CN117148877B - 一种高精度管道流量测量控制装置及设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高精度管道流量测量控制装置，包括压力传感器采集板，管道流量测控模块和差压流量计主控电路板；管道流量测控模块包括依次连接的前端气道、比例阀和后端气道；将管道流量测控模块安装于管道气路中，压力传感器采集板内置压力传感器测量管道内各处压力，采集气体流量数据并传输至差压流量计主控电路板；比例阀与差压流量计主控电路板电连接，通过控制比例阀开合度，实现管道气流反馈控制效果；本发明针对比例阀振动问题将差压测量部分设置于前端气道，并通过测量前后气道的绝对压力对流量测量进行温度和压力补偿；此外，针对实际焊接工况提供了适应性的差压孔孔径设计方法，可以进一步减小压差测量的误差。
Description
技术领域
本发明属于气体流量测量技术领域，特别涉及一种高精度管道流量测量控制装置及设计方法。
背景技术
随着大规模机器人焊接的普及，焊接保护气需求也越来越大，在焊接作业中采用管道供气也是大势所趋。管道供气具备集中性，供气效率更高，同时更加便于提供稳定的保护气，相比于瓶装供气更加适合大型焊接场景。
焊接保护气作为焊接作业成本中的重要一环，直接关系到企业的生产成本，对保护气成本的控制，直接影响的企业降本增效，控制保护气流量的前提即为准确的测量。目前常用的气体流量测量装置包括热式质量流量计、差压式流量计等。差压式流量计安装较为简单，但测量误差较高，收管道内压损影响较大。如何解决差压式流量计的精准测量问题和精准控制问题是企业焊接保护气降本的核心问题。
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管道流量测量控制装置，不仅可以实现气路内部流量的准确测量，同时可以实时反馈调节气路内的气体流量。
技术方案：本发明提供了一种高精度管道流量测量控制装置，包括压力传感器采集板，管道流量测控模块和差压流量计主控电路板；所述测控模块包括前端气道、比例阀和后端气道；所述前端气道内部设有差压测量部分，包括依次连通的第一测量气道、差压孔和第二测量气道；所述前端气道和后端气道通过比例阀连接；所述第一测量气道侧面垂直开有第一绝压接口和第一差压接口，所述第二测量气道侧面垂直开有第二差压接口，所述后端气道侧面开有第二绝压接口；
所述压力传感器采集板包括第一绝压传感器、差压传感器和第二绝压传感器；所述第一绝压接口通过气管连接至第一绝压传感器、第一差压接口和第二差压接口分别连接至差压传感器表面；第二绝压接口通过气管连接至第二绝压传感器表面；
所述压力传感器采集板采集气体流量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包括依次连接的数据采集通路、MCU、D/A转换模块、电压电流转换电路；比例阀与差压流量计主控电路板电连接，接收恒流控制信号，控制比例阀开合度，实现管道内气体流量的反馈控制。
进一步地，所述前端气道包括依次一体成型的接口气道、第一测量气道、差压孔、第二测量气道和输出气道；所述接口气道通过自锁接头连接至保护气管道气路，接口气道右侧为差压测量部分，包括依次连通的第一测量气道、差压孔和第二测量气道，其中差压孔孔径最小，第二测量气道孔径小于第一测量气道孔径。
进一步地，所述输出气道右侧通过气嘴接头连接至比例阀，比例阀另一侧通过相同气嘴接头连接至后端气道。
进一步地，所述第一绝压接口、第一差压接口、第二差压接口和第二绝压接口处均开有用于防止密封垫圈的凹槽，对应传感器上连接气管位置开有相同的密封垫圈凹槽，通过密封垫圈对气管两端进行气密加固。
进一步地，所述第一差压接口与差压孔左端面的垂直距离范围为0.8mm-2.2mm。
一种采用上述任一高精度管道流量测量控制装置的设计方法，差压孔孔径设计方法具体如下：
步骤S1、搭建测量气路，设定气路压力；
测量气路包括依次连接在焊接保护气管道的减压阀、第三方流量控制器、小孔式流量计、比例阀和后级压力计；设定气路压力为一固定值；
