1.本实用新型涉及流量计量
技术领域：
：，尤其是一种往复式柱塞气体动态流量控制系统。
背景技术：
：：2.流量计量作为计量科学技术的组成部分之一，贯穿在科学研究和生活中，根据物理特性的不同，流量的被测流体可分为气体、液体和混合流体三种，动态流量又可称之为非稳态流量，是流体的特征之一，气体的动态流量主要是因为气体本身的流动规则比较杂乱，且自然界中的气体均具备粘性和压缩性，因此，压力和温度在气体流动过程中所产生的影响是非常显著的，整个动态的过程是很难通过简单的物理模型精确地表示出来，更重要的是，气体流量也极易受到外部环境的干扰，虽然研究时讨论理想气体会为问题的解决提供更为便捷和简单的方案，但实际情况下是不存在的。3.目前，气体的动态流量研究主要集中与理论层面的深化研究和实际工程领域内的应用，国外大量文献论述了非稳定气体流量的测量，其中大部分的研究均采用活塞缸产生非稳态流量，但是对于非稳态流量发生源的研究不多，目前，可用于测试气体流量计动态性能的装置很少，缺乏实验测试研究，而且对气体的动态性能评价大部分处于对脉动流情况下的分析，对于连续流条件下非周期性的交变流量研究较少，实际工况中出现的非周期性交变流量波动变化情况复杂，频率覆盖范围广，这就对气体流量发生器提出更高的要求，且对稳态流量发生的控制要求也随之提高。技术实现要素：4.本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种通过临界流流量计对装置进行测试，恢复实现双活塞系统的三种模式并完成气体动态流量发生的装置及控制系统。5.本实用新型解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：6.一种往复式柱塞气体动态流量控制系统，包括往复式柱塞气体流量发生装置，所述往复式柱塞气体流量发生装置包括第一缸体和第二缸体，所述第一缸体和第二缸体的结构相同，往复式柱塞气体流量发生装置是结合临界流喷嘴的临界特性，通过电子凸轮的控制方式改变柱塞的速度，从而使喷嘴上游的滞止压力不断变化来产生可控的动态气体流量。7.所述第一缸体包括设置在其内部的第一柱塞，所述第一柱塞连接有第一丝杆，所述第一丝杆通过第一减速器连接有第一伺服电机，所述第一伺服电机控制所述第一丝杆推动所述第一柱塞在第一缸体内动作，所述第一缸体上设置有第一气动阀和第四气动阀；8.所述第二缸体包括设置在其内部的第二柱塞，所述第二柱塞连接有第二丝杆，所述第二丝杆通过第二减速器连接有第二伺服电机，所述第二伺服电机控制所述第二丝杆推动所述第二柱塞在第二缸体内动作，所述第二缸体上设置有第二气动阀和第三气动阀；9.所述第一缸体通过第四气动阀以及所述第二缸体通过第三气动阀均连接有缓冲罐，所述缓冲罐位于所述第一缸体和第二缸体的出口下游，所述缓冲罐通过音速喷嘴连接有调节阀的一端，所述调节阀的另一端连接有真空泵；10.所述往复式柱塞气体流量发生装置的控制运行方式包括单缸模式、双缸并联模式和双缸串联模式。11.优选的，所述第一缸体连接有第一压力变送器和第一温度变送器，通过所述第一压力变送器和第一温度变送器将所述第一缸体内的气体压力和温度进行记录。12.优选的，所述第二缸体连接有第二压力变送器和第二温度变送器，通过所述第二压力变送器和第二温度变送器将所述第二缸体内的气体压力和温度进行记录。13.优选的，所述缓冲罐内连接有第三压力变送器和第三温度变送器，通过所述第三压力变送器和第三温度变送器将所述缓冲罐内的气体压力和温度进行记录。14.优选的，所述往复式柱塞气体流量发生装置的单缸模式的控制方法为：15.只有一个活塞缸体运行，即第一缸体或第二缸体的单一运行，在第一柱塞或第二柱塞启动前，打开真空泵对下游抽真空，保证音速喷嘴的下游压力达到临界背压比，在启动第一柱塞或第二柱塞时，同时打开第四气动阀或第三气动阀，打开调节阀，关闭第一气动阀和第三气动阀，或关闭第四气动阀和第二气动阀，使得随着第一柱塞或第二柱塞的运动，第一缸体或第二缸体内的气体流动路线为缸体、管道、第四气动阀或第三气动阀、缓冲罐、音速喷嘴，第一柱塞或第二柱塞加速到既定速度后，保持匀速运行，直至完成整个流量发生过程或到达上限位，第一柱塞或第二柱塞减速到零。