金偉清

（西安明德理工學(xué)院智能制造與控制技術(shù)學(xué)院，陜西 西安710124）

1 概述

空氣和壓縮空氣是最常見的工業(yè)氣體，自動(dòng)充氣設(shè)備以壓縮空氣為氣源，可以實(shí)現(xiàn)充氣流量、壓力與溫度的自動(dòng)測量和自動(dòng)調(diào)節(jié)，應(yīng)用非常廣泛。某自動(dòng)充氣設(shè)備的動(dòng)力源為空氣壓縮機(jī)，流體介質(zhì)為壓縮空氣，空壓機(jī)的工作壓力一般可達(dá)0.6～0.8MPa。該自動(dòng)充氣系統(tǒng)用于航空機(jī)載設(shè)備地面試驗(yàn)過程中對(duì)試驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行準(zhǔn)確定量充氣，需要準(zhǔn)確測量充入空氣的流量，因而采用熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)測量空氣的流量，工作壓力變化范圍為0.1～0.8MPa，流量測量結(jié)果受充氣過程工作壓力變化的影響較大，為了提高流量測量精度，探討了流量測量的壓力補(bǔ)償方法，提出一種采用EJA 智能壓力變送器對(duì)熱式質(zhì)量流量計(jì)測量結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行在線動(dòng)態(tài)壓力補(bǔ)償?shù)淖詣?dòng)充氣設(shè)備流量精確測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

2 流量測量方法及流量傳感器選型

目前常用的質(zhì)量流量計(jì)有熱式質(zhì)量流量計(jì)、科里奧利力質(zhì)量流量計(jì)（簡稱科氏力質(zhì)量流量計(jì)）、間接式質(zhì)量流量計(jì)、差壓式質(zhì)量流量計(jì)、沖量式質(zhì)量流量計(jì)等[1]。

熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)有[1,2]：a.可直接測量并顯示質(zhì)量流量和流體溫度，一般無需溫度和壓力補(bǔ)償；b. 量程比大，通?？梢赃_(dá)到100:1，高端的甚至可以高達(dá)1000:1，測量流速范圍為0.1Nm/s～50Nm/s，一個(gè)流量計(jì)能同時(shí)兼顧小流量和大流量測量；c.壓力損失很小，可以忽略不計(jì)；d.結(jié)構(gòu)簡單，無移動(dòng)部件，免維護(hù)。熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)因而在氣體特別是空氣、壓縮空氣質(zhì)量流量測量中的使用相當(dāng)廣泛[3]。因此，本自動(dòng)充氣設(shè)備選用熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)壓縮空氣的流量測量。

根據(jù)所研制的自動(dòng)充氣設(shè)備的工作流量、工作壓力和溫度范圍，通過分析對(duì)比多個(gè)熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)品牌，最終選擇德國E+H 公司生產(chǎn)的Proline t-mass A 150 型熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)。

3 空氣流量測量中的壓力補(bǔ)償

3.1 氣體質(zhì)量流量測量中的壓力補(bǔ)償問題

在測量中只根據(jù)流體工況中溫度或壓力其中一個(gè)參數(shù)來調(diào)整密度參數(shù)的做法稱為溫度補(bǔ)償或壓力補(bǔ)償，同時(shí)根據(jù)溫度和壓力兩個(gè)參數(shù)來調(diào)整密度的參數(shù)做法叫做溫度壓力補(bǔ)償（簡稱為溫壓補(bǔ)償）。

