基于動態壓力補償的自動充氣設備精密流量測試方法研究

金偉清

（西安明德理工學院智能制造與控制技術學院，陜西 西安710124）

1 概述

空氣和壓縮空氣是最常見的工業氣體，自動充氣設備以壓縮空氣為氣源，可以實現充氣流量、壓力與溫度的自動測量和自動調節，應用非常廣泛。某自動充氣設備的動力源為空氣壓縮機，流體介質為壓縮空氣，空壓機的工作壓力一般可達0.6～0.8MPa。該自動充氣系統用于航空機載設備地面試驗過程中對試驗對象進行準確定量充氣，需要準確測量充入空氣的流量，因而采用熱式氣體質量流量計測量空氣的流量，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償方法，提出一種采用EJA 智能壓力變送器對熱式質量流量計測量結果數據進行在線動態壓力補償的自動充氣設備流量精確測試系統設計方案。

2 流量測量方法及流量傳感器選型

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

熱式氣體質量流量計的主要優點有[1,2]：a.可直接測量并顯示質量流量和流體溫度，一般無需溫度和壓力補償；b. 量程比大，通常可以達到100:1，高端的甚至可以高達1000:1，測量流速范圍為0.1Nm/s～50Nm/s，一個流量計能同時兼顧小流量和大流量測量；c.壓力損失很小，可以忽略不計；d.結構簡單，無移動部件，免維護。熱式氣體質量流量計因而在氣體特別是空氣、壓縮空氣質量流量測量中的使用相當廣泛[3]。因此，本自動充氣設備選用熱式氣體質量流量計實現對壓縮空氣的流量測量。

根據所研制的自動充氣設備的工作流量、工作壓力和溫度范圍，通過分析對比多個熱式氣體質量流量計品牌，最終選擇德國E+H 公司生產的Proline t-mass A 150 型熱式氣體質量流量計。

3 空氣流量測量中的壓力補償

3.1 氣體質量流量測量中的壓力補償問題

在測量中只根據流體工況中溫度或壓力其中一個參數來調整密度參數的做法稱為溫度補償或壓力補償，同時根據溫度和壓力兩個參數來調整密度的參數做法叫做溫度壓力補償（簡稱為溫壓補償）。

熱式氣體流量計在測量時，傳感器靈敏系數與流體的熱傳導、密度、黏性等有關，而熱傳導、密度、黏性與環境溫度有關，在溫度變化較大的情況下會導致流量計測量結果產生較大誤差[3]。國內外對熱式氣體流量計溫度補償技術的研究和應用較多，例如可以通過自動溫度補償硬件電路[4]，可以通過徑向基函數（RBF）神經網絡/改進PSO-BP 神經網絡算法、基于流量計特性曲線的數字化溫度補償方法等軟件補償方法進行溫度補償[5]。

就壓力參數而言，根據德國E+H 公司的有關技術資料可知，一般應用場合，工況壓力變化不大（＜0.05MPa）時，對空氣熱性質影響不大，則可以不必對質量流量計測量結果進行壓力補償；而當壓力變化超過0.5MPa 時，為了保證流量測量的準確性，就要對質量流量測量結果進行壓力補償。

某自動充氣設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，為了精確流量計量，可不必進行溫度補償，然而需要進行壓力補償。

3.2 空氣流量測量中的壓力補償原理

某自動充氣設備的介質為壓縮空氣，壓縮空氣的工作壓力范圍為0.1～0.8MPa，工作壓力屬于低壓，在低壓范圍內對氣體介質進行補償時，可以利用理想氣體方程進行壓力補償。

在壓力不太高、溫度較高、密度較小的參數范圍內，即可使用理想氣體狀態方程，按理想氣體計算就能滿足一般工程計算精度的需要，此時氣體壓縮系數等于1。通常所謂的氣體是指物理性質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（即理想氣體狀態方程），氣體密度ρ 與工作壓力P 成正比，與熱力學溫度T 成反比，即

溫度變化不大時可以視作常數，對質量流量計進行在線動態壓力補償的關鍵是，通過在線檢測方法獲得當前的氣體工作壓力。通常將氣體質量流量計在檢定狀態的壓力和溫度參數定義為基準狀態(P0,T0)，利用壓力傳感器/變送器在線檢測獲得當前實時氣體壓力，即可按照式（4）實現對氣體質量流量測量數值的壓力補償。

4 自動充氣設備精密流量測試系統設計

某自動充氣設備的工作壓力范圍為0.1～0.8MPa，工作壓力變化較大，系統啟動時的空氣初始壓力是1 個大氣壓（0.1MPa），從系統開始啟動就需要自動測量壓縮空氣的流量。因此，在空氣質量流量測量中需要進行在線動態壓力補償。

因此，在自動充氣設備的氣路管路上增設一個壓力傳感器，壓力傳感器選用日本橫河公司生產的EJA 型智能絕對壓力變送器，利用該壓力變送器測量系統當前的空氣壓力，對E+H 熱式氣體質量流量計的流量測量數據進行在線動態壓力補償。自動充氣設備精密流量測試系統構成方案如圖1 所示。系統由E+H 熱式氣體質量流量計、EJA 型智能絕對壓力變送器、FX3U-4AD 型模擬量輸入模塊及三菱FX3U PLC 等構成。

圖1 自動充氣設備流量精密測試系統方案

EJA 型智能絕對壓力變送器的安裝位置應當選擇在E+H熱式質量流量計的下游，距離熱式質量流量計右側法蘭約（2～5）倍管路通徑處，以確保流量計后面足夠的直管段長度，以保證壓力測量的穩定性和準確性。

Proline t-mass A 150 型熱式氣體質量流量計及EJA 型智能絕對壓力變送器的輸出信號形式均選用4～20mA 標準電流輸出形式。為了保證系統工作長時間工作的可靠性和穩定性，該系統以FX3U PLC 作為測控計算機，FX3U-4AD 型模擬量輸入模塊提供了14 位二進制+符號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），用于將熱式氣體質量流量計及壓力變送器的電流輸出信號轉換為數字量信號，然后輸送到PLC 進行流量運算處理。流量精密測量應用程序主要包括空氣質量流量數據采集程序、工作壓力數據采集程序、壓力在線動態補償程序等功能模塊。根據所提出的壓力補償方法設計編寫了壓縮空氣質量流量測量的壓力在線動態補償PLC 應用程序。本系統可以同時輸出經過壓力補償的壓縮空氣質量流量和溫度，經換算還可得到標準體積流量。

自動充氣設備流量精密測試系統設計方案適用于單臺試驗對象充氣，屬于單一氣路管路。本設計方案擴展能力強，當自動充氣設備用于對多臺試驗對象充氣時，只需要在本設計方案基礎上增加多路氣路管路即可，每個氣路組成均可采用如圖1 所示的實現方案。本系統已經在某航空機載設備試驗臺投入正式使用，使用結果表明所提出的空氣質量流量在線動態壓力補償設計方案合理可行，測量精度高，擴展性好。

結束語

針對某自動充氣設備的精確流量測量需求，探討了氣體流量測量的壓力補償原理，提出了一種利用熱式氣體質量流量計測量壓縮空氣流量、采用智能壓力變送器測量壓縮空氣絕對壓力并對質量流量測量數據進行在線動態壓力補償的實現方案，該設計方案合理可行，有效提高了質量流量測量精度，特別適用于工作介質壓力變化較大的工況。