CN117109671B - 一种高精度差压式气体流量测量系统及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度差压式气体流量测量系统，包括压力传感器采集板、差压流量计主控电路板和比例阀；进气口通过自锁接头接入内部的测量气路；测量气路连接比例阀，比例阀出口气路通过自锁接头接入出气气管；所述测量气路包括阶梯状管道气路；所述压力传感器采集板采集测量气路内部各点压力数据，并传输至差压流量计主控电路板；差压流量计主控电路板内部包括用于计算气体流速及输出控制信号的MCU；所述MCU与比例阀电连接，直接控制比例阀开合度；本发明通过采集节流件前后阶的绝对压力，管道温度信息，对测量结果进行补偿，获得更加精准的体积流速；此外本发明还提供了对应的焊接气流控制方法，实现焊接管道供气的精准测量和实时控制效果。

Description

一种高精度差压式气体流量测量系统及使用方法

技术领域

本发明属于焊接气流测量技术领域，特别涉及一种高精度差压式气体流量测量系统及使用方法。

背景技术

目前在工业焊接场景下，随着大规模机器人焊接的普及，在焊接作业中采用管道供气是未来发展的主流趋势，管道供气相比于传统的瓶装气而言具备供气稳定，量大的优势，但同样存在保护气流量不稳定，不能精准测量气体流量等问题，为企业降低保护气成本，提升焊接质量造成了不可忽视的阻碍。因此对保护气管道流量的精准测量和精准反馈控制成为了亟需攻克的难题。

常见的流量测量装置按照结构原理可以分类为速度式流量计、差压式流量计、容积式流量计和质量流量计等。其中差压式流量计作为常见的流量计种类，结构相对简单，应用范围广，便于维修，但实际使用时，在传统计算原理基础上经常会出现流量计测量不够准确的问题。此外，焊接管道供气的反馈控制调节不仅需要精准的流量测量，同样还需要快速的反馈控制，因此还需要研究基于气体流量测量系统的使用方法。

发明内容

发明目的：针对上述背景技术中存在的问题，本发明提供了一种高精度差压式气体流量测量系统及使用方法，针对现有技术中差压式流量计对焊接管道供气的流速测量不够精准的问题，基于差压式气体流量测量原理，设计了一种高精度测量系统，同时针对差压式流量计的压损问题提出了温度补偿和压力补偿方法。

技术方案：一种高精度差压式气体流量测量系统，包括压力传感器采集板、差压流量计主控电路板和比例阀；进气口通过自锁接头接入内部的测量气路；测量气路连接比例阀，比例阀出口气路通过自锁接头接入出气气管；所述测量气路包括阶梯状管道气路；所述压力传感器采集板采集测量气路内部各点压力数据，并传输至差压流量计主控电路板；差压流量计主控电路板内部包括用于计算气体流速及输出控制信号的MCU；所述MCU与比例阀电连接，直接控制比例阀开合度。

进一步地，所述压力传感器采集板包括2个绝压传感器和1个差压传感器，所述2个绝压传感器分别测量阶梯状测量气路前后两阶的绝对压力，差压传感器测量阶梯状测量气路前后两阶压差。

进一步地，所述绝压传感器接收外部压力输入，输出电压模拟信号，差压流量计主控电路板中的数据采集电路采集所述电压模拟信号，并经过AD转换后，将数字信号传入MCU；所述差压传感器采用数字形式的压力传感器，分别接收前后两阶气路的压力数据，并输出电压数字信号，直接传输至MCU。

进一步地，所述差压传感器集成有用于测量气路温度的温度读取模块，输出数字形式的温度数据至MCU。

进一步地，所述绝压传感器采用磁珠及TVS管作为端口保护器件，输出的电压模拟信号经过1/2分压后进入电压跟随器，电压跟随器输出结果输入至MCU内部的ADC进行模数转换。

进一步地，所述MCU计算出气体体积流速后，通过比较并发出数字形式的控制信号，通过D/A转换芯片产生0-1V的电压控制信号，电压控制信号通过电压/电流转换电路实现0-200mA的恒流输出，用于控制比例阀内部气孔的开合度。

进一步地，所述压力传感器采集板与测量气路平行设置。

一种采用上述高精度差压式气体流量测量系统的使用方法，包括以下步骤：

步骤S1、MCU接收绝压传感器测量的绝对压力、差压传感器测量的压差数据和温度数据后，通过边缘计算，求取当前测量气路的体积流速；具体地，体积流速计算如下：

；

其中为体积流速，c为流出系数，/>为可膨胀系数，/>，d为工作条件下节流件的管道内径，D为工作条件下上游管道内径，/>为前后两阶管道的压差，/>为工作条件下节流件前的流体密度；

