1、ISSN 1006 7167CN 31 1707/TESEACH AND EXPLOATION IN LABOATOY第 42 卷 第 1 期Vol 42 No12023 年 1 月Jan 2023DOI:10 19927/j cnki syyt 2023 01 017基于流量补偿法的桌面型气体小流量测量装置设计赵鹏，沈平平，孙斌，彭衡芾，张洪军，吴燕琪(中国计量大学 计量测试工程学院，杭州 310018)摘要:为了缩短气体小流量点调节时间，提高小流量测量准确性及测试效率，设计了基于流量补偿法的桌面型气体小流量测量装置。采用层流流量测量技术实现微小流量测量;通过多条支路组合，扩大流量测量范围，
2、快速调节流量测量点;采用流量补偿平衡法保持管路系统的阻抗不变，确保辅助风扇的工作性能稳定;采用LabVIEW 编写测试软件。该装置弥补了小流量低雷诺数喷嘴无法精确测量的短板，同时解决了被测流量点调节时间长，流量波动大等问题。实验结果表明，该装置集成度高、成本低、测量精度高、测试速度快，系统运行稳定可靠，适合在高校实验教学中推广。关键词:流量补偿;层流元件;气体小流量;测量装置中图分类号:TP 273.5文献标志码:A文章编号:1006 7167(2023)01 0085 04Design of Desktop Gas Small Flow Measurement DeviceBased on
3、Flow Compensation MethodZHAO Peng，SHEN Pingping，SUN Bin，PENG Hengfu，ZHANG Hongjun，WU Yanqi(College of Metrology Measurement Engineering，China Jiliang University，Hangzhou 310018，China)Abstract:To shorten the adjustment time and improve the accuracy and efficiency of small gas flow measurement，adeskto
4、p small gas flow measurement device based on flow compensation method is designed Laminar flow measurementtechnology is adopted to realize micro flow measurement The flow measurement range is expanded and the flowmeasurement points are quickly adjusted at the same time through the combination of mul
5、tiple branches The flowcompensation balance method is adopted to keep the impedance of the pipeline system unchanged to ensure the stableworking performance of the auxiliary fan Test software is programmed using LabVIEW As a result，it makes up for theshortcomings that small flow cannot be accurately
6、 measured with sonic nozzle method under the condition of low eynoldsnumber，and the long flow adjustment time and large flow fluctuation problems are solved as well The measuring devicehas such advantages as high integration，low cost，high measuring accuracy，fast testing speed，stable and reliablesyst
7、em operation，it is suitable for popularization in experimental teaching in universitiesKey words:flow compensation;laminar flow element;small gas flow;measuring device收稿日期:2022-06-04基金项目:浙江省高校实验室工作研究项目(ZD202111);浙江省高等教育“十三五”教学改革项目(jg20190195);浙江省研究生教育学会重点课题(2018-004)作者简介:赵鹏(1989 )，男，江苏徐州人，实验师，现主要从事实
8、验室建设与管理研究。Tel:0571-86836098;E-mail:zhaopeng cjlu edu cn通信作者:吴燕琪(1993 )，女，山东德州人，讲师，现主要从事信号处理方向研究。Tel:0571-86836098;E-mail:wuyanqi cjlu edu cn0引言流量是工业过程中最常见的参数之一，随着科技的发展，航天、医疗等各个领域对于微小流量测量的需求日益增长1。由于微小流量气体的特殊性与复杂性，使得微小气体流量的测量和控制是待解决的两个技术难题2-3。在量值传递与溯源体系中，气体流量测量标准装第 42 卷置分为原级标准装置和次级标准装置4-6。原级标准装置一般采用钟罩
