CN117760509A - 一种质量流量检验设备及检验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种质量流量检验设备，包括：接收流体的腔体；位于腔体上游的上游管路和位于腔体下游的下游管路；连接上游管路与下游管路的至少一旁路管路，设置在所述上游管路的第一临界流喷头；设置于所述旁路管路的至少一旁路临界流喷头；设置在所述第一临界流喷头的上游的第一压力检测组件；控制模块，所述控制模块与所述第一压力检测组件连接，用于在第一阶段获得所述流体的气体性质函数及在第二阶段获得流体的总流量；其中，所述第一阶段为仅有流体通过第一临界流喷头，所述第二阶段为流体通过至少一旁路临界流喷头。本发明采用临界流喷头并联的方式，通过两步骤实现了未知气体性质函数的大流量流体的流量检验。

Description

一种质量流量检验设备及检验方法

技术领域

本发明涉及质量流量检测领域，具体涉及一种质量流量检验设备及检验方法。

背景技术

目前，质量流量检测方式包括上升速率测量技术和临界流喷头测量技术，其中上升速率测量技术包括一容纳流体的已知体积的，其测量的量程受腔体体积的大小限制。面对大流量流体检测时候，上升速率测量技术需要大的腔体，但是在某些设备中由于受空间的限制，腔体太大势必造成空间的拥挤。同时，由于腔体体积的限制，其量程也受到限制。

因此应对在大流量流体时候，需要使用临界流喷头测量技术，但是该技术需要知道待检测流体的气体性质函数。应对未知气体性质函数时，亦无法采用该种检测技术。

为了应对大流量流体检验或可选量程以及流体的气体性质函数未知的情形，亟需发明一种体积小且检测精度高的质量流量检测技术。

发明内容

为了解决未知气体性质函数的大流量流体的检测，本发明提出了一种质量流量检验设备，包括：

腔体，用于接收流体；

上游管路，所述上游管路与所述腔体连接，用于向所述腔体输送流体；

下游管路，所述下游管路与所述腔体连接，用于排出所述腔体内的流体；

至少一旁路管路，所述旁路管路连接所述上游管路与所述下游管路；

第一临界流喷头，所述第一临界流喷头设置在所述上游管路；

至少一旁路临界流喷头，所述旁路临界流喷头设置于所述旁路管路；

第一压力检测组件，设置在所述第一临界流喷头的上游，用于检测上游流体的压力；

控制模块，所述控制模块与所述第一压力检测组件连接，用于在第一阶段获得所述流体的气体性质函数及在第二阶段获得流体的总流量；其中，所述第一阶段为仅有流体通过第一临界流喷头，所述第二阶段为流体通过至少一旁路临界流喷头。

进一步地，所述质量流量检验设备还包括：第二压力检测组件、温度检测组件，所述第二压力检测组件、温度检测组件均设置于所述腔体，分别用于检测腔体内流体的压力和温度。

进一步地，所述质量流量检验设备还包括：第一阀，所述第一阀设置于所述上游管路，用于控制所述上游管路的启闭。

进一步地，所述质量流量检验设备还包括：至少一旁路阀，所述旁路阀设置于所述旁路管路，用于控制所述旁路管路的启闭。

进一步地，所述质量流量检验设备还包括：第二阀，所述第二阀设置于所述下游管路，用于控制所述下游管路的启闭。

进一步地，所述控制模块分别与所述第一阀、旁路阀、第二阀连接，用于控制所述第一阀、旁路阀、第二阀。

进一步地，所述第一临界流喷头的横截面面积小于所述旁路临界流喷头的横截面面积。

进一步地，所述第一压力检测组件和所述第二压力检测组件均为真空规。

进一步地，根据第一临界流喷头的横截面面积，第一临界流喷头的排出系数，第二压力检测组件获得的压力值，温度检测组件获得的温度值，第一压力检测组件获得的压力值确定流体的气体性质函数；以及，

