CN103197693B - 一种空气质量流量控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种空气质量流量控制装置，包括气体质量流量传感器和流量控制电磁比例阀，所述的气体质量流量传感器连接信号调理电路模块，所述的信号调理电路模块连接信号控制算法电路模块，所述的信号控制算法电路模块连接信号输出驱动电路模块，所述的信号输出驱动电路模块连接流量控制电磁比例阀，所述的信号调理电路模块连接信号输出电路模块，所述的信号控制算法电路模块连接控制信号输入电路模块。本发明能够根据接收到的质量流量设定值，将装置的质量流量精确的控制为接收到的质量流量设定值，精度高、稳定性好、抗干扰能力强。能够输出所监测的质量流量的电压信号，便于传输至上位机或主控制器进行屏幕显示。

Description

一种空气质量流量控制装置
技术领域
本发明涉及自动控制领域中的一种空气质量流量控制装置。
背景技术
空气质量流量控制器用于对空气质量流量进行精密测量、控制。它在特种化学材料、电路工业、化学工业、医药、真空和环保等多种领域的生产和科研中有着重要的作用。其典型应用场合包括：扩算、氧化、外延、等离子刻蚀、离子注入、镀膜设备、光纤、混气配气系统、毛细管测量及其它分析仪器。
目前，国内空气质量流量控制器由于控制电路设计存在争议、算法、参数选择缺乏科学性、器件选择缺乏实践考证，质量流量控制极易受到温度、压强、电磁干扰等外界影响，导致质量流量波动幅度大、稳定性差。所以如何设计流量波动小、稳定性好、精度高、响应速度快、稳定可靠、工作温度压力范围宽、重复性好、操作方便、便于与其它控制器或上位机连接的空气质量流量控制器就非常必要。
发明内容
本发明的目的是提供一种设计流量波动小、稳定性好、精度高、响应速度快、稳定可靠、工作温度压力范围宽、重复性好、操作方便、便于与其它控制器或上位机连接的空气质量流量控制器。
本发明采用的技术方案是：一种空气质量流量控制装置，包括气体质量流量传感器和流量控制电磁比例阀，所述的气体质量流量传感器连接信号调理电路模块，所述的信号调理电路模块的端口A连接信号控制算法电路模块的端口D，所述的信号控制算法电路模块的端口E连接信号输出驱动电路模块的端口F，所述的信号输出驱动电路模块的端口G连接流量控制电磁比例阀，所述的信号调理电路模块的端口A连接信号输出电路模块的端口B，所述的信号控制算法电路模块端口C连接控制信号输入电路模块；所述的信号控制算法电路模块包括依次串联的减法电路、积分电路和加法求和电路；所述的积分电路并联比例放大电路；所述的减法电路包括并联的电阻R10、电容C8和运算放大器LM324；所述的积分电路包括并联的电阻R13、电容C3和运算放大器LM324；所述的比例放大电路包括并联的电阻R15和运算放大器LM324；所述的加法求和电路包括并联的电阻R22和运算放大器LM324。考虑到系统的稳定性，每个部分都用螺丝固定在机械框架结构上，模块之间通过接插件进行电气连接。气流首先经过质量流量传感器，质量流量传感器输出监测电压信号至控制电路，由控制电路输出相应信号驱动流量控制电磁比例阀，通过控制流量控制电磁比例阀的不同开度大小，达到控制空气质量流量的目的。
作为本发明的进一步改进，所述的信号调理电路模块的电阻R1并联电容C1，构成RC滤波电路；所述的RC滤波电路串联运算放大器LM324，构成缓冲电路；电阻R4、电容C2和运算放大器LM324相互并联，构成放大电路；滑动电阻R5和运算放大器LM324串联，所述滑动电阻R5一端接地，另一端接入运算放大器LM324的一个输入端，电阻R7和运算放大器LM324并联，电阻R7的一端接入运算放大器LM324的另一输入端，电阻R7的另一端接入运算放大器LM324的输出端，构成调零电路；所述的RC滤波电路、电阻R2、缓冲电路、电阻R6、调零电路依次串联；
所述的信号输出驱动电路模块包括芯片U1-3524；电阻R24和电容C4相互并联，其两端分别接入到芯片U1-3524的8脚和9脚；；电阻R25、电阻R26和电容C7相互并联，所述电阻R25、R26和电容C7的一端接地，电阻R25的另一端接入芯片U1-3524的2脚，电阻R26的另一端接入芯片U1-3524的4脚，电容C7的另一端接入芯片U1-3524的CT脚；电阻R27接入到芯片U1-3524的14脚。
本发明采用的有益效果是：本发明能够根据接收到的质量流量设定值，将装置的质量流量精确的控制为接收到的质量流量设定值，精度高、稳定性好、抗干扰能力强。能够输出所监测的质量流量的电压信号，便于传输至上位机或主控制器进行屏幕显示。
附图说明
图1为本发明示意图。
图2为信号调理电路模块的电路图。
