气体质量流量与压力的测量和控制

孙大勇 邱兆军 李晨 徐宏光 房田 董阳

摘要：在气体浓度监测研究中，由于传感器的非线性，需要不同浓度的标准气体样品来标定监测系统。根据曲线拟合理论，标定点越多，拟合的输入输出曲线就越准确。

关键词：质量流量;气体流量计;质量流量控制器;

在全世界无论何种场合，流量、压力、液位及温度的测量和控制始终是工业过程自动化的四大重要参数。而流量及压力的测量又是仪表市场中份额较大的一部分，且发展极其迅速。

一、气体质量流量测量

量热式质量流量计的原理。它主要由两部分即主管路和旁路管测量传感器系统组成。这样设置是为了扩大量程，在较宽的流量、压力和温度变化范围内保持两个管路的流量系数比值恒定，当加热器线圈均匀地加热气流时，在上游和下游的敏感线圈之间会产生一个温度差，这个温度差值正比于被测介质的质量流量，温度差信号的输出是依靠一个电桥输出一个电压信号。

量热式气体质量流量计测量流量遇到的困难。（1）气体介质。量热式气体质量流量计对于被测量的气体介质要求是下燥的、纯净的气体介质，而这一要求是由于其测量原理及结构决定的。如果被测气体介质含水分、油质等其它物质.就会造成正比于被测介质的质量流量的温差改变，如水解氧气、液态氨蒸发氨气+直接测量将会导致测量精度下降。，如果气体介质含有油等杂质，它会造成传感器堵塞.直接影响测量结果。（2）介质温度。量热式气体质量流量计对被测气体介质温度有一个适应范围，一般是在0—65“C之间，对于低于口c以下的温度，或高于100⁰C以上的温度，正比于被测介质的质量流量的温差信号输出已无法保证。（3）测量量程。旁路分流式的质量流量计，其前提是主管路与旁路流量比率恒定。在一定的测量量程内.采用一定的技术形式可以保证这一点。量热式气体质量流量计，测量量程范围一般在最小量程可测量5毫升/分钟（标准状态下），最大满量程100升/分钟（标准状态），但如果测量量程加大。如测量质量流量在标准状态下几千升/分钟以上，其测量管道结构将加大。如果要保证主、旁管路流量比率恒定，其结构_[艺复杂，成本增加。（4）介质压力。在一些要求没有介质压力损失的质量流量测量场合中，量热式气体质量流量计，由于分流式的传感结构，会产生一定的压力损失，尽管很小，还是会对介质压力变化产生一些影响。

二、气体质量流量控制

气体质量流量控制器原理。质量流量控制器不仅能测量气体的质量流量，更重要的是它能控制流量。根据用户的指令，质量流量控制器自动调整流量，实时跟踪设定值，既可按照一定的速率[毫升（升），分钟]变化，亦可长期稳定在任一设定值，保证设定流量恒定。2.SY一93系列、SY一93B系列气体质量流量控制器。SY一93系列气体质量流量控制器是由北京圣业科技发展有限公司开发生产的专用于气体流量控制的产品，其控制最小设定点为0.5毫升，分钟（标准状态），最大控制设定点可为100升，分钟（标准状态）;动态响应：快速响应时间为3-6秒;软启动方式：12—15秒。SY一93B系列气体质量流量控制器是圣业公司推出的大于100升，分钟（标准状态）的流量控制器。

三、气体压力测量

压力测量的基本方法。（1）应变式。金属应变式传感器的历史较长，它是用粘接剂将金属丝或金属箔制成的应变片粘贴在弹性元件上，通常由粘贴在不同位置4个应变片组成一个惠斯登电桥，4个应变片分别感受正负应变。可以满足一般的精度要求，但由于应变片是粘到弹性元件卜的，当温度变化时，由于彈性元件、粘接剂和应变片的热膨胀系数不相同，会使应变片产生一个附加的应变，从而影响测量精度。（2）压阻式。压阻式传感器是采用集成电路制造技术在半导体基片上直接生成扩散电阻并组成电桥，半导体材料通常为硅材料，所以压阻式传感器又常称为扩散硅压力传感器。由于采用了集成电路生产技术，这类传感器非常适合大批量生产，成本也很低.压阻式传感器面临的主要问题是受温度影响较大（3）电容式。电容式传感器的转换原理可用一个平行平板电容来说明，若忽略边缘效应，平行平板电容的电容值可表示为：C=e·s/dc为板极间介质的介电常数;s为两极板的覆盖面积;d为极板间距。电容式压力传感器通常由由一个固定极板和一个可动极板（同时也是弹性元件）构成可变电容，当压力作用于可动极板时，可动极板产生变形，电容两极板的间距发生变化，电容量发生改变，检测电容的变化量即可得到被测压力的大小。

压力传感器种类。压力传感器技术历史悠久，技术成熟，因而应用得非常广泛，它不仅能测量压力，还能测量多种物理量。

SMI微压传感器。为了填补企业使用的精度要求与大宗应用的精度间的空档，最近研制成功一种超低压（o.15psi）的满度压力传感器。传感器可在极低的压力下工作，能可靠分辨出百万分之二大气压的压力变化。在设计传感器机械部分时，利用了一种新方法。

4.1SMI微压传感器的结构及原理。SMI廉价的压阻式、超低压传感器成功的关键是它的创新的物理刻蚀设计。一般来说，硅压力传感器芯片采用扁平膜来测量压力。

5.气体压力控制。在许多领域中，对压力进行控制的方式多见于各种手动调节阀，配以各种标准或精密的压力表来完成对压力的监控。该方式虽然简单，但在科技飞速发展、过程控制高度集成化的今天，已不能满足要求.为适应过程控制计算机全面管理的要求，也形成了一种压力电子控制方式，其形式采用压力传感器，电磁控制阀、联接PID电子线路，实施对压力的监控。

总之，SY一94系列压力控制最小设定值可达50Pa，控制精度可达0.1%。SY一94系列压力控制器还可以与sY一93系列质量流量控制器配套使用，可全面提高各类系统设计的自动化控制程度。

参考文献：

[1]赵健，质量流量比法配制标准气体.2019.