微小型流量计 微小型测试系统流量计

微小型流量计 微小型测试系统流量计

质量流量控制器传感器采用微机械加工技术，实现微小流量测量，其特点是可靠性高、重复性好，压损小，无可动部件，量程比宽，响应时间较快，测量精度高，无需要温度压力补偿，广泛应用于轻工化工环保及半导体等工业部门的空气、氧气、氩气、氮气等气体的检测和控制。                

工作原理：

感热式芯片技术是采用大规模集成电阻的工作，在芯片上，一个微热源及分别处于微热源上下游的温度传感器集成在采用MEMS的特有工艺制作的镂空桥面上，采用这这样的桥式方式制作有利于热传导，使动态响应时间大大提高，当传感器工作时，微热源与环境温度之间保持一定的温差（通常是70℃），在芯片周围形成固定的温度场分布，如果气体是单向流动，则在气道中温度场可用下述公式来计算:

式中：气体流动方向为ｘ，速度为ｖ，ａ为扩散率。如上图（式）所示，当气体流过芯片时，将会带走热量，通过质量流量qm和电压V的对应关系来计算流体的质量流量。

产品特点：

·产品集成度高，集瞬间流量显示、累计流量显示和信号输出一体，并可实现自动调节、控制阀门

·微流量感热式传感器采用大规模集成电路生产技术和材料加工技术，使流量计的微流量测量灵敏度显著提升

·微小流量气体测量，ml/min级的微流量测控，实现微小流量测量的数字化

·单个芯片的流量特性的微处理技术，使流量计的量程范围大大提高

·机电一体化优化设计，智能化的数据处理技术，使流量计具有更好的重复性，实现了计量的准确、可靠

·结构的优化，流量计的压力损失达到蕞小化

·采用国际蕞新的传感技术，使流量计工作更稳定、可靠

·零点自校功能，测量更准确

·多种气体实际标定，全量程补偿

·快速响应、数据自动存储，配合上位机可实现网络集中管理

·规格齐全，量程范围宽，可根据用户要求单独标定

·精度等级高，满足用户高精度测量要求

·独有的流量计报警功能，使监控更可靠

·操作、设置界面友好、简便，可根据需要自行设定相关参数

·运用行业多，是科研院所、分析仪表行业、半导体行业、光伏行业、玻璃镀膜、石油化工行业微小气体流量控制产品升级换代的优选

技术参数：

·测量介质：各种气体（乙炔气和混合气体除外）

·测量管径：DN3，6，8，10，12

·流量范围：30，60，80，100，300，600，800，1000sccm；10，20，30，50，80，100，200，300，500SLPM             

·流量测量准确度：±1.5%FS；±2.5%FS

·工作温度范围：5℃-45℃

·工作压力范围：0.3MPa，0.6MPa，1.0MPa

·供电电源：24VDC±10%；

·输出信号：4-20mA，RS485通讯；

·环境温度：5℃-45℃

·显示位数：瞬时流量为三位，累积流量10位。

外观尺寸：

微小型流量计1：

微小型流量计2：

微小型燃料电池测试系统的气体流量控制：

根据微小型直接燃料电池 (DMFC) 的测试需求, 使用工控机、多功能数据采集卡、比例流量阀、数字流量计等组件, 搭建了燃料电池气体流量控制子系统。使用LabVIEW软件编写了上位机控制程序, 应用改进的自适应PID控制算法, 实现了气体流量的精确、稳定控制和对实验数据的实时处理。研究了流体伺服系统的组成和设计方法, 构建了气体流量伺服控制系统。根据压控恒流源的工作原理, 设计并制作了比例流量阀驱动器。针对驱动器的硬件特性, 改进了自适应PID控制算法, 并在LabVIEW环境下实现了该算法。使用改进后的PID控制算法并结合PID参数的调节, 使气体流量伺服控制系统的稳态精度达到了±0.1 L/min。系统流量阶跃输入分别为0⁵ L/min、0¹0 L/min、0²0L/min、0⁵0 L/min时, 上升时间分别为0.9 s、4.9 s、5.2 s、6.6 s, 超调量均≤0.23 L/min, 满足了设计要求。

