CN100451901C - 可测控电磁阀的流量测控方法 - Google Patents

Abstract

一种可测控电磁阀的流量测控方法，属于自动化技术领域。本发明首先将可测控流量电磁阀、信号处理控制器和电力电子开关器件构成流量可测控系统，流量可测控电磁阀将阀门上、下游流体差压传导至差压传感器的压力输入端口，流体差压经差压传感器中敏感元件转换为流体差压电气信号后，输出至信号处理控制器的输入端，信号处理控制器根据输入的流体差压及输出的受电线圈电流计算获得当前被测流量，并将其与给定流量进行比较后，输出控制指令，改变受电线圈电流以控制阀门开度，达到控制流量的目的。本发明实现了流量测量与控制的一体化，可以通过算法方便地控制阀门开度的调节规律。

Description

可测控电磁阀的流量测控方法

技术领域

本发明涉及一种自动化技术领域的控制方法，具体涉及一种可测控电磁阀的流量测控方法。

背景技术

众所周知，电磁阀在自动化生产系统中对控制流量具有很重要的作用，但是，一般的电磁阀仅起到对流体流动进行全开通或全关闭的作用，不具备连续改变阀门开度的功能，更不具备对流量控制效果的自检测功能。为了实现对流量的观测必须另行安装专用的流量检测装置，且必须使用调节阀才能使流量连续可调。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利申请号：02136159.2、名为“型砂混砂过程水分在线测控装置及其使用方法”的发明介绍一种型砂混砂过程水分在线测控装置及其使用方法，通过插入混砂机内型砂中的水分传感器检测型砂混砂过程的水分，并将得到的水分信息输送到计算机上，计算机接收上述信息后与预先设定的型砂水分含量相比较并计算出所需添加的水量，计算机通过连线控制水源管路中的电磁阀和流量计对混砂机内加入适量的水，但是该发明所采用的流量检测与控制方法是由水分传感器与电磁阀分开进行的，不能实现对流量的直接测量，也不能实现对电磁阀开度的连续控制，同时测量误差较大，并增大了控制输出的滞后时间。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提出一种可测控电磁阀的流量测控方法，使其既能实现对流量的直接测量，又能实现对电磁阀开度的连续控制，而且测量误差小，控制响应时间快。

本发明是通过如下技术方案实现的，具体步骤包括如下：

(1)流量可测控电磁阀将阀门上、下游流体差压传导至差压传感器的压力输入端口，流体差压经差压传感器中敏感元件转换为流体差压电气信号后，输出至信号处理控制器的输入端；

(2)根据体积流量q_V与阀门上、下游流体差压Δp的关系： $q_V=k_1\sqrt{\mathrm{\Δp}}$ 以及差压传感器输出流体差压电气信号u与流体差压Δp之间的关系：u＝k₂Δp，获得： $q_V=k_1\sqrt{\frac{u}{k_2}}=k\sqrt{u},$ 式中，k1_为体积流量q_V与流体差压平方根

的比例系数，k₂为电气信号u与流体差压Δp的比例系数， $k=\frac{k_1\sqrt{k_2}}{k_2};$

(3)信号处理控制器将获取的被测体积流量q_V值与控制给定值q_V0进行比较后，输出控制指令，进而控制阀门开度，当其差值Δq_V＝q_V-q_V0＞0时，信号处理控制器经脉宽调制控制策略加大电力电子开关器件单相交流输出的占空比，随着电力电子开关器件输出占空比的提高，电磁阀受电线圈的平均电流增大，电磁铁的电磁吸力增强，阀门开度相应减小，q_V也随之减小，当差值Δq_V＝q_V-q_V0＜0时，信号处理控制器经脉宽调制控制策略减小电力电子开关器件单相交流输出的占空比，随着电力电子开关器件输出占空比的降低，电磁阀受电线圈的平均电流减小，电磁铁的电磁吸力被削弱，阀门开度增大，q_V也随之增大，当差值Δq_V＝q_V-q_V0＝0时，信号处理控制器不输出控制指令，阀门维持在当前位置；当流体需要全关闭时，信号处理控制器经脉宽调制控制策略增大电力电子开关器件单相交流输出的占空比为1，即电力电子开关处于全开通的状态，使得电磁铁的电磁吸力达到最大，将阀门关闭，当流体需要全开通时，信号处理控制器关断电力电子开关器件，使得电磁铁的电磁吸力达到最小，阀门处于常开状态，在全开通或关闭时，利用电力电子开关器件软开通与软关断功能，可以避免电磁阀通流面积突变时产生的水锤效应。

