CN103064440A - 基于半导体制冷器的液体压力调节装置及调节方法 - Google Patents
基于半导体制冷器的液体压力调节装置及调节方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于静态计量校准仪器领域，具体涉及一种基于半导体制冷器的液体压力调节装置及调节方法。本发明提出的装置主要包括造压单元、过滤器、油杯、压力传感器、增压截止阀、继电器、压力热控调节单元、卸压截止阀、测试口。本发明首先通过造压单元使得系统压力快速接近目标压力，从而完成压力粗调的过程。然后利用半导体制冷器既可制冷又可加热的特点，通过电路对半导体制冷器的加热、制冷状态以及时间进行控制，从而控制压力容腔内部定容积的油液的吸热量或放热量，使得定容积的油液温度发生变化，进而间接控制油液的压力发生微小变化，从而完成对油液目标压力的精确调节过程，最终实现压力的快速、准确控制。
Description
技术领域
本发明属于静态计量校准仪器领域，具体涉及一种基于半导体制冷器的液体压力调节装置及其调节方法。
背景技术
目前，广泛使用的液体压力计量校准仪器主要有活塞压力计和油介质压力控制器两种。活塞压力计具有准确度高，长期稳定性好等突出优点，但活塞压力计的原理和结构设计限制了它的便携性能，且只能产生离散的压力点，不满足日益增多的现场校准的需求。而油介质压力控制器是传感器技术、计算机技术和流体控制技术相结合的产物，通过对油液的控制，快速、准确、稳定地产生目标压力，同时又能通过压力传感器的实时反馈并显示被测压力，从而实现对油液压力的连续精确控制。
目前已有的油介质压力控制器主要存在的问题是：①油介质压力控制器在微调上控制难度大，影响了油介质压力控制器的控制准确性；②利用活塞调压等传统变容积压力控制模式，对活塞机械加工精度要求高；③存在动密封困难等问题。
发明内容
本发明的目的是为了克服已有油介质压力控制器存在的不足，提供一种控制速度快，控制准确度高的基于半导体制冷器的液体压力调节装置及调节方法。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
基于半导体制冷器的液体压力调节装置，包括：造压单元、过滤器、油杯、压力传感器、增压截止阀、继电器、压力热控调节单元、卸压截止阀、测试口。
所述造压单元的主要功能是：制造压力，实现压力初步调节。
所述过滤器的主要功能是：对从油杯流向造压单元的油液进行过滤。
所述油杯的主要功能是：盛装油液。
所述压力传感器的主要功能是：实时测量压力热控调节单元的压力。
所述增压截止阀的主要功能是：控制油液输入到造压单元。
所述继电器的主要功能是：为压力热控调节单元提供电路控制。所述继电器包括4个通道，分别称为通道A、通道B、通道C、通道D。
所述压力热控调节单元包括压力容腔、紫铜导热层、4个半导体制冷器。紫铜导热层在压力容腔的环状外表面形成4个对称安装台面。在每个安装台面上，用导热硅胶粘贴一个半导体制冷器。半导体制冷器工作时使用直流电流。压力容腔的内部称为内容腔，用于盛装定容积的油液。4个半导体制冷器分别称为半导体制冷器A、半导体制冷器B、半导体制冷器C、半导体制冷器D。
所述压力热控调节单元的主要功能是：控制其内部油液的吸热量或放热量，使得定容积的油液温度发生微小变化，进而间接控制油液的压力发生微小变化，从而完成对油液目标压力的精确调节。
所述卸压截止阀的主要功能是：控制油液回流至油杯。
所述测试口的主要功能是：为外接设备提供目标压力。
