[發(fā)明專利]一種用于空間微重力燃燒實(shí)驗(yàn)的氣體流量控制系統(tǒng)及方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210012457.5
• 申請日: 2012-01-16
• 公開（公告）號(hào): CN103207626A
• 公開（公告）日: 2013-07-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 于強(qiáng);翟光杰;李明;王雙峰
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心
• 主分類號(hào): G05D7/06
• 分類號(hào): G05D7/06
• 代理公司: 北京法思騰知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11318
• 代理人: 楊小蓉;楊青

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及智能儀器領(lǐng)域，具體地涉及一種用于空間微重力燃燒實(shí)驗(yàn)的氣體流量控制系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)

氣體質(zhì)量流量控制器在地面環(huán)境中普遍使用，具有精度較高、自動(dòng)調(diào)節(jié)方便等特點(diǎn)，但是其機(jī)械和電控結(jié)構(gòu)均未考慮空間實(shí)驗(yàn)的特殊要求(特別是振動(dòng)環(huán)境和熱環(huán)境的要求)。振動(dòng)環(huán)境包括環(huán)境試驗(yàn)的正弦振動(dòng)、隨機(jī)振動(dòng)和沖擊振動(dòng)；熱環(huán)境包括熱循環(huán)試驗(yàn)和熱真空環(huán)境試驗(yàn)。氣體質(zhì)量流量控制器的兩個(gè)主要組成部件是流量傳感器(或流量計(jì))和流量控制器。測量氣體流量的氣體流量計(jì)主要有熱式質(zhì)量流量計(jì)、孔板流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、橢圓齒輪流量計(jì)或科里奧利質(zhì)量流量計(jì)。

熱式質(zhì)量流量計(jì)的原理如圖1-a所示，它主要由流量傳感器、分流器通道和信號(hào)放大電路組成。加熱器線圈均勻地加熱分流器通道中的氣體介質(zhì)，無氣體流動(dòng)時(shí)，上游溫度傳感器T1和下游傳感器T2處的溫度相等；當(dāng)氣體流動(dòng)時(shí)，由于對流傳熱，經(jīng)過加熱器的氣體溫度升高，在上游和下游的溫度傳感器之間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)溫度差，這個(gè)溫度差值正比于被測介質(zhì)的質(zhì)量流量。溫度差信號(hào)的輸出通過電橋變換為電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)被加到微分放大器的輸入端，放大器在其輸出端產(chǎn)生一個(gè)與介質(zhì)質(zhì)量流量成正比的直流電壓信號(hào)。它的溫度傳感器T1和T2是非常細(xì)的細(xì)絲(直徑只有0.1mm左右)，而且溫度傳感器是懸在氣體流過的管道之中，只要振動(dòng)稍微強(qiáng)一點(diǎn)就會(huì)把它振斷，因此根本無法通過空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備所要求的力學(xué)試驗(yàn)。

孔板流量計(jì)結(jié)構(gòu)上有較多連接件；渦輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)上有軸承、轉(zhuǎn)子；橢圓齒輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜；科里奧利質(zhì)量流量計(jì)是靠薄壁測量管進(jìn)行測量。這些流量計(jì)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了它們無法通過振動(dòng)環(huán)境實(shí)驗(yàn)，因此它們不能應(yīng)用到空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)中。

此外，現(xiàn)有技術(shù)的地面氣體質(zhì)量流量控制器的控制閥使用電磁閥進(jìn)行控制(如圖1-b所示)，電磁閥一般由閥體、線圈、閥芯、彈簧組成。電磁閥的原理是通過通電靠電磁力提起閥芯，依靠彈簧復(fù)位。但只有兩個(gè)狀態(tài)常閉和常開，不能連續(xù)地調(diào)節(jié)流量，且流量很難到達(dá)穩(wěn)定；更重要的是其結(jié)構(gòu)上存在可動(dòng)部件，經(jīng)過振動(dòng)環(huán)境實(shí)驗(yàn)后，其測量精度受到嚴(yán)重影響，甚至振碎的可能，因此電磁閥無法滿足空間實(shí)驗(yàn)抗振性能的要求，不能應(yīng)用到空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)中。

因此現(xiàn)有的氣體質(zhì)量流量控制器根本無法通過用于空間微重力燃燒試驗(yàn)中的氣體流量控制的嚴(yán)酷力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)，且目前在國內(nèi)外的空間微重力燃燒試驗(yàn)中也沒有采用氣體質(zhì)量流量控制器的先例。目前的空間微重力燃燒試驗(yàn)采用節(jié)流閥控制氣體流量，它只能夠以一個(gè)固定的流量值向?qū)嶒?yàn)室中提供氣體，不能夠連續(xù)調(diào)節(jié)氣體的流量，這使得空間燃燒試驗(yàn)難以得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果與氣體流量的關(guān)系，然而獲得微重力條件下燃燒實(shí)驗(yàn)結(jié)果與氣體流量的關(guān)系卻又是空間燃燒實(shí)驗(yàn)的重要目的之一。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于，為克服現(xiàn)有技術(shù)的氣體質(zhì)量流量控制器應(yīng)用于空間實(shí)驗(yàn)存在的諸多缺陷，從而出研制適用于空間微重力燃燒試驗(yàn)的高可靠氣體質(zhì)量流量控制器，即本發(fā)明提供了一種用于空間微重力燃燒實(shí)驗(yàn)的氣體流量控制系統(tǒng)及方法。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種用于空間微重力燃燒實(shí)驗(yàn)的氣體流量控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于控制空間微重力燃燒實(shí)驗(yàn)的氣體流量，所述控制系統(tǒng)包含：

PID控制器，用于控制氣體流量信號(hào)，完成控制算法輸出電機(jī)控制信號(hào)與上位機(jī)進(jìn)行信息交換；

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，用于接收PID控制器輸出的電機(jī)控制信號(hào)，并輸出步進(jìn)信號(hào)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)；

步進(jìn)電機(jī)，用于控制氣體閥門的開度，以此控制閥門中通過的氣體流量的大小；氣體控制閥，用于改變針閥中通過的氣體流量的大小，該控制閥由針閥構(gòu)成，所述針閥包含閥體、閥桿和閥帽三部分組成，所述閥桿與閥體之間靠錐面進(jìn)行緊密配合；和

質(zhì)量流量計(jì)，用于檢測氣體流量的大小，具體采用MEMS芯片作為流量傳感器檢測實(shí)際氣體流量的大小，并輸出模擬電壓作為采集的氣體流產(chǎn)信號(hào)輸入所述PID控制器的輸入端；

其中，所述PID控制器還通過串口通信接口與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，該P(yáng)C機(jī)用于實(shí)時(shí)控制和監(jiān)視氣體流量。

上述技術(shù)方案中，所述PID控制器由單片機(jī)構(gòu)成；所述步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是由步進(jìn)電機(jī)微步進(jìn)驅(qū)動(dòng)控制芯片構(gòu)成；所述步進(jìn)電機(jī)還包含減速器；所述質(zhì)量流量計(jì)還包含依次串聯(lián)連接的減法放大電路、A/D采樣電路。

基于上述系統(tǒng)本發(fā)明提供了一種用于空間微重力燃燒實(shí)驗(yàn)的氣體流量控制方法，該方法用于控制空間微重力燃燒實(shí)驗(yàn)的氣體量，所述方法包含如下步驟：

步驟101)將代表實(shí)際氣體流量的輸出電壓與一代表設(shè)定的氣流流量設(shè)定電壓比較，求出兩者的差值；