本發(fā)明涉及音速噴嘴氣體實(shí)驗(yàn)裝置，尤其是一種溫度、濕度、流量、壓力可控的音速噴嘴氣體實(shí)驗(yàn)裝置。

背景技術(shù)：

臨界流文丘里噴嘴簡(jiǎn)稱音速噴嘴，是最常用的氣體流量傳感器之一，目前被廣泛地應(yīng)用于航空航天、環(huán)保節(jié)能、石油化工等各領(lǐng)域，采用音速噴嘴作為氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重復(fù)性好、性能穩(wěn)定、堅(jiān)固耐用、無(wú)可動(dòng)部件、維護(hù)方便和準(zhǔn)確度等級(jí)高等特點(diǎn)。噴嘴的測(cè)量對(duì)象多數(shù)含有水蒸汽，而氣體在音速噴嘴高速流動(dòng)而產(chǎn)生的溫度驟降會(huì)使水蒸汽發(fā)生凝結(jié)。音速噴嘴的超音速凝結(jié)流動(dòng)現(xiàn)象涉及到了熱阻塞及自激振蕩等現(xiàn)象，其變化規(guī)律以及對(duì)噴嘴流量計(jì)量精度的影響一直未得到很好的解釋和解決。由于超音速凝結(jié)流動(dòng)現(xiàn)象是一個(gè)涉及到液滴成核、液滴生長(zhǎng)、超音速流動(dòng)、可壓縮邊界層等多個(gè)物理現(xiàn)象的復(fù)雜相變過(guò)程，僅靠理論分析和模擬計(jì)算很難準(zhǔn)確描述，因此需要在音速噴嘴標(biāo)準(zhǔn)裝置基礎(chǔ)上建立相關(guān)的凝結(jié)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來(lái)驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的正確性，而凝結(jié)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不同溫度、濕度、壓力和流量的實(shí)現(xiàn)是平臺(tái)建立關(guān)鍵所在。

目前國(guó)內(nèi)研究音速噴嘴超音速凝結(jié)流動(dòng)現(xiàn)象的凝結(jié)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)很少可以同時(shí)滿足不同溫度、濕度、壓力和流量的控制，更多的是各個(gè)實(shí)驗(yàn)條件的單獨(dú)控制與實(shí)現(xiàn)，忽略了溫度、濕度、壓力和流量之間的耦合關(guān)系，從而導(dǎo)致了實(shí)驗(yàn)條件建立存在缺陷，影響了對(duì)于凝結(jié)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述問(wèn)題中的不足，本發(fā)明提供了一種溫度、濕度、流量、壓力可控的氣體實(shí)驗(yàn)裝置。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種溫度、濕度、流量、壓力可控的音速噴嘴氣體實(shí)驗(yàn)裝置，包括氣源模塊，氣體溫度控制模塊，蒸發(fā)加濕模塊和音速噴嘴氣體實(shí)驗(yàn)管段，其中，

氣源模塊，包括空氣壓縮機(jī)1、冷卻器2、除油器3、冷干機(jī)4、吸干機(jī)、儲(chǔ)氣罐7、自力式調(diào)壓閥8以及穩(wěn)壓管10，氣體從壓縮機(jī)出來(lái)后，依次經(jīng)過(guò)冷卻器2、除油器3、冷干機(jī)4、吸干機(jī)后進(jìn)入儲(chǔ)氣罐7中，并通過(guò)自力式調(diào)壓閥8進(jìn)入到穩(wěn)壓罐10中，穩(wěn)壓罐10后接一電動(dòng)流量和壓力調(diào)節(jié)閥12，實(shí)現(xiàn)17～1023.5m³/h的氣體流量調(diào)節(jié)，以及將壓力誤差控制在1％；經(jīng)過(guò)電動(dòng)流量和壓力調(diào)節(jié)閥12的氣體進(jìn)入管道加熱器14；