其连接关系为：压力热控调节单元的一端通过三通分别与卸压截止阀输入端以及测试口的输入端连接；压力热控调节单元的另一端通过三通分别与压力传感器以及增压截止阀的输出端连接；测试口的输出端与外接设备连接；卸压截止阀的输出端与油杯的溢出管道连接；油杯的输出管道与过滤器的输入端连接；过滤器的输出端与造压单元的油液的入口连接；造压单元的压力出口与增压截止阀的输入端连接。
压力热控调节单元上的半导体制冷器A和半导体制冷器B中的正极分别与继电器中的通道A、通道B的一端连接；压力热控调节单元上的半导体制冷器A和半导体制冷器B中的负极分别与外接直流电源的负极连接；通道A、通道B的另一端分别与外接直流电源的正极连接。
压力热控调节单元上的半导体制冷器C和半导体制冷器D中的负极分别与继电器的通道C、通道D的一端连接；压力热控调节单元上的半导体制冷器C和半导体制冷器D中的正极分别与外接直流电源的负极连接；通道C、通道D的另一端分别与外接直流电源的正极连接。
外接直流电源与半导体制冷器的正负极连接状态决定在半导体制冷器上实现制冷或加热。半导体制冷器A和半导体制冷器B用于实现加热，半导体制冷器C和半导体制冷器D用于实现制冷。
基于半导体制冷器的液体压力调节装置的压力调节方法包括：
①当前压力小于目标压力值时，操作过程如下：
步骤1.1：打开增压截止阀，关闭卸压截止阀，造压单元制造压力，此时油杯内的油液流向压力容腔，压力容腔中的油液质量增加，内容腔压力增加，实现目标压力的粗调。
步骤1.2：通过控制继电器中的通道A和通道B的开、闭状态及开、闭时间，实现对半导体制冷器A和/或半导体制冷器B的加热控制。当半导体制冷器A和/或半导体制冷器B加热时，内容腔的油液吸热，温度升高，压力增加，直到输出压力为目标压力为止。
(2)当前压力大于目标压力值时，操作过程如下：
步骤2.1：卸压截止阀打开，压力内容腔内液体回流至油杯，压力容腔内油液质量减少，油液压力减少。
步骤2.2：通过控制继电器中的通道C、通道D的开、闭状态及开、闭时间，实现对半导体制冷器C和/或半导体制冷器D的制冷控制。当半导体制冷器C和/或半导体制冷器D制冷时，使内容腔的油液放热，温度降低，系统压力降低，直到输出压力为目标压力为止。
通过上述过程的调节，即可输出目标压力。
有益效果
本发明提出的基于半导体制冷器的液体压力调节装置及调节方法与已有技术相比较具有如下优点：
①避免了变容积控制技术对活塞机械加工精度要求高，动密封困难等问题，利用对油介质加热或冷却的方法对目标压力进行精确控制，安全、无噪音，无振动、不需制冷剂、不需要任何机械部件；
②为油介质压力控制器的研制提供了基础和可实现的技术手段。利用本装置并结合计算机控制技术和软件，完全可以设计并制作出高精度、全自动的油介质压力控制器，可以应用于实验室以及现场，对各种压力计量器具进行校准，降低实验室以及现场高压校准的劳动强度，提高高压校准的工作效率。
附图说明
图1为本发明具体实施例中基于半导体制冷器的液体压力调节装置的总体结构示意图；
其中，1-造压单元、2-过滤器、3-油杯、4-压力传感器、5-增压截止阀、6-继电器、7-压力热控调节单元、8-泄压截止阀、9-测试口、17-外接直流电源；
图2是本发明具体实施例中压力热控调节单元的结构示意图：图2(a)是压力热控调节单元正视图；图2(b)是压力热控调节单元A-A剖面示意图；
其中，10-半导体制冷器A、11-压力容腔、12-半导体制冷器B、13-紫铜导热层、14-半导体制冷器C、15-内容腔、16-半导体制冷器D；
图3是压力热控调节部分电路控制示意图；
18-通道A、19-通道B、20-通道C、21-通道D。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的技术方案，下面结合附图，通过1个具体实施例，对本发明做进一步说明。
本发明装置及方法的理论基础为：