步骤S2、基于管道温度数据和两处绝对压力数据进行温度补偿和压力补偿，具体如下：

；

其中为进行压力和温度补偿后的气体体积流速，q_v为补偿前的体积流速，/>为标准大气压，P为实际测量的工况表压压力，/>为根据实际情况设计的补偿表压压力，T₀为根据实际情况设计的补偿温度，T为实际温度，且T和T₀均为绝对温度；/>为0℃对应的绝对温度。

进一步地，将求得的体积流速与实际焊接工艺所需的保护气流速进行比较，进行实时反馈控制；通过MCU控制比例阀开合度，进而实现气流的增大或减小。

本发明采用的技术方案与现有技术方案相比，具有以下有益效果：

本发明提供的测量系统通过设计压力传感器采集板，在常规差压传感器的基础上另外设置有绝压传感器，并且通过差压传感器进行温度读取，基于前后级的绝对压力、压差数据和温度数据进行边缘计算，同时对计算结果进行温度补偿和压力补偿，得出更加准确的流速数据。MCU根据补偿后的体积流速进行比较，当体积流速过大或过小时，则由MCU计算出控制信号，控制气路中的比例阀进行流速实时控制，最终实现高精度气体流量测量和实时反馈控制的效果。

附图说明

图1为本发明提供的高精度差压式气体流量测量系统结构示意图；

图2为本发明实施例中压力传感器采集板工作原理示意图；

图3为本发明实施例中气体流速测量原理图；

图4为本发明提供的绝压传感器和差压传感器工作原理图。

实施方式

本发明提供了一种高精度差压式气体流量测量系统及使用方法，主要应用于焊接过程中保护气流速测量以及后续气体流速的反馈控制，需要说明的是，上述应用场景只是本发明的典型应用场景，其他典型的气体流速测量场景同样适用下述实施例。下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1所示，本发明设计的气体流量测量系统包括压力传感器采集板、差压流量计主控电路板和比例阀。进气口通过自锁接头接入测量气路，测量气路连接比例阀，气流穿过比例阀后由自锁接头接入出气气管。压力传感器采集板采集测量气路中各处压力，并与比例阀电连接。其中压力传感器采集板与测量气路相对平行设置。气路中保护气流通过气路开口经由传导气管传输至压力传感器采集板，采集板通过若干传感器测量不同气路位置的压力参数，并传输至差压流量计主控电路板，主控电路板通过数据采集通路采集压力参数信号，传输至MCU进行保护气流速计算，由MCU根据实际焊接工况和流速情况主动输出控制信号，经过D/A转换后转换为电压模拟信号，最终通过电压-电流转换输出电流控制信号，直接控制比例阀开合度，实现气体流速控制。

压力传感器采集板具体工作原理如图2所示。本发明采用差压式与绝压式相结合的方式进行流速测算，下面详细介绍本发明采用的测量计算原理。

测量气路设计为阶梯状气路，前一阶气路的绝对压力取样点A处的横截面面积大于后一阶气路的绝对压力采样点B处的横截面面积。保护气由A处流向B处时，由于气路的横截面积变小，导致气体被压缩，流速也变大，同时取样处的压力也发生变化。压力传感器采集板包括1个差压传感器和2个绝压传感器。其中绝压传感器分别用于测量A、B两处的绝对压力，差压传感器接收差压取样点C1和C2出的气压差值，其中C1位于前一阶气路，C2位于后一阶气路。

一般流速计算原理如图3所示，气体流经C1处时横截面面积为A1、平均流速为V1，气体密度为ρ1，气体流经C2处时横截面面积为A2、平均流速为V2，气体密度为ρ2，根据流体流动连续性原理可知：

V1*A1*ρ1= V2*A2*ρ2

一般情况下由于前后截面压力变化不大，因此设定前后截面气体密度相等，即ρ1＝ρ2＝ρ，则由伯努利原理可得C1、C2两点处的压差ΔP如下：

ΔP=P1-P2=ρ/2（V1²-V2²）

当压差ΔP、气体密度ρ和横截面积A1、A2均已知时，联立上式即可求出气体流速V1和V2。

实际压力测量过程中，考虑到焊接场景下管道内气体压力与温度不断变化，会导致气体密度发生变化，因此在测量时需要考虑温度补偿和压力补偿。本发明设计了相关模块，具体如图2和图4所示，两个绝压传感器分别设置于测量气路的A处和B处，测量前端A和后端B处的绝对压力。通过气管分别连通A处和绝压传感器表面，绝压传感器采用磁珠和TVS管作为端口保护元件。绝压传感器的输出模拟电压输入至数据采集电路，通过1/2分压后进入电压跟随器，由模数转换器ADC进行信号处理后输出至差压流量计主控电路板的MCU中。本实施例中绝对压力用于流量测量时的压力补偿。差压传感器则采用数字形式的压力传感器，且内部集成有温度读取模块，分别读取管道温度数据及C1和C2处的压差数据，差压传感器输出数字形式的电信号，直接传输至差压流量计主控电路板的MCU中。

