一种液体流量控制装置及控制方法

本发明属于液体流量控制，更具体的说是涉及一种液体流量控制装置及控制方法。

背景技术：

1、液体流量的精确调控是各类工业生产生活以及科研活动的重要需求。具体的，在航空航天发动机型号研制过程中，需要对燃料雾化喷嘴的流动特性、雾化特性进行测量，而这类喷嘴对燃料的流量有着极为严苛的精度要求。在航空航天喷嘴测试过程中，需要控制喷嘴的流量恒定在设定流量值极小偏差范围内，这对液体供应系统的精准调控能力提出了极高要求。

2、航空航天燃料喷嘴地面测试的供应系统一般为挤压式系统，高压气源经过减压阀后通入液体储罐，挤压液体从喷嘴喷出。现有流量的调节主要通过调节减压阀以改变液体储罐内压力或改变供应管路流动阻力两种方式实现。

3、调节减压阀这种方式受减压阀迟滞效应影响较大。当微调减压阀开度时，减压阀后压强不能随着调节动作迅速响应；随着进一步调节减压阀开度，当减压阀后压强产生响应时，减压阀极有可能已经调节过度，最终造成液体流量无法达到要求。另一方面，挤压式供应系统随着喷嘴测试的进行储罐内的液体体积逐渐减小，气体体积逐渐增加，导致气压下降。由于减压阀迟滞的存在，液体储罐中的气体不能及时补充以维持压强，导致喷嘴流量出现逐渐下降的现象。

4、改变供应管路流动阻力是目前较为通用的一种流量调节方式，如发明专利cn114859987a公开的流量控制系统和控制方法和发明专利cn116164128a公开的一种液体流量控制阀。这种调节方式主要通过改变供应管路中某个阀门的开度来实现，而阀门的工作特性导致其在较小开度情况下流量随开度变化过于敏感，而开度较大时阀门的变化则对流量影响甚微。流量与阀门开度之间高度的非线性关系限制了这种调节方式的调节精度，另外阀门开度的频繁变化也会使液体对阀芯产生冲击，影响阀门寿命。

5、因此，如何提供一种液体流量控制装置及控制方法，精确调节航空航天喷嘴地面测试过程中的液体流量，克服上述两种调节方式存在的不足，是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、为了克服现有技术中的缺点和不足，本发明提供了一种液体流量控制装置及控制方法，具有控制精度高、控制方式简便、成本低的优点，为各类航空航天燃料喷嘴的研制工作提供技术支持。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种液体流量控制装置，其特征在于，包括：挤压式供应组件、储罐位移组件和计算机处理组件；

4、所述挤压式供应组件包括高压气瓶、减压阀、液体储罐、流量计和喷嘴；

5、所述储罐位移组件包括z轴位移台和液体储罐；

6、所述计算机处理组件包括计算机、流量计输入信号和位移台控制输出信号。

7、所述计算机处理组件的工作方式为：计算机接收流量计输入信号，通过算法比较与设定流量值的差异后向z轴位移台发出位移台控制输出信号，通过改变液体储罐内液面与喷嘴出口截面的高度差，最终使喷嘴流量与设定值相符。

8、优选的，所述喷嘴的设定流量范围为0.2～5ml/s。

9、上述技术方案的有益效果是：该流量范围在喷嘴测试中属于小流量。相较于大流量喷嘴，小流量喷嘴对于流量的差异更为敏感，因此对流量的精确调节要求更高。如在设定流量5ml/s，若要求流量偏差在±1％以内，则需要流量调节精度至少为0.05ml/s。在大流量喷嘴的应用场景下，使用其他类型的调节方式亦可满足需求。

10、优选的，所述高压气瓶内的气体经过减压阀后压强为0.1～0.3mpa，即喷嘴的压降为0～0.2mpa。喷嘴压降定义为气体压强与环境大气压强之差。本发明通过改变液体储罐液面与喷嘴出口截面的高度差，进而改变喷嘴压降实现流量的调节，喷嘴压降改变范围与z轴位移台高度有关，范围为±0.01mpa。在喷嘴压降越小的情况下，本发明的调节范围更广，调节能力更强。随着喷嘴压降的增加，虽然本发明的调节能力会下降，但是喷嘴的流量会增加，因此使用其他类型的调节方式亦可满足需求。本发明尤其适用于较小压降、较小流量的喷嘴测试。