本发明具有以下有益效果：(1)流量的检测与控制一体化；(2)可以使控制系统机构简化；(3)通过电力电子开关器件的斩波控制技术可以实现开关器件的软开通和软关断，进而实现电磁阀开度的连续控制，避免了全开通与全关闭时产生的水锤效应，特别适用于大流量电磁阀。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例是基于一种流量可测控系统实现的，该系统包括流量可测控电磁阀、信号处理控制器和电力电子开关器件，流量可测控电磁阀包括电磁阀本体、阀门、压缩弹簧、电磁铁、导压孔管、差压传感器、防漏橡胶垫圈、塑性软压板及电缆接口，阀门、压缩弹簧、防漏橡胶垫圈、电磁铁、差压传感器、塑性软压板及电缆接口按从下至上顺序排列在电磁阀本体的内部，阀门位于电磁阀本体内部的中心位置，压缩弹簧套于阀门上部的圆柱体上，电磁铁位于该圆柱体正上方，导压孔管的压力输入端头分别位于通道上、下游靠近阀门入、出口的管壁上、压力输出端头与差压传感器的压力输入端连接，电磁铁的受电线圈输入导线和差压传感器的流体差压电气信号输出导线与电缆接口连接后再输出至信号处理控制器的输入端，信号处理控制器的输出端连接至电力电子开关器件的控制极，电力电子开关器件的阳极接至单相交流电源的火线端，阴极与电磁阀受电线圈一端串接，受电线圈的另一端接至单相交流电源的地线端。

本实施例的流量测控方法具体包括如下步骤：

(1)流量可测控电磁阀将流体差压通过上、下游导压孔管传导至差压传感器的压力输入端口，经差压敏感元件转换输出流体差压电气信号u至信号处理控制器的输入端；

(2)根据体积流量q_V与阀门上、下游流体差压Δp的关系：

$q_V=k_1\sqrt{\mathrm{\Δp}}$

以及差压传感器输出流体差压电气信号u与流体差压Δp之间的关系：

u＝k₂Δp

获得 $q_V=k_1\sqrt{\frac{u}{k_2}}=k\sqrt{u}$

$k=\frac{k_1\sqrt{k_2}}{k_2}$

k₁为体积流量q_V对流体差压平方根

的流量系数及，k₂为电气信号u(V)与流体差压Δp的比例系数，k₁、k₂与k均为可变参数，其数值随着阀门开度的变化而变化，k₁、k₂与阀门开度β的函数关系可于事先通过实验测定，为：

k₁＝g₁(β)

k₂＝g₂(β)

式中，β为阀门开度，g₁(β)与g₂(β)表示k₁和k₂分别关于β的函数关系，由于阀门开度β大小直接由电磁阀受电线圈中通过的电流i所确定，其关系为：

$\mathrm{\β}=k_{3}f=k_3{\left(\frac{\mathrm{\Φ}}{5000}\right)}^2\frac{1}{S}$

又                        Φ＝B·S＝nμiS

故而 $\mathrm{\β}=k_{3}f=k_3{\left(\frac{\mathrm{n\μi}}{5000}\right)}^{2}S$

上述式中，k₃为阀门开度β对电磁吸力f(N，牛顿)的比例系数，Φ为磁链(Wb)，S为磁极面积(cm²)，n为受电线圈的线圈匝数，μ为磁导率(N·A^-2)，i为输入受电线圈的电流(A)，由此，可进一步可获得：

$k=g_1\left(k_3{\left(\frac{\mathrm{n\μi}}{5000}\right)}^2{S}_0\right){\left[g_2\left(k_3{\left(\frac{\mathrm{n\μi}}{5000}\right)}^2{S}_0\right)\right]}^{-\frac{1}{2}}$

及 $q_V=g_1\left(k_3{\left(\frac{\mathrm{n\μi}}{5000}\right)}^{2}S\right){\left[g_2\left({k_3\left(\frac{\mathrm{n\μi}}{5000}\right)}^{2}S\right)\right]}^{-\frac{1}{2}}\sqrt{u}$

因此，由电磁阀中差压传感器输出的流体差压电气信号u和输入到受电线圈的电流i就可确定流经电磁阀的流体流量q_V，

即 $q_V=k_1\left(k_3{\left(\frac{\mathrm{n\μi}}{5000}\right)}^{2}S\right){\left[k_2\left({k_3\left(\frac{\mathrm{n\μi}}{5000}\right)}^{2}S\right)\right]}^{-\frac{1}{2}}\sqrt{u};$