根据所述气体性质函数，各个临界流喷头的横截面面积，各个临界流喷头的排出系数，第一压力检测组件获得的压力值，温度检测组件获得的温度值T确定流体的总流量。

本发明还提出一种质量流量检验方法，采用所述的质量流量检验设备实现，包含以下步骤：

S1、在第一阶段，配置流体仅通过第一临界流喷头及腔体，控制模块获取气体性质函数；

S2、在第二阶段，配置流体通过至少一旁路临界流喷头，控制模块获取流体的总流量。

进一步地，所述步骤S1具体为：在第一阶段，获取腔体内流体的第一温度值T₁和腔体内流体的第一腔体压力值P_d1，以及腔体上游的第一上游压力值P_u1，根据公式

计算获得气体性质函数f(M，y)；

所述步骤S2具体为：在第二阶段，获取腔体内流体的第二温度值T₂及腔体上游的第二上游压力值P_u2，根据公式

计算获得总流量Q_总；

其中，Q₁是第一阶段的流量，C′_i是第i个临界流喷头的排出系数，A_i是第i个临界流喷头的横截面面积，i＝1，2，…n，n是临界流量喷头的数量，V是腔体的体积。

本发明采用小流量临界流喷头和不同大流量临界流喷头并联的方式，通过两步骤实现了未知气体性质函数的大流量流体的流量检验；同时，并联多个旁路临界流喷头提高了流量检测量程及精度。

附图说明

图1为本发明质量流量检验设备的结构框图；

图2为本发明质量流量检验方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明提出的一种质量流量检验设备及方法作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

本发明提供的一种质量流量检验设备，适用于大流量或不同流量流体检测，特别适用于气体性质函数未知的情况下使用。如图1所示，为本例提供的一种质量流量检验设备100，包括：腔体111、控制模块112、位于腔体111上游的上游管路11和位于腔体111下游的下游管路12，所述腔体111的上游设置有用于输出流体的被检测设备110，所述被检测设备110可以是质量流量控制器(MFC)。所述流体进入被检测设备110(例如质量流量控制器)后通过上游管路11输入至所述腔体111，并从所述下游管路12排出。所述上游管路11设置有第一临界流喷头101，所述第一临界流喷头101的上游设置有第一压力检测组件200，其用于检测上游流体的压力。所述腔体111上设置有第二压力检测组件201和温度检测组件202，其中第二压力检测组件201和温度检测组件202分别用于测量所述腔体111内流体的压力和温度。在第一阶段，设置上游流体为小流量流体，采用上升速率测量技术分别获得所述第一压力检测组件200测得的第一上游压力值P_u1、所述第二压力检测组件201测得的第一腔体压力值P_d1和所述温度检测组件202测得的第一温度值T₁，所述控制模块112根据第一阶段获得第一上游压力值P_u1、第一腔体压力值P_d2和第一温度值T₁计算获取流体的气体性质函数。

其中气体性质函数f(M，y)根据如下公式计算获得：

式中，Q₁是第一阶段小流量流体的流量，C′₁是第一临界流喷头101的排出系数，A₁是第一临界流喷头101的横截面面积，是对时间求导数，V是腔体111的体积。

本例中，所述质量流量检验设备100还包括至少一旁路管路13、14和至少一旁路临界流喷头106、107，所述旁路管路13、14连接所述上游管路11与所述下游管路12，所述旁路临界流喷头106、107设置于所述旁路管路13、14，所述每个旁路管路13上均设置了旁路临界流喷头。优选的，所述旁路管路为两路，分别为第一旁路管路13和第二旁路管路14，第一旁路管路13和第二旁路管路14之间相互并联，所述第一旁路管路13设置旁路临界流喷头(第二临界流喷头)106，所述第二旁路管路14设置旁路临界流喷头(第三临界流喷头)107；其中，所述第一临界流喷头101、所述旁路临界流喷头(第二临界流喷头)106、旁路临界流喷头(第三临界流喷头)107之间的横截面面积是不同的。图1中示意性给出了设置两条旁路管路13、14和两个旁路临界流喷头106、107的实施例，在其他实施例中旁路管路和旁路临界流喷头的数量可以是一个或者大于两个的任意数量。

在第二阶段，设置上游流体为大流量或其他量程流体，并根据流量大小选择开启旁路管路13、14和旁路临界流喷头106、107的数量，所述大流量流体通过至少一旁路管路13、14，并流经至少一旁路临界流喷头106、107。例如，在某些流量下，仅开启第一旁路管路13，此时流体仅流过第二临界流喷头106；在某些更大的流量下，仅开启第二旁路管路14，此时流体流过第三临界流喷头107；在某些更大的流量下，需开启第一旁路管路13和第二旁路管路14，此时流体流过第二临界流喷头106和第三临界流喷头107；以上几种情况下，可选择性的开启上游管路11，即流体选择性地流过第一临界流喷头101；在第二阶段，采用临界流喷头测量技术获得第二压力检测组件200测得的第二上游压力值P_u2和温度检测组件202测得的第二温度值T₂，控制模块112根据第二阶段获得的第二上游压力值P_u2、第二温度值T₂以及第一阶段获得的气体性质函数f(M，y)计算得到所述大流量流体的总流量。