燃料电池是一种清洁的电源。为了评价燃料电池的特性, 获得良好的输出性能, 需要控制反应物的温度、压力和流量等参数。其中, 反应气体的流量伺服控制精度对燃料电池特性的测试精度有很大影响。气动伺服技术的研究始于20世纪50年代后期, 当时美国的Shearer等人开发了气动伺服控制系统, 并成功地应用于航天飞行器及导的姿态控制之中。近年来, 基于高性能的气动控制元件和传感元件的不断开发, 计算机技术的飞速发展以及现代控制理论和智能控制理论的引入, 气动伺服技术的研究和应用进入了新的局面。国内众多科研院所及学者对气动伺服系统控制进行了研究, 并在气体位置伺服控制上, 取得了一些成果。气体流量伺服控制由于受到传感器的精度和速度发展的制约, 国内外较少有相关的研究和报道。

由于空气压缩性大、黏度小、系统非线性等因素的影响, 气体流量伺服的精度和可靠性受到很大限制, 难以实现精确伺服控制。本文主要针对微小型直接燃料电池的测试需求, 在研究控制系统搭建原理和控制方法的基础上, 采用工控机、比例流量阀、华陆流量计等组件, 设计并制作了燃料电池测试系统的阴极气体流量伺服控制子系统, 以满足燃料电池性能测试的需要, 为燃料电池的设计提供参考。通过改进自适应PID控制器的算法, 配合PID参数自动调节和手动微调修正, 提高了系统的控制精度、响应速度和可靠性, 满足了系统的测试要求。

2 气体流量控制系统设计

微小型燃料电池一般输出功率≤100 W。考虑到系统的可扩充性, 系统设计成可用于0.05～300 W的直接燃料电池的测试。

直接燃料电池工作时发生的化学反应如式 (1) ～ (3) 所示。

由式 (1) ～ (3) 可以估算出气体流量控制系统的气体流量设计范围。由反应式可知, 1 mol完全反应需要1.5 mol的O₂。若被测燃料电池按输出功率为300 W设计, 则每小时输出能量为300 W·h。根据文献报道, 目前直接燃料电池发电效率约为20%～50%, 则需要通过反应提供约1 500 W·h的能量。而燃料电池中, 1 kg完全反应释放电能约为6 200 W·h, 则每小时约消耗241.95 g (约合7.56 mol) , 同时消耗11.34 mol 的O₂ (标准状况下, 体积为254.02 L) , 折合成通常状况下空气的体积为1 209.6 L。由于通入的气体大约有25%～33%参加了反应 (阴极空气计量比为3～4), 故300 W燃料电池每小时消耗空气的量为4 838.7 L, 合80.64 L/min。考虑到传感器的可选择性, 选择了大测量值为100 L/min的流量传感器。再考虑到传感器的参数特性, 在气体流量低于0.2 L/min时, 传感器的电信号输出存在一个死区, 终把系统气体流量控制的范围设计为0.2～100 L/min。

2.1 系统整体设计

气体流量伺服控制系统采用工控机为控制端, 集成了多功能数据采集卡, 并通过接线端子卡将各控制功能端引出。系统控制端还外扩了一块中功率继电器卡, 作为开关量输出的接口。系统的多功能数据采集卡集成了12位A/D转换器, 采样速率达100 kHz, 满足系统对采样速度的要求。板卡上的12位模拟量输出及16路数字量输出等功能也大大减少了系统组件的数量。气源采用气瓶供气的方式, 以提高气体流量控制系统的控制精度及稳定性。

