CN114879759A - 一种基于音速喷嘴的气体流量自动控制装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于音速喷嘴的气体流量自动控制装置及其控制方法，基于音速喷嘴的气体流量自动控制装置主要包括音速喷嘴、球阀、减压阀、温度传感器、压力传感器和控制器。该装置利用音速喷嘴原理将质量流量控制过程转化为压力控制过程，并且采用机械自动控制实现压力波动下流量的精确控制，利用新型结构实现量程段的拓展，实现低成本变压力耐受的质量流量控制。本发明还提出了一种基于音速喷嘴的气体流量自动控制装置及其控制方法。

Description

一种基于音速喷嘴的气体流量自动控制装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及分析测量技术领域，尤其涉及一种基于音速喷嘴的气体流量自动控制装置及其控制方法。

背景技术

气体流量控制器是能源、化工、医药、航空航天等领域科学研究和工业过程中不可缺少的重要设备。气体流量控制器的精度、稳定性等性能对科学实验结果的可靠性、工业产品的质量等具有重要影响。

目前实验室及工业应用的气体流量控制器中，常见的有量热式质量流量计、浮子流量计、孔板流量计、涡轮流量计等，也有用到针阀、蝶阀等来控制流量的案例。

目前常规采用的气体流量控制装置基本只适用于稳定压力条件，对外界压力波动的适应性差，在流量计上下游压力出现变化的条件下，流量控制会产生较大的误差，造成实验的准确性差或者工业产品的质量差。现有的气体流量控制装置大多不带自动控制功能，当所需流量改变时，需要采用人工调节的方式，费时费力且精度及安全性得不到保证。同时，现有气体流量控制装置的量程较小，不能很好适应于量程范围较大的工况。此外，现有高精度气体流量控制装置的成本较高，若配备自动调节功能，则应用成本会进一步提升。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明提出了一种基于音速喷嘴的气体流量自动控制装置。本发明提出的基于音速喷嘴的气体流量自动控制装置利用音速喷嘴原理将质量流量控制过程转化为压力控制过程，采用机械自动控制实现压力波动下流量的精确控制。

本发明还提出了一种基于音速喷嘴的气体流量自动控制装置的控制方法。

一方面，本发明提出了一种基于音速喷嘴的自动气体流量控制装，包括：

由球阀电机驱动的球阀，所述球阀一端连接上游气体管道，所述球阀远离所述上游气体管道的一端连接减压阀；

由减压阀电机驱动的所述减压阀，所述减压阀设置在所述球阀下游，所述减压阀和所述球阀之间设置温度传感器；

设置在所述减压阀下游的压力传感器，所述压力传感器远离所述减压阀的一端连接音速喷嘴；

所述音速喷嘴，利用所述音速喷嘴的质量阻塞效应将气体质量流量控制过程转化为压力控制过程；

控制器，所述压力传感器、所述温度传感器、所述球阀电机和所述减压阀电机均与所述控制器电连接。

在一些实施例中，所述音速喷嘴具有流道截面面积逐渐缩小的收缩段，所述收缩段的最小截面处为所述音速喷嘴的喉部，通过所述喉部的气流速度达到声速时出现所述质量阻塞效应。

在一些实施例中，所述音速喷嘴中的流动视为一维等熵连续流动，各截面对应的参考状态参数相同，其中临界压力p^*和滞止压力p₀满足：

当p_b≤p^*时，产生所述质量阻塞效应；

当p_b>p^*时，不产生所述质量阻塞效应，通过调节p₀使通过所述音速喷嘴的气体产生所述质量阻塞效应，

其中，γ为气体比热容比；p_b为背景环境压力，单位为Pa；p^*为临界压力，单位为Pa；p₀为滞止压力，单位为Pa。

在一些实施例中，产生所述质量阻塞效应时，

其中，

为质量流量，单位为kg/s；ρ为气体密度，单位为kg/m³；u为气体流速，单位为m/s；A为截面面积，单位为m²；ρ^*为临界气体密度，单位为kg/m³；u^*为临界气体流速，单位为m/s；A^*为临界截面面积，单位为m²；R为气体常数，单位为J/(kg·K)；γ为气体比热容比；p₀为滞止压力，单位为Pa；T₀为滞止温度，单位为K。

