CN114860006B - 一种气体流量控制装置的浓度补偿方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种气体流量控制装置的浓度补偿方法，根据目标流量获取差压传感器的理论压差及流量调节单元的初始开度值，基于初始开度值对流量调节单元进行控制，并获取差压传感器的实际压差；判断实际压差与理论压差的差的绝对值是否大于0且小于等于一阈值，若否，则通过实际开度值校正初始开度值来调节流量调节单元；若是，则比较实际压差与理论压差的大小，若实际压差大于理论压差，采用第一补偿系数对输出气体的实测浓度进行补偿，否则，采用第二补偿系数对输出气体的实测浓度进行补偿。有效解决了进气端压力发生无法校正的轻微偏移或现场环境大气压小幅变化而造成流量控制装置无法达到目标流量时，导致气体浓度变化的技术问题。

Description

一种气体流量控制装置的浓度补偿方法

技术领域

本公开涉及气体分析技术领域，具体涉及一种气体流量控制装置的浓度补偿方法。

背景技术

压力式气体流量控制器的进气端或出气端变化时，可能会导致流量始终无法调节到目标流量值上。例如，进气端或流量调节单元有半堵故障时，进气阻力变大，导致流量调节单元全开时也无法达到理论压差，使得流量偏小；或，流量调节单元使用时间过长导致寿命下降，实际开度大于单片机下发的理论开度控制命令，使得流量偏大。另一方面，出气端压力为大气压力，在环境较好的室内条件下，出气端压力随时间的变化很小，但在环境较差的室外条件下，出气端压力会有小幅的改变，例如在±2kpa以内的轻微渐变，而出气端压力变化会造成气体流量控制器的输出流量偏大或者偏小。

通常采用质量型检测器对气体流量控制器输出气体的浓度进行检测，由于质量型检测器的浓度响应值取决于单位时间内气体进入检测器的质量，即质量流量的大小与浓度成线性关系，而质量流量可换算为体积流量，因此体积流量与气体浓度成线性关系。因此，在上述进气端压力发生无法校正的轻微偏移或者现场环境大气压小幅变化而造成流量控制器无法达到目标流量时，会导致测得的压力式气体流量控制器的输出气体浓度发生变化。

发明内容

有鉴于此，本公开提供了一种气体流量控制装置的浓度补偿方法，能够有效解决现有技术中进气端压力发生无法校正的轻微偏移或者现场环境大气压小幅变化导致测得的气体流量控制装置的输出气体浓度变化的问题。

下文中将给出关于本公开的简要概述，以便提供关于本公开的某些方面的基本理解。应当理解，此概述并不是关于本公开的穷举性概述。它并不是意图确定本公开的关键或重要部分，也不是意图限定本公开的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

根据本公开的第一方面，提供了一种气体流量控制装置的浓度补偿方法，所述气体流量控制装置包括进气端、流量调节单元、差压传感器、限流器及出气端，所述进气端与所述流量调节单元的输入端连接，所述流量调节单元的输出端与所述限流器的输入端连接，所述限流器的输出端与所述出气端连接，所述差压传感器设置在所述流量调节单元与所述限流器之间，用于检测所述流量调节单元的输出端与所述限流器的输入端之间的压差，所述浓度补偿方法包括：

步骤一：根据目标流量获取所述差压传感器的理论压差及所述流量调节单元的初始开度值；

步骤二：基于所述初始开度值对所述流量调节单元进行控制，并获取所述差压传感器的实际压差；

步骤三：判断所述实际压差与所述理论压差的差的绝对值是否大于0且小于等于一阈值，若所述实际压差与所述理论压差的差的绝对值大于所述阈值，则基于所述实际压差计算所述流量调节单元的实际开度值，根据所述实际开度值校正所述初始开度值，并返回步骤二；若所述实际压差与所述理论压差的差的绝对值大于0且小于等于所述阈值，若是，则比较所述实际压差与所述理论压差的大小，若所述实际压差大于所述理论压差，则采用第一浓度补偿系数对所述气体流量控制装置输出气体的实测浓度进行补偿，若所述实际压差小于所述理论压差，则采用第二浓度补偿系数对所述气体流量控制装置输出气体的实测浓度进行补偿。