步骤S2、测量气路通气，通过调整第三方流量控制器进行气体流量控制，设置不同气体流量档位；
步骤S3、通过更换不同差压孔径的小孔式流量计进行流速测量，并与第三方流量控制器设定的流量档位进行误差计算，选取管道测量过程中的常用流量档位，比较不同差压孔径下的测量误差；选取符合精度要求情况下误差方差最小时对应的孔径作为差压孔孔径。
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：
（1）本发明设计的高精度管道流量测量控制装置在传统差压式流量计的基础上增加了绝对压力测量部分，用于测量前后气道的绝对压力，并进行后续压力补偿，测量更加精准。
（2）本发明针对比例阀振动的问题，将差压测量部分放置于前端气道，不仅解决了比例阀振动的问题，同时由于前端气道气流相对稳定，测量压差更加精准。
（3）本发明提供了详细的差压孔径设计方法，针对焊接保护气管道进行了适应性设计，更加贴合实际焊接工况，计算出的差压孔孔径可以有效保证测量准确度。
附图说明
图1为本发明提供的高精度管道流量测量装置原理图；
图2为本发明提供的管道流量测控模块结构示意图；
图3为差压孔设计在后端气道时的气体流量仿真图；
图4为差压孔设计在前端气道时的气体流量仿真图。
附图标记说明：
1-压力传感器采集板；11-第一绝压传感器；12-第二绝压传感器；13-差压传感器；2-前端气道；21-接口气道；22-第一测量气道；23-差压孔；24-第二测量气道；25-输出气道；26-气嘴接头；3-比例阀；4-后端气道；41-后端测量气道；42-出口气道；5-第一绝压接口；6-第一差压接口；7-第二差压接口；8-第二绝压接口。
实施方式
本发明提供了一种高精度管道流量测量控制装置及设计方法，装置部分集成了管道流量测量模块和反馈控制模块，管道流量测量模块连接于气路中部，分别包括连接比例阀前后两端的前端气道和后端气道；其中前端气道通过差压式孔道设计进行管道流量测量，此外分别测量前后端气道的绝对压力，对管道流量进行压力补偿，进而获得更加精准的管道流量。反馈控制模块则由压力传感器采集板连接至差压流量计主控电路板后，由电路板内部MCU输出控制信号，对比例阀进行反馈控制。此外，本发明针对测量气路中比例阀可能存在的振动问题，对测量气路进行了改进，从差压式孔道位置、差压孔径设计和接口位置设计三方面对气路进行改进，解决比例阀振动问题。下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1所示，本发明设计的管道流量测量控制装置主体部分包括压力传感器采集板，管道流量测控模块和差压流量计主控电路板。管道流量测控模块包括依次连接的前端气道、比例阀和后端气道。将管道流量测控模块安装于管道气路中，压力传感器采集板平行于管道流量测控模块设置，内置压力传感器模块通过气管连接至前端气道和后端气道的各路，用于接收气流及测量压力；所述压力传感器采集板采集气体流量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包括依次连接的数据采集通路、MCU、D/A转换模块、电压电流转换电路；比例阀与差压流量计主控电路板电连接，接收恒流控制信号，控制比例阀开合度，进而实现管道气流反馈控制效果。
如图2所示为本发明设计的管道流量测控模块结构示意图，主题部分包括前端气道2、比例阀3和后端气道4。其中前端气道2包括依次一体成型的接口气道21、第一测量气道22、差压孔23、第二测量气道24和输出气道25。其中接口气道21通过自锁接头连接至保护气管道气路，接口气道21右侧为差压测量部分，包括依次连通的第一测量气道22、差压孔23和第二测量气道24，其中差压孔孔径最小，第二测量气道孔径小于第一测量气道孔径。第二测量气道右侧连通至输出气道25，输出气道通过气嘴接头26直接连接比例阀3。比例阀3右侧通过相同的气嘴接头连接至后端测量气道41，后端测量气道41右侧还设有连通至外部保护气管道的出口气道42。
