CN101794158B

CN101794158B - 一种湿度发生器的气体压力和流量控制装置

Info

Publication number: CN101794158B
Application number: CN 201010133181
Authority: CN
Inventors: 张文东
Original assignee: Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology
Current assignee: Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology
Priority date: 2010-03-26
Filing date: 2010-03-26
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2030-03-26
Also published as: CN101794158A

Abstract

本发明涉及一种湿度发生器，属于双压法湿度发生器领域。一种湿度发生器的气体压力和流量控制方法，其特征是包括如下步骤：在湿度发生器的饱和器设置压力传感器的步骤，实时监测和传送饱和器内的压力；根据需要达到的气体压力设定电压的步骤；实时比较设定的电压值和压力传感器传送的反馈电压值，根据比较结果控制气源气体进入饱和器的步骤；当饱和器内的压力达到设定值后，控制通过湿度发生器的测试室的气体流量达到设定值的步骤。及应用上述方法进行气体压力和流量控制的装置。本发明使压力时刻自动稳定在设定值上，避免了现在压力不稳定的现象，实现了压力控制的高稳定度。

Description

一种湿度发生器的气体压力和流量控制装置

技术领域

本发明涉及一种湿度发生器，尤其涉及湿度发生器的气体压力和流量控制装置。

背景技术

双压法标准湿度发生器的工作原理是气体在加压状态下被水汽饱和然后减压膨胀，通过改变饱和器的压力来发生不同的相对湿度。因此饱和器压力控制的稳定度直接影响发生器发生的湿度的不确定度。在控制饱和器压力的同时，流经饱和器中的样气流量在一定范围内应能自由调节。双压湿度发生器通常由如下六个部分组成：气源系统；载气干燥系统；饱和器系统；测试腔室；恒温系统；温度和压力的测量与控制系统。

如附图1所示为标准湿度发生器的基本原理，通过连动调节图中饱和器的进气阀和饱和器与测试室之间的膨胀阀，可以使饱和器的压力Ps和通过饱和器的流量Q都能稳定地达到预定值。

要实现以上功能，现在一般使用以下两种办法：

一、进气阀和膨胀阀全部使用手动，通过时刻观察饱和器压力显示值和流量显示值的变化，同时手动调节进气阀和膨胀阀的开度，使压力Ps和流量Q最终达到预定值。此方法的操作难度非常大，很难达到稳定的压力Ps。

二、控制进气流量法。用一个质量流量控制器(带调节阀)代替进气阀，维持一个恒定的进气流量Q，然后通过时刻观察饱和器压力显示值的变化，同时手动调节膨胀阀的开度，使压力Ps最终达到预定值。此方法的操作虽然比上述全手动有进步，但是也非常困难，因为调节时要时刻观察压力变化的趋势，而且即使在膨胀阀开度固定的情况下，压力Ps还存在缓慢漂移现象，因此如要保持稳定的压力，操作者就必须时刻注意并适时调节膨胀阀，操作十分麻烦而且不稳定。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种湿度发生器的气体压力和流量控制的方法和装置，解决现在操作麻烦但却精度不高的缺陷。

技术方案

一种湿度发生器的气体压力和流量控制方法，其特征是包括如下步骤：

在湿度发生器的饱和器设置压力传感器的步骤，实时监测和传送饱和器内的压力；

根据需要达到的气体压力设定电压的步骤；

实时比较设定的电压值和压力传感器传送的反馈电压值，根据比较结果控制气源气体进入饱和器的步骤；

当饱和器内的压力达到设定值后，控制通过湿度发生器的测试室的气体流量达到设定值的步骤。

进一步，根据饱和器的压力范围，将压力进行分段调节，设置的压力传感器按照量程分别设置多个，并根据设定的电压值，通过传感器选择模块自动比较并选择相应的压力传感器。

所述传感器选择模块包括同步子模块，根据设定的电压值，在选择相应压力传感器时同步进行实时比较设定的电压值和压力传感器传送的反馈电压值的步骤。

进一步，在饱和器内的压力达到设定值后，控制通过湿度发生器的测试室的气体流量达到设定值的步骤中，通过控制设置在饱和器和测试室之间的膨胀阀的开度来控制测试室的气体流量。

将所述的膨胀阀设置成不同的流量系数的多个膨胀阀并联的形式，并根据膨胀阀流量系数范围的切换点对应的压力值，通过膨胀阀选择模块进行比较并实现相应膨胀阀的切换。

应用上述控制方法的一种湿度发生器的气体压力和流量控制装置，包括饱和器部分和测试室部分，饱和器部分入口前通过进气阀与气源相连，饱和器部分出口后通过膨胀阀与测试室部分相连接，其特征是：所述进气阀采用受压力控制器控制的调节阀，饱和器设置有压力传感器，所述压力传感器与压力控制器的输入端口电连接，输出压力值反馈信号给压力控制器，压力控制器的输出端口与调节阀的驱动电机电连接，所述压力控制器带有设定电压输入接口，输入接口和输出端口均与中心控制器的压力设定模块相连，所述膨胀阀的驱动电机与中心控制器的流量控制模块电连接。

