Способ регулирования расхода газа

Изобретение относится к области регулирования расхода технологических газов и может быть использовано в производстве изделий электронной техники. Ламинарный поток газа пропускают через нагреваемую трубку. Измеряют расход газа по разности температур терморезисторов, размещенных на трубке по обе стороны от нагревателя. Осуществляют температурную компенсацию сигнала расхода, преобразованного в цифровой сигнал, и линеаризацию цифрового сигнала. При температурной компенсации изменение температуры определяют измерением изменения суммарного сопротивления последовательно соединенных терморезисторов и корректируют выходной сигнал при изменении значения измеряемого сопротивления. Линеаризацию осуществляют путем аппроксимации функции выходного сигнала кусочно-линейной функцией. Полученный выходной сигнал сравнивают с заданием. Изобретение повышает быстродействие и точность регулирования расхода.

 

Изобретение относится к средствам измерения расхода газа, преимущественно для регулирования расхода технологических газов в оборудовании для производства изделий электронной техники.

Известен способ регулирования расхода газа, включающий пропускание газа через трубку, нагрев газа нагревателем, измерение расхода газа по разности температур терморезисторов, размещенных на трубке по обе стороны нагревателя, включенных в мостовую схему, обеспечивающий повышение точности за счет линеаризации градуировочной характеристики при помощи устройства /1/. Кроме того, линеаризация градуировочной характеристики позволяет упростить и сделать более удобной эксплуатацию регулятора расхода газа.

Недостатком этого способа является недостаточная точность регулирования за счет погрешности, обусловленной влиянием температуры окружающей среды.

Наиболее близким к изобретению является способ регулирования расхода газа, включающий пропускание газа через трубку, нагрев газа нагревателем, измерение сигнала расхода газа по разности температур терморезисторов, размещенных на трубке по обе стороны от нагревателя и включенных в плечи мостовой схемы, температурную компенсацию и линеаризацию градуировочной характеристики, преобразование сигнала в цифровую форму, обработку сигнала микропроцессором с последующим сравнением его с заданием /2/.

В известном способе пропускают через трубку ламинарный газовый поток, который вносит изменения в значения температуры терморезисторов, причем температура терморезистора, размещенного у входа трубки, понижается, а температура другого терморезистора повышается. Измеряют сигнальное напряжение на диагонали моста, включающей точку соединения терморезисторов, которое является оценкой величины расхода газа. Сигнальное напряжение усиливают, линеаризуют, калибруют и выдают в виде выходного сигнала с помощью цифрового электронного блока.

Для снижения влияния температуры окружающей среды на точность регулирования осуществляют температурную компенсацию выходного сигнала в блоке цифровой обработки. При регулировании расхода выходной сигнал постоянно сравнивается с сигналом задания. При появлении разницы между этими сигналами осуществляется подстройка положения регулирующего клапана таким образом, чтобы сигналы совпадали. Таким образом, влияние температуры окружающей среды на точность регулирования также снижается.

Недостатками известного способа является снижение точности измерения и регулирования расхода газа и нарушения калибровки при изменении температуры окружающей среды и температуры газа и большое время выхода на режим поддержания расхода газа.

Это связано с тем, что изменение температуры терморезисторов приводит к изменению величины выходного сигнала даже при постоянной величине расхода газа, поскольку выходной сигнал пропорционален величине сопротивления терморезистора. Поскольку изменение температуры терморезисторов происходит с задержкой по времени, необходимой для выравнивания температуры корпуса датчика (преобразователя), температурная коррекция выходного сигнала по температуре окружающей среды не снижает, а увеличивает погрешность регулирования во всех случаях, когда температурная коррекция введена в выходной сигнал, а реальный выходной сигнал еще не изменился, поскольку изменение температуры окружающей среды еще не повлияло на температуру терморезисторов. При этом регулятор расхода необоснованно изменяет расход газа, так как в выходной сигнал заведомо введена коррекция по температуре окружающей среды.

Время установления температуры преобразователя и соответственно время выхода на режим поддержания расхода велико и составляет 30-40 мин /2/.

С повышением требований к точности регулирования (менее 2%) это время значительно возрастает (до 3-4 часов).

Таким образом, без термостабилизации окружающей среды известный способ практически не позволяет снизить влияние окружающей среды, при этом точность измерений остается не ниже 1-2%.

Кроме того, в известном способе не учитывается влияние температуры газа на температуру датчика и, соответственно, отсутствует температурная коррекция по температуре газа. Связано это с тем, что изменение температуры терморезисторов при изменении температуры газа не влияет на температуру окружающей среды, поскольку, во-первых, теплоемкость терморезисторов значительно меньше теплоемкости окружающей среды, включающей, в этом случае, и корпус датчика, во-вторых, конструкция датчиков предусматривает максимально возможную изоляцию терморезисторов датчика от окружающей среды, т.к. малейшие передвижения воздуха возле резисторов изменяют показания датчика.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является достижение технического результата, заключающегося в повышении точности поддержания расхода газа при регулировании при изменениях температуры окружающей среды и температуры газа и уменьшении времени выхода на режим поддержания расхода.