熱式氣體流量計(jì)在測量時(shí)，傳感器靈敏系數(shù)與流體的熱傳導(dǎo)、密度、黏性等有關(guān)，而熱傳導(dǎo)、密度、黏性與環(huán)境溫度有關(guān)，在溫度變化較大的情況下會(huì)導(dǎo)致流量計(jì)測量結(jié)果產(chǎn)生較大誤差[3]。國內(nèi)外對(duì)熱式氣體流量計(jì)溫度補(bǔ)償技術(shù)的研究和應(yīng)用較多，例如可以通過自動(dòng)溫度補(bǔ)償硬件電路[4]，可以通過徑向基函數(shù)（RBF）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)/改進(jìn)PSO-BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、基于流量計(jì)特性曲線的數(shù)字化溫度補(bǔ)償方法等軟件補(bǔ)償方法進(jìn)行溫度補(bǔ)償[5]。

就壓力參數(shù)而言，根據(jù)德國E+H 公司的有關(guān)技術(shù)資料可知，一般應(yīng)用場合，工況壓力變化不大（＜0.05MPa）時(shí)，對(duì)空氣熱性質(zhì)影響不大，則可以不必對(duì)質(zhì)量流量計(jì)測量結(jié)果進(jìn)行壓力補(bǔ)償；而當(dāng)壓力變化超過0.5MPa 時(shí)，為了保證流量測量的準(zhǔn)確性，就要對(duì)質(zhì)量流量測量結(jié)果進(jìn)行壓力補(bǔ)償。

某自動(dòng)充氣設(shè)備的工作壓力范圍為0.1～0.8MPa，工作壓力變化較大，而工況溫度范圍為常溫，變化范圍不大，因此，為了精確流量計(jì)量，可不必進(jìn)行溫度補(bǔ)償，然而需要進(jìn)行壓力補(bǔ)償。

3.2 空氣流量測量中的壓力補(bǔ)償原理

某自動(dòng)充氣設(shè)備的介質(zhì)為壓縮空氣，壓縮空氣的工作壓力范圍為0.1～0.8MPa，工作壓力屬于低壓，在低壓范圍內(nèi)對(duì)氣體介質(zhì)進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，可以利用理想氣體方程進(jìn)行壓力補(bǔ)償。

在壓力不太高、溫度較高、密度較小的參數(shù)范圍內(nèi)，即可使用理想氣體狀態(tài)方程，按理想氣體計(jì)算就能滿足一般工程計(jì)算精度的需要，此時(shí)氣體壓縮系數(shù)等于1。通常所謂的氣體是指物理性質(zhì)接近理想氣體的氣體，其密度隨工作壓力P 和溫度T 變化，基本滿足克拉伯龍方程（即理想氣體狀態(tài)方程），氣體密度ρ 與工作壓力P 成正比，與熱力學(xué)溫度T 成反比，即

溫度變化不大時(shí)可以視作常數(shù)，對(duì)質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行在線動(dòng)態(tài)壓力補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵是，通過在線檢測方法獲得當(dāng)前的氣體工作壓力。通常將氣體質(zhì)量流量計(jì)在檢定狀態(tài)的壓力和溫度參數(shù)定義為基準(zhǔn)狀態(tài)(P0,T0)，利用壓力傳感器/變送器在線檢測獲得當(dāng)前實(shí)時(shí)氣體壓力，即可按照式（4）實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體質(zhì)量流量測量數(shù)值的壓力補(bǔ)償。

4 自動(dòng)充氣設(shè)備精密流量測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

某自動(dòng)充氣設(shè)備的工作壓力范圍為0.1～0.8MPa，工作壓力變化較大，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)的空氣初始?jí)毫κ? 個(gè)大氣壓（0.1MPa），從系統(tǒng)開始啟動(dòng)就需要自動(dòng)測量壓縮空氣的流量。因此，在空氣質(zhì)量流量測量中需要進(jìn)行在線動(dòng)態(tài)壓力補(bǔ)償。

