A control method and control calibration device for gas mass flow in low Reynolds number area, which is less than 10 in Re
【技术实现步骤摘要】
一种低雷诺数区域气体质量流量控制方法及控制校准装置
本专利技术涉及低雷诺数气体质量流量控制领域，尤其涉及一种基于临界壅塞流动原理的低雷诺数区域气体质量流量控制方法及控制校准装置、控制校准系统及进行控制或者校准的方法。
技术介绍
工业生产、工艺控制、医药生物等领域对气体流量控制技术的要求越来越高。例如，半导体制造行业，需要利用精确的工艺气体流量来控制晶片上薄膜的生长，这直接影响半导体芯片的成品率和生产率。医药行业中通过控制氧气流量来促进伤口愈合，通过氧气或惰性气体的流量来控制细胞或细菌的培植。因此，为了控制此类工况条件下气体流速，不仅需要准确的质量流量，而且测量仪表需要具备较高的复现性和稳定性。目前，工艺气体的流动主要由热式质量流量计来控制，其中热式气体质量流量传感器是用于实现流量控制的关键部件，热式气体流量传感器内部热绝缘膜片上有加热元件，其温度始终高于周围温度。当气流通过时，温度场因流体强制对流带走热量导致气流上、下游产生温度变化，这种非对称性检测和执行过程都在一个CMOS硅片上完成，集成在硅片上的温度传感器测量其温度分布，由专门的信号处理电路和气体流量数学模型...
【技术保护点】
1.一种低雷诺数区域气体质量流量控制方法，其特征在于：第一步，在雷诺数Re≤10
【技术特征摘要】
1.一种低雷诺数区域气体质量流量控制方法，其特征在于：第一步，在雷诺数Re≤104的低雷诺数区域，对临界壅塞流元件(6)至少标定5个不同雷诺数Re下对应的流出系数Cd，从而推导出该临界壅塞流元件(6)的流出系数Cd与雷诺数Re在低雷诺数区域的函数关系：Cd＝f(Re)；(Ⅰ)第二步，保持临界壅塞流元件(6)上游的气流为T0恒温，使气体流过临界壅塞流元件(6)，保持临界壅塞流元件(6)的入口压力p1不变，降低临界壅塞流元件(6)的出口背压p2，使背压比p2/p1减小，通过临界壅塞流元件(6)的气体质量流量增加，直至p2/p1达到临界背压比时，气体在临界壅塞流元件(6)喉部速度达到当地音速，流经临界壅塞流元件(6)的气体达到临界壅塞状态，此时进一步降低背压比p2/p1，气体质量流量保持不变，保持p2/p1始终小于等于临界背压比；第三步，设定通过临界壅塞流元件(6)的气体质量流量为qm，根据以下公式(Ⅱ)计算该气体质量流量qm对应的雷诺数Re：式中：d：临界壅塞流元件(6)的喉径，μ0：气体动力粘度，根据气体温度查表获得，常压下气体动力粘度几乎不随压力变化而变化；Re≤104；将公式(Ⅱ)中计算出的雷诺数Re代入公式(Ⅰ)，从而计算出该雷诺数Re对应的流出系数Cd，再根据下述公式(Ⅲ)计算临界壅塞流元件(6)的入口压力目标值p0：式中：Ant：临界壅塞流元件(6)喉部截面积，Ant＝0.25πd2，d是临界壅塞流元件(6)的喉径；R：通用气体常数；M：气体的摩尔质量；p0：临界壅塞流元件(6)上游的绝对滞止压力；T0：临界壅塞流元件(6)上游的绝对滞止温度；Cd：流出系数，由Cd＝f(Re)计算获得，且Cd<1；C*：实际气体的临界流函数，计算公式:公式中各参数只需根据气体性质、温度、压力查表即可获得；第四步，在保持背压比p2/p1小于等于临界背压比的前提下，调节临界壅塞流元件(6)的入口压力p1直至p1＝p0，此时通过临界壅塞流元件(6)的实际气体质量流量值即为设定值qm。2.根据权利要求1所述的低雷诺数区域气体质量流量控制方法，其特征在于：所述临界壅塞流元件(6)为临界流文丘里喷嘴，或者基于临界壅塞流原理的喷嘴、喷孔或喷管。3.根据权利要求1所述的低雷诺数区域气体质量流量控制方法，其特征在于：所述气体为空气或者氧气、氮气、氩气、甲烷、二氧化碳。4.一种气体质量流量控制校准装置，其特征在于：包括气路连通的气流压力控制元件(5)和临界壅塞流元件(6)，临界壅塞流元件(6)入口处和出口处分别设有入口压力变送器(7)和出口背压变送器(8)；临界壅塞流元件(6)入口处还设有温度变送器(11)；温度变送器(11)、入口压力变送器(7)、出口背压变送器(8)分别电连接中央处理器CPU(9)，中央处理器CPU(9)分别电连接气流压力控制元件(5)，显示模块(13)、输入模块(14)和存储器(10)分别电连接中央处理器CPU(9)；所述存储器(10)中预存储有公式(Ⅰ)、(Ⅱ)和(Ⅲ)。5.根据权利要求4所述的气体质量流量控制校准装置，其特征在于：所述临界壅塞流元件(6)为一个或者并联的n个。6.根据权利要求5所述的气体质量流量控制校准装置，其特征在于：所述并联的n个临界壅塞流元件(6)共用一套出口背压变送器(8)和温度变送器(11)，对应每个临界壅塞流元件(6)分别设置独立的入口压力变送器(7)和气流压力控制元件(5)；并且对于公式(Ⅰ)，在存储器(10)中预存储有每个临界壅塞流元件(6)的流出系数Cd与雷诺数Re在低雷诺数区域的函数关系Cd1＝f1(Re)，Cd2＝f2(Re)，…，Cdn＝fn(Re)。7.根据权利要求4所述的气体质量流量控制校准装置，其特征在于：所述气体质量流量控制校准装置(24)还包括设置于气流压力控制元件(5)上游的过滤器(12)。8.根据权利要求4所述的气体质量流量控制校准装置，其特征在于：所述温度变送器(11)、入口压力变送器(7)和出口背压变送器(8)分别通过温度A/D转换器(26)和压力A/D转换器(27)连接中央处理器CPU(9)，中央处理器CPU(9)通过电路连接气流压力控制元件(5)，所述存储器(10)为可抹除可编程只读存储器EPROM(10)。9.根据权利要求4所述的气体质量流量控制校准装置，其特征在于：所述气体质量流量控制校准装置(24)为整体盒式，显示模块(13)为液晶显示板，输入模块(14)为点触式输入面板，点触式输入面板和液晶显示板分别通过输入输出处理电路连接中央处理器CPU(9)。10.根据权利要求4所述的气体质量流量控制校准装置，其特征在于：所述气体质量流量控制校准装置(24)为部件组装式，还包括两个同轴安装管，上游安装管(15)上设有入口压力变送器取压孔(151)和温度变送器取温孔(152)，下游安装管(16)上设有出口背压变送器取压孔(161)，上...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘夷平，陈超，吴锦川，李海洋，
申请(专利权)人：上海市计量测试技术研究院，
类型：发明
国别省市：上海,31
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