16.优选的，所述往复式柱塞气体流量发生装置的双缸并联模式的控制方法为：17.第一缸体和第二缸体同时运行，在第一柱塞和第二柱塞启动前，打开真空泵对下游抽真空，保证音速喷嘴的下游压力达到临界背压比，第一柱塞和第二柱塞同步启动时，同时打开第四气动阀、第三气动阀和调节阀，关闭第一气动阀和第二气动阀，使得随着第一柱塞和第二柱塞的运动，第一缸体和第二缸体内的气体流动路线均为从第一缸体和第二缸体通过缓冲罐向音速喷嘴运行，第一柱塞和第二柱塞加速到既定速度后，保持匀速运行，直至完成整个流量发生过程或到达上限位，第一柱塞和第二柱塞同步减速到零。18.优选的，所述往复式柱塞气体流量发生装置的双缸串联模式的控制方法为：19.在第一柱塞和第二柱塞启动前，打开真空泵对下游抽真空，保证音速喷嘴的下游压力达到临界背压比，第一柱塞和第二柱塞启动时，第一缸体首先按照单缸模式进行运行，发生气体流量，当运送时间到达设定的两缸交替时间时，第一柱塞进行减速运行，第二柱塞进行加速运行，到特定时刻时完成第一柱塞和第二柱塞的交替任务，随后，第二缸体按照单缸模式进行运行，发生气体流量，交替过程中均设定第一柱塞和第二柱塞的加速度为最大加速度，以保证两者交替时间一致，减少交替所带来的流量波动。20.优选的，往复式柱塞气体流量发生装置采用基于ethercat的工业以太网总线进行控制，实时以太网ethercat是一个以太网为基础的开放架构的现场总线系统，装置的电控系统主要由电气部件、工控机、ethercati/o模块、伺服驱动器、伺服电机等模块构成，ethercat本身的开放性与包容性解决了软硬件匹配的问题，不仅大大降低了系统的开发成本，同时也便于人机之间的交互以及硬件与硬件、硬件与软件之间的交互。21.本实用新型的优点和积极效果是：22.1、本实用新型的气体流量发生装置由两组相同的活塞系统组成，主要用于微小流量的计量，活塞系统中的伺服电机通过减速器连接丝杆，按照既定的速度推动柱塞的运动，将柱塞缸内的气体挤压排出，缓冲罐位于活塞缸的出口下游，主要起到稳定气流的作用，在整个气体发生的过程中，真空泵对音速喷嘴下游的真空罐抽真空，以达到音速喷嘴的临界流条件，动态气体流量的发生与音速喷嘴的滞止压力变化相关，当改变伺服电机的转速从而改变柱塞的运行速度，即改变音速喷嘴上游的滞止压力，能够实现对动态气体流量的控制。23.2、由于传统的plc无法满足高实时性和快响应速度的要求，导致两个电机协同性能不够以及无法实现复杂轨迹的控制，因此，本实用新型的气体动态流量控制系统采用ethercat以太网技术代替传统plc控制，提高了伺服电机动态运行的位置精度和响应速度，使其优秀的响应性能和同步精度应用于双活塞中伺服电机的动态调速来提高缸内压力、保持温度稳定，从而提高检定精度。附图说明24.图1为本实用新型的系统结构示意图；25.图2为本实用新型的往复式柱塞气体流量发生装置的单缸模式发生稳态气体时的流量示意图；26.图3为本实用新型的往复式柱塞气体流量发生装置的双缸并联模式发生稳态气体时的流量示意图；27.图4为本实用新型的往复式柱塞气体流量发生装置的双缸串联模式发生稳态气体时的流量示意图；28.图5为本实用新型的装置电控系统示意图；29.图6为本实用新型的音速喷嘴的结构和流量特性示意图；30.图7为本实用新型的气体发生控制程序流程图；31.图8为本实用新型的电子凸轮的工作流程图。32.图中：33.1、真空泵；2、调节阀；3、音速喷嘴；4、第三压力变送器；5、第三温度变送器；6、缓冲罐；34.7、第二缸体；71、第三气动阀；72、第二气动阀；73、第二压力变送器；74、第二温度变送器；75、第二柱塞；76、第二丝杆；77、第二减速器；78、第二伺服电机；35.8、第一缸体；81、第四气动阀；82、第一气动阀；83、第一压力变送器；84、第一温度变送器；85、第一柱塞；86、第一丝杆；87、第一减速器；88、第一伺服电机。具体实施方式36.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。37.需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。38.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的