氣體溫度控制模塊，包括管道加熱器14、加熱前壓力傳感器11、加熱絲溫度傳感器13、出口溫度傳感器16、可控硅、溫度控制儀以及控制電路；加熱絲溫度傳感器13起超溫保護(hù)作用，防止加熱絲因溫度過(guò)高而損壞；出口溫度傳感器16用于對(duì)所加熱氣體起溫度反饋?zhàn)饔?，在管道加熱器出口處配有一加熱后壓力傳感?7，用于監(jiān)測(cè)管道加熱器的壓力變化，確保不會(huì)出現(xiàn)過(guò)壓負(fù)載出現(xiàn)；溫控儀用于對(duì)可控硅輸出功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱絲溫度控制；經(jīng)過(guò)溫度控制和調(diào)節(jié)的氣體進(jìn)入蒸發(fā)加濕模塊；

蒸發(fā)加濕模塊，包括高壓微霧模塊、兩級(jí)蒸發(fā)結(jié)構(gòu)，溫度傳感器22、壓力傳感器23和濕度傳感器24，兩級(jí)蒸發(fā)結(jié)構(gòu)包括前一級(jí)的整流器18和后一級(jí)的蒸發(fā)器組成，經(jīng)過(guò)高壓微霧模塊處理的高壓水汽被噴入整流器18內(nèi)，用以調(diào)節(jié)氣體濕度；整流器由DN50-100變徑短節(jié)、DN100氣體整流器和DN100-50變徑短節(jié)組成，用于將不規(guī)則流動(dòng)的氣流變成規(guī)則流動(dòng)的氣流或把旋轉(zhuǎn)的氣流改變?yōu)橹本€流動(dòng)的氣流；蒸發(fā)器由同心圓錐殼19、DN400蒸發(fā)腔20和升氣管21組成，用于使管道內(nèi)各處氣體濕度基本一致，由蒸發(fā)加濕模塊的出口與音速噴嘴氣體實(shí)驗(yàn)管段的入口相連。

其中的高壓微霧模塊包括水處理器44、儲(chǔ)水池47、入口電磁閥45、液位控制器46、電加熱恒溫控制器55、三通合流閥56、溫度傳感器57、變頻器60、變頻調(diào)速電機(jī)59、液壓隔膜計(jì)量泵58、脈動(dòng)阻尼器49、壓力變送器51、高壓電磁閥組52、單向止回閥組53、高壓超微霧化噴嘴組54以及控制器，經(jīng)過(guò)水處理過(guò)后的純凈水進(jìn)入儲(chǔ)水池47，儲(chǔ)水池47用于存儲(chǔ)經(jīng)水處理器44凈化后的純凈水，液位控制儀46和入口電磁閥45用于確保儲(chǔ)水池47的水位處于安全范圍內(nèi)；

儲(chǔ)水池47的出口連通電加熱恒溫控制器55，從電加熱恒溫控制器55出來(lái)的水通過(guò)三通合流閥56與旁通水路的常溫水合流，合流的水經(jīng)過(guò)液壓隔膜計(jì)量泵58后壓力被抬升；

在三通合流閥56與液壓隔膜計(jì)量泵58之間設(shè)置有溫度傳感器57，控制器根據(jù)溫度傳感器57的輸入信號(hào)通過(guò)對(duì)三通合流閥56冷熱兩端開合比例的不同實(shí)現(xiàn)水溫的控制；

液壓隔膜計(jì)量泵58將管路中的壓力抬升至足夠的壓力，其出口是高壓管路，在高壓管路中配置有脈動(dòng)阻尼器46，經(jīng)過(guò)脈動(dòng)阻尼器46的高壓水在到達(dá)高壓超微霧化噴嘴組54之前通過(guò)壓力變送器51實(shí)現(xiàn)壓力監(jiān)測(cè)，脈動(dòng)阻尼器46通過(guò)用于泄壓保護(hù)的安全閥與儲(chǔ)水池47相連；在高壓管路后端依次連接高壓電磁閥組52、單向止回閥組53以及高壓超微霧化噴嘴組54，控制器通過(guò)變頻器60控制電機(jī)59的轉(zhuǎn)速，從而改變液壓隔膜計(jì)量泵58柱塞的往復(fù)頻率實(shí)現(xiàn)流量控制。

優(yōu)選地，所述的音速噴嘴氣體實(shí)驗(yàn)管段依次包括匯氣管25、相互并聯(lián)的兩個(gè)不同管徑的直管段、滯止容器38、標(biāo)準(zhǔn)音速噴嘴組39、氣動(dòng)閥門組41以及消音器43，在兩個(gè)不同管徑的直管段上分別設(shè)置有開關(guān)閥、壓力表、被測(cè)表和夾表器；標(biāo)準(zhǔn)音速噴嘴組39由不同喉徑大小的高精度音速噴嘴組成，通過(guò)不同音速噴嘴通斷的組合能夠標(biāo)定氣體流量。