9、法、PVTt 法、活塞法、皂膜法或质量时间法等，装置精度高但是体积庞大或者易碎、操作复杂，在高校实验教学中仅适合演示性教学;次级标准装置介于原级标准和流量计之间，音速喷嘴7 是次级标准中最常用的标准表，但是对于小流量，由于流量喷嘴喉径太小，难以加工，且在小流量低雷诺数时，喷嘴也不再适用。目前高校实践教学中，各种容积式、速度式、差压式以及其他形式的流量计在测量大流量时较为广泛和成熟，但对于微小气体流量测量，测量精度还不够8。层流气体流量测量方法在实验室高精度测量和动态流量测量领域具有难以替代的优势，在发动机进气动态流量测量和高精度黏度测量装置等领域已经有重要应用9-11。气体流量调节比较常用的是
10、通过改变流量调节阀开度、辅助风机调速或两者相结合的方法来进行流量点的调节。为了解决阀门及管道阻力、电机特性及供电电压等不确定参数造成的流量难以控制的问题，系统通常要引入反馈调节的过程，张冰12 利用 BF 神经网络的解耦 PID 控制器进行流量风扇流量调节，单个流量点调节时间也要 40 s 左右。由于流量调节阀和辅助风机特性都是非线性的。通常会出现调节时间长，流量调节不准确等情况，在教学实验中调节时间过长，效率不高。为了解决微小流量测不准、流量调节难的问题，本文设计了基于流量补偿法的桌面型气体小流量测量系统。使用层流流量测量技术实现微小流量测量，采用多支路并联的方法提高流量量程比，采用流量补偿
11、法实现流量点的快速选取与控制。系统集成化程度高、成本低、测试速度快、测量精度高、操作简单，可满足测控技术与仪器专业学生的实践教学需求。1测量原理1.1层流流量测量原理流体在圆管内流动时，需要经过充分发展后才能形成稳定的层流，未发展成层流前称为层流起始段13，图 1 为单根毛细管流动情况。Le为层流起始段长度，d 为毛细管的内径。层流起始段长度与雷诺数e 和毛细管内径 d 有关:Le=0 028 75de(1)图 1单根毛细管流体流动示意图一个层流流量单元由多根毛细管组成，其所在管路的流动阻力损失(或压降)可分为两部分14，一部分是流经层流元件产生的压降 p1，对于不可压缩充分发展圆管层流流动，
12、根据哈根-泊肃叶定律可知:p1=128Lnd4Q(2)式中:Q 为流量;p1为层流单元前后压差;d 为毛细管内径;L 为毛细管长度，应大于 Le;为空气动力黏度;n 为层流单元中毛细管个数。另一部分是流经管路和阀门产生的压降 p2，其值与雷诺数的大小相关，分为管路沿程阻力损失和阀门等局部损失可近似采用下式计算:p2=82D4Q2(3)式中:为空气密度;D 为管道内径;为等效阻力系数。由=128Lnd4，r=82D4则层流元件所在管段的压力损失 p 和流量 Q 的关系为p=p1+p2=Q+rQ2(4)式中:p1和 p2分别为线性压降和非线性压降;和r 称为流动阻抗，可类比于电路中的电阻。由此可知
13、，通过测量层流流量单元上下游的压力差，可以计算出流过的体积流量。1.2流量补偿法测量原理流量调节通常采用管道调节阀、辅助风机变频调速或者两者相结合的方法来实现，但这都改变了系统的阻抗曲线，如图 2 所示。随着阀门的关闭，系统阻抗曲线将会从 c 逐渐变到 e;如果采用变频调速的方式，辅助风机的特性曲线也会从 I 变到 II，导致在流量点的调节过程中系统的工作点会一直发生变化，这就经常导致调节速度和稳定性不令人满意。特别是当测试系统流量范围很大，辅助风机在很小流量工况下往往工作不稳定。图 2系统和辅助风扇特性曲线为了满足多数工况下的测试需求，测试系统需具68第 1 期赵鹏，等:基于流量补偿法的桌面
14、型气体小流量测量装置设计有较大的流量量程比，单个层流流量传感单元无法覆盖整个量程同时保证流量测量精度。因此，在流量测量部分需要并联多路不同规格的层流流量传感单元，并在测量系统末端安装调节阀和辅助风机，调节阀模型简化为可调阻抗 v。通过选通或关断各层流支路，实现微型风扇不同流量测量点的选择。为了保证不同流量点时，系统的阻抗曲线也是不变的，如图 3 所示。对各个测量支路分别设置对应的补偿平衡支路，测量支路与平衡支路的阀门开关是互补的关系，这样可以保证流过辅助风扇的总流量是时刻不变的。在保证管路阻抗不变的同时也可以保持辅助风机的特性曲线不变。图 3管路流动阻抗电路类比图2系统设计2.1系统总体设计系
15、统总体由机械结构层、传感层、数据层、应用层组成，如图 4 所示。机械结构层主要由流量测量管路、流量平衡管路、开关球阀、混合腔室、调节阀及辅助风机组成。流量测量管路包括均风腔室和 5 条层流测量单元组成的测量支路 E1 E5，流量平衡管路包括平衡管路入口室和 5 条平衡支路 e1 e5，平衡支路上分别安装与相应测量支路上相同规格的层流测量单元。各测量支路与平衡支路通过二通球阀 F1 F6和三通球阀 G1 G2控制选通或关断。空气介质通过各选通支路汇集到混合腔室，后接调节阀和辅助风机。通过不同阀门开关组合流量支路，实现流量点的调节和性能参数的测量。传感层主要包括驱动电源、微差压传感变送器以及温湿度
16、传感器，分别实现仪表电源供电、层流单元上下游静压及差压的测量以及实验环境温湿度的测量。数据层主要通过 STM32 单片机实现和驱动电源的串口通信、对静压及差压变送器数据的高精度采集以及对温湿度传感器数据的通信采集。应用层主要包括测量软件，用于控制测量时序及人机交互。该系统可以实现微小流量及压力范围，分别是 0.849 424.5 L/min 和 0 500 Pa，其实物图如图 5 所示。2 2流量点选择选用 Furness Controls 的 FCO332 型微差压变送器为流量测量单元差压取样变送器，其量程为 0 2 500Pa，精度可达 0.25%。差压变送器测量的量程比约为12.5 倍(最高 2 5 kPa，最低 0 2 kPa)，系统设计 5 个支路，根据式(2)，5 个层流元件中毛细管根数的比例关系设计为 n1 n2 n3 n4 n5=1 3 6 10 20(见表 1)。则各支路流量变化为最大为 40 倍，总共可以实现 500倍的流量调节比。根据式(1)，选用内径 1 mm 薄壁毛细管，当 e 取临界值 2 320，Le 67 mm。考虑一定的余量，本文使用毛细管的长度 L=