技术领域：
：的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。39.以下结合附图对本实用新型实施例做进一步详述：40.如图1所示，本实用新型所述的一种往复式柱塞气体动态流量控制系统，包括往复式柱塞气体流量发生装置，往复式柱塞气体流量发生装置包括第一缸体8和第二缸体7，第一缸体8和第二缸体7的结构相同，往复式柱塞气体流量发生装置是结合临界流喷嘴的临界特性，通过电子凸轮的控制方式改变柱塞的速度，从而使喷嘴上游的滞止压力不断变化来产生可控的动态气体流量。41.第一缸体8包括设置在其内部的第一柱塞85，第一柱塞85连接有第一丝杆86，第一丝杆86通过第一减速器87连接有第一伺服电机88，第一伺服电机88控制第一丝杆86推动第一柱塞85在第一缸体8内动作，第一缸体8上设置有第一气动阀82和第四气动阀81。42.第二缸体7包括设置在其内部的第二柱塞75，第二柱塞75连接有第二丝杆76，第二丝杆76通过第二减速器77连接有第二伺服电机78，第二伺服电机78控制第二丝杆76推动第二柱塞75在第二缸体7内动作，第二缸体7上设置有第二气动阀72和第三气动阀71。43.第一缸体8通过第四气动阀81以及第二缸体7通过第三气动阀71均连接有缓冲罐6，缓冲罐6位于第一缸体8和第二缸体7的出口下游，主要起到稳定气流的作用，缓冲罐6通过音速喷嘴3连接有调节阀2的一端，调节阀2的另一端连接有真空泵1，在整个气体发生的过程中，真空泵1对音速喷嘴3下游的真空罐抽真空，以达到音速喷嘴3的临界流条件，动态气体流量的发生与音速喷嘴3的滞止压力变化相关，当改变伺服电机的转速从而改变柱塞的运行速度，即改变喷嘴上游的滞止压力，能够得到可控的动态气体流量。44.此外，第一缸体8连接有第一压力变送器83和第一温度变送器84，通过第一压力变送器83和第一温度变送器84将第一缸体8内的气体压力和温度进行记录，第二缸体7连接有第二压力变送器73和第二温度变送器74，通过第二压力变送器73和第二温度变送器74将第二缸体7内的气体压力和温度进行记录，缓冲罐6内连接有第三压力变送器4和第三温度变送器5，通过第三压力变送器4和第三温度变送器5将缓冲罐6内的气体压力和温度进行记录，设置的压力变送器和温度变送器将采集的压力和温度信息输出显示。45.往复式柱塞气体流量发生装置主要用于微小流量计量，可检测流量范围为0.005-1m3/h，其控制运行方式包括单缸模式、双缸并联模式和双缸串联模式，以下对此三种模式做进一步解释：46.单缸模式的控制方法为：47.整个运行过程中只有一个活塞缸体运行，即第一缸体8或第二缸体7的单一运行，柱塞运动的完整轨迹中包括加速、匀速以及减速三个环节，如图2所示，在第一柱塞85或第二柱塞75启动前，打开真空泵1对下游抽真空，保证音速喷嘴3的下游压力达到临界背压比，在启动第一柱塞85或第二柱塞75时，同时打开第四气动阀81或第三气动阀71，打开调节阀2，关闭第一气动阀82和第三气动阀71，或关闭第四气动阀81和第二气动阀72，使得随着第一柱塞85或第二柱塞75的运动，第一缸体8或第二缸体7内的气体流动路线为缸体、管道、第四气动阀81或第三气动阀71、缓冲罐6、音速喷嘴3，第一柱塞85或第二柱塞75加速到既定速度后，保持匀速v0运行，直至完成整个流量发生过程或到达上限位，第一柱塞85或第二柱塞75减速到零。48.双缸并联模式的控制方法为：49.第一缸体8和第二缸体7同时运行，对于单独一个柱塞缸而言，其运行过程与单缸模式一致，如图3所示，在第一柱塞85和第二柱塞75启动前，打开真空泵1对下游抽真空，保证音速喷嘴3的下游压力达到临界背压比，第一柱塞85和第二柱塞75同步启动时，同时打开第四气动阀81、第三气动阀71和调节阀2，关闭第一气动阀82和第二气动阀72，使得随着第一柱塞85和第二柱塞75的运动，第一缸体8和第二缸体7内的气体流动路线均为从第一缸体8和第二缸体7通过缓冲罐6向音速喷嘴3运行，第一柱塞85和第二柱塞75加速到既定速度后，保持匀速v0运行，整体气流生成所对应的柱塞速度为v0，直至完成整个流量发生过程或到达上限位，第一柱塞85和第二柱塞75同步减速到零，因此，双缸并联模式理论上可以产生的气体流量范围是单缸模式的二倍。