在一些实施例中，对于某种特定气体，气体比热容比γ与气体常数R为常数，当滞止温度T₀与音速喷嘴喉部的截面面积A_e给定时，质量流量

与滞止压力p₀呈线性关系。

在一些实施例中，当气体为比热容比γ＝1.4，R＝287J/(kg·K)的空气时，

其中，

为质量流量，单位为kg/s；p₀为滞止压力，单位为Pa；A_e为音速喷嘴喉部的截面面积，单位为m²。

在一些实施例中，所述减压阀用于调节并稳定气体的滞止压力p₀。

在一些实施例中，所述压力传感器用于测量所述滞止压力p₀。

在一些实施例中，所述球阀用于控制气体的流入。

另一方面，本发明提出了一种基于音速喷嘴的气体流量自动控制装置的控制方法，包括以下步骤：

输入气体类型、音速喷嘴喉部的截面面积A_e、背景环境压力p_b以及所需的质量流量

根据压力传感器和温度传感器获知的来流压力p₀及温度T₀计算临界压力p^*；

判断背景环境压力与临界压力的大小，若p_b≤p^*，则计算此时的实时质量流量

若p_b>p^*，则调节减压阀改变来流压力p₀；

判断

与

的关系，若

则流程结束，若

则调节减压阀改变来流压力p₀。

相对于现有技术，本发明的有益效果为：

本发明提供的气体流量自动控制装置利用质量阻塞原理将气体质量流量控制过程转化为压力控制过程，将质量流量控制过程简化，设备结构简单。

本发明提供的气体流量自动控制装置将质量流量控制过程和气体压力控制过程相关联，采用自动调节装置调节压力，从而控制质量流量，避免上下游压力波动引起的质量流量误差。

本发明提供的气体流量自动控制装置基于流体力学原理设计，精度高，重复性好，产品结构简单，生产成本低。

本发明提供的气体流量自动控制装置采用多通阀结构时，可以选择不同的音速喷嘴匹配量程，扩大产品量程。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为基于音速喷嘴的气体流量自动控制装置示意图；

图2为音速喷嘴示意图；

图3为多通球阀与音速喷嘴组合装置示意图；

图4为气体通过音速喷嘴时，不同状态的位置示意图；

图5为基于音速喷嘴的气体流量自动控制装置的控制流程图。

附图标记说明：

球阀1、音速喷嘴2、减压阀3、压力传感器4、温度传感器5、减压阀电机6、控制器7、球阀电机8、多通球阀9。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于音速喷嘴的气体流量自动控制装置及其控制方法。

如图1-5所示，本发明的基于音速喷嘴的气体流量自动控制装置，包括：球阀1、减压阀3、温度传感器5、压力传感器4、音速喷嘴2、控制器7。

在一些实施例中，球阀1一端连接上游气体管道，球阀1的另一端连接减压阀3。即，球阀1的一端通过管道连接上游气体管道，球阀1远离上游气体管道的一端连接减压阀3。当球阀1关闭时，无气体流入该气体流量控制装置；当球阀1开启时，上游气体经球阀1流入该气体流量控制装置。

在一些实施例中，球阀1由球阀电机8驱动。球阀1与球阀电机8固定连接，球阀电机8用于动力驱动球阀1的调节过程。

在一些实施例中，球阀电机8和控制器7电连接。具体为，球阀电机8的信号控制端与控制器7的信号输出端连接。即，球阀电机8的信号控制端接收控制器7输出的信号，对球阀1进行相应调节。

在一些实施例中，球阀1远离上游气体管道的一端连接减压阀3，即，减压阀3设置在球阀1的下游。减压阀3用于控制气体的滞止压力，使其在合理的范围内。另外，减压阀3还起到稳定音速喷嘴2上游滞止压力的作用，抑制上游压力波动对质量流量控制造成的影响。

在一些实施例中，减压阀3由减压阀电机6驱动。减压阀3和减压阀电机6固定连接，减压阀电机6用于动力驱动减压阀3的调节过程。

在一些实施例中，减压阀电机6和控制器7电连接。具体为，减压阀电机6的信号控制端与控制器7的信号输出端连接。即，减压阀电机6的信号控制端接收控制器7输出的信号，对减压阀3进行相应调节。

在一些实施例中，在减压阀3和球阀1之间设置温度传感器5。温度传感器5用于测量滞止温度。

在一些实施例中，温度传感器5与控制器7电连接。温度传感器5将测量的温度数据传输到控制器7，控制器7对温度数据进行分析处理。

在一些实施例中，压力传感器4设置在减压阀3下游，压力传感器4远离减压阀3的一端连接音速喷嘴2。

在一些实施例中，压力传感器4与控制器7电连接，压力传感器4用于测量滞止压力。压力传感器4将测量的滞止压力传输到控制器7，控制器7对压力数据进行分析处理。

在一些实施例中，音速喷嘴2设置在压力传感器4的下游。音速喷嘴2具有流道截面面积逐渐缩小的收缩段，收缩段的最小截面处为音速喷嘴2的喉部。可以理解的是，不同型号的音速喷嘴2的喉部截面面积不同。