Поставленная задача решается в предлагаемом способе, включающем пропускание ламинарного потока газа через трубку, нагрев газа нагревателем, измерение выходного сигнала расхода газа по разности температур терморезисторов, размещенных на трубке по обе стороны от нагревателя, преобразование входного сигнала в цифровой сигнал, температурную компенсацию, аппроксимацию и линеаризацию цифрового сигнала с получением выходного сигнала и последующим сравнением его с заданием, причем температурную компенсацию цифрового сигнала осуществляют путем дополнительного измерения суммарного сопротивления последовательно соединенных терморезисторов и коррекцией выходного сигнала для каждого значения измеряемого сопротивления, а аппроксимацию осуществляют кусочно-линейной функцией путем выбора минимального числа отрезков разбиения таким образом, чтобы отличие этой функции от линейной в любой точке не превышало заданной величины.

Таким образом, отличительными признаками предлагаемого способа является то, что при температурной компенсации цифрового сигнала изменения температуры определяют путем дополнительного измерения суммарного сопротивления последовательно соединенных терморезисторов и корректируют выходной сигнал при изменении значения измеряемого сопротивления, а аппроксимацию осуществляют кусочно-линейной функцией путем выбора минимального числа отрезков разбиения таким образом, чтобы отличие этой функции от линейной в любой точке не превышало заданной величины.

Указанная совокупность отличительных признаков позволяет достичь технического результата, заключающегося в повышении точности поддержания расхода газа при регулировании при изменении температуры окружающей среды и температуры газа и уменьшении времени выхода на режим.

В предлагаемом способе повышение точности регулирования расхода газа обеспечивается тем, что измеряется суммарное сопротивление терморезисторов датчика, соответствующее истинной температуре терморезисторов в момент измерения этого сопротивления, а не косвенной оценке этой температуры. Непосредственное измерение изменения величины суммарного сопротивления терморезисторов позволяет непрерывно вносить температурную коррекцию в выходной сигнал при изменении температуры датчика, а не ждать, пока температура датчика установится соответствующей температуре окружающей среды. При этом одновременно учитывается и изменение температуры терморезисторов датчика при изменении температуры газа.

Суммарное сопротивление последовательно соединенных терморезисторов при одинаковой величине их сопротивлений практически не зависит от расхода газа при постоянной температуре окружающей среды, так как изменения величин термосопротивлений, связанные с пропусканием газа через трубку, противоположны по знаку и равны, а также малы по величине (в связи с чем и применяются мостовые схемы измерений малых сигналов). Так, снижение сопротивления первого терморезистора, расположенного на входе газа в датчик при наличии потока, компенсируется приблизительно равным повышением сопротивления второго терморезистора, расположенного на выходе. При этом сигнал изменения суммарного сопротивления терморезисторов при изменении их температуры значительно превосходит изменения их величин при прохождении газа, т.к. материал терморезисторов подбирается с максимальной зависимостью от их температуры.

Эти изменения величины терморезисторов и влияют на точность измеренией даже в мостовой схеме измерений, и в известном способе их учитывают путем термокомпенсации с помощью измерений изменений температуры внешней среды, т.е. с помощью косвенной оценки изменений температуры терморезисторов.

Заметим, что температура проходящего через датчик газа также непрерывно изменяет суммарное сопротивление терморезисторов. Влияние температуры газа существенно из-за большой разности температур датчика с подогревом и температуры газа, находящемся при меньшей температуре. Т.к. в предложенном способе термокоррекция осуществляется по сигналу изменения суммарного сопротивления терморезисторов, то предложенный способ в отличие от известного позволяет корректировать выходной сигнал и при изменении температуры датчика и за счет изменения температуры газа.

При полиномиальной калибровке, используемой в известном способе, точность обработки выходного сигнала недостаточна. Это связано с недостаточной точностью аппроксимации кривой зависимости выходного сигнала от расхода газа другой кривой, описываемой полиномом. Так при использовании полинома 6-й степени различие указанных кривых превышает 0,5%. Попытки увеличения степени полинома (выше шести) приводят к увеличению времени обработки сигнала между операциями сравнения выходного сигнала с заданием из-за увеличения объема программы и за счет этого к увеличению рассогласования выходного сигнала с заданием, т.е. к снижению точности поддержания расхода газа. Рассогласование происходит за счет ухода сигнала расхода газа в промежуток времени между операциями сравнения сигнала с заданием с последующим изменением положения регулирующего органа. Уход сигнала происходит за счет таких факторов, как разброс установки положения регулирующего органа, неточности измерения сигнала расхода газа, изменения давления газа на входе или выходе регулятора, изменения температуры и т.д.

