专利名称：一种用于空间微重力燃烧实验的气体流量控制系统及方法
技术领域：
本发明涉及智能仪器领域，具体地涉及一种用于空间微重力燃烧实验的气体流量控制系统及方法。
背景技术：
气体质量流量控制器在地面环境中普遍使用，具有精度较高、自动调节方便等特点，但是其机械和电控结构均未考虑空间实验的特殊要求(特别是振动环境和热环境的要求)。振动环境包括环境试验的正弦振动、随机振动和冲击振动；热环境包括热循环试验和热真空环境试验。气体质量流量控制器的两个主要组成部件是流量传感器(或流量计)和流量控制器。测量气体流量的气体流量计主要有热式质量流量计、孔板流量计、涡轮流量计、椭圆齿轮流量计或科里奥利质量流量计。热式质量流量计的原理如图l_a所示，它主要由流量传感器、分流器通道和信号放大电路组成。加热器线圈均匀地加热分流器通道中的气体介质，无气体流动时，上游温度传感器Tl和下游传感器T2处的温度相等；当气体流动时，由于对流传热，经过加热器的气体温度升高，在上游和下游的温度传感器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。温度差信号的输出通过电桥变换为电压信号，该电压信号被加到微分放大器的输入端，放大器在其输出端产生一个与介质质量流量成正比的直流电压信号。它的温度传感器Tl和T2是非常细的细丝(直径只有0.1mm左右)，而且温度传感器是悬在气体流过的管道之中，只要振动稍微强一点就会把它振断，因此根本无法通过空间科学实验设备所要求的力学试验。孔板流量计结构上有较多连接件；涡轮流量计结构上有轴承、转子；椭圆齿轮流量计结构复杂；科里奥利质量流量计是靠薄壁测量管进行测量。这些流量计的结构特点决定了它们无法通过振动环境实验，因此它们不能应用到空间科学实验中。此外，现有技术的地面气体质量流量控制器的控制阀使用电磁阀进行控制(如图1-b所示)，电磁阀一般由阀体、线圈、阀芯、弹簧组成。电磁阀的原理是通过通电靠电磁力提起阀芯，依靠弹簧复位。但只有两个状态常闭和常开，不能连续地调节流量，且流量很难到达稳定；更重要的是其结构上存在可动部件，经过振动环境实验后，其测量精度受到严重影响，甚至振碎的可能，因此电磁阀无法满足空间实验抗振性能的要求，不能应用到空间科学实验中。因此现有的气体质量流量控制器根本无法通过用于空间微重力燃烧试验中的气体流量控制的严酷力学环境试验，且目前在国内外的空间微重力燃烧试验中也没有采用气体质量流量控制器的先例。目前的空间微重力燃烧试验采用节流阀控制气体流量，它只能够以一个固定的流量值向实验室中提供气体，不能够连续调节气体的流量，这使得空间燃烧试验难以得到实验结果与气体流量的关系，然而获得微重力条件下燃烧实验结果与气体流量的关系却又是空间燃烧实验的重要目的之一。
发明内容
本发明的目的在于，为克服现有技术的气体质量流量控制器应用于空间实验存在的诸多缺陷，从而出研制适用于空间微重力燃烧试验的高可靠气体质量流量控制器，即本发明提供了一种用于空间微重力燃烧实验的气体流量控制系统及方法。为了实现上述目的，本发明提供了一种用于空间微重力燃烧实验的气体流量控制系统，该系统用于控制空间微重力燃烧实验的气体流量，所述控制系统包含:PID控制器，用于控制气体流量信号，完成控制算法输出电机控制信号与上位机进行信息交换；步进电机驱动器，用于接收PID控制器输出的电机控制信号，并输出步进信号驱动步进电机；步进电机，用于控制气体阀门的开度，以此控制阀门中通过的气体流量的大小；气体控制阀，用于改变针阀中通过的气体流量的大小，该控制阀由针阀构成，所述针阀包含阀体、阀杆和阀帽三部分组成，所述阀杆与阀体之间靠锥面进行紧密配合；和质量流量计，用于检测气体流量的大小，具体采用MEMS芯片作为流量传感器检测实际气体流量的大小，并输出模拟电压作为采集的气体流产信号输入所述PID控制器的输入端;其中，所述PID控制器还通过串口通信接口与PC机进行数据通信，该PC机用于实时控制和监视气体流量。上述技术方案中，所述PID控制器由单片机构成；所述步进电机驱动器是由步进电机微步进驱动控制芯片构成；所述步进电机还包含减速器；所述质量流量计还包含依次串联连接的减法放大电路、A/D采样电路。基于上述系统本发明提供了一种用于空间微重力燃烧实验的气体流量控制方法，该方法用于控制空间微重力燃烧实验的气体量，所述方法包含如下步骤:步骤101)将代表实际气体流量的输出电压与一代表设定的气流流量设定电压比较，求出两者的差值；步骤102)将上述的差值信号输入控制器，进而生成控制脉冲数和方向；步骤103)将控制脉冲数和方向输入步进电机驱动器生成步进信号；步骤104)采用生成的步进信号驱动步进电机，进而调节气体流量使之与设定流程相等，从而达到控制精度。本发明的优点在于，本发明能够实现流量灵活可调，使得在空间实验过程中，可输入不同的设定流量值进行实验，在不同流量值下可以得到丰富的实验结果和实验数据；并具备空间科学实验设备所要求性能的特点，为我国未来的空间燃烧科学实验中利用气体流量连续可调的质量流量控制计进行实验奠定了基础。