在一些实施例中，在压力传感器4和音速喷嘴2之间设置多通球阀9，多通球阀9具有多个不同出口端，多通球阀9的多个不同出口端与不同喉部截面面积的音速喷嘴2配合实现量程切换。可以理解的是，当需要不同的量程时，在音速喷嘴2和压力传感器4之间设置具有多个不同出口端的多通球阀9。

压力传感器4、温度传感器5、球阀电机8和减压阀电机6均与控制器7电连接，由控制器7完成对各项数据的采集、计算并实现自动控制功能。

控制器7采用PID反馈调节方式，提高压力控制的精确度，从而提升整体仪器的精确度。控制器7将设定流量参数与实时参数进行对比，若二者间存在偏差，则会输出信号控制减压阀电机6进行调节，直至设定参数与实时参数一致。

本发明利用音速喷嘴2的质量阻塞效应将气体质量流量控制过程转化为压力控制过程，具体原理见如下描述。

音速喷嘴2主要包括一个收缩段流道以及喉部(出口)，不同型号的音速喷嘴的喉部截面面积不同。在音速喷嘴中，收缩段流道截面面积逐渐缩小，最小截面处成为喷嘴的喉部，如图2所示。其关键技术特征在于声速发生最小截面处(喉部)，喉部达到声速时，喉部下游的膨胀波对上游来流没有影响，此时通过音速喷嘴的气体质量流量不变。

音速喷嘴中的流动视为一维定常绝热连续(即等熵)流动，则气流流速u、气流压力p与喉部截面积A变化有以下关系：

其中，u为气体流速，单位为m/s；Ma为马赫数；A为截面面积，单位为m²；γ为气体比热容比；p为压力，单位为Pa。

对于理想无粘、不计质量力、可压缩的气体，流经音速喷嘴收缩段时有：

入口为亚声速流动时，Ma<1，则du>0，dp<0，即气流在收缩段内加速流动，且压力逐渐减小；

入口为超声速流动时，Ma>1，du<0，dp>0，即气流在收缩段内减速流动，且压力逐渐增大；

入口为声速流动时，Ma＝1，根据式(1.1)可以推导出dA＝0，即气流达到声速的截面是截面积变化的极值点，在等熵流情况下还能进一步证明其为截面积的极小值。

由上可知，在音速喷嘴中，声速只能发生在最小截面处(喉部)，且其喉部(出口)的速度极限是声速。

气体绝热流动到速度完全滞止下来的所对应的状态，称为滞止状态，下文中用下角标0表示滞止状态对应的参数。本装置中，视音速喷嘴入口上游气体处于滞止状态。

气体绝热流动的流速等于当地声速对应的状态，称为临界状态。下文中用上角标*表示临界状态对应的参数。流动处于临界状态所在的截面，称为临界截面。

本装置中，气流经音速喷嘴喉部(收缩段出口)后流入某背压环境空间中。下文中用下脚标e表示出口截面上气流参数，下脚标b表示背景环境参数。

音速喷嘴中的流动视为一维等熵连续流动，各截面对应的参考状态参数都相同，其中临界压力p^*和滞止压力p₀满足以下关系：

其中，γ为气体比热容比；p₀为滞止压力，单位为Pa；p*为临界压力，单位为Pa。

特别地，对于比热容比γ＝1.4的空气，代入式(1.3)有p*＝0.528p₀或p₀＝1.893p*。

音速喷嘴内的流动状态，完全取决于背景环境压力p_b(单位为Pa)与临界压力p*(也可以认为是与滞止压力p₀)的相对大小。

当背景环境压力p_b大于临界压力p^*，代入式(1.3)，即

时，气流在音速喷嘴内为亚声速流动，压力变化至出口压力p_e与背景环境压力p_b匹配，即p_e＝p_b，且满足：

此时不出现质量阻塞现象，通过喷嘴的流量由环境背压p_b决定，来流对环境背压的变化较为敏感，质量流量可由下式计算：

其中，

为质量流量，单位为kg/s；ρ为气体密度，单位为kg/m³；u为气体流速，单位为m/s；A为截面面积，单位为m²；ρ₀为滞止气体密度，kg/m³；Ma为马赫数；c为声速，单位为m/s；c₀为滞止声速，单位为m/s；γ为气体比热容比；p₀为滞止压力，单位为Pa。