进一步，所述压力传感器按照量程不同设置多个且具有连续量程，并通过转换开关与压力控制器和中心控制器的传感器选择模块连接。

所述传感器选择模块包括同步子模块，所述同步子模块通过压力设定模块连接压力控制器。

所述压力传感器使用四个，每个压力传感器分别连接有转换开关。

所述转换开关采用继电器匹配电磁阀的组合。

进一步，所述膨胀阀采用多个具有不同的流量系数的膨胀阀进行并联，并与中心控制器的膨胀阀选择模块相连接。

所述测试室部分安装有流量仪，所述流量仪与中心控制器的流量控制模块电连接。

所述膨胀阀的驱动电机采用步进电机，膨胀阀采用针形阀，所述针形阀的阀杆通过联轴器与步进电机相连，所述步进电机的基座固定在与针形阀阀杆平行的导轨的滑块上。

有益效果

本发明采用直接控制湿度发生器的饱和器的压力，当压力达到设定值后，再通过步进电机调节膨胀阀的开度，使流量达到设定值，从而产生需要的相对湿度，此方法的优点是压力时刻自动稳定在设定值上，从而避免了以往所采用的方法导致的压力不稳定现象，由于双压湿度发生器对于压力稳定性的要求远远高于流量稳定性，因此直接控制压力的方法具有很大的优越性，本发明通过多路不同量程压力传感器信号和对应的设定电压信号同步切换和比较的方式，提高了压力信号的分辨率，从而实现压力控制的高稳定度。

附图说明

图1为双压法标准湿度发生器的基本原理示意图；

图2为本发明的控制装置的气路示意框图；

图3为本发明的控制装置的电路示意框图；

图4为本发明的控制装置中步进电机带动针形膨胀阀阀杆的结构示意图。

其中图4中：1-导轨，2-滑块，3-步进电机基座，4-步进电机，5-联轴器，6-针形膨胀阀阀杆。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

因为饱和器的工作压力范围很宽(5kPa～1000kPa)，为了直接控制饱和器压力的精确度和稳定度，单一量程的压力传感器的精度和稳定度不能满足要求，因此将饱和器的压力调节分段进行。

以饱和器的压力调节范围为95kPa～1050kPa(绝对压力)为例，见图2气路图，为提高压力测量信号的分辨率，将整个压力范围分四段，即：

1)250kPa＞Ps≥95kPa(压力传感器4，量程0～0.25MPa)；

2)350kPa＞Ps≥250kPa(压力传感器3，量程0.25～0.4MPa)；

3)600kPa＞Ps≥350kPa(压力传感器2，量程0.4～0.6MPa)；

4)1050kPa≥Ps≥600kPa(压力传感器1，量程0.6～1.0MPa)；

电路连接如附图3所示，压力控制器设置在饱和器进气口之前，1～5V设定信号由中心控制器根据设定的湿度值计算出对应的饱和器压力值后，通过压力设定模块输出，中心控制器可由计算机和控制的PLC联合组成，计算机内置的16位D/A卡作为压力设定模块负责输出；1～5V的压力传感器信号来自于4路不同量程的压力传感器，PLC根据不同的工作压力，通过电磁阀和继电器的同步切换来实现。D/A卡输出的信号也根据压力传感器量程的切换同步对应切换。因此在传感器选择模块中包括同步子模块，将传感器选择切换和压力设定值输出同步。通过这种同步，可以实现在全压力范围内，在流量6～25L/min的范围内，饱和器的压力稳定度都能长时间(1小时以上)自动控制在读数的0.01％以内，从而完全满足了装置的技术要求。

由于用于压力计检定的压力控制器，其控制稳定度也很小，但是它们只能产生静压力(只允许微小的流动)，采用这样同步比较的压力控制方法实现了在较大的工作流量条件下也能达到高稳定度的压力控制。

压力达到设定值后，由中心控制器即计算机控制PLC输出，进而驱动控制步进电机调节流量。由于装置要求流量调节范围比较大(5～30L/min)，而根据要求，测试室前的膨胀阀前后的压差变化范围达到5kPa～900kPa，这就要求膨胀阀的流量系数k_v值调节范围达到100倍以上，因此至少需要两路不同k_v值的膨胀阀并联才能实现，可以将两路膨胀阀的切换点定为饱和器的压力值为400kPa时进行切换，即中心控制器在切换至压力传感器3工作时，膨胀阀选择模块输出信号同步切换膨胀阀。

通过计算机控制PLC输出，从而驱动步进电机，实现膨胀阀的流量自动调节。当PLC接收到来自计算机的流量设定值后，根据设置的流量仪的实测流量值，比较后通过流量控制模块控制膨胀阀。控制方式可采用调节膨胀阀的开度逐步梯度减少，最终达到流量稳定。一旦稳定后，步进电机在未接收到新的流量设定值前不再动作。每当压力、流量设定值有一项改变时，电机先回零位。另外还可设上限光电位置检测，以防止阀门过度开启。