在一些实施例中，基于以下公式根据目标流量获取所述差压传感器的理论压差，包括：

PS₁＝Q*R-ΔPc

其中，PS₁为差压传感器的理论压差，ΔPc为限流器两端的临界压差，Q为目标流量，R为限流器的阻力。

在一些实施例中，在所述流量调节单元为可调速泵的情况下，基于以下公式根据所述目标流量获取所述可调速泵的初始开度值：

D₁＝m*Q

其中，D₁为可调速泵的初始开度值，m为可调速泵的开度参数，Q为目标流量。

在一些实施例中，基于以下公式并采用第一浓度补偿系数对所述气体流量控制装置输出气体的实测浓度进行补偿：

C′＝(1-k₁*ΔPS)*C，

ΔPS＝PS₂-PS₁

其中，C'为输出气体补偿后的浓度，k₁为第一浓度补偿系数，C为输出气体的实测浓度，PS₂为所述实际压差，PS₁为所述理论压差，ΔPS为正数。

在一些实施例中，所述第一浓度补偿系数为其中R为限流器的阻力。

在一些实施例中，基于以下公式并采用第二浓度补偿系数对所述气体流量控制装置输出气体的实测浓度进行补偿：

C′＝(1-k₂*ΔPS)*C，

ΔPS＝PS₂-PS₁；

其中，C'为输出气体补偿后的浓度，k₂为第二浓度补偿系数，C为输出气体的实测浓度，PS₂为所述实际压差，PS₁为所述理论压差，ΔPS为负数。

在一些实施例中，所述第二浓度补偿系数为其中R为限流器的阻力。

在一些实施例中，所述实际压差与所述理论压差的差的绝对值阈值为2。

本公开提供的一种气体流量控制装置的浓度补偿方法，通过获取压差传感器的实际压差，基于实际差压与理论压差的差值对输出端测得的气体浓度进行补偿，有效解决了进气端压力发生无法校正的轻微偏移或者现场环境大气压小幅变化而造成流量控制装置无法达到目标流量时，导致测得的气体流量控制装置的输出气体浓度变化的问题。

附图说明

下面将通过附图详细描述本公开中优选实施例，将有助于理解本公开的目的和优点，其中:

图1为本公开实施例提供的一种气体流量控制装置的结构示意图；

图2为本公开实施例提供的一种气体流量控制装置的浓度补偿方法的流程图；

图3为本公开实施例提供的实际压差与理论压差的差值与补偿后的气体浓度的关系图。

具体实施方式

下面将结合附图对本公开的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

在本公开的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本公开的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。

此外，下面所描述的本公开不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

如图1所示，本公开实施例提供了一种气体流量控制装置，包括进气端、流量调节单元、差压传感器、限流器及出气端，所述进气端与所述流量调节单元的输入端连接，所述流量调节单元的输出端与所述限流器的输入端连接，所述限流器的输出端与所述出气端连接，所述差压传感器设置在所述流量调节单元与所述限流器之间，用于检测所述流量调节单元的输出端与所述限流器的输入端之间的压差。其中，流量调节单元的开度可调节；限流器的孔径为固定值，无法调节开度。

如图2所示，本公开实施例提供了一种应用于如上述气体流量控制装置的浓度补偿方法200，所述浓度补偿方法具体包括：

步骤210：根据目标流量获取所述差压传感器的理论压差及所述流量调节单元的初始开度值。

本公开实施例中，所述目标流量为气体流量控制装置的输出流量，假设目标流量为Q，在恒温加热控制的环境下，根据泊肃叶方程，目标流量Q的计算方法为：

Q＝(P₀-P₂)/R＝(P₀-(P₁-ΔPc))/R＝((P₀-P₁)+ΔPc)/R＝(PS₁+ΔPc)/R

其中，P₀为流量调节单元输出端压力，P₂为限流器输出端压力也即出气端压力，P₁为限流器输入端压力，ΔPc为限流器两端的临界压差，R为限流器的阻力，PS₁为理论压差。

值得注意的是，在本公开实施例提供的上述计算公式中，限流器两端的临界压差ΔPc为限流器输入端压力P₁与限流器输出端压力P₂之差，也即ΔPc＝P₁-P₂；理论压差PS₁为流量调节单元输出端压力P₀与限流器输入端压力P₁之差，也即PS₁＝P₀-P₁。

本公开实施例中，通过上述目标流量的计算公式可以反推得到预设的差压传感器的理论压差PS₁＝Q*R-ΔPc，其中，PS₁为差压传感器的理论压差，ΔPc为限流器两端的临界压差，R为限流器的阻力，Q为目标流量。

本公开实施例中，所述目标流量可根据实际需要设置，所述限流器的阻力为一固定值，所述限流器两端的临界压差为一常数。由此，可以基于上述理论压差的计算公式在获取到设置的目标流量后计算得到差压传感器的理论压差。