该场景非本装置的适用场景，可通过调节本装置中的减压阀增大滞止压力p₀，或降低环境背压p_b，以满足本装置的适用场景。

当环境背景压力p_b小于或等于临界压力p^*，即

时，为本装置的适用场景。此时管内为超声速流动，气流在收缩段出口处(喉部)达到声速，出口截面压力为临界压力，即p_e＝p^*，p_e为音速喷嘴出口(喉部)压力，单位为Pa。若p_b<p^*＝p_e，因为出口截面已达声速，即使再降低环境背压p_b也不会影响到上游管内流动，由于出口压力高于环境背压，气流经过出口后需要产生膨胀波，降压后与环境压力p_b匹配。

此时将质量流量式(1.4)代入计算流量密度q(Ma)，有：

其中，q(Ma)为流量密度，单位为kg/(s·m²)；

为质量流量，单位为kg/s；A为截面面积，单位为m²；ρ₀为滞止气体密度，kg/m³；Ma为马赫数；γ为气体比热容比；p₀为滞止压力，单位为Pa。

由

可得Ma＝1为函数q(Ma)的极值点。进一步可得，此时

因而Ma＝1时流量密度为极大值。

由上可知，在音速喷嘴出口处达到声速，即Ma＝1时，有q(Ma)的最大值，此时的质量流量

为给定滞止参数p₀、T₀下的最大流量，被称为“阻塞流量”，其可表示为：

其中，

为质量流量，单位为kg/s；ρ为气体密度，单位为kg/m³；u为气体流速，单位为m/s；A为截面面积，单位为m²；ρ^*为临界气体密度，单位为kg/m³；u^*为临界气体流速，单位为m/s；A^*为临界截面面积，单位为m²；R为气体常数，单位为J/(kg·K)；γ为气体比热容比；p₀为滞止压力，单位为Pa；T₀为滞止温度，单位为K。