附圖說(shuō)明

圖1為溫度、濕度、流量、壓力可控的音速噴嘴實(shí)驗(yàn)裝置工藝流程圖

圖2為高壓微霧模塊工藝流程圖

圖3為控制系統(tǒng)的工作流程圖

具體實(shí)施方式

為了能進(jìn)一步了解本發(fā)明的特征、技術(shù)手段以及所達(dá)到的具體目的、功能，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

參見(jiàn)圖1，該裝置氣源模塊包括空氣壓縮機(jī)1、水冷式冷卻器2、高效除油器3、風(fēng)冷式冷干機(jī)4、吸干機(jī)A罐5、吸干機(jī)B罐6、儲(chǔ)氣罐7、自力式調(diào)壓閥8以及穩(wěn)壓管10。選用適當(dāng)?shù)膲嚎s機(jī)為系統(tǒng)提供壓力和流量，氣體從壓縮機(jī)出來(lái)后分為兩路，經(jīng)除油、過(guò)濾、冷卻、干燥，進(jìn)入儲(chǔ)氣罐7中，并由自力式調(diào)壓閥8進(jìn)入到穩(wěn)壓罐10中，穩(wěn)壓罐10后接一電動(dòng)流量和壓力調(diào)節(jié)閥12，可以實(shí)現(xiàn)17～1023.5m³/h的氣體流量調(diào)節(jié)，以及將壓力誤差控制在1％。

氣體溫度控制模塊包括壓力傳感器11、溫度傳感器13和16、管道加熱器14、可控硅16、溫度控制儀以及控制電路。使用管道加熱器14對(duì)氣體直接加熱，執(zhí)行器為可控硅，控制器為溫控儀和PLC，PLC和溫控儀采用RS485通信方式連接。為使溫度控制安全可靠、控制精度高，整個(gè)氣體溫度控制模塊配有2個(gè)溫度傳感器分別是出口溫度傳感器16以及加熱絲溫度傳感器13，加熱絲溫度傳感器13主要起超溫保護(hù)作用，防止加熱絲因溫度過(guò)高而損壞，出口溫度傳感器16則用于對(duì)所加熱氣體起溫度反饋?zhàn)饔茫诠艿兰訜崞鞒隹谔幣溆幸粔毫鞲衅?7，用于監(jiān)測(cè)管道加熱器的壓力變化，確保不會(huì)出現(xiàn)過(guò)壓負(fù)載出現(xiàn)。PLC收集管道加熱器的溫度、壓力信息后進(jìn)行綜合分析處理，將控制信息傳至溫控儀，由溫控儀對(duì)可控硅輸出功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱絲溫度控制。

蒸發(fā)加濕模塊包括溫度傳感器22、壓力傳感器23、濕度傳感器24、蒸發(fā)器。蒸發(fā)器具有兩級(jí)結(jié)構(gòu)，由前一級(jí)的整流器18和后一級(jí)的蒸發(fā)器組成。所述整流器由DN50-100變徑短節(jié)、DN100氣體整流器和DN100-50變徑短節(jié)組成。作用主要為：可以將不規(guī)則流動(dòng)的氣流變成規(guī)則流動(dòng)的氣流，或把旋轉(zhuǎn)的氣流改變?yōu)橹本€流動(dòng)的氣流。所述蒸發(fā)器由同心圓錐殼19、DN400蒸發(fā)腔20和升氣管21組成。作用主要為：使管道內(nèi)各處氣體濕度基本一致，避免了濕度分布不均勻的情況；通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)使氣體達(dá)到濕度分布均勻、平穩(wěn)流動(dòng)的狀態(tài)；使微霧顆粒完全蒸發(fā)，氣體濕度改變明顯，拓展了微霧加濕技術(shù)在管道氣體加濕領(lǐng)域的應(yīng)用。