本公开实施例中，所述流量调节单元可以为可调速泵，其他能够对流量进行调节控制的装置也在本公开保护的范围内，在此不做具体限定。

本公开实施例中，在所述流量调节单元为可调速泵的情况下，可以基于以下公式根据所述目标流量获取所述流量调节单元的开度值：

D₁＝m*Q

其中，D₁为流量调节单元的开度值，m为可调速泵的开度参数，Q为目标流量。

步骤220：基于所述初始开度值对所述流量调节单元进行控制，并获取所述差压传感器的实际压差。

本公开实施例中，在获取到所述流量调节单元的初始开度值后，用单片机或数据处理单元对应地对流量调节单元进行控制，使其按照所述初始开度值运行后，获取差压传感器的实际压差。

本公开实施例中，可以每隔8秒获取一次所述差压传感器的实际压差，但本公开实施例并不对此周期进行限制，本领域技术人员可根据实际需求设置该周期值。

步骤230：判断所述实际压差与所述理论压差的差的绝对值是否大于0且小于等于一阈值，若所述实际压差与所述理论压差的差的绝对值大于所述阈值，则基于所述实际压差计算所述流量调节单元的实际开度值，根据所述实际开度值校正所述初始开度值，并返回步骤220；若所述实际压差与所述理论压差的差的绝对值大于0且小于等于所述阈值，则比较所述实际压差与所述理论压差的大小，若所述实际压差大于所述理论压差，则采用第一浓度补偿系数对所述气体流量控制装置输出气体的实测浓度进行补偿，若所述实际压差小于所述理论压差，则采用第二浓度补偿系数对所述气体流量控制装置输出气体的实测浓度进行补偿。

本公开实施例中，在所述实际压差与所述理论压差的差的绝对值大于所述阈值的情况下，说明实际压差还未调节到理论压差附近的阈值范围内，此时进气端压力变化对流量产生的影响较大进而对气体浓度产生的影响较大，无法采用本公开提供的浓度补偿方法对输出气体浓度进行补偿，而应该根据所述实际压差计算所述流量调节单元的实际开度值，例如，在流量调节单元为可调速泵的情况下，可以基于以下公式根据所述实际压差计算所述流量调节单元的实际开度值：

e＝PS₁-PS₂

其中，D₂为流量调节单元的实际开度值，D₁为可调速泵的初始开度值，PS₁为差压传感器的理论压差，PS₂为差压传感器的实际压差，K_P为比例调节系数，K_i为积分调节系数，t为积分时间。

单片机将所述流量调节单元的实际开度值反馈给流量调节单元，根据所述实际开度值校正所述流量调节单元的初始开度值，并返回步骤220。本公开实施例中，所述根据所述实际开度值校正所述流量调节单元的初始开度值，具体为将所述实际开度值赋值给所述初始开度值。

基于所述赋值后的初始开度值也即实际开度值，对所述流量调节单元进行控制，获取新的实际压差，再次判断实际压差与理论压差的大小，通过不断循环控制流量调节单元，从而最终使实际压差与理论压差的差的绝对值小于等于所述阈值。在上述操作中，基于获取到的实际压差，通过对流量调节单元的开度值进行调节来改变气体流量控制装置的进气量，从而实现稳定流量调节单元输出端压力P₀，进而使流量稳定在一个范围的目的。

本公开实施例中，在所述实际压差与所述理论压差的差的绝对值大于0且小于等于一阈值的情况下，说明实际压差已经调节到理论压差附近的阈值范围内，进气端压力变化对流量产生的影响已经通过调节流量调节单元的开度得到校正，此时，实际压差与理论压差的偏差主要是由进气端压力发生无法校正的轻微偏移或者现场环境大气压小幅变化而造成的，由于流量与浓度成比例关系，因此可以采用本公开后续提供的浓度补偿方法对输出气体浓度进行补偿。

本公开实施例中，所述实际压差与所述理论压差的差的绝对值的阈值可以为2，但不限制于该数值，本领域技术人员可根据实际情况设置所述实际压差与所述理论压差的差的绝对值阈值。

本公开实施例中，在所述实际压差与所述理论压差的差的绝对值大于0且小于等于一阈值时，进一步比较所述实际压差与所述理论压差的大小。

在所述实际压差大于所述理论压差的情况下，则采用第一浓度补偿系数对所述气体流量控制装置输出气体的实测浓度进行补偿，具体可以是基于以下公式并采用第一浓度补偿系数对所述气体流量控制装置输出气体的实测浓度进行补偿：