直接燃料电池实验需要的气体为氧气、空气和氢 (作参比电极) , 其中氧气和空气是需要程序控制流量并稳定供气的。氢为易燃易爆气体, 常态下不能和氧气或空气混合, 氢回路中也不能有电火花等任何不安全因素。考虑到这些情况, 整个氢回路设计采用了机械控制阀门, 以手动方式进行调节和控制。控制系统设计框图如图1。

图1中, 氧气气源和空气气源回路经过气源初级处理之后, 压力变为1 MPa以下, 同时, 对气体流速的上限进行了粗调。气体通路经过程序控制, 切换成需要的气体, 再经过气源二级处理过滤掉水分和油雾, 并由组件中的减压阀对输出压力进行二次调节, 再经过华陆比例流量阀、数字流量计和手动气源切换, 终输出供实验用燃料电池使用。而氢回路考虑其安全性高和控制精度要求低等特点, 仅通过气源处理和机械式流量计进行粗略的流量调节, 再经由手动气源切换, 输出给燃料电池。

2.2 系统控制原理

系统的控制部分主要由工控机和多动能数据采集卡组成控制端。通过多通道电源、接线端子卡、继电器板卡和压控恒流源驱动器 (V/I驱动器) 构成中间环节驱动器。A/D转换器采集流量传感器的数据, 送至PID控制器和设置值比较运算, 再通过D/A转换器转换和数字量输出, 控制压控恒流源驱动器和继电器板卡, 实现对HLMFM03比例流量阀和两位三通电磁阀的控制。系统控制原理框图如图2。

2.3 比例流量阀驱动器硬件设计与分析

由系统原理框图可知, 其主要执行器件比例流量阀的驱动需要功率信号, 而计算机板卡只输出控制信号, 所以需要在二者中间加上一级驱动器, 实现控制信号到功率信号的转换。

本文综合考虑实验的可操作性、系统功耗和散热等需求, 研究了压控恒流源的电路原理, 并经过了多次的电路修改和实验, 将驱动器的输出电流值设计为0～160 mA。这样设计便于在全量程内调节比例流量阀的阀门开度, 较好地解决了电路静态功耗大, 输入气体压力较大时小流量气体无法控制等问题, 实现了全范围的精确控制

电路采用集成运算放大器构成, 使用浮置负载方式输出电流, 是一种输出电流随控制电压线性变化的恒流源。由于运放输出的大电流有限, 在其反馈环内附加一个电流增益用的晶体管, 使其大的输出电流不受运放的限制。

图4是上述压控恒流源驱动器 (实物见图5) 进行标定后的电压电流特性曲线, 可知该驱动器的电压-电流特性线性度非常好。

3 控制系统建模与分析

控制端的系统控制软件采用了自适应PID算法。在模拟信号控制中, PID控制器一般比较给定值r (t) 和实际输出值c (t) 得到控制偏差:                      

控制器计算调节器的动作u (t) , 结果如下:

式中, K_c为控制器比例系数, T_i和T_d分别为积分时间常数和微分时间常数, 单位为min。

由于计算机控制是一种采样控制, 只能根据采样时刻的偏差值计算控制量, 因此式 (4) 中的积分项和微分项不能直接使用, 需要进行离散化处理。设采样周期为T, 则可做如下近似变换:

在PID控制中, 一个关键的问题就是PID参数的整定。实际工业工程控制中, 许多被控过程的机理复杂, 还伴随有高度非线性、时变不确定性和纯滞后等特点, 导致PID参数整定过程复杂。而自适应PID控制器的PID参数不依赖于对象的数学模型, 并且PID参数能在线调整, 满足实时控制等要求而逐渐成为过程控制的一种较理想的自动化装置^[10]。

本文使用了基于临界振荡状态中提取特征参数的Ziegler-Nichols启发式方法来获得PID控制参数。进行PID参数在线整定时, 需要选择以下3种类型的循环特性:快速 (1/4阻尼比) 、正常 (一些过调量) 和慢速 (很少的过调量) 。参照表1、表2、表3所示的调谐规则表, 可以得到每种类型的循环特性所对应的调谐规则。