因此，在自動(dòng)充氣設(shè)備的氣路管路上增設(shè)一個(gè)壓力傳感器，壓力傳感器選用日本橫河公司生產(chǎn)的EJA 型智能絕對(duì)壓力變送器，利用該壓力變送器測量系統(tǒng)當(dāng)前的空氣壓力，對(duì)E+H 熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)的流量測量數(shù)據(jù)進(jìn)行在線動(dòng)態(tài)壓力補(bǔ)償。自動(dòng)充氣設(shè)備精密流量測試系統(tǒng)構(gòu)成方案如圖1 所示。系統(tǒng)由E+H 熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)、EJA 型智能絕對(duì)壓力變送器、FX3U-4AD 型模擬量輸入模塊及三菱FX3U PLC 等構(gòu)成。

圖1 自動(dòng)充氣設(shè)備流量精密測試系統(tǒng)方案

EJA 型智能絕對(duì)壓力變送器的安裝位置應(yīng)當(dāng)選擇在E+H熱式質(zhì)量流量計(jì)的下游，距離熱式質(zhì)量流量計(jì)右側(cè)法蘭約（2～5）倍管路通徑處，以確保流量計(jì)后面足夠的直管段長度，以保證壓力測量的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

Proline t-mass A 150 型熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)及EJA 型智能絕對(duì)壓力變送器的輸出信號(hào)形式均選用4～20mA 標(biāo)準(zhǔn)電流輸出形式。為了保證系統(tǒng)工作長時(shí)間工作的可靠性和穩(wěn)定性，該系統(tǒng)以FX3U PLC 作為測控計(jì)算機(jī)，F(xiàn)X3U-4AD 型模擬量輸入模塊提供了14 位二進(jìn)制+符號(hào)1 位（電流）的高精度模擬量輸入，可連接4 通道的電流輸入（DC 4～20mA）（輸入電阻250Ω），用于將熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)及壓力變送器的電流輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)，然后輸送到PLC 進(jìn)行流量運(yùn)算處理。流量精密測量應(yīng)用程序主要包括空氣質(zhì)量流量數(shù)據(jù)采集程序、工作壓力數(shù)據(jù)采集程序、壓力在線動(dòng)態(tài)補(bǔ)償程序等功能模塊。根據(jù)所提出的壓力補(bǔ)償方法設(shè)計(jì)編寫了壓縮空氣質(zhì)量流量測量的壓力在線動(dòng)態(tài)補(bǔ)償PLC 應(yīng)用程序。本系統(tǒng)可以同時(shí)輸出經(jīng)過壓力補(bǔ)償?shù)膲嚎s空氣質(zhì)量流量和溫度，經(jīng)換算還可得到標(biāo)準(zhǔn)體積流量。

自動(dòng)充氣設(shè)備流量精密測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案適用于單臺(tái)試驗(yàn)對(duì)象充氣，屬于單一氣路管路。本設(shè)計(jì)方案擴(kuò)展能力強(qiáng)，當(dāng)自動(dòng)充氣設(shè)備用于對(duì)多臺(tái)試驗(yàn)對(duì)象充氣時(shí)，只需要在本設(shè)計(jì)方案基礎(chǔ)上增加多路氣路管路即可，每個(gè)氣路組成均可采用如圖1 所示的實(shí)現(xiàn)方案。本系統(tǒng)已經(jīng)在某航空機(jī)載設(shè)備試驗(yàn)臺(tái)投入正式使用，使用結(jié)果表明所提出的空氣質(zhì)量流量在線動(dòng)態(tài)壓力補(bǔ)償設(shè)計(jì)方案合理可行，測量精度高，擴(kuò)展性好。

結(jié)束語

針對(duì)某自動(dòng)充氣設(shè)備的精確流量測量需求，探討了氣體流量測量的壓力補(bǔ)償原理，提出了一種利用熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)測量壓縮空氣流量、采用智能壓力變送器測量壓縮空氣絕對(duì)壓力并對(duì)質(zhì)量流量測量數(shù)據(jù)進(jìn)行在線動(dòng)態(tài)壓力補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)方案，該設(shè)計(jì)方案合理可行，有效提高了質(zhì)量流量測量精度，特別適用于工作介質(zhì)壓力變化較大的工況。