Кроме того, с увеличением времени между операциями сравнения увеличивается количества сбоев и ухудшению параметров PID-регулирования расхода газа, т.к. увеличивается неточность оценки первой производной и интеграла от сигнала расстройки. Поэтому оптимальной степенью полинома оказалась степень, равная шести. Точность измерения и регулирования при этом ограничивается, таким образом, с одной стороны, неточностью аппроксимации полиномом исходной зависимости выходного сигнала от расхода газа, с другой - временем обработки сигнала.

Следует отметить, что вычисления полинома с высокой степенью (больше шести) требуются лишь на небольших участках кривой, где кривизна зависимости выходного сигнала от расхода наиболее велика. У большей части этой зависимости кривизна слабо меняется и слагаемые с высокой степенью полинома равны нулю.

В предлагаемом способе каждый участок кривой аппроксимируется прямой линией. При этом объем вычислений значительно снижается и слабо влияет на объем вычислений между операциями сравнения сигнала с заданием. В качестве примера разницы объема вычислений можно сравнить времена вычислений функций y=a+bx и y=sin(x) на обычном компьютере (проведя вычисления в цикле заданное число раз). Эти времена отличаются на порядки по величине. Выбор функции y=sin(x) обусловлен тем, что эта функция, а также аналогичные ей cos(x), exp(x), tg(x) и другие при вычислении в компьютере также аппроксимируются полиномами (рядами разложения в ряды Тейлора).

Эксперименты показывают, что число отрезков разбиения при устойчивом регулировании может быть более тысячи. Это связано с тем, что реально вычисления происходят по линейной функции лишь на одном отрезке, в который попадает входной сигнал расхода газа.

Выбор числа отрезков (как правило, достаточно 11 отрезков) осуществляют так, чтобы максимальное отклонение лианизированной зависимости от прямой было меньше заданной величины (как правило: 0.05%). При такой аппроксимации объем программы и количество вычислений минимально и значительно меньше, чем при полиномиальной аппроксимации. При этом на участках зависимости выходного сигнала от расхода газа с большей крутизной разбиение на прямые участки чаще, и наоборот. В результате сокращения времени вычислений между операциями сравнения достигается уменьшение рассогласования выходного сигнала с заданием в каждой операции сравнения и, соответственно, повышается точность поддержания расхода.

Не менее важной является и характеристика скорости выхода на режим.

Так, в известных регуляторах расхода газа время выхода на стационарный режим - режим поддержания расхода газа составляет ˜1 час при постоянной температуре в помещении. В реальных условиях температура в течение 1 часа изменяется на несколько градусов. Предлагаемый способ позволяет уменьшить время выхода на режим до 20-30 с, т.е. до времени прогрева датчика (преобразователя) обмоткой нагревателя с последующей непрерывной корректировкой выходного сигнала в соответствии с изменениями температуры терморезисторов за счет изменения их суммарного сопротивления. Напомним, что изменения этого сопротивления происходят за счет многих факторов: изменения температуры газа, изменения температуры корпуса датчика под влиянием как температуры окружающей среды, так и подогрева корпуса нагревателем датчика, тепловыделения платы управления регулятором. Но, поскольку измеряется температура в предложенном способе непосредствено терморезисторов датчика, времени на ожидание момента, когда все перечисленные выше температуры установятся в равновесном состоянии, не требуется, да и само установление этих температур в равновесное состояние не является обязательным условием, как это имеет место в известном способе. За счет этого и достигается сокращение времени выхода на режим поддержания стационарного расхода газа.

ЛИТЕРАТУРА

1. Авторское свидетельство SU №1108331 A, кл. G01F 1/68, 1984 г.

2. Каталог ф. Bronkhorst «Массовые расходомеры и регуляторы массового расхода. Измерители и регуляторы давления» с.4, www.bronkhorst.dol.ru

Способ регулирования расхода газа, включающий пропускание ламинарного потока газа через трубку, нагрев газа нагревателем, измерение расхода газа по разности температур терморезисторов, размещенных на трубке по обе стороны от нагревателя, температурную компенсацию и линеаризацию градуировочной характеристики, усиление и преобразование сигнала в цифровую форму, обработку его микропроцессором с последующим сравнением его с заданием, отличающийся тем, что, с целью повышения точности регулирования, температурную компенсацию осуществляют дополнительным измерением изменения суммарного сопротивления последовательно соединенных терморезисторов и корректируют выходной сигнал для каждого значения измеряемого сопротивления, а линеаризацию осуществляют путем аппроксимации функции выходного сигнала кусочно-линейной функцией таким образом, что разность выходного сигнала и аппроксимированного значения на каждом участке этой функции не превышает заданной величины.