在仔细研究了自适应PID算法相关规律的基础上, 使用LabVIEW编制了本系统的上位机控制程序, 完成了流量控制系统的各个组件的集中控制和实验数据的实时显示与记录。图7为使用LabVIEW编写的上位机控制程序软件界面。

前文设计的硬件驱动器随着气体的输入压力不同存在着不同大小的死区。为了减弱控制死区的影响, 加快系统的响应速度, 本文在上位机软件的控制算法上做了必要的改进。当向系统输入一个控制量时, 系统会判断该输入量是否有效, 若有效则在输出上累加一个可变的正偏移量, 以加快系统的响应速度。图8为控制程序流程图。4 实验结果与讨论

由比例流量阀的特性曲线和压控恒流源驱动器的电压-电流特性曲线可知, 随着输入气体的压力变化, 驱动器需要输出60～140 mA的驱动电流, 或控制器要输出1.875～4.375 V的控制电压才能开启阀门。若PID控制器从零开始输出, 则在一次启动过程中, 或在长时间间歇工作状态下再启动, 需要经过相当长的积分时间才能使气体流量输出达到预定值, 这就大大降低了系统的控制精度和响应速度。根据下位机硬件的特点, 控制软件采用了相应的算法解决了该问题。图9为加上判断算法前后的PID控制曲线的比较。

由图9可以看出, 系统初次启动的响应时间大大缩短, 但是系统超调量增大, 该问题可以通过HLMFM03调节PID控制器参数来解决。由于系统采用了自适应PID控制器, 使PID控制器参数的获取变得简单。

图10为分别使用普通PID控制器和自适应PID控制器获得PID参数的控制曲线对比。由图可见, 通过选择系统的控制目标, 由华陆自适应PID控制器获得的PID控制曲线的超调量要远小于常规PID控制器, 而达到目标精度时, 其响应时间并没有增加。通过自适应PID控制器代替普通PID控制器, 减小了超调量, 满足了系统的控制需求。

通过自适应PID控制算法, 加上手动微调, 获得了一组较好的PID控制器参数, 得到了较理想的流量控制曲线, 如图11所示。从图上的局部放大后的PID阶跃响应曲线可以看到, 超调量被控制在0.23 L/min以内, 稳态控制精度得到了较大的提高, 达到了±0.1 L/min, 响应速度也得到了改善, 得到了满足本测试系统需求的实验曲线。

图12为不同设定值时, HLMFM03气体流量伺服控制系统的PID阶跃响应曲线。设定值的取法分别对应燃料电池实验所需的流量, 如微型燃料电池 (0～5 L/min) 、微小型燃料电池 (0～10 L/min) 、中小型燃料电池 (0～20 L/min) 和小型燃料电池 (0～50 L/min) 。可以看出, 随着设定值的间距的增加, 响应时间会相应的增加, 但增加的幅度并不十分显著, 以上各种电池对应的上升时间分别为0.9 s、4.9 s、5.2 s、6.6 s。由于传感器本身的精度特性影响, 各条阶跃响应曲线的超调量、稳态精度等参数基本保持不变, 超调量均≤0.23 L/min, 系统稳态控制精度始终保持在±0.1 L/min, 实验效果比较理想

本文在研究微小型燃料电池的测试需求和控制系统相关规律的基础上, 完成了气体流量伺服控制系统的设计和搭建, 设计并制作了比例流量阀驱动器, 使用LabVIEW编写了上位机控制软件, 应用改进的自适应PID控制器, 实现了输出气体的精确快速稳定控制。通过调节PID参数, 使系统达到了±0.1 L/min的稳态控制精度, 0～5 L/min、0～10 L/min、0～20 L/min、0～50 L/min阶跃输入所对应的上升时间分别为0.9 s、4.9 s、5.2 s、6.6 s, 超调量均≤0.23 L/min。整机指标达到并部分超过了实验的需求。