[发明专利]一种用于空间微重力燃烧实验的气体流量控制系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及智能仪器领域，具体地涉及一种用于空间微重力燃烧实验的气体流量控制系统及方法。

背景技术

气体质量流量控制器在地面环境中普遍使用，具有精度较高、自动调节方便等特点，但是其机械和电控结构均未考虑空间实验的特殊要求(特别是振动环境和热环境的要求)。振动环境包括环境试验的正弦振动、随机振动和冲击振动；热环境包括热循环试验和热真空环境试验。气体质量流量控制器的两个主要组成部件是流量传感器(或流量计)和流量控制器。测量气体流量的气体流量计主要有热式质量流量计、孔板流量计、涡轮流量计、椭圆齿轮流量计或科里奥利质量流量计。

热式质量流量计的原理如图1-a所示，它主要由流量传感器、分流器通道和信号放大电路组成。加热器线圈均匀地加热分流器通道中的气体介质，无气体流动时，上游温度传感器T1和下游传感器T2处的温度相等；当气体流动时，由于对流传热，经过加热器的气体温度升高，在上游和下游的温度传感器之间会产生一个温度差，这个温度差值正比于被测介质的质量流量。温度差信号的输出通过电桥变换为电压信号，该电压信号被加到微分放大器的输入端，放大器在其输出端产生一个与介质质量流量成正比的直流电压信号。它的温度传感器T1和T2是非常细的细丝(直径只有0.1mm左右)，而且温度传感器是悬在气体流过的管道之中，只要振动稍微强一点就会把它振断，因此根本无法通过空间科学实验设备所要求的力学试验。

孔板流量计结构上有较多连接件；涡轮流量计结构上有轴承、转子；椭圆齿轮流量计结构复杂；科里奥利质量流量计是靠薄壁测量管进行测量。这些流量计的结构特点决定了它们无法通过振动环境实验，因此它们不能应用到空间科学实验中。

此外，现有技术的地面气体质量流量控制器的控制阀使用电磁阀进行控制(如图1-b所示)，电磁阀一般由阀体、线圈、阀芯、弹簧组成。电磁阀的原理是通过通电靠电磁力提起阀芯，依靠弹簧复位。但只有两个状态常闭和常开，不能连续地调节流量，且流量很难到达稳定；更重要的是其结构上存在可动部件，经过振动环境实验后，其测量精度受到严重影响，甚至振碎的可能，因此电磁阀无法满足空间实验抗振性能的要求，不能应用到空间科学实验中。

因此现有的气体质量流量控制器根本无法通过用于空间微重力燃烧试验中的气体流量控制的严酷力学环境试验，且目前在国内外的空间微重力燃烧试验中也没有采用气体质量流量控制器的先例。目前的空间微重力燃烧试验采用节流阀控制气体流量，它只能够以一个固定的流量值向实验室中提供气体，不能够连续调节气体的流量，这使得空间燃烧试验难以得到实验结果与气体流量的关系，然而获得微重力条件下燃烧实验结果与气体流量的关系却又是空间燃烧实验的重要目的之一。

发明内容

本发明的目的在于，为克服现有技术的气体质量流量控制器应用于空间实验存在的诸多缺陷，从而出研制适用于空间微重力燃烧试验的高可靠气体质量流量控制器，即本发明提供了一种用于空间微重力燃烧实验的气体流量控制系统及方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种用于空间微重力燃烧实验的气体流量控制系统，该系统用于控制空间微重力燃烧实验的气体流量，所述控制系统包含：

PID控制器，用于控制气体流量信号，完成控制算法输出电机控制信号与上位机进行信息交换；

步进电机驱动器，用于接收PID控制器输出的电机控制信号，并输出步进信号驱动步进电机；

步进电机，用于控制气体阀门的开度，以此控制阀门中通过的气体流量的大小；气体控制阀，用于改变针阀中通过的气体流量的大小，该控制阀由针阀构成，所述针阀包含阀体、阀杆和阀帽三部分组成，所述阀杆与阀体之间靠锥面进行紧密配合；和

质量流量计，用于检测气体流量的大小，具体采用MEMS芯片作为流量传感器检测实际气体流量的大小，并输出模拟电压作为采集的气体流产信号输入所述PID控制器的输入端；

其中，所述PID控制器还通过串口通信接口与PC机进行数据通信，该PC机用于实时控制和监视气体流量。

上述技术方案中，所述PID控制器由单片机构成；所述步进电机驱动器是由步进电机微步进驱动控制芯片构成；所述步进电机还包含减速器；所述质量流量计还包含依次串联连接的减法放大电路、A/D采样电路。

基于上述系统本发明提供了一种用于空间微重力燃烧实验的气体流量控制方法，该方法用于控制空间微重力燃烧实验的气体量，所述方法包含如下步骤：

步骤101)将代表实际气体流量的输出电压与一代表设定的气流流量设定电压比较，求出两者的差值；