压力传感器采集板1上分别设置有第一绝压传感器11、第二绝压传感器12和差压传感器13。在第一测量气道22侧面垂直开有第一绝压接口5，并通过气管连接至第一绝压传感器11表面；第二绝压传感器与开设于后端测量气道41侧面的第二绝压接口8间同样通过气管连接。差压传感器13分别通过气管连接第一测量气道22侧面的第一差压接口6和位于第二测量气道24侧面的第二差压接口7。为了确保气路的密封性，在上述第一绝压接口5、第一差压接口6、第二差压接口7和第二绝压接口8处均开有用于放置密封垫圈的凹槽，同样的，传感器上对应连接气管位置也采用密封垫圈的方式进行气密加固。
如图3所示，现有技术中，当差压孔设计在后端气道时，前端高压气体经过比例阀控制后变为低压气体，进入后端差压式测量管道内；此时在后端测量气道内流体发生明显扰动，此时测量差压孔两端压差很不稳定，同时由于后端的扰动气流，还会干扰比例阀，使其发生振动，严重影响比例阀的稳定性。针对这种情况，本发明将差压孔设计于前端气道内，具体气体仿真如图4所示，可以看出，前端高压气体在未经过比例阀减压时流量保持相对稳定，差压孔两端压差可以准确测量，通过比例阀后，后端气道直接与外部接头相连，后端扰动不再影响差压测量，也不会影响前段比例阀，使其发生振动。实验证明，将压差测量部分设计于前端可以有效解决差压测量不准和比例阀扰动的问题。
当采用如图3所示的差压孔设计时，理论上采集后端差压值，并根据以下公式即可求出气体流量：
其中为流量，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；
但实际采用图4所示的设计时，由于前后端压力不同，导致气体密度发生变化，前端气道测量计算的流量并不能代表出口处的流量，此外温度变化同样会导致气体密度发生变化，进而影响出口流量，因此需要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，qv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。
针对差压测量部分的设计，包括第一差压接口6和第二差压接口7的开口位置以及差压孔23的孔径设置。当差压接口距离差压孔23越远时，由于存在压损，两点的差压测量会产生明显误差，因此两个差压接口中心与差压孔23的端面的垂直距离不宜过长。本实施例中第一差压接口6和第二差压接口7中心与差压孔23两端面的垂直距离设计为0.8mm-2mm。
一般差压测量部分第一测量气道22和第二测量气道24的孔径是固定的，根据流量不同，测量精度与差压孔23的孔径存在一定的关系，因此想要得到更加精准的差压测量模块，就需要针对不同流量工作环境具体选择合适差压孔孔径。针对大规模焊接保护气管道，其保护气流量一般工作区间在10L/min-30L/min之间，本实施例中具体采用以下步骤进行最佳差压孔孔径确定。
步骤S1、搭建测量气路，设定气路压力；
测量气路包括依次连接在焊接保护气管道的减压阀、第三方流量控制器、小孔式流量计、比例阀和后级压力计。设定管道压力为0.2MPa。
步骤S2、测量气路通气，通过调整第三方流量控制器进行气体流量控制。
本实施例中，分别设定5L/min，10L/min，15L/min，20L/min，25L/min，30L/min，35L/min流量档位。
步骤S3、通过更换不同差压孔径的小孔式流量计进行流速测量，并与第三方流量控制器设定的流量档位进行误差计算。本实施例中具体结果如下表1所示：
表1 不同流量档位下不同孔径的测量误差结果
| 流量孔径 | 5L/min | 10L/min | 15L/min | 20L/min | 25L/min | 30L/min | 35L/min |
| 1.6mm | 9.60% | 8.00% | 6.93% | 5.90% | 4.96% | 4.13% | 3.20% |