图l_a是现有技术的质量流量计工作原理示意图；图1-b是现有技术的地面气体流量控制器的电磁阀结构原理图；图2是本发明的一种高可靠气体质量流量控制器系统组成框图；图3是本发明的高可靠气体质量流量控制器具体工作示意图4是本发明的气体流量控制器的气体控制阀的结构图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。本发明的一种气体质量流量控制器，该控制器能够适用于空间微重力燃烧实验，实现对流量的灵活控制。该质量流量控制器由6个组成部分，分别是:> PID 控制器>步进电机驱动器>步进电机>气体控制阀>质量流量计>串口通信PID控制器是由单片机构成的控制系统，它的功能是根据数据采集结果、完成控制算法、输出电机控制信号、与上位机进行信息交换；步进电机驱动器是由步进电机微步进驱动控制芯片构成的系统，它的功能是接收PID控制器的控制信号，输出步进信号驱动步进电机；步进电机是由减速器和步进电机构成的驱动系统，它的功能是控制气体阀门的开度，以此控制阀门中通过的气体流量的大小；气体控制阀是由针阀构成的，它的功能是改变针阀中通过的气体流量的大小；质量流量计是由MEMS气体质量流量传感器构成的检测系统，用于检测气体流量的大小，输出模拟电压，作为PID控制器的输入；串口通信是由串口芯片构成的通信系统，用于PID控制器与PC机之间的数据通信。如图2所示，该图为本发明的一种用于空间微重力燃烧实验的气体流量控制系统的组成框图。它由PID控制器、步进电机驱动器、步进电机、气体控制阀和质量流量计组成。所述PID控制器由单片机构成的控制器，用于采集气体流量数据、完成控制算法、向步进电机驱动器输出电机控制信号、与上位机进行信息交换。所述步进电机驱动器是由步进电机微步进驱动控制芯片构成的驱动器，用于接收PID控制器的控制信号，输出步进信号驱动步进电机。所述步进电机模块是由减速器和步进电机构成的驱动电机，用于控制气体阀门的开度，进一步控制阀门中通过的气体流量的大小。所述气体控制阀是由针阀构成的，用于改变针阀中通过的气体流量的大小。所述质量流量计是由MEMS气体质量流量传感器构成的质量流量计，用于检测气体流量的大小，将检测的气体流程的大小转换为模拟电压输出至所述PID控制器的输入端。所述用于空间微重力燃烧实验的气体流量控制系统还包含:一串口通信模块，该模块具体由串口芯片构成，用于完成所述PID控制器与PC机之间的数据通信，该数据信息具体包含:PID参数和设定气体流量值信息。其中，所述气体控制阀是由针阀构成的，该针阀由阀体、阀杆和阀帽三部分组成，所述阀杆与阀体之间靠锥面进行紧密配合，阀杆和阀体的组成材料是316不锈钢，室温时能承受约34.4MPa的压力，其结构上不存在可移动部件，因此经过振动环境实验后，针阀的控制精度不会受到影响，同时针阀不会被振坏，这使得其能够满足空间实验设备抗振性能的要求，如图4所示。所述质量流量计是由MEMS气体质量流量传感器构成的，该MEMS质量流量计采用热分布式测量原理，流体的质量和流速与传感器上的温度场变化相关联。上、下游有温度传感器，中间有微热源，气体从上游向下游流动，通过测量上下游的温度差就可以测出气体质量流量。MEMS气体质量流量计具有抗振动性能好、体积小、重量轻等特点，因此MEMS质量流量计满足空间实验抗振性能的要求。所述串口通信是由串口芯片构成的。如图3所示，该图为一种高可靠气体质量流量控制器实现示意图。本发明与外界的接口包括气体接口和电气接口两部分，所述的气体接口包含:气体入口和气体出口，其中气体入口接气瓶，气体出口接实验舱；所述电气接口包括电源接口和RS232通讯接口，其中，电源接口接直流电源，RS232通讯接口接PC机，该PC机用于运行监控程序，发送设定流量值并实时显示流量曲线。