提供的气体流量控制装置，相比传统的流量控制器减少了比例阀的使用，从而有效解决了由于比例阀的使用而带来的成本较高的问题。

在本公开实施例提供的气体流量控制装置的基础上，本公开实施例同时提供了一种应用于上述气体流量控制装置的气体流量控制方法，图3示出了该气体流量控制方法的流程图，具体包括：

步骤100：根据目标流量获取所述差压传感器的理论压差及所述可调速泵的第一泵开度值。

本公开实施例中，所述目标流量为气体流量控制装置的输出流量，假设目标流量为Q，在恒温加热控制的环境下，根据泊肃叶方程，目标流量Q的计算方法为：

Q＝(P₀-P₂)/R＝(P₀-(P₁-ΔPc))/R＝((P₀-P₁)+ΔPc)/R＝(PS₁+ΔPc)/R

其中，P₀为可调速泵输出端压力，P₂为限流器输出端压力也即出气端压力，P₁为限流器输入端压力，ΔPc为限流器两端的临界压差，R为限流器的阻力，PS₁为理论压差。

值得注意的是，在本公开实施例提供的上述计算公式中，限流器两端的临界压差ΔPc为限流器输入端压力P₁与限流器输出端压力P₂之差，也即ΔPc＝P₁-P₂；理论压差PS₁为可调速泵输出端压力P₀与限流器输入端压力P₁之差，也即PS₁＝P₀-P₁。

本公开实施例中，通过上述目标流量的计算公式可以反推得到预设的差压传感器的理论压差PS₁＝Q*R-ΔPc，其中，ΔPc为限流器两端的临界压差，R为限流器的阻力，Q为目标流量。

本公开实施例中，所述目标流量可根据实际需要设置，所述限流器的阻力为一固定值，所述限流器两端的临界压差为一常数。由此，可以基于上述理论压差的计算公式在获取到设置的目标流量后计算得到差压传感器的理论压差。

本公开实施例中，可以基于以下公式根据所述目标流量获取所述可调速泵的第一泵开度值：

D₁＝Q*k

其中，D₁为可调速泵的第一泵开度值，Q为目标流量，k为所述可调速泵的开度参数。

本公开实施例中，在通过上述公式获取到所述可调速泵的第一泵开度值后，对所述可调速泵进行后续控制。

步骤200：控制所述可调速泵达到第一泵开度值，并获取差压传感器的实际压差。

本公开实施例中，所述可调速泵可以为PWM泵。在获取到所述第一泵开度值后，用单片机或数据处理单元对应地控制可调速泵的驱动电路的电压占空比，让可调速泵达到第一泵开度值，并获取差压传感器的实际压差。

步骤300：判断所述实际压差与所述理论压差是否相等，若是，则控制所述可调速泵保持所述第一泵开度值；否则，则根据所述实际压差计算所述可调速泵的第二泵开度值。

本公开实施例中，在实际压差与理论压差相等的情况下，气体流量控制装置的输出流量仍然为预设流量，因此此时不需要对所述可调速泵的泵开度值进行调整。

在气体流量控制装置的进气端压力发生变化的情况下，可调速泵输出端压力P₀也会相应发生变化，由流量计算公式Q＝(P₀-P₂)/R可知，在限流器输出端压力P₂为大气压力较为稳定的情况下，当可调速泵输出端压力P₀发生变化时，会导致流量变化，因此需要通过对可调速泵的控制来减少进气端压力变化对流量产生的影响。

本公开实施例中，可调速泵输出端压力P₀发生变化也会导致差压传感器测得的实际压差PS₂与理论压差PS₁不相等，此时可以根据理论压差PS₁和实际压差PS₂的差值e，对可调速泵的开度值进行调整，从而计算出所述可调速泵的第二泵开度值：

e＝PS₁-PS₂

其中，D₂为可调速泵的第二泵开度值，D₁为可调速泵的第一泵开度值，PS₁为差压传感器的理论压差，PS₂为差压传感器的实际压差，K_P为比例调节系数，K_i为积分调节系数，t为积分时间。