图3为信号控制算法电路模块的电路图。
图4为信号输出驱动电路模块的电路图。
图5为信号输出电路模块的电路图。
图中所示：1信号输出电路模块，2信号调理电路模块，3气体质量流量传感器，4信号控制算法电路模块，5信号输入电路模块，6信号输出驱动电路模块，7流量控制电磁比例阀，9 端口A,12端口B,13端口C,14端口D,21端口E，23端口F，28芯片U1-3524，32 开关管，33端口G。
具体实施方式
下面结合图，对本发明做进一步的说明。
如图所示，一种空气质量流量控制装置，包括气体质量流量传感器和流量控制电磁比例阀，所述的气体质量流量传感器连接信号调理电路模块，所述的信号调理电路模块的端口A连接信号控制算法电路模块的端口D，所述的信号控制算法电路模块的端口E连接信号输出驱动电路模块的端口F，所述的信号输出驱动电路模块的端口G连接流量控制电磁比例阀，所述的信号调理电路模块的端口A连接信号输出电路模块的端口B，所述的信号控制算法电路模块端口C连接控制信号输入电路模块；所述的信号调理电路模块的电阻R1并联电容C1，构成RC滤波电路；所述的RC滤波电路串联运算放大器LM324，构成缓冲电路；电阻R4、电容C2和运算放大器LM324相互并联，构成放大电路；滑动电阻R5和运算放大器LM324串联，所述滑动电阻R5一端接地，另一端接入运算放大器LM324的一个输入端，电阻R7和运算放大器LM324并联，电阻R7的一端接入运算放大器LM324的另一输入端，电阻R7的另一端接入运算放大器LM324的输出端，构成调零电路；所述的RC滤波电路、电阻R2、缓冲电路、电阻R6、调零电路依次串联；所述的信号控制算法电路包括依次串联的减法电路、积分电路和加法求和电路；所述的积分电路并联比例放大电路；所述的减法电路包括并联的R10、电容C8和运算放大器LM324；所述的积分电路包括并联的R13、电容C3和运算放大器LM324；所述的比例放大电路包括并联的R15和运算放大器LM324；所述的加法求和电路包括并联的R22和运算放大器LM324；所述的信号输出驱动电路模块包括芯片U1-3524；电阻R24和电容C4相互并联，其两端分别接入到芯片U1-3524的8脚和9脚；电阻R25、电阻R26和电容C7相互并联，所述电阻R25、R26和电容C7的一端接地，电阻R25的另一端接入芯片U1-3524的2脚，电阻R26的另一端接入芯片U1-3524的4脚，电容C7的另一端接入芯片U1-3524的CT脚；电阻R27接入到芯片U1-3524的14脚。
气体质量流量传感器为气流进气口，并实时监测气体质量流量，输出相应1-5V的电压信号，质量流量传感器选用了Honywell的热膜式气体质量流量传感器。控制电路采用自动控制原理设计了PID控制电路，根据接收到的质量流量设定值与质量流量监测值进行PID运算，并输出相应占空比的PWM信号至流量控制电磁比例阀，流量控制电磁比例阀选用的是美国PARKER热补偿式电磁比例阀，通过阀的开度大小达到精确控制气体质量流量的目的。
所述的信号调理电路模块，输入端为质量流量传感器的监测信号，电压范围为1-5V。由于所测的电压信号高频信号含量较多，所以设计了有R1与C1组成的RC滤波电路，滤波电路输出至由运算放大器LM324设计的缓冲电路，这样可以提高电路的输入电阻，增强信号的驱动的能力。同时为了将电压信号扩展为0-5V,又利用运算放大器LM324设计了相应信号放大电路，利用R4可以构成不同的放大系数，C2是为防止电路振荡而设计的。利用运算放大器LM324设计了信号调零电路，可以通过滑动变阻器R5调节信号的零点电压。经过调理的质量流量信号由端口A输出。
所述的端口C接收主控制器或上位机的控制电压，为0-5V的电压信号。端口D为输出信号，与端口A相连。由运算放大器LM324与C8及其外围器件构成减法电路，输出设定值与监测值的差值电压。控制电路采用了并联式PID设计，由运算放大器LM324及其外围器件构成了积分电路，其中C3影响到积分系数的大小。运算放大器LM324及其外围器件构成了比例放大电路。比例放大电路与积分电路分别输出至由运算放大器LM324构成的加法求和电路。最终由端口E输出电压信号。
所述的信号输出驱动电路模块由芯片U1-3524及其附属电路构成了流量控制电磁比例阀的驱动电路。端口F与端口E相接，C4与R24是为U1-3524设计的温度补偿器件。通过调节R26值与C7值，可以输出不同频率的PWM信号，本系统的频率范围为800-1000Hz。U1-3524的12脚、13脚、15脚为电源+15V的输入端，C5与C6为+15V电源设计的滤波、退耦电容。MOSFET为开关管,R27为MOSFET的电荷泄放电阻。二极管D1为流量控