MCU分别接收上述A、B处的绝对压力、C1和C2处的压差、温度数据，进行体积流速计算：

；

其中为体积流速，c为流出系数，/>为可膨胀系数，/>，d为工作条件下C2处管道内径，D为工作条件下C1处管道内径，/>为C1和C2处的前后压差，/>为工作条件下C1处的流体密度。

接着对气体流速分别进行温度补偿和压力补偿。根据气态方程可得：

；

其中为进行压力和温度补偿后的气体体积流速，q_v为补偿前的体积流速，/>为标准大气压，P为实际测量的工况表压压力，/>为根据实际情况设计的补偿表压压力，T₀为根据实际情况设计的补偿温度，T为实际温度，且T和T₀均为绝对温度；/>为0℃对应的绝对温度。

经过压力补偿和温度补偿后气体的体积流速将更加精准。根据求出的气体流速值与实际焊接工艺所需的保护气流速进行匹配，并进行实时反馈控制。比例阀作为气体流速控制的执行元件，在对比目标流速和实际流速后，由MCU控制比例阀开合度，进而实现气流的增大或减小。具体地，

差压流量计主控电路板MCU计算出气体体积流速后，通过比较并发出数字形式的控制信号，然后通过D/A转换芯片产生0-1V的电压控制信号。电压控制信号通过电压/电流转换电路实现0-200mA的恒流输出，用于控制比例阀内部气孔的开合度。

经过上述测量及反馈控制，本发明提供的高精度差压式气体流量测量系统可以在准确测量管道内气体流速的同时通过比例阀对焊接管道供气进行实时控制。由于差压式测量气路压损较小，气体流速的测量精度相对较高，可以完成更加灵敏的测量控制任务。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种高精度差压式气体流量测量系统，其特征在于，包括压力传感器采集板、差压流量计主控电路板和比例阀；进气口通过自锁接头接入内部的测量气路；测量气路连接比例阀，比例阀出口气路通过自锁接头接入出气气管；所述测量气路包括阶梯状管道气路；所述压力传感器采集板包括2个绝压传感器和1个差压传感器，所述2个绝压传感器分别测量阶梯状测量气路前后两阶的绝对压力，差压传感器测量阶梯状测量气路前后两阶压差，并传输至差压流量计主控电路板；差压流量计主控电路板内部包括用于计算气体流速及输出控制信号的MCU；所述MCU与比例阀电连接，直接控制比例阀开合度，所述绝压传感器接收外部压力输入，输出电压模拟信号，差压流量计主控电路板中的数据采集电路采集所述电压模拟信号，并经过AD转换后，将数字信号传入MCU；所述差压传感器采用数字形式的压力传感器，分别接收前后两阶气路的压力数据，并输出电压数字信号，直接传输至MCU；所述差压传感器集成有用于测量气路温度的温度读取模块，输出数字形式的温度数据至MCU。

2.根据权利要求1所述的一种高精度差压式气体流量测量系统，其特征在于，所述绝压传感器采用磁珠及TVS管作为端口保护器件，输出的电压模拟信号经过1/2分压后进入电压跟随器，电压跟随器输出结果输入至MCU内部的ADC进行模数转换。

3.根据权利要求1所述的一种高精度差压式气体流量测量系统，其特征在于，所述MCU计算出气体体积流速后，通过比较并发出数字形式的控制信号，通过D/A转换芯片产生0-1V的电压控制信号，电压控制信号通过电压/电流转换电路实现0-200mA的恒流输出，用于控制比例阀内部气孔的开合度。

4.根据权利要求1所述的一种高精度差压式气体流量测量系统，其特征在于，所述压力传感器采集板与测量气路平行设置。

5.一种采用权利要求1-4中任一项所述高精度差压式气体流量测量系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、MCU接收绝压传感器测量的绝对压力、差压传感器测量的压差数据和温度数据后，通过边缘计算，求取当前测量气路的体积流速；具体地，体积流速计算如下：；

其中为体积流速，c为流出系数，/>为可膨胀系数，/>，d为工作条件下节流件的管道内径，D为工作条件下上游管道内径，/>为前后两阶管道的压差，/>为工作条件下节流件前的流体密度；

步骤S2、基于管道温度数据和两处绝对压力数据进行温度补偿和压力补偿，具体如下：；

其中为进行压力和温度补偿后的气体体积流速，q_v为补偿前的体积流速，/>为标准大气压，P为实际测量的工况表压压力，/>为根据实际情况设计的补偿表压压力，T₀为根据实际情况设计的补偿温度，T为实际温度，且T和T₀均为绝对温度；为0℃对应的绝对温度。

6.根据权利要求5所述的一种高精度差压式气体流量测量系统的使用方法，其特征在于，将求得的体积流速与实际焊接工艺所需的保护气流速进行比较，进行实时反馈控制；通过MCU控制比例阀开合度，进而实现气流的增大或减小。