氣體質量流量與壓力的測量和控制

孫大勇 邱兆軍 李晨 徐宏光 房田 董陽

摘要：在氣體濃度監測研究中，由于傳感器的非線性，需要不同濃度的標準氣體樣品來標定監測系統。根據曲線擬合理論，標定點越多，擬合的輸入輸出曲線就越準確。

關鍵詞：質量流量;氣體流量計;質量流量控制器;

在全世界無論何種場合，流量、壓力、液位及溫度的測量和控制始終是工業過程自動化的四大重要參數。而流量及壓力的測量又是儀表市場中份額較大的一部分，且發展極其迅速。

一、氣體質量流量測量

量熱式質量流量計的原理。它主要由兩部分即主管路和旁路管測量傳感器系統組成。這樣設置是為了擴大量程，在較寬的流量、壓力和溫度變化范圍內保持兩個管路的流量系數比值恒定，當加熱器線圈均勻地加熱氣流時，在上游和下游的敏感線圈之間會產生一個溫度差，這個溫度差值正比于被測介質的質量流量，溫度差信號的輸出是依靠一個電橋輸出一個電壓信號。

量熱式氣體質量流量計測量流量遇到的困難。（1）氣體介質。量熱式氣體質量流量計對于被測量的氣體介質要求是下燥的、純凈的氣體介質，而這一要求是由于其測量原理及結構決定的。如果被測氣體介質含水分、油質等其它物質.就會造成正比于被測介質的質量流量的溫差改變，如水解氧氣、液態氨蒸發氨氣+直接測量將會導致測量精度下降。，如果氣體介質含有油等雜質，它會造成傳感器堵塞.直接影響測量結果。（2）介質溫度。量熱式氣體質量流量計對被測氣體介質溫度有一個適應范圍，一般是在0—65“C之間，對于低于口c以下的溫度，或高于100⁰C以上的溫度，正比于被測介質的質量流量的溫差信號輸出已無法保證。（3）測量量程。旁路分流式的質量流量計，其前提是主管路與旁路流量比率恒定。在一定的測量量程內.采用一定的技術形式可以保證這一點。量熱式氣體質量流量計，測量量程范圍一般在最小量程可測量5毫升/分鐘（標準狀態下），最大滿量程100升/分鐘（標準狀態），但如果測量量程加大。如測量質量流量在標準狀態下幾千升/分鐘以上，其測量管道結構將加大。如果要保證主、旁管路流量比率恒定，其結構_[藝復雜，成本增加。（4）介質壓力。在一些要求沒有介質壓力損失的質量流量測量場合中，量熱式氣體質量流量計，由于分流式的傳感結構，會產生一定的壓力損失，盡管很小，還是會對介質壓力變化產生一些影響。

二、氣體質量流量控制

氣體質量流量控制器原理。質量流量控制器不僅能測量氣體的質量流量，更重要的是它能控制流量。根據用戶的指令，質量流量控制器自動調整流量，實時跟蹤設定值，既可按照一定的速率[毫升（升），分鐘]變化，亦可長期穩定在任一設定值，保證設定流量恒定。2.SY一93系列、SY一93B系列氣體質量流量控制器。SY一93系列氣體質量流量控制器是由北京圣業科技發展有限公司開發生產的專用于氣體流量控制的產品，其控制最小設定點為0.5毫升，分鐘（標準狀態），最大控制設定點可為100升，分鐘（標準狀態）;動態響應：快速響應時間為3-6秒;軟啟動方式：12—15秒。SY一93B系列氣體質量流量控制器是圣業公司推出的大于100升，分鐘（標準狀態）的流量控制器。

三、氣體壓力測量

壓力測量的基本方法。（1）應變式。金屬應變式傳感器的歷史較長，它是用粘接劑將金屬絲或金屬箔制成的應變片粘貼在彈性元件上，通常由粘貼在不同位置4個應變片組成一個惠斯登電橋，4個應變片分別感受正負應變?？梢詽M足一般的精度要求，但由于應變片是粘到彈性元件卜的，當溫度變化時，由于彈性元件、粘接劑和應變片的熱膨脹系數不相同，會使應變片產生一個附加的應變，從而影響測量精度。（2）壓阻式。壓阻式傳感器是采用集成電路制造技術在半導體基片上直接生成擴散電阻并組成電橋，半導體材料通常為硅材料，所以壓阻式傳感器又常稱為擴散硅壓力傳感器。由于采用了集成電路生產技術，這類傳感器非常適合大批量生產，成本也很低.壓阻式傳感器面臨的主要問題是受溫度影響較大（3）電容式。電容式傳感器的轉換原理可用一個平行平板電容來說明，若忽略邊緣效應，平行平板電容的電容值可表示為：C=e·s/dc為板極間介質的介電常數;s為兩極板的覆蓋面積;d為極板間距。電容式壓力傳感器通常由由一個固定極板和一個可動極板（同時也是彈性元件）構成可變電容，當壓力作用于可動極板時，可動極板產生變形，電容兩極板的間距發生變化，電容量發生改變，檢測電容的變化量即可得到被測壓力的大小。

壓力傳感器種類。壓力傳感器技術歷史悠久，技術成熟，因而應用得非常廣泛，它不僅能測量壓力，還能測量多種物理量。

SMI微壓傳感器。為了填補企業使用的精度要求與大宗應用的精度間的空檔，最近研制成功一種超低壓（o.15psi）的滿度壓力傳感器。傳感器可在極低的壓力下工作，能可靠分辨出百萬分之二大氣壓的壓力變化。在設計傳感器機械部分時，利用了一種新方法。

4.1SMI微壓傳感器的結構及原理。SMI廉價的壓阻式、超低壓傳感器成功的關鍵是它的創新的物理刻蝕設計。一般來說，硅壓力傳感器芯片采用扁平膜來測量壓力。

5.氣體壓力控制。在許多領域中，對壓力進行控制的方式多見于各種手動調節閥，配以各種標準或精密的壓力表來完成對壓力的監控。該方式雖然簡單，但在科技飛速發展、過程控制高度集成化的今天，已不能滿足要求.為適應過程控制計算機全面管理的要求，也形成了一種壓力電子控制方式，其形式采用壓力傳感器，電磁控制閥、聯接PID電子線路，實施對壓力的監控。

總之，SY一94系列壓力控制最小設定值可達50Pa，控制精度可達0.1%。SY一94系列壓力控制器還可以與sY一93系列質量流量控制器配套使用，可全面提高各類系統設計的自動化控制程度。

參考文獻：

[1]趙健，質量流量比法配制標準氣體.2019.