首先，对于纯物质而言，在单相区里，P(压强)、V(容积)、T(温度)三者之间存在着一定的函数关系，用数学式表示为：
f(P，V，T)＝0(1)
当温度和压力变化不大时，流体的容积膨胀系数和等温压缩系数可以看作常数，由于是通过压力热控调节单元对定容积油介质的加热或冷却，所以油液体积前后变化量为零，油液温度变化与压力存在一定的关系。
制作压力热控调节单元时，采用紫铜作为导热介质，其导热率大，可以假设理想状态下半导体制冷器产生的热量全部被容腔圆筒壁及油液吸收，所以外部半导体制冷器加热产生热量全部经过容器壁与内部液体热量进行交换。通过确定加热时间，可以粗略估算出油液的温度变化，定容积内油液的温度变化与压力存在关系，从而可得出加热时间与压力变化(压力分辨率)的关系，为加热方式提供依据。
基于上述理论基础，本发明提出的一种基于半导体制冷器的液体压力调节装置，其结构如图1所示，包括：造压单元(1)、过滤器(2)、油杯(3)、压力传感器(4)、增压截止阀(5)、继电器(6)、压力热控调节单元(7)、卸压截止阀(8)、测试口(9)。
所述造压单元(1)的主要功能是：制造压力，实现压力初步调节。
所述过滤器(2)的主要功能是：对从油杯(3)流向造压单元(1)的油液进行过滤。
所述油杯(3)的主要功能是：盛装油液。
所述压力传感器(4)的主要功能是：实时测量压力热控调节单元(7)的压力。
所述增压截止阀(5)的主要功能是：控制油液输入到造压单元(1)。
所述继电器(6)的主要功能是：为压力热控调节单元(7)提供电路控制。所述继电器(6)包括4个通道，分别称为通道A(18)、通道B(19)、通道C(20)、通道D(21)。
所述压力热控调节单元(7)的结构如图2所示，图2(a)是压力热控调节单元正视图；图2(b)是图2(a)中压力热控调节单元A-A剖面示意图。压力热控调节单元(7)包括压力容腔(11)、紫铜导热层(14)、4个半导体制冷器(10)(12)(14)(16)。紫铜导热层(14)在压力容腔(11)的环状外表面形成4个对称安装台面。在每个安装台面上，用导热硅胶粘贴一个半导体制冷器(10)(12)(14)(16)。半导体制冷器(10)(12)(14)(16)工作时使用直流电流。压力容腔(11)的内部称为内容腔(15)，用于盛装定容积的油液。4个半导体制冷器分别称为半导体制冷器A(10)、半导体制冷器B(12)、半导体制冷器C(14)、半导体制冷器D(16)。
所述压力热控调节单元(7)的主要功能是：控制内容腔(15)中油液的吸热量或放热量，使得定容积的油液温度发生微小变化，进而间接控制油液的压力发生微小变化，从而完成对油液目标压力的精确调节。
所述卸压截止阀(8)的主要功能是：控制油液回流至油杯(3)。
所述测试口(9)的主要功能是：为外接设备提供目标压力。
其连接关系为：压力热控调节单元(7)的一端通过三通分别与卸压截止阀(8)输入端以及测试口(9)的输入端连接；压力热控调节单元(7)的另一端通过三通分别与压力传感器(4)以及增压截止阀(5)的输出端连接；测试口(9)的输出端与外接设备连接；卸压截止阀(8)的输出端与油杯(3)的溢出管道连接；油杯(3)的输出管道与过滤器(2)的输入端连接；过滤器(2)的输出端与造压单元(1)的油液的入口连接；造压单元(1)的压力出口与增压截止阀(5)的输入端连接。
图3是压力热控调节部分电路控制示意图，具体为：
压力热控调节单元(7)上的半导体制冷器A(10)和半导体制冷器B(12)中的正极分别与继电器(6)中的通道A(18)、通道B(19)的一端连接；压力热控调节单元(7)上的半导体制冷器A(10)和半导体制冷器B(12)中的负极分别与外接直流电源(17)的负极连接；通道A(18)、通道B(19)的另一端分别与外接直流电源(17)的正极连接。