11、优选的，所述流量计为椭圆齿轮流量计。

12、上述技术方案的有益效果是：椭圆齿轮流量计相较于其他类型流量计精度较高，能够满足本发明所述方法的精度需求。

13、优选的，所述液体储罐安装于z轴位移台的运动部件之上，所述z轴位移台的运动能够改变液体储罐内液面的高度。

14、上述技术方案的有益效果是：z轴位移台能够精确调节液体储罐内液面高度，精度可达0.1mm。

15、优选的，所述z轴位移台的运动范围为0～2m。

16、优选的，所述流量输入信号来自于所述流量计。

17、优选的，所述位移台控制输出信号由计算机根据流量输入信号通过软件处理后发出。

18、上述技术方案的有益效果是：计算机的高速计算能力能够确保流量的快速准确调节。

19、优选的，所述位移台控制输出信号控制z轴位移台的运动部件发生位移。

20、上述技术方案的有益效果是：相较于传统调节方法，本发明通过改变液体储罐液面与喷嘴出口截面的高度差，进而改变喷嘴压降实现流量的调节。在小范围内流量变化与上述高度差变化近似呈线性关系，因此能够实现精准调节。

21、本发明还提供了一种液体流量控制方法，采用上述的液体流量控制装置，包括如下步骤：

22、首先通过调节减压阀使得流量计的读数尽量靠近设定流量值。初始状态下，液体储罐内液面与喷嘴出口截面间的高度差为δh，液体储罐内气体压强为pg，大气压强为pa，则喷嘴的流量可根据下式确定：

23、

24、式中ρ为液体密度，g为重力加速度，a为喷嘴的喷口面积，μ为喷嘴的流量系数，pg-pa为喷嘴的压降。由于喷嘴的流量随时间变化，而在本发明中保持减压阀不变，即液体储罐内气压不变，则上式可转化为：

25、

26、其中常数k2＝2μ2a2g。对上式两边取微分可得：

27、

28、式中由此可见在小幅度变化时喷嘴流量与储罐内液面-喷嘴出口截面的高度差δh呈线性关系，比值与当前时刻的高度差有关。当测量流量值大于设定流量时，需要降低位移台以减小高度差；当测量流量值小于设定流量时，则需要升高位移台以增加高度差。具体控制方式如下：

29、记所谓高度差为δh时流量计测量流量为qδh，并将该信号输入计算机。记设定流量为qc，则此时流量计测量流量与设定流量的差值为：

30、q′＝qδh-qc

31、获得流量差值信号后，通过计算机输出以下信号至z轴位移台：

32、

33、δz为z轴位移台需要调整的位移量。

34、z轴位移台在接收到计算机的控制信号后使液体储罐在竖直方向上发生位移。记位移前储罐内液面-喷嘴出口截面高度差为δh，位移后高度差为δh+δz，则位移后的测量流量与设定流量差为：

35、qδh+δz＝qδh+k3δz

36、＝qδh-q′

37、＝qδh-(qδh-qc)

38、＝qc；

39、理想情况下一步调控便可使流量计测量流量达到设定流量，但是在实际过程中需要多次来实现。通过流量计高频采集流量信号输入计算机，再通过计算机多次输出控制信号至位移台，使得短时间内位移台多次位移以补偿流量测量值与设定流量的差异，最终便完成了喷嘴液体流量的精准调控。

40、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供了一种液体流量控制装置及控制方法，克服了通过调节减压阀或改变管路流动阻力两种流量调节方式的缺点，借助液面-喷嘴出口截面高度差与流量近似呈线性的特性，将流量的调节转化为储罐内液面高度的调节实现了流量的精确控制。通过实时监测当前流量并通过计算机控制z轴位移台的方式不断补偿流量变化，能够克服现有技术可能存在的流量逐渐下降的缺陷，实现流量长时间保持稳定。由于本发明不改变管路中阀门的开度，管路中部件受冲击的可能性极小，因此本发明还具有使用寿命长的优点。本发明具有控制精度高、控制方式简便、成本低的特点，可应用于大部分液体流量高精度控制场景，尤其是航空航天燃料喷嘴地面试车过程中流量的精准调节。