(3)信号处理控制器对流量采用PID(比例、积分与微分)控制策略，对电力电子开关器件的导通与关闭采用单相交流斩波技术，通过改变电力电子开关器件输出的占空比来达到其输出电压平均值的改变，进而控制电磁阀受电线圈中电流的连续变化，在信号处理控制器中，将被测流量q_V值与控制给定值q_V0进行比较，当Δq_V＝q_V-q_V0＞0时，信号处理控制器经脉宽调制控制策略加大电力电子开关器件单相交流输出的占空比，随电力电子开关器件输出占空比的提高，电磁阀受电线圈的平均电流增大，增强了电磁铁电磁吸力，导致阀门开度减小，因此q_V也随之减小，当Δq_V＝q_V-q_V0＜0时，信号处理控制器经脉宽调制控制策略减小电力电子开关器件单相交流输出的占空比，随着电力电子开关器件输出占空比的降低，电磁阀受电线圈的平均电流减小，削弱了电磁铁的电磁吸力，导致阀阀门开度增大，因此q_V也随之增大，当Δq_V＝q_V-q_V0＝0时，信号处理控制器不输出控制指令，阀门维持在当前位置，而当流体需要全关闭时，信号处理控制器经脉宽调制控制策略增大电力电子开关器件输出的占空比为1，即电力电子开关处于全开通的状态，使得电磁铁的电磁吸力达到最大，将阀门关闭，当流体需要全开通时，信号处理控制器关断电力电子开关器件，使得电磁铁的电磁吸力达到最小，阀门处于常开状态，利用电力电子开关器件软开通与软关断功能，经电磁阀通流面积的连续变化达到流量连续变化的效果。

本实施例具有如下效果：(1)流量测量与控制实现一体化；(2)流量控制的稳定性好，阀门动态调节过程没有出现明显的振荡现象；(3)流量调节的稳态相对误差小于5％；(4)通过控制算法可以方便地改变阀门开度的调节规律。

Claims (6)

1、一种可测控电磁阀的流量测控方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

(1)流量可测控电磁阀将流体差压通过上、下游导压孔管传导至差压传感器的压力输入端口，经差压敏感元件转换输出流体差压电气信号u至信号处理控制器的输入端；

(2)根据体积流量q_V与阀门上、下游流体差压Δp的关系： $q_V=k_1\sqrt{\mathrm{\Δp}}$ 以及差压传感器输出流体差压电气信号u与流体差压Δp之间的关系：u＝k₂Δp，获得： $q_V=k_1\sqrt{\frac{u}{k_2}}=k\sqrt{u},$ 式中，k₁为体积流量q_V与流体差压平方根的比例系数，k₂为电气信号u与流体差压Δp的比例系数， $k=\frac{k_1\sqrt{k_2}}{k_2};$

(3)信号处理控制器将获取的被测体积流量q_V值与控制给定值q_V0进行比较后，输出控制指令，进而控制阀门的开度。

2、根据权利要求1所述的可测控电磁阀的流量测控方法，其特征是，步骤(3)中，当差值Δq_V＝q_V-q_V0＞0时，信号处理控制器经脉宽调制控制策略加大电力电子开关器件单相交流输出的占空比，随着该占空比的提高，电磁阀受电线圈的平均电流增大，电磁铁的电磁吸力增强，阀门开度相应减小，q_V随之减小。

3、根据权利要求1所述的可测控电磁阀的流量测控方法，其特征是，步骤(3)中，当差值Δq_V＝q_V-q_V0＜0时，信号处理控制器经脉宽调制控制策略减小电力电子开关器件单相交流输出的占空比，随着该占空比的降低，电磁阀受电线圈的平均电流减小，电磁铁的电磁吸力被削弱，阀门开度增大，q_V也随之增大。

4、根据权利要求1所述的可测控电磁阀的流量测控方法，其特征是，步骤(3)中，当差值Δq_V＝q_V-q_V0＝0时，信号处理控制器不输出控制指令，阀门维持在当前位置。

5、根据权利要求1所述的可测控电磁阀的流量测控方法，其特征是，步骤(3)中，当流体需要全关闭时，信号处理控制器经脉宽调制控制策略增大电力电子开关器件单相交流输出的占空比为1，电力电子开关处于全开通的状态，使得电磁铁的电磁吸力达到最大，将阀门关闭。

6、根据权利要求1所述的可测控电磁阀的流量测控方法，其特征是，步骤(3)中，当流体需要全开通时，信号处理控制器关断电力电子开关器件，使得电磁铁的电磁吸力达到最小，阀门处于常开状态。