压力热控调节单元(7)上的半导体制冷器C(14)和半导体制冷器D(16)中的负极分别与继电器(6)的通道C(20)、通道D(21)的一端连接；压力热控调节单元(7)上的半导体制冷器C(14)和半导体制冷器D(16)中的正极分别与外接直流电源(17)的负极连接；通道C(20)、通道D(21)的另一端分别与外接直流电源(17)的正极连接。
外接直流电源与半导体制冷器的正负极连接状态决定在半导体制冷器上实现制冷或加热，半导体制冷器A(10)和半导体制冷器B(12)用于实现加热，半导体制冷器C(14)和半导体制冷器D(16)用于实现制冷。
基于半导体制冷器的液体压力调节装置的压力调节方法包括：
①当前压力小于目标压力值时，操作过程如下：
步骤1.1：打开增压截止阀(5)，关闭卸压截止阀(8)，造压单元(1)制造压力，此时油杯(3)内的油液流向压力容腔(11)，压力容腔(11)中的油液质量增加，内容腔(15)压力增加，实现目标压力的粗调。
步骤1.2：通过控制继电器(6)中的通道A(18)、通道B(19)的开、闭状态及开、闭时间，实现对半导体制冷器A(10)和/或半导体制冷器B(12)的加热控制。当半导体制冷器A(10)和/或半导体制冷器B(12)加热时，内容腔(15)的油液吸热，温度升高，压力增加，直到输出压力为目标压力为止。
②当前压力大于目标压力值时，操作过程如下：
步骤2.1：卸压截止阀(8)打开，压力内容腔(5)内液体回流至油杯(3)，压力容腔(11)内油液质量减少，油液压力减少。
步骤2.2：通过控制继电器(6)中的通道C(20)、通道D(21)的开、闭状态及开、闭时间，实现对半导体制冷器C(14)和/或半导体制冷器D(16)的制冷控制。当半导体制冷器C(14)和/或半导体制冷器D(16)制冷时，使内容腔(15)的油液放热，温度降低，系统压力降低，直到输出压力为目标压力为止。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于半导体制冷器的液体压力调节装置，其特征在于：包括：造压单元(1)、过滤器(2)、油杯(3)、压力传感器(4)、增压截止阀(5)、继电器(6)、压力热控调节单元(7)、卸压截止阀(8)、测试口(9)。
2.如权利要求1所述的一种基于半导体制冷器的液体压力调节装置，其特征在于：所述继电器(6)包括4个通道，分别称为通道A(18)、通道B(19)、通道C(20)、通道D(21)。
3.如权利要求1或2所述的一种基于半导体制冷器的液体压力调节装置，其特征在于：所述压力热控调节单元(7)包括压力容腔(11)、紫铜导热层(14)、4个半导体制冷器(10)(12)(14)(16)；紫铜导热层(14)在压力容腔(11)的环状外表面形成4个对称安装台面；在每个安装台面上，用导热硅胶粘贴一个半导体制冷器(10)(12)(14)(16)；半导体制冷器(10)(12)(14)(16)工作时使用直流电流；压力容腔(11)的内部称为内容腔(15)，用于盛装定容积的油液；4个半导体制冷器分别称为半导体制冷器A(10)、半导体制冷器B(12)、半导体制冷器C(14)、半导体制冷器D(16)。
4.如权利要求1至3之一所述的一种基于半导体制冷器的液体压力调节装置，其特征在于：
所述造压单元(1)的主要功能是：制造压力，实现压力初步调节；
所述过滤器(2)的主要功能是：对从油杯(3)流向造压单元(1)的油液进行过滤；
所述油杯(3)的主要功能是：盛装油液；
所述压力传感器(4)的主要功能是：实时测量压力热控调节单元(7)的压力；
所述增压截止阀(5)的主要功能是：控制油液输入到造压单元(1)；