下面结合实施例对本发明作进一步说明。实现步骤:1.按照图示接好气体接口和电气接口 ；2.打开电源；3.启动计算机上的监控程序；4.向监控程序输入设定流量值，通过串口给PID控制器(灵活可调0 20SLPM或更闻);5.在监控程序数据显示区观察到流量稳定控制在参考值时，开始实验；6.实验结束，关闭电源，关闭气瓶，停止监控程序上述实验步骤可以通过人工参与方式完成，也可以通过全自动的方式完成。实验过程中，可输入不同的设定流量值进行实验，在不同流量值下可以得到丰富的实验结果和实验数据。最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.一种用于空间微重力燃烧实验的气体流量控制系统，该系统用于控制空间微重力燃烧实验的气体流量，所述控制系统包含: PID控制器，用于控制气体流量信号，完成控制算法，输出电机控制信号与上位机进行信息交换； 步进电机驱动器，用于接收PID控制器输出的电机控制信号，并输出步进信号驱动步进电机； 步进电机，用于控制气体阀门的开度，以此控制阀门中通过的气体流量的大小； 气体控制阀，用于改变针阀中通过的气体流量的大小，该控制阀由针阀构成，所述针阀包含阀体、阀杆和阀帽三部分组成，所述阀杆与阀体之间靠锥面进行紧密配合；和 质量流量计，用于检测气体流量的大小，具体采用MEMS芯片作为流量传感器检测实际气体流量的大小，并输出模拟电压作为采集的气体流产信号输入所述PID控制器的输入端; 其中，所述PID控制器还通过串口通信接口与PC机进行数据通信，该PC机用于实时控制和监视气体流量，发送设定的气体流量值并实时显示流量曲线。
2.根据权利要求1所述的用于空间微重力燃烧实验的气体流量控制系统，其特征在于，所述PID控制器由单片机构成； 所述针阀包含阀体、阀杆和阀帽，所述阀杆与阀体之间靠锥面进行紧密配合，阀杆和阀体的材料为不锈钢。
3.根据权利要求1所述的用于空间微重力燃烧实验的气体流量控制系统，其特征在于，所述步进电机驱动器是由步进电机微步进驱动控制芯片构成。
4.根据权利要求1所述的用于空间微重力燃烧实验的气体流量控制系统，其特征在于，所述步进电机还包含减速器。
5.根据权利要求1所述的用于空间微重力燃烧实验的气体流量控制系统，其特征在于，所述质量流量计包含依次串联连接的减法放大电路、A/D采样电路及比较电路； 其中，所述比较电路用于比较计算代表实际气体流量的输出电压与一代表设定的气流流量设定电压的差值。
6.一种用于空间微重力燃烧实验的气体流量控制方法，该方法用于控制空间微重力燃烧实验的气体量，所述方法包含如下步骤: 步骤101)将代表实际气体流量的输出电压与一代表设定的气流流量设定电压比较，求出两者的差值； 步骤102)将上述的差值信号输入PID控制器，进而生成控制脉冲数和方向； 步骤103)将控制脉冲数和方向输入步进电机驱动器生成步进信号； 步骤104)采用生成的步进信号驱动步进电机，进而调节气体流量使之与设定流程相等，从而达到气体流量的控制精度。
7.根据权利要求6所述的用于空间微重力燃烧实验的气体流量控制方法，其特征在于，所述步骤101)还包含将代表实际气体流量的输出电压依次输入减法电路放大器和A/D采样处理器进行放大和采样处理后输出给比较电路，该比较电路用于将经过处理后的信号与一代表设定的气流流量设定电压比较，求出两者的差值。
全文摘要
本发明提供了一种用于空间微重力燃烧实验的气体流量控制系统及方法，该系统用于控制空间微重力燃烧实验的气体流量，包含PID控制器，用于控制气体流量；步进电机驱动器，用于接收PID控制器输出的电机控制信号，并输出步进信号驱动步进电机；步进电机，用于控制气体阀门的开度，以此控制阀门中通过的气体流量的大小；气体控制阀，该控制阀由针阀构成，用于改变针阀中通过的气体流量的大小；和质量流量计，用于检测气体流量的大小，具体采用MEMS芯片作为流量传感器检测实际气体流量的大小，并输出模拟电压作为采集的气体流量信号输入所述PID控制器的输入端；其中，所述PID控制器还通过串口通信接口与PC机进行数据通信，该PC机用于实时控制和监视气体流量。
文档编号G05D7/06GK103207626SQ20121001245
公开日2013年7月17日 申请日期2012年1月16日 优先权日2012年1月16日
发明者于强, 翟光杰, 李明, 王双峰 申请人:中国科学院空间科学与应用研究中心