音速噴嘴氣體實(shí)驗(yàn)管段包括匯氣管25、DN50直管段、DN100直管段、開關(guān)閥26和31、壓力表27和32、被測(cè)表28和33、夾表器30和35、滯止容器38、標(biāo)準(zhǔn)音速噴嘴組39、氣動(dòng)閥門組41以及消音器43。匯氣管25出口分為兩種規(guī)格的實(shí)驗(yàn)管段，DN50直管段和DN100直管段，可以滿足不同大小規(guī)格的被檢表要求。氣動(dòng)夾表器30和35可以根據(jù)被夾表28和33自動(dòng)伸縮調(diào)節(jié)長(zhǎng)度，同時(shí)方便拆卸。標(biāo)準(zhǔn)音速噴嘴組39由11支不同喉徑大小的高精度音速噴嘴組成，通過(guò)不同音速噴嘴通斷的組合能夠標(biāo)定整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的氣體流量。消音器43可以消除實(shí)驗(yàn)氣體向外排放時(shí)的噪音污染。

參見(jiàn)圖2，高壓微霧模塊包括水處理器44、儲(chǔ)水池47、入口電磁閥45、液位控制器46、電加熱恒溫控制器55、三通合流閥56、溫度傳感器57、變頻器60、變頻調(diào)速電機(jī)59、液壓隔膜計(jì)量泵58、脈動(dòng)阻尼器49、壓力變送器51、高壓電磁閥組52、單向止回閥組53、高壓超微霧化噴嘴組54以及控制電路。經(jīng)過(guò)氣源模塊和氣體溫度控制模塊的氣體是干燥的純凈氣體。要對(duì)氣源進(jìn)行濕度控制，就需要對(duì)干燥氣體進(jìn)行加濕，本裝置采用的是高壓微霧加濕方式。經(jīng)過(guò)水處理過(guò)后的純凈水進(jìn)入儲(chǔ)水池47，儲(chǔ)水池47用于存儲(chǔ)經(jīng)水處理器44凈化后的純凈水，液位控制儀46和入口電磁閥45用于確保該模塊的水位處于安全范圍內(nèi)。電加熱恒溫控制器55、三通合流閥56和溫度傳感器57用于控制管路中水的溫度，有利于提高霧化蒸發(fā)效率。液壓隔膜計(jì)量泵58可以實(shí)現(xiàn)精確的流量控制并將系統(tǒng)的壓力抬升至幾十公斤以上。在計(jì)量泵柱塞行程一定的情況下，流量與電機(jī)的轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系，變頻器60通過(guò)變頻輸出方式控制變頻調(diào)速電機(jī)59的轉(zhuǎn)速，從而改變計(jì)量泵柱塞的往復(fù)頻率實(shí)現(xiàn)流量控制。壓力變送器51可以反饋經(jīng)過(guò)脈動(dòng)阻尼器49消除系統(tǒng)脈動(dòng)后的準(zhǔn)確壓力值，確保高壓水管路的壓力安全。通過(guò)高壓電磁閥組52的通斷組合實(shí)現(xiàn)不同的流量控制，在電磁閥52和超微霧化噴嘴54之間配有單向止回閥53，保證系統(tǒng)單向運(yùn)行而不受霧化噴嘴下游環(huán)境的影響，擴(kuò)大了裝置的使用范圍。該模塊獨(dú)立于氣體管路，高壓水管路最后由高壓超微霧化噴嘴54輸送進(jìn)入氣路中實(shí)現(xiàn)霧化加濕，完成濕度控制。

參見(jiàn)圖3，控制系統(tǒng)的流程圖揭示了本發(fā)明一種溫度、濕度、流量、壓力可控的氣體實(shí)驗(yàn)裝置中各個(gè)模塊組合工作方式。該裝置的控制核心是PLC，所有傳感器和控制信息以及控制命令均要經(jīng)過(guò)PLC接受、處理、分析和發(fā)送。PLC控制模塊包括控制電路、PLC、上位機(jī)。PLC接收傳感器信息并分析處理、發(fā)送控制信息，同時(shí)，這些信息將同步顯示在上位機(jī)中，在上位機(jī)可以實(shí)時(shí)進(jìn)行各種參數(shù)設(shè)置。所述控制模塊和參數(shù)采用前饋—反饋的復(fù)雜控制結(jié)構(gòu)，結(jié)合模糊PID控制策略完成音速噴嘴氣體實(shí)驗(yàn)裝置中溫度、濕度、流量、壓力參數(shù)的精確控制作用。