由于采用步进电机对针形膨胀阀进行精确控制，需要解决阀杆在被电机带动转动时由于产生微弱轴向位移影响针阀开度从而影响流量的问题，如附图4所示，将步进电机的基座安装在设置在轴向导轨的滑块上，可沿导轨上下运动，从而解决了上述问题。

本发明的方法和装置直接采用压力控制器控制饱和器压力。在计算机和PLC的控制下，通过多路不同量程压力传感器信号和对应的计算机设定电压信号同步切换的方式，提高了压力信号的分辨率，实现了压力控制的高稳定度。同时，采用计算机和PLC自动步进电机控制针形阀开度的方式来调节流量。将步进电机的输出轴通过柔性联轴器直接与针形阀阀杆连接，而且将步进电机固定在与输出轴平行的导轨上，解决了阀杆在转动时产生轴向位移从而影响流量控制的问题。

Claims

1.一种湿度发生器的气体压力和流量控制方法，其特征是包括如下步骤：

根据需要达到的气体压力设定电压的步骤；

控制饱和器内的压力达到设定值的步骤；

饱和器内的压力达到设定值后，将通过湿度发生器的测试室的气体流量调节到设定值的步骤，在气体流量调节到设定值的过程中，饱和器内的压力发生变化，进入所述压力传感器实时监测和传送饱和器内的压力的步骤循环，控制饱和器内的压力在设定值。

2.如权利要求1所述的湿度发生器的气体压力和流量控制方法，其特征是：根据饱和器的压力范围，将压力进行分段调节，设置的压力传感器按照量程分别设置多个，并根据设定的电压值，通过传感器选择模块自动比较并选择相应的压力传感器。

3.如权利要求2所述的湿度发生器的气体压力和流量控制方法，其特征是：所述传感器选择模块包括同步子模块，根据设定的电压值，在选择相应压力传感器时同步进行实时比较设定的电压值和压力传感器传送的反馈电压值的步骤。

4.如权利要求1所述的湿度发生器的气体压力和流量控制方法，其特征是：在饱和器内的压力达到设定值后，控制通过湿度发生器的测试室的气体流量达到设定值的步骤中，通过控制设置在饱和器和测试室之间的膨胀阀的开度来控制测试室的气体流量。

5.如权利要求4所述的湿度发生器的气体压力和流量控制方法，其特征是：将所述的膨胀阀设置成不同的流量系数的多个膨胀阀并联的形式，并根据膨胀阀流量系数范围的切换点对应的压力值，通过膨胀阀选择模块进行比较并实现相应膨胀阀的切换。

6.应用如权利要求1所述的湿度发生器的气体压力和流量控制方法的一种湿度发生器的气体压力和流量控制装置，包括饱和器部分和测试室部分，饱和器部分入口前通过进气阀与气源相连，饱和器部分出口后通过膨胀阀与测试室部分相连接，其特征是：所述进气阀采用受压力控制器控制的调节阀，饱和器设置有压力传感器，所述压力传感器与压力控制器的输入端口电连接，输出压力值反馈信号给压力控制器，压力控制器的输出端口与调节阀的驱动电机电连接，所述压力控制器带有设定电压输入接口，所述压力控制器的输入接口和压力控制器的输出端口均与中心控制器的压力设定模块相连，所述膨胀阀的驱动电机与中心控制器的流量控制模块电连接。

7.如权利要求6所述的一种湿度发生器的气体压力和流量控制装置，其特征是：所述压力传感器按照量程不同设置多个且具有连续量程，并通过转换开关与压力控制器和中心控制器的传感器选择模块连接。

8.如权利要求7所述的一种湿度发生器的气体压力和流量控制装置，其特征是：所述传感器选择模块包括同步子模块，所述同步子模块通过压力设定模块连接压力控制器。

9.如权利要求7所述的一种湿度发生器的气体压力和流量控制装置，其特征是：所述压力传感器使用四个，每个压力传感器分别连接有转换开关。

10.如权利要求7或9所述的一种湿度发生器的气体压力和流量控制装置，其特征是：所述转换开关采用继电器匹配电磁阀的组合。

11.如权利要求6所述的一种湿度发生器的气体压力和流量控制装置，其特征是：所述膨胀阀采用多个具有不同的流量系数的膨胀阀进行并联，并与中心控制器的膨胀阀选择模块相连接。

12.如权利要求6或11所述的一种湿度发生器的气体压力和流量控制装置，其特征是：所述测试室部分安装有流量仪，所述流量仪与中心控制器的流量控制模块电连接。

13.如权利要求6或11所述的一种湿度发生器的气体压力和流量控制装置，其特征是：所述膨胀阀的驱动电机采用步进电机，膨胀阀采用针形阀，所述针形阀的阀杆通过联轴器与步进电机相连，所述步进电机的基座固定在与针形阀阀杆平行的导轨的滑块上。