步骤400：根据所述第二泵开度值校正所述第一泵开度值，并返回步骤200。

本公开实施例中，根据所述第二泵开度值校正所述第一泵开度值，可以是，将第二泵开度值赋值给第一泵开度值，从而获得新的第一泵开度值，所述新的第一泵开度值与第二泵开度值相等，之后返回步骤200，控制所述可调速泵达到新的第一泵开度值，并获取新的实际压差值，从而不断对第一泵开度值进行修正，达到闭环反馈控制的效果。

本公开实施例中，基于获取到的压差传感器的压力差，通过PID调节对可调速泵的开度值进行调节来改变气体流量控制装置的进气量，从而实现稳定可调速泵输出端压力P₀，进而稳定流量的目的。例如，在进气端环境压力变大时，进气流量变大，可调速泵输出端压力P₀也会变大，从而使得流量变大，此时通过PID调节会将可调速泵的开度减小，从而降低进气流量，使可调速泵输出端压力P₀保持在之前的水平或控制其偏差保持在一个较小的范围内，从而实现气体流量控制装置输出流量的稳定；在进气端环境压力变小时，进气流量变小，可调速泵输出端压力P₀也会变小，从而使得流量变大，此时通过PID调节会将可调速泵的开度增大，从而提高进气流量，使可调速泵输出端压力P₀保持在之前的水平或控制其偏差保持在一个较小的范围内，从而实现气体流量控制装置输出流量的稳定。

以上所述实施例，仅为本公开的具体实施方式，用以说明本公开的技术方案，而非对其限制，本公开的保护范围并非局限于此，尽管参照前述实施例对本公开进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本公开实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本公开的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种气体流量控制装置，其特征在于，包括：进气端、可调速泵、差压传感器、限流器及出气端，所述进气端与所述可调速泵的输入端连接，所述可调速泵的输出端与所述限流器的输入端连接，所述限流器的输出端与所述出气端连接，所述差压传感器设置在所述可调速泵与所述限流器之间，用于检测所述可调速泵的输出端与所述限流器的输入端之间的压差。

2.一种气体流量控制方法，应用于如权利要求1所述的气体流量控制装置，其特征在于，所述控制方法包括：

步骤100：根据目标流量获取所述差压传感器的理论压差及所述可调速泵的第一泵开度值；

步骤200：控制所述可调速泵达到第一泵开度值，并获取所述差压传感器的实际压差；

步骤300：判断所述实际压差与所述理论压差是否相等，若是，则控制所述可调速泵保持所述第一泵开度值；否则，则根据所述实际压差计算所述可调速泵的第二泵开度值；

步骤400：根据所述第二泵开度值校正所述第一泵开度值，并返回步骤200。

3.根据权利要求2所述的气体流量控制方法，其特征在于，基于以下公式根据目标流量获取所述差压传感器的理论压差：

PS₁＝Q*R-ΔPc

其中，PS₁为差压传感器的理论压差，ΔPc为限流器两端的临界压差，Q为目标流量，R为限流器的阻力。

4.根据权利要求2所述的气体流量控制方法，其特征在于，基于以下公式根据目标流量获取所述可调速泵的第一泵开度值：

D₁＝Q*k

其中，D₁为可调速泵的第一泵开度值，Q为目标流量，k为所述可调速泵的开度参数。

5.根据权利要求2所述的气体流量控制方法，其特征在于，基于以下公式根据所述实际压差计算所述可调速泵的第二泵开度值：

e＝PS₁-PS₂

其中，D₂为可调速泵的第二泵开度值，D₁为可调速泵的第一泵开度值，PS₁为差压传感器的理论压差，PS₂为差压传感器的实际压差，K_P为比例调节系数，K_i为积分调节系数，t为积分时间。

6.根据权利要求2所述的气体流量控制方法，其特征在于，所述根据所述第二泵开度值校正所述第一泵开度值，具体包括：

将所述第二泵开度值赋值给所述第一泵开度值。

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