计算总流量Q_总的公式如下：

其中，C′_i是第i个临界流喷头的排出系数，A_i是第i个临界流喷头的横截面面积，i＝1，2，…n，n是临界流量喷头的数量。在此步骤中，计算总流量Q_总的时候，仅需带入相应的有流体流过的临界流喷头的排出系数和横截面面积；例如，在仅开启第一旁路管路13时，由于此时流体仅流过第二临界流喷头106，因此仅需带入C′₂·A₂；在开启第一旁路管路13和第二旁路管路14时，此时流体流过第二临界流喷头106和第三临界流喷头107，因此需带入C′₂·A₂+C′₃·A₃；在开启上游管路11、第一旁路管路13和第二旁路管路14时，此时流体流过第一临界流喷头101、第二临界流喷头106和第三临界流喷头107，因此需要带入C′₁·A₁+C′₂·A₂+C′₃·A₃，以此类推。本发明通过选择性的选择流体流过的临界流喷头，从而选择合适的量程，增加了在不同流量时校准的精度。

优选地，所述第一压力检测组件200和所述第二压力检测组件201均为真空规。所述第一临界流喷头101的横截面面积小于所述旁路临界流喷头106、107的横截面面积。小横截面面积的临界流喷头101可以使用较小体积的腔体111实现较高精度的气体性质函数测量，因此第一临界流喷头101采用较小的横截面面积不仅提高了测量精度而且节省了腔体111的空间。

优选地，本例提供的质量流量检验设备100所述还包括第一阀102，所述第一阀102设置于所述上游管路11，用于控制所述上游管路11的启闭。进一步地，所述量流量检验设备100还包括至少一旁路阀108、109，所述旁路阀108、109设置于所述旁路管路13、14，用于控制所述旁路管路13、14的启闭，本例旁路阀设置为两个，在其他例中还可以是大于或小于两个的任意数量，其数量根据旁路管路的数量决定。进一步地，所述量流量检验设备100还包括第二阀103，所述第二阀103设置于所述下游管路12，用于控制所述下游管路12的启闭。所述控制模块112分别与所述第一阀103、旁路阀108、109和第二阀103连接，用于控制所述第一阀102、旁路阀108、109和第二阀103的启闭。

在第一阶段使用上升速率测量技术时，通过控制模块112控制所有旁路阀108、109关闭，以及在启动上升速率测量前，控制所述第一阀102关闭，第二阀103打开，利用与下游管路12连接的泵对所述腔体111抽真空。在完成抽真空后，控制第一阀102打开，第二阀103关闭，旁路阀108、109关闭，使得所述小流量流体进入所述腔体111，并获取小流量流体进入腔体111后腔体111的压力值和温度值，在压力变化期间通过上述公式计算获得流体的气体性质函数，完成第一阶段。在第二阶段过程中，控制模块112根据需要控制相应的所述第一阀102、旁路阀106、107至少一个打开，同时使第二阀103打开，使得大流量流体从选择性地流过相应的至少一个临界流喷头，并通过计算总流量的公式获得大流量流体的总流量。

本发明提出的质量流量检验方法采用所述的质量流量检验设备100实现，如图2所示，所述检验方法包括以下步骤：

S1、在第一阶段，配置流体仅通过第一临界流喷头101及腔体111，控制模块112获取气体性质函数；

S2、在第二阶段，配置流体通过至少一旁路临界流喷头106、107，控制模块112获取流体的总流量。

所述步骤S1具体为：在第一阶段，采用上升速率测量技术，首先关闭第二阀103，控制上游流入腔体为小流量流体(适应腔体体积大小)进入腔体111，获取腔体111内流体的第一温度值T₁和腔体111内流体的第一腔体压力值P_d1，以及腔体上游的第一上游压力值P_u1，根据公式

计算获得气体性质函数f(M，y)；

所述步骤S2具体为：在第二阶段，选取流体需要经过的临界流喷头，并使流体通过至少一旁路临界流喷头，采用临界流喷头测量流体流量，包括获取腔体111内流体的第二温度值T₁及腔体111上游的第二上游压力值P_u2，根据公式