C′＝(1-k₁*ΔPS)*C，

ΔPS＝PS₂-PS₁

其中，C'为输出气体补偿后的浓度，k₁为第一浓度补偿系数，C为输出气体的实测浓度，PS₂为所述实际压差，PS₁为所述理论压差，ΔPS为正数。本公开实施例中，当实际压差大于理论压差时，说明流量变大了，ΔPS为正数，此时补偿后的浓度C′比补偿前的浓度C小，纠正了由于流量变大导致的浓度偏大的问题。

在所述实际压差小于所述理论压差的情况下，则采用第二浓度补偿系数对所述气体流量控制装置输出气体的实测浓度进行补偿，具体可以是基于以下公式并采用第二浓度补偿系数对所述气体流量控制装置输出气体的实测浓度进行补偿：

C′＝(1-k₂*ΔPS)*C，

ΔPS＝PS₂-PS₁；

其中，C'为输出气体补偿后的浓度，k₂为第二浓度补偿系数，C为输出气体的实测浓度，PS₂为所述实际压差，PS₁为所述理论压差，ΔPS为负数。本公开实施例中，当实际差压小于理论差压时，说明流量变小了，ΔPS为负数，减去一个负数等于加上了一个正数，此时，补偿后的浓度C′比补偿前的浓度C大，纠正了由于流量变小导致的浓度偏小问题。

本公开实施例中，所述第一浓度补偿系数可以为所述第二浓度补偿系数可以为/>其中R为限流器的阻力。所述第一浓度补偿系数及第二浓度补偿系数的计算方法为：

由于限流器的输入端和输出端存在压差，在气体流经限流器时，其流量会随着压差增大而增大。但当压差超过临界压差时，气体通过限流器缩孔处的流速达到音速，此时，无论压差如何增加，只要限流器上游的压力保持一定，流经限流器的流量将维持在一定数值而不再增加。限流限流器就是根据这一原理来限定流体的流量和降低压力的。其中，ΔPc是限流器的输入端和输出端的临界压差，ΔPc＝P₁-P₂，P₁为限流器的输入端压力，P₂为限流器的输出端压力，因为输出端处于大气环境中，所以输出端P₂为环境大气压。

第一种情况，流量调节单元使用时间过长导致寿命下降，实际开度大于单片机下发的理论开度控制命令导致P₁偏大或者当环境大气压P₂变小时，P₁-P₂的值超过临界压差ΔPc时，气体通过限流器缩孔处的流速达到音速，此时,无论P₁再如何增加，流速将不再增加，所以ΔPc是不变的。

基于以下公式

目标流量：Q＝(PS₁+ΔPc)/R，

实际流量：Q′＝(PS₂+ΔPc)/R，

流量变化量：

由于ΔPc为限流器两端的临界压差，为一常数，PS₁为理论压差，为一固定值，R为限流器的阻力，为一常数，只有实际压差PS₂变大时，会影响到流量变大，流量的变化与实际压差PS₂的变化趋势相同，因此，本公开实施例中取变量PS₂的系数为第一浓度补偿系数又由于流量和浓度的线性比例关系，因此可以将第一浓度补偿系数应用到浓度补偿上。

第二种情况，进气端或流量调节单元有半堵故障导致P₀或P₁偏小，或环境大气压P₂变大时，限流器前后两端压差ΔPc′＝P₁-P₂会低于临界压差ΔPc。临界压差ΔPc＝N*P₁＝N*(P₀-PS₁)，其中当气体为饱和蒸汽时，N＝0.58；当气体为过热蒸汽或多原子气体时，N＝0.55；当气体为空气或双原子气体时，N＝0.53。而限流器前后两端压差不再等于临界压差，而是为ΔPc′＝0.5*PS₂。基于以下公式

目标流量：Q＝(PS₁+ΔPc)/R，

实际流量：Q′＝(PS₂+ΔPc′)/R，

ΔQ＝(PS₂-PS₁+0.5PS₂-N*(P₀-PS₁))/R

＝(1.5*PS₂-PS₁)/R-(N*(P₀-PS₁))/R

由于P₀为流量调节单元输出端压力，在经过流量调节单元的开度调节后稳定为一固定值，PS₁为理论压差，为一常数，PS₂为实际压差，为变量，R为限流器的阻力，为一常数，因此，本公开实施例中取变量PS₂的系数为第二浓度补偿系数又由于流量和浓度的线性比例关系，因此可以将第二浓度补偿系数应用到浓度补偿上。

