氣體質(zhì)量流量與壓力的測量和控制

孫大勇 邱兆軍 李晨 徐宏光 房田 董陽

摘要：在氣體濃度監(jiān)測研究中，由于傳感器的非線性，需要不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣體樣品來標(biāo)定監(jiān)測系統(tǒng)。根據(jù)曲線擬合理論，標(biāo)定點(diǎn)越多，擬合的輸入輸出曲線就越準(zhǔn)確。

關(guān)鍵詞：質(zhì)量流量;氣體流量計(jì);質(zhì)量流量控制器;

在全世界無論何種場合，流量、壓力、液位及溫度的測量和控制始終是工業(yè)過程自動(dòng)化的四大重要參數(shù)。而流量及壓力的測量又是儀表市場中份額較大的一部分，且發(fā)展極其迅速。

一、氣體質(zhì)量流量測量

量熱式質(zhì)量流量計(jì)的原理。它主要由兩部分即主管路和旁路管測量傳感器系統(tǒng)組成。這樣設(shè)置是為了擴(kuò)大量程，在較寬的流量、壓力和溫度變化范圍內(nèi)保持兩個(gè)管路的流量系數(shù)比值恒定，當(dāng)加熱器線圈均勻地加熱氣流時(shí)，在上游和下游的敏感線圈之間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)溫度差，這個(gè)溫度差值正比于被測介質(zhì)的質(zhì)量流量，溫度差信號(hào)的輸出是依靠一個(gè)電橋輸出一個(gè)電壓信號(hào)。

量熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)測量流量遇到的困難。（1）氣體介質(zhì)。量熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)對(duì)于被測量的氣體介質(zhì)要求是下燥的、純凈的氣體介質(zhì)，而這一要求是由于其測量原理及結(jié)構(gòu)決定的。如果被測氣體介質(zhì)含水分、油質(zhì)等其它物質(zhì).就會(huì)造成正比于被測介質(zhì)的質(zhì)量流量的溫差改變，如水解氧氣、液態(tài)氨蒸發(fā)氨氣+直接測量將會(huì)導(dǎo)致測量精度下降。，如果氣體介質(zhì)含有油等雜質(zhì)，它會(huì)造成傳感器堵塞.直接影響測量結(jié)果。（2）介質(zhì)溫度。量熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)對(duì)被測氣體介質(zhì)溫度有一個(gè)適應(yīng)范圍，一般是在0—65“C之間，對(duì)于低于口c以下的溫度，或高于100⁰C以上的溫度，正比于被測介質(zhì)的質(zhì)量流量的溫差信號(hào)輸出已無法保證。（3）測量量程。旁路分流式的質(zhì)量流量計(jì)，其前提是主管路與旁路流量比率恒定。在一定的測量量程內(nèi).采用一定的技術(shù)形式可以保證這一點(diǎn)。量熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)，測量量程范圍一般在最小量程可測量5毫升/分鐘（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下），最大滿量程100升/分鐘（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)），但如果測量量程加大。如測量質(zhì)量流量在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下幾千升/分鐘以上，其測量管道結(jié)構(gòu)將加大。如果要保證主、旁管路流量比率恒定，其結(jié)構(gòu)_[藝復(fù)雜，成本增加。（4）介質(zhì)壓力。在一些要求沒有介質(zhì)壓力損失的質(zhì)量流量測量場合中，量熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)，由于分流式的傳感結(jié)構(gòu)，會(huì)產(chǎn)生一定的壓力損失，盡管很小，還是會(huì)對(duì)介質(zhì)壓力變化產(chǎn)生一些影響。

二、氣體質(zhì)量流量控制

氣體質(zhì)量流量控制器原理。質(zhì)量流量控制器不僅能測量氣體的質(zhì)量流量，更重要的是它能控制流量。根據(jù)用戶的指令，質(zhì)量流量控制器自動(dòng)調(diào)整流量，實(shí)時(shí)跟蹤設(shè)定值，既可按照一定的速率[毫升（升），分鐘]變化，亦可長期穩(wěn)定在任一設(shè)定值，保證設(shè)定流量恒定。2.SY一93系列、SY一93B系列氣體質(zhì)量流量控制器。SY一93系列氣體質(zhì)量流量控制器是由北京圣業(yè)科技發(fā)展有限公司開發(fā)生產(chǎn)的專用于氣體流量控制的產(chǎn)品，其控制最小設(shè)定點(diǎn)為0.5毫升，分鐘（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)），最大控制設(shè)定點(diǎn)可為100升，分鐘（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）;動(dòng)態(tài)響應(yīng)：快速響應(yīng)時(shí)間為3-6秒;軟啟動(dòng)方式：12—15秒。SY一93B系列氣體質(zhì)量流量控制器是圣業(yè)公司推出的大于100升，分鐘（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）的流量控制器。