50.双缸串联模式的控制方法为：51.整个过程中两个柱塞彼此交替运行，以达到长时间输出气体流量的目的，如图4所示，在第一柱塞85和第二柱塞75启动前，打开真空泵1对下游抽真空，保证音速喷嘴3的下游压力达到临界背压比，第一柱塞85和第二柱塞75启动时，第一缸体8首先按照单缸模式进行运行，发生气体流量，当运送时间到达设定的两缸交替时间时，即图4中的b时刻，第一柱塞85进行减速运行，第二柱塞75进行加速运行，到c时刻时完成第一柱塞85和第二柱塞75的交替任务，随后，第二缸体7按照单缸模式进行运行，发生气体流量，交替过程中均设定第一柱塞85和第二柱塞75的加速度为最大加速度，以保证两者交替时间一致，减少交替所带来的流量波动。52.在交变流量控制中，两个柱塞的交替模式不发生变化，仅修改柱塞的运行速度，即柱塞不再以匀速进行气体流量发生。53.音速喷嘴3又名临界流喷嘴，如果保持喷嘴上游端压力p0和温度t0不变，当下游压力p1下降到某一压力pc时，通过喷嘴的质量流量将达到最大值qmax，此时，喷嘴出口的流速已达到当地音速a，如图6所示，流速也保持音速不变，将喷嘴出口的流速达到音速的压力pc称为临界压力，pc/p0称为临界压力比，此时通过音速喷嘴3的质量流量称为临界流量，由图6可知，只要使喷嘴出口的压力p1小于pc，那么即使p1有所变动，通过喷嘴的流量也将保持为临界流不变。54.临界流量表示为qmt，临界流量qmt的计算公式为：[0055][0056]其中，qmt表示实际工况下的质量流量，单位为kg·s-1，cd表示流出系数，小于1，c*表示临界流函数，可通过经验公式或查表获得，p0表示入口的滞止压力，t0表示入口的滞止温度，r表示通用气体常数，取8.314j·mol-1k-1，m表示气体的摩尔质量，从公式中可看出，音速喷嘴3的临界流量值与滞止压力正相关，因此通过改变喷嘴的滞止压力能够实现实际流量值的改变，从而实现动态流量的生成。[0057]由于传统plc无法满足高实时性和快响应速度的要求，导致两个电机协同性能不够以及无法实现复杂轨迹的控制。因此，本实用新型的往复式柱塞气体流量发生装置采用基于ethercat的工业以太网总线进行控制，来代替传统的plc控制，用以提高伺服电机动态运行的位置精度和响应速度，从而实现复杂动态流量的控制要求。[0058]实时以太网ethercat是一种以太网为基础的开放架构的现场总线系统，以其极高的传输速度和良好的传输性能成为工业4.0中的重要数据传输系统，根据研究显示，ethercat从站间的传输延时为2.7微秒；ethercat同时触发两个数字输出模块的输出波形一致，相位相差约25纳秒。[0059]ethercat作为一种通讯方式被集成于twincat软件当中，易于进行系统搭建与控制软件开发，同时，ethercat本身的开放性与包容性解决了软硬件匹配的问题，不仅大大降低了系统的开发成本，同时也便于人机之间的交互以及硬件与硬件、硬件与软件之间的交互。[0060]如图5所示，往复式柱塞气体流量发生装置的电控系统主要由电气部件、工控机、ethercati/o模块、伺服驱动器、伺服电机等模块构成，通过ethercati/o模块以及耦合器将所有的输入输出信号传输到上位机(即pc端、工控机)或输出到指定端口，伺服驱动进行通信、下发指令、采集数据等操作。伺服控制采用电子凸轮技术实现，上位机将电子凸轮的曲线和凸轮表数据进行处理后，驱动对应的伺服电机按照既定的轨迹参数实现柱塞变速运动，并实时返回运动参数以及运动状态。[0061]本实用新型的往复式柱塞气体动态流量控制系统的上位机与下位机软件均采用twincat开发,下位机软件使用了twincat软件中的系统管理器(twincatsystemmanager)和plc控制器(twincatplccontrol)两个部分。