| 2mm | 6.00% | 3.67% | 3.56% | 3.50% | 2.93% | 2.78% | 2.19% |
| 2.2mm | 4.00% | 2.00% | 4.00% | 1.60% | 1.67% | 2.57% | 0.89% |
根据上图可以明显看出，在焊接管道供气常用流量区间10L/min-30L/min间时，当差压孔孔径为1.6mm时，随着流量增大，误差逐渐减小，最大误差和最小误差相差悬殊，不适合计量。当差压孔孔径为2.2mm时，测量误差随着流量增大呈现误差波动的情况，明显不适合用于流量测量。当差压孔孔径为2mm时误差方差最小，且随着流量变化，总体误差在4%以内，符合使用要求，因此本实施例最终选择2mm孔径的差压孔。
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)
1.一种高精度管道流量测量控制装置，其特征在于，包括压力传感器采集板，管道流量测控模块和差压流量计主控电路板；所述测控模块包括前端气道、比例阀和后端气道；所述前端气道内部设有差压测量部分，包括依次连通的第一测量气道、差压孔和第二测量气道；所述前端气道和后端气道通过比例阀连接；所述第一测量气道侧面垂直开有第一绝压接口和第一差压接口，所述第二测量气道侧面垂直开有第二差压接口，所述后端气道侧面开有第二绝压接口；
所述压力传感器采集板包括第一绝压传感器、差压传感器和第二绝压传感器；所述第一绝压接口通过气管连接至第一绝压传感器；第一差压接口和第二差压接口分别连接至差压传感器表面；第二绝压接口通过气管连接至第二绝压传感器表面；
所述压力传感器采集板采集气体流量数据并传输至差压流量计主控电路板，并基于温度补偿和压力补偿的方法进行出口流量计算；具体如下：
；
其中为进行压力和温度补偿后的气体体积流速，qv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；差压流量计主控电路板包括依次连接的数据采集通路、MCU、D/A转换模块、电压电流转换电路；比例阀与差压流量计主控电路板电连接，接收恒流控制信号，控制比例阀开合度，实现管道内气体流量的反馈控制。
2.根据权利要求1所述的一种高精度管道流量测量控制装置，其特征在于，所述前端气道包括依次一体成型的接口气道、第一测量气道、差压孔、第二测量气道和输出气道；所述接口气道通过自锁接头连接至保护气管道气路，接口气道右侧为差压测量部分，包括依次连通的第一测量气道、差压孔和第二测量气道，其中差压孔孔径最小，第二测量气道孔径小于第一测量气道孔径。
3.根据权利要求2所述的一种高精度管道流量测量控制装置，其特征在于，所述输出气道右侧通过气嘴接头连接至比例阀，比例阀另一侧通过相同气嘴接头连接至后端气道。
4.根据权利要求1所述的一种高精度管道流量测量控制装置，其特征在于，所述第一绝压接口、第一差压接口、第二差压接口和第二绝压接口处均开有用于防止密封垫圈的凹槽，对应传感器上连接气管位置开有相同的密封垫圈凹槽，通过密封垫圈对气管两端进行气密加固。
5.根据权利要求1所述的一种高精度管道流量测量控制装置，其特征在于，所述第一差压接口与差压孔左端面的垂直距离范围为0.8mm-2.2mm。
6.根据权利要求1-5中任一项所述高精度管道流量测量控制装置的设计方法，其特征在于，差压孔孔径设计方法具体如下：
步骤S1、搭建测量气路，设定气路压力；
测量气路包括依次连接在焊接保护气管道的减压阀、第三方流量控制器、小孔式流量计、比例阀和后级压力计；设定气路压力为一固定值；
步骤S2、测量气路通气，通过调整第三方流量控制器进行气体流量控制，设置不同气体流量档位；
步骤S3、通过更换不同差压孔径的小孔式流量计进行流速测量，并与第三方流量控制器设定的流量档位进行误差计算，选取管道测量过程中的常用流量档位，比较不同差压孔径下的测量误差；选取符合精度要求情况下误差方差最小时对应的孔径作为差压孔孔径。
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