三、氣體壓力測量

壓力測量的基本方法。（1）應(yīng)變式。金屬應(yīng)變式傳感器的歷史較長，它是用粘接劑將金屬絲或金屬箔制成的應(yīng)變片粘貼在彈性元件上，通常由粘貼在不同位置4個(gè)應(yīng)變片組成一個(gè)惠斯登電橋，4個(gè)應(yīng)變片分別感受正負(fù)應(yīng)變?？梢詽M足一般的精度要求，但由于應(yīng)變片是粘到彈性元件卜的，當(dāng)溫度變化時(shí)，由于彈性元件、粘接劑和應(yīng)變片的熱膨脹系數(shù)不相同，會(huì)使應(yīng)變片產(chǎn)生一個(gè)附加的應(yīng)變，從而影響測量精度。（2）壓阻式。壓阻式傳感器是采用集成電路制造技術(shù)在半導(dǎo)體基片上直接生成擴(kuò)散電阻并組成電橋，半導(dǎo)體材料通常為硅材料，所以壓阻式傳感器又常稱為擴(kuò)散硅壓力傳感器。由于采用了集成電路生產(chǎn)技術(shù)，這類傳感器非常適合大批量生產(chǎn)，成本也很低.壓阻式傳感器面臨的主要問題是受溫度影響較大（3）電容式。電容式傳感器的轉(zhuǎn)換原理可用一個(gè)平行平板電容來說明，若忽略邊緣效應(yīng)，平行平板電容的電容值可表示為：C=e·s/dc為板極間介質(zhì)的介電常數(shù);s為兩極板的覆蓋面積;d為極板間距。電容式壓力傳感器通常由由一個(gè)固定極板和一個(gè)可動(dòng)極板（同時(shí)也是彈性元件）構(gòu)成可變電容，當(dāng)壓力作用于可動(dòng)極板時(shí)，可動(dòng)極板產(chǎn)生變形，電容兩極板的間距發(fā)生變化，電容量發(fā)生改變，檢測電容的變化量即可得到被測壓力的大小。

壓力傳感器種類。壓力傳感器技術(shù)歷史悠久，技術(shù)成熟，因而應(yīng)用得非常廣泛，它不僅能測量壓力，還能測量多種物理量。

SMI微壓傳感器。為了填補(bǔ)企業(yè)使用的精度要求與大宗應(yīng)用的精度間的空檔，最近研制成功一種超低壓（o.15psi）的滿度壓力傳感器。傳感器可在極低的壓力下工作，能可靠分辨出百萬分之二大氣壓的壓力變化。在設(shè)計(jì)傳感器機(jī)械部分時(shí)，利用了一種新方法。

4.1SMI微壓傳感器的結(jié)構(gòu)及原理。SMI廉價(jià)的壓阻式、超低壓傳感器成功的關(guān)鍵是它的創(chuàng)新的物理刻蝕設(shè)計(jì)。一般來說，硅壓力傳感器芯片采用扁平膜來測量壓力。

5.氣體壓力控制。在許多領(lǐng)域中，對(duì)壓力進(jìn)行控制的方式多見于各種手動(dòng)調(diào)節(jié)閥，配以各種標(biāo)準(zhǔn)或精密的壓力表來完成對(duì)壓力的監(jiān)控。該方式雖然簡單，但在科技飛速發(fā)展、過程控制高度集成化的今天，已不能滿足要求.為適應(yīng)過程控制計(jì)算機(jī)全面管理的要求，也形成了一種壓力電子控制方式，其形式采用壓力傳感器，電磁控制閥、聯(lián)接PID電子線路，實(shí)施對(duì)壓力的監(jiān)控。

總之，SY一94系列壓力控制最小設(shè)定值可達(dá)50Pa，控制精度可達(dá)0.1%。SY一94系列壓力控制器還可以與sY一93系列質(zhì)量流量控制器配套使用，可全面提高各類系統(tǒng)設(shè)計(jì)的自動(dòng)化控制程度。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙健，質(zhì)量流量比法配制標(biāo)準(zhǔn)氣體.2019.