系统管理器作为twincat系统的核心配置工具，管理软件任务输入和输出以及现场总线连接的物理输入和输出，twincatplccontrol则是plc逻辑及运动控制的编译环境。[0062]如图8所示为电子凸轮的工作流程图，电子凸轮利用twincatsystemmanager和twincatplccontrol平台共同配合实现。首先在systemmanager界面中规划主轴(master)与从动轴(slave)之间的类似机械凸轮功能的轨迹曲线，从而实现一个主轴对一个或者多个从轴的控制。电子凸轮主从轴的运动关系将按照设计和规划的曲线同步运动，同时实时反馈伺服电机位置信息，控制从动件实现类似于机械凸轮运动规律的运动。plccontrol负责完成主从轴的启动、使能、位置运行、停止，以及凸轮表的调用、凸轮的耦合与解耦。[0063]电子凸轮属于多轴同步运动，主要的形式为单个主轴与单个从轴或者是多个从轴之间的同步运动。电子凸轮与机械凸轮的原理相同，传统的机械凸轮通过凸轮的结构形式来实现从轴的不规则运动轨迹，该轨迹主要取决于主轴的外轮廓。而电子凸轮与传统机械凸轮的区别在于主轴是否实际存在。在电子凸轮中，主轴是虚拟轴，即算法，并不需要连接实轴。因此，电子凸轮是通过相关的计算控制伺服按照导入至驱动器内的凸轮轨迹进行运动，达到机械凸轮的加工结果，即实现一种周期性的不规则轨迹的运动。[0064]在通常情况下，电子凸轮表中x轴表示主轴设定位置，y轴表示从轴设定位置，通过y＝f(x)的函数关系来表达任何复杂的函数关系，满足各种工艺要求。twincat软件当中提供两个不同类型的凸轮表，分别是固定的位置凸轮表(classicpositiontables)和可修改的位置凸轮表(motionfunctions)。两者对于曲线的规划均无明显的限制，但是固定的位置凸轮表主要按照设定的曲线类型连接轨迹点，通过外部计算工具生成轨迹曲线，相比较于可修改的位置凸轮表缺少在线修改的活性，也无法实现实时修改轨迹点的功能。可修改的位置凸轮表非常灵活，能够在线修改(在运动中修改)，它一般由几个重要的凸轮点组成，而且凸轮曲线两个凸轮点之间的曲线类型是固定的，不可变的。[0065]在本实用新型中，两个柱塞的运动轨迹都是仿真得到的，所有的凸轮点都可于实验开始前全部导入，不需要中途修改且实验装置中也不存在闭环反馈的信号采集设备，因此采用固定的位置凸轮表。[0066]测试程序调用电子凸轮功能时主要编程部分集中在plc控制器界面，理论上所有的控制程序都可以通过plc程序进行控制，与此同时twincat软件为方便测试人员进行实验，在系统管理器界面中设置有twincat凸轮设计工具。两者可实现的功能基本相同，最大的差别在于twincat凸轮设计工具可导入的最大凸轮点数目为30000点，存在最大凸轮点的限制。[0067]具体实施时，如图7所示，动态气体流量发生程序分为两步，第一，测试单缸模式下各模块功能程序能否正常运行，最终通过单缸运行模式进行仿真参数的确认以及发生动态气体流量；第二，测试程序以双缸串联模式为基础，实现双缸往复式交替运行给定轨迹，不间断输出动态气体流量。[0068]本实用新型的气体流量发生装置由两组相同的活塞系统组成，主要用于微小流量的计量，活塞系统中的伺服电机通过减速器连接丝杆，按照既定的速度推动柱塞的运动，将柱塞缸内的气体挤压排出，缓冲罐6位于活塞缸的出口下游，主要起到稳定气流的作用，在整个气体发生的过程中，真空泵1对音速喷嘴3下游的真空罐抽真空，以达到音速喷嘴3的临界流条件，动态气体流量的发生与音速喷嘴3的滞止压力变化相关，当改变伺服电机的转速从而改变柱塞的运行速度，即改变音速喷嘴3上游的滞止压力，能够实现对动态气体流量的控制。[0069]需要强调的是，本实用新型所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本实用新型并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本实用新型的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本实用新型保护的范围。当前第1页12当前第1页12