基于动态压力补偿的自动充气设备精密流量测试方法研究

2020-12-10金伟清

科学技术创新 2020年35期

金伟清

（西安明德理工学院智能制造与控制技术学院，陕西西安710124）

1 概述

空气和压缩空气是最常见的工业气体，自动充气设备以压缩空气为气源，可以实现充气流量、压力与温度的自动测量和自动调节，应用非常广泛。某自动充气设备的动力源为空气压缩机，流体介质为压缩空气，空压机的工作压力一般可达0.6～0.8MPa。该自动充气系统用于航空机载设备地面试验过程中对试验对象进行准确定量充气，需要准确测量充入空气的流量，因而采用热式气体质量流量计测量空气的流量，工作压力变化范围为0.1～0.8MPa，流量测量结果受充气过程工作压力变化的影响较大，为了提高流量测量精度，探讨了流量测量的压力补偿方法，提出一种采用EJA 智能压力变送器对热式质量流量计测量结果数据进行在线动态压力补偿的自动充气设备流量精确测试系统设计方案。

2 流量测量方法及流量传感器选型

目前常用的质量流量计有热式质量流量计、科里奥利力质量流量计（简称科氏力质量流量计）、间接式质量流量计、差压式质量流量计、冲量式质量流量计等[1]。

热式气体质量流量计的主要优点有[1,2]：a.可直接测量并显示质量流量和流体温度，一般无需温度和压力补偿；b. 量程比大，通常可以达到100:1，高端的甚至可以高达1000:1，测量流速范围为0.1Nm/s～50Nm/s，一个流量计能同时兼顾小流量和大流量测量；c.压力损失很小，可以忽略不计；d.结构简单，无移动部件，免维护。热式气体质量流量计因而在气体特别是空气、压缩空气质量流量测量中的使用相当广泛[3]。因此，本自动充气设备选用热式气体质量流量计实现对压缩空气的流量测量。

根据所研制的自动充气设备的工作流量、工作压力和温度范围，通过分析对比多个热式气体质量流量计品牌，最终选择德国E+H 公司生产的Proline t-mass A 150 型热式气体质量流量计。

3 空气流量测量中的压力补偿

3.1 气体质量流量测量中的压力补偿问题

在测量中只根据流体工况中温度或压力其中一个参数来调整密度参数的做法称为温度补偿或压力补偿，同时根据温度和压力两个参数来调整密度的参数做法叫做温度压力补偿（简称为温压补偿）。

热式气体流量计在测量时，传感器灵敏系数与流体的热传导、密度、黏性等有关，而热传导、密度、黏性与环境温度有关，在温度变化较大的情况下会导致流量计测量结果产生较大误差[3]。国内外对热式气体流量计温度补偿技术的研究和应用较多，例如可以通过自动温度补偿硬件电路[4]，可以通过径向基函数（RBF）神经网络/改进PSO-BP 神经网络算法、基于流量计特性曲线的数字化温度补偿方法等软件补偿方法进行温度补偿[5]。

就压力参数而言，根据德国E+H 公司的有关技术资料可知，一般应用场合，工况压力变化不大（＜0.05MPa）时，对空气热性质影响不大，则可以不必对质量流量计测量结果进行压力补偿；而当压力变化超过0.5MPa 时，为了保证流量测量的准确性，就要对质量流量测量结果进行压力补偿。

某自动充气设备的工作压力范围为0.1～0.8MPa，工作压力变化较大，而工况温度范围为常温，变化范围不大，因此，为了精确流量计量，可不必进行温度补偿，然而需要进行压力补偿。

3.2 空气流量测量中的压力补偿原理

某自动充气设备的介质为压缩空气，压缩空气的工作压力范围为0.1～0.8MPa，工作压力属于低压，在低压范围内对气体介质进行补偿时，可以利用理想气体方程进行压力补偿。

在压力不太高、温度较高、密度较小的参数范围内，即可使用理想气体状态方程，按理想气体计算就能满足一般工程计算精度的需要，此时气体压缩系数等于1。通常所谓的气体是指物理性质接近理想气体的气体，其密度随工作压力P 和温度T 变化，基本满足克拉伯龙方程（即理想气体状态方程），气体密度ρ 与工作压力P 成正比，与热力学温度T 成反比，即

温度变化不大时可以视作常数，对质量流量计进行在线动态压力补偿的关键是，通过在线检测方法获得当前的气体工作压力。通常将气体质量流量计在检定状态的压力和温度参数定义为基准状态(P0,T0)，利用压力传感器/变送器在线检测获得当前实时气体压力，即可按照式（4）实现对气体质量流量测量数值的压力补偿。

4 自动充气设备精密流量测试系统设计

某自动充气设备的工作压力范围为0.1～0.8MPa，工作压力变化较大，系统启动时的空气初始压力是1 个大气压（0.1MPa），从系统开始启动就需要自动测量压缩空气的流量。因此，在空气质量流量测量中需要进行在线动态压力补偿。

因此，在自动充气设备的气路管路上增设一个压力传感器，压力传感器选用日本横河公司生产的EJA 型智能绝对压力变送器，利用该压力变送器测量系统当前的空气压力，对E+H 热式气体质量流量计的流量测量数据进行在线动态压力补偿。自动充气设备精密流量测试系统构成方案如图1 所示。系统由E+H 热式气体质量流量计、EJA 型智能绝对压力变送器、FX3U-4AD 型模拟量输入模块及三菱FX3U PLC 等构成。

图1 自动充气设备流量精密测试系统方案

EJA 型智能绝对压力变送器的安装位置应当选择在E+H热式质量流量计的下游，距离热式质量流量计右侧法兰约（2～5）倍管路通径处，以确保流量计后面足够的直管段长度，以保证压力测量的稳定性和准确性。

Proline t-mass A 150 型热式气体质量流量计及EJA 型智能绝对压力变送器的输出信号形式均选用4～20mA 标准电流输出形式。为了保证系统工作长时间工作的可靠性和稳定性，该系统以FX3U PLC 作为测控计算机，FX3U-4AD 型模拟量输入模块提供了14 位二进制+符号1 位（电流）的高精度模拟量输入，可连接4 通道的电流输入（DC 4～20mA）（输入电阻250Ω），用于将热式气体质量流量计及压力变送器的电流输出信号转换为数字量信号，然后输送到PLC 进行流量运算处理。流量精密测量应用程序主要包括空气质量流量数据采集程序、工作压力数据采集程序、压力在线动态补偿程序等功能模块。根据所提出的压力补偿方法设计编写了压缩空气质量流量测量的压力在线动态补偿PLC 应用程序。本系统可以同时输出经过压力补偿的压缩空气质量流量和温度，经换算还可得到标准体积流量。

自动充气设备流量精密测试系统设计方案适用于单台试验对象充气，属于单一气路管路。本设计方案扩展能力强，当自动充气设备用于对多台试验对象充气时，只需要在本设计方案基础上增加多路气路管路即可，每个气路组成均可采用如图1 所示的实现方案。本系统已经在某航空机载设备试验台投入正式使用，使用结果表明所提出的空气质量流量在线动态压力补偿设计方案合理可行，测量精度高，扩展性好。