计算获得总流量Q_总。

其中，Q₁是第一阶段的流量，C′_i是第i个临界流喷头的排出系数，A_i是第i个临界流喷头的横截面面积，i＝1，2，…n，n是临界流量喷头的数量，V是腔体的体积。选择流体通过的对应的临界流喷头的排出系数和横截面面积代入上述公式。

综上所述，本发明采用小流量临界流喷头和不同大流量临界流喷头并联的方式，通过两步骤实现了未知气体性质函数的大流量流体的流量检验；同时，并联多个旁路临界流喷头提高了流量检测量程。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (11)

1.一种质量流量检验设备，其特征在于，包括：

腔体，用于接收流体；

上游管路，所述上游管路与所述腔体连接，用于向所述腔体输送流体；

下游管路，所述下游管路与所述腔体连接，用于排出所述腔体内的流体；

至少一旁路管路，所述旁路管路连接所述上游管路与所述下游管路；

第一临界流喷头，所述第一临界流喷头设置在所述上游管路；

至少一旁路临界流喷头，所述旁路临界流喷头设置于所述旁路管路；

第一压力检测组件，设置在所述第一临界流喷头的上游，用于检测上游流体的压力；

控制模块，所述控制模块与所述第一压力检测组件连接，用于在第一阶段获得所述流体的气体性质函数及在第二阶段获得流体的总流量；其中，所述第一阶段为仅有流体通过第一临界流喷头，所述第二阶段为流体通过至少一旁路临界流喷头。

2.如权利要求1所述的质量流量检验设备，其特征在于，还包括：第二压力检测组件、温度检测组件，所述第二压力检测组件、温度检测组件均设置于所述腔体，分别用于检测腔体内流体的压力和温度。

3.如权利要求2所述的质量流量检验设备，其特征在于，还包括：第一阀，所述第一阀设置于所述上游管路，用于控制所述上游管路的启闭。

4.如权利要求3所述的质量流量检验设备，其特征在于，还包括：至少一旁路阀，所述旁路阀设置于所述旁路管路，用于控制所述旁路管路的启闭。

5.如权利要求4所述的质量流量检验设备，其特征在于，还包括：第二阀，所述第二阀设置于所述下游管路，用于控制所述下游管路的启闭。

6.如权利要求5所述的质量流量检验设备，其特征在于，所述控制模块分别与所述第一阀、旁路阀、第二阀连接，用于控制所述第一阀、旁路阀、第二阀。

7.如权利要求1-6任一所述的质量流量检验设备，其特征在于，所述第一临界流喷头的横截面面积小于所述旁路临界流喷头的横截面面积。

8.如权利要求2-6任一所述的质量流量检验设备，其特征在于，所述第一压力检测组件和所述第二压力检测组件均为真空规。

9.如权利要求2-6任一所述的质量流量检验设备，其特征在于，根据第一临界流喷头的横截面面积，第一临界流喷头的排出系数，第二压力检测组件获得的压力值，温度检测组件获得的温度值，第一压力检测组件获得的压力值确定流体的气体性质函数；以及，

根据所述气体性质函数，各个临界流喷头的横截面面积，各个临界流喷头的排出系数，第一压力检测组件获得的压力值，温度检测组件获得的温度值确定流体的总流量。

10.一种质量流量检验方法，采用如权利要求1至9任一项所述的质量流量检验设备实现，其特征在于，包含以下步骤：

S1、在第一阶段，配置流体仅通过第一临界流喷头及腔体，控制模块获取气体性质函数；

S2、在第二阶段，配置流体通过至少一旁路临界流喷头，控制模块获取流体的总流量。

11.如权利要求10所述的质量流量检验方法，其特征在于，

所述步骤S1具体为：在第一阶段，获取腔体内流体的第一温度值T₁和腔体内流体的第一腔体压力值P_d1，以及腔体上游的第一上游压力值P_u1，根据公式

计算获得气体性质函数f(M,y)；

所述步骤S2具体为：在第二阶段，获取腔体内流体的第二温度值T₂及腔体上游的第二上游压力值P_u2，根据公式

计算获得总流量Q总；

其中，Q₁是第一阶段的流量，C_i ^′是第i个临界流喷头的排出系数，A_i是第i个临界流喷头的横截面面积，i＝1，2，…n，n是临界流量喷头的数量，V是腔体的体积。