图3示出了在输出气体的实测浓度为100ppm时，所述实际压差与理论压差的差值与补偿后气体浓度的关系图，从图中可以看出，在实际压差小于理论压差的情况下，压差变小导致流量变小，进而导致实测浓度低于气体的实际浓度，此时应用本公开提供的浓度补偿方法获取到的补偿后的气体浓度大于实测浓度100ppm，从而对偏小的实测浓度进行了纠正；在实际压差大于理论压差的情况下，压差变大导致流量变大，进而导致实测浓度大于气体的实际浓度，此时应用本公开提供的浓度补偿方法获取到的补偿后的气体浓度小于实测浓度100ppm，从而对偏大的实测浓度进行了纠正。

本公开提供的技术方案通过浓度补偿控制方法来修正流量控制装置无法达到目标流量时导致的输出气体浓度误差，有效解决了进气端压力发生无法校正的轻微偏移或现场环境大气压小幅变化造成控制流量发生轻微变化导致浓度变化的技术问题，从而提高了流量控制装置的环境适应能力和控制精度。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本公开的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种气体流量控制装置的浓度补偿方法，所述气体流量控制装置包括进气端、流量调节单元、差压传感器、限流器及出气端，所述进气端与所述流量调节单元的输入端连接，所述流量调节单元的输出端与所述限流器的输入端连接，所述限流器的输出端与所述出气端连接，所述差压传感器设置在所述流量调节单元与所述限流器之间，用于检测所述流量调节单元的输出端与所述限流器的输入端之间的压差，其特征在于，所述浓度补偿方法包括：

步骤一：根据目标流量获取所述差压传感器的理论压差及所述流量调节单元的初始开度值；

步骤二：基于所述初始开度值对所述流量调节单元进行控制，并获取所述差压传感器的实际压差；

步骤三：判断所述实际压差与所述理论压差的差的绝对值是否大于0且小于等于一阈值，若所述实际压差与所述理论压差的差的绝对值大于所述阈值，则基于所述实际压差计算所述流量调节单元的实际开度值，根据所述实际开度值校正所述初始开度值，并返回步骤二；若所述实际压差与所述理论压差的差的绝对值大于0且小于等于所述阈值，则比较所述实际压差与所述理论压差的大小，若所述实际压差大于所述理论压差，则基于以下公式并采用第一浓度补偿系数对所述气体流量控制装置输出气体的实测浓度进行补偿：

C′＝(1-k₁*ΔPS)*C，

ΔPS＝PS₂-PS₁

其中，C'为输出气体补偿后的浓度，k₁为第一浓度补偿系数，C为输出气体的实测浓度，PS₂为所述实际压差，PS₁为所述理论压差，ΔPS为正数；

若所述实际压差小于所述理论压差，则基于以下公式并采用第二浓度补偿系数对所述气体流量控制装置输出气体的实测浓度进行补偿：

C′＝(1-k₂*ΔPS)*C，

ΔPS＝PS₂-PS₁

其中，C'为输出气体补偿后的浓度，k₂为第二浓度补偿系数，C为输出气体的实测浓度，PS₂为所述实际压差，PS₁为所述理论压差，ΔPS为负数。

2.根据权利要求1所述的一种气体流量控制装置的浓度补偿方法，其特征在于，基于以下公式根据目标流量获取所述差压传感器的理论压差：

PS₁＝Q*R-ΔPc

其中，PS₁为差压传感器的理论压差，ΔPc为限流器两端的临界压差，Q为目标流量，R为限流器的阻力。

3.根据权利要求1所述的一种气体流量控制装置的浓度补偿方法，其特征在于，在所述流量调节单元为可调速泵的情况下，基于以下公式根据目标流量获取所述可调速泵的初始开度值：

D₁＝m*Q

其中，D₁为可调速泵的初始开度值，m为可调速泵的开度参数，Q为目标流量。

4.根据权利要求1所述的一种气体流量控制装置的浓度补偿方法，其特征在于，所述第一浓度补偿系数为其中R为限流器的阻力。

5.根据权利要求1所述的一种气体流量控制装置的浓度补偿方法，其特征在于，所述第二浓度补偿系数为其中R为限流器的阻力。

6.根据权利要求1所述的一种气体流量控制装置的浓度补偿方法，其特征在于，所述实际压差与所述理论压差的差的绝对值的阈值为2。