所述继电器(6)的主要功能是：为压力热控调节单元(7)提供电路控制；
所述压力热控调节单元(7)的主要功能是：控制内部油液的吸热量或放热量，使得油液温度发生微小变化，进而间接控制油液的压力发生微小变化，从而完成对油液目标压力的精确调节；
所述卸压截止阀(8)的主要功能是：控制油液回流至油杯(3)；
所述测试口(9)的主要功能是：为外接设备提供目标压力。
5.如权利要求3至4之一所述的一种基于半导体制冷器的液体压力调节装置，其特征在于：
其连接关系为：压力热控调节单元(7)的一端通过三通分别与卸压截止阀(8)输入端以及测试口(9)的输入端连接；压力热控调节单元(7)的另一端通过三通分别与压力传感器(4)以及增压截止阀(5)的输出端连接；测试口(9)的输出端与外接设备连接；卸压截止阀(8)的输出端与油杯(3)的溢出管道连接；油杯(3)的输出管道与过滤器(2)的输入端连接；过滤器(2)的输出端与造压单元(1)的油液的入口连接；造压单元(1)的压力出口与增压截止阀(5)的输入端连接；
压力热控调节单元(7)上的半导体制冷器A(10)和半导体制冷器B(12)中的正极分别与继电器(6)中的通道A(18)、通道B(19)的一端连接；压力热控调节单元(7)上的半导体制冷器A(10)和半导体制冷器B(12)中的负极分别与外接直流电源(17)的负极连接；通道A(18)、通道B(19)的另一端分别与外接直流电源(17)的正极连接；
压力热控调节单元(7)上的半导体制冷器C(14)和半导体制冷器D(16)中的负极分别与继电器(6)的通道C(20)、通道D(21)的一端连接；压力热控调节单元(7)上的半导体制冷器C(14)和半导体制冷器D(16)中的正极分别与外接直流电源(17)的负极连接；通道C(20)、通道D(21)的另一端分别与外接直流电源(17)的正极连接。
6.如权利要求3至5之一所述的一种基于半导体制冷器的液体压力调节装置，其特征在于：外接直流电源与半导体制冷器的正负极连接状态决定在半导体制冷器上实现制冷或加热，半导体制冷器A(10)和半导体制冷器B(12)用于实现加热，半导体制冷器C(14)和半导体制冷器D(16)用于实现制冷。
7.基于半导体制冷器的液体压力调节装置的压力调节方法，其特征在于：包括：当前压力小于目标压力值时，操作过程如下：
步骤1.1：打开增压截止阀(5)，关闭卸压截止阀(8)，造压单元(1)制造压力，此时油杯(3)内的油液流向压力容腔(11)，压力容腔(11)中的油液质量增加，内容腔(15)压力增加，实现目标压力的粗调；
步骤1.2：通过控制继电器(6)中的通道A(18)、通道B(19)的开、闭状态及开、闭时间，实现对半导体制冷器A(10)和/或半导体制冷器B(12)的加热控制；当半导体制冷器A(10)和/或半导体制冷器B(12)加热时，内容腔(15)的油液吸热，温度升高，压力增加，直到输出压力为目标压力为止。
8.如权利要求7所述的基于半导体制冷器的液体压力调节装置的压力调节方法，其特征在于：还包括：当前压力小于目标压力值，操作过程如下：
步骤2.1：卸压截止阀(8)打开，压力内容腔(5)内液体回流至油杯(3)，压力容腔(11)内油液质量减少，油液压力减少；
步骤2.2：通过控制继电器(6)中的通道C(20)、通道D(21)的开、闭状态及开、闭时间，实现对半导体制冷器C(14)和/或半导体制冷器D(16)的制冷控制；当半导体制冷器C(14)和/或半导体制冷器D(16)制冷时，使内容腔(15)的油液放热，温度降低，系统压力降低，直到输出压力为目标压力为止。
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