上式中，对于某种特定气体，比热容比γ与气体常数R为常数，因而在滞止温度T₀与音速喷嘴喉部的截面面积A_e给定时，质量流量

与滞止压力p₀呈线性关系。因此，使用压力传感器获得p₀即可推知

通过减压阀调节滞止压力p₀即可改变质量流量

同时减压阀还起到稳定音速喷嘴上游滞止压力的作用，抑制上游压力波动对质量流量控制造成的影响。

此时即使环境背压p_b出现波动，由于出口处已经达到声速，不会对来流产生影响，不会再使质量流量

改变，即出现质量阻塞现象。

对于比热容比γ＝1.4，R＝287J/(kg·K)的空气，代入式(1.3)可知，当p_b≤p^*＝0.528p₀时，将参数代入式(1.6)可得：

对于非空气气体，在滞止温度T₀与音速喷嘴喉部面积A_e给定情况下，可将其比热容比γ以及气体常数R代入式(1.6)，以获得

与p₀关系。也可通过实验方法进行核准校验，确定

的系数k，通过调节滞止压力p₀准确控制质量流量

基于音速喷嘴的气体流量自动控制装置的控制方法，包括以下步骤：

(1)输入气体类型、音速喷嘴喉部截面积A_e、背景环境压力p_b以及所需的质量流量

(2)根据压力传感器和温度传感器获知的来流压力p₀及温度T₀计算临界压力p^*；

(3)判断背景环境压力与临界压力的大小，若p_b≤p^*，则计算此时的实时质量流量

若p_b>p^*，则调节减压阀改变来流压力p₀；

(4)判断

与

的关系，若

则流程结束，若

则调节减压阀改变来流压力p₀。

具体为，对于特定的气体其气体比热容比γ与气体常数R为常数，所需的质量流量

可以理解为设定的质量流量。打开减压阀，压力传感器获得此时的上游来流压力p₀，温度传感器获得温度T₀，并将压力数据和温度数据传输到控制器，由

可计算得到p^*。

当满足环境背景压力小于等于临界压力，即

时，气体的质量流量与音速喷嘴入口压力p₀呈线性关系，如式(1.6)所示，计算可得此时的实时质量流量

判断

与

的关系，若

则流程结束；若

则通过调节减压阀，改变音速喷嘴入口压力p₀，进而调节气体的质量流量使得

从而自动控制气体流量。其中，

为设定质量流量，也即是所需要的质量流量；

为实时质量流量，也即是计算得出的质量流量。

当满足环境背景压力大于临界压力时，调节减压阀改变来流压力，由

计算得到p^*，调节减压阀直至满足环境背景压力小于等于临界压力，

此时，气体的质量流量与音速喷嘴入口压力p₀呈线性关系，如式(1.6)所示，计算可得此时的实时质量流量

判断

与

的关系，若

则流程结束；若

则通过调节减压阀，改变音速喷嘴入口压力p₀，进而调节气体的质量流量使得

从而自动控制气体流量。其中，

为设定质量流量，也即是所需要的质量流量；

为实时质量流量，也即是计算得出的质量流量。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述可以针对不同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨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，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种基于音速喷嘴的气体流量自动控制装置，其特征在于，包括：

由球阀电机驱动的球阀，所述球阀一端连接上游气体管道，所述球阀远离所述上游气体管道的一端连接减压阀；

由减压阀电机驱动的所述减压阀，所述减压阀设置在所述球阀下游，所述减压阀和所述球阀之间设置温度传感器；

设置在所述减压阀下游的压力传感器，所述压力传感器远离所述减压阀的一端连接音速喷嘴；

所述音速喷嘴，利用所述音速喷嘴的质量阻塞效应将气体质量流量控制过程转化为压力控制过程；

控制器，所述压力传感器、所述温度传感器、所述球阀电机和所述减压阀电机均与所述控制器电连接。

2.如权利要求1所述的气体流量自动控制装置，其特征在于，所述音速喷嘴具有流道截面面积逐渐缩小的收缩段，所述收缩段的最小截面处为所述音速喷嘴的喉部，通过所述喉部的气流速度达到声速时出现所述质量阻塞效应。

3.如权利要求2所述的气体流量自动控制装置，其特征在于，所述音速喷嘴中的流动视为一维等熵连续流动，各截面对应的参考状态参数相同，其中临界压力p^*和滞止压力p₀满足：

当p_b≤p^*时，产生所述质量阻塞效应；

当p_b>p^*时，不产生所述质量阻塞效应，通过调节p₀使通过所述音速喷嘴的气体产生所述质量阻塞效应，

其中，γ为气体比热容比；p_b为背景环境压力，单位为Pa；p^*为临界压力，单位为Pa；p₀为滞止压力，单位为Pa。

4.如权利要求3所述的气体流量自动控制装置，其特征在于，产生所述质量阻塞效应时，

其中，

为质量流量，单位为kg/s；ρ为气体密度，单位为kg/m³；u为气体流速，单位为m/s；A为截面面积，单位为m²；ρ^*为临界气体密度，单位为kg/m³；u^*为临界气体流速，单位为m/s；A^*为临界截面面积，单位为m²；R为气体常数，单位为J/(kg·K)；γ为气体比热容比；p₀为滞止压力，单位为Pa；T₀为滞止温度，单位为K。

5.如权利要求4所述的气体流量自动控制装置，其特征在于，对于某种特定气体，气体比热容比γ与气体常数R为常数，当滞止温度T₀与音速喷嘴喉部的截面面积A_e给定时，质量流量

与滞止压力p₀呈线性关系。

6.如权利要求5所述的气体流量自动控制装置，其特征在于，当气体为比热容比γ＝1.4，R＝287J/(kg·K)的空气时，

其中，

为质量流量，单位为kg/s；p₀为滞止压力，单位为Pa；A_e为音速喷嘴喉部的截面面积，单位为m²。

7.如权利要求1所述的气体流量自动控制装置，其特征在于，所述减压阀用于调节并稳定气体的滞止压力p₀。

8.如权利要求7所述的气体流量自动控制装置，其特征在于，所述压力传感器用于测量所述滞止压力p₀。

9.如权利要求2所述的气体流量自动控制装置，其特征在于，所述球阀用于控制气体的流入。

10.一种基于音速喷嘴的气体流量自动控制装置的控制方法，其特征在于，适用于如权利要求1-9任一所述的气体流量自动控制装置，包括以下步骤：

输入气体类型、音速喷嘴喉部的截面面积A_e、背景环境压力p_b以及所需的质量流量

根据压力传感器和温度传感器获知的来流压力p₀及温度T₀计算临界压力p^*；

判断背景环境压力与临界压力的大小，若p_b≤p^*，则计算此时的实时质量流量

若p_b>p^*，则调节减压阀改变来流压力p₀；

判断

与

的关系，若

则流程结束，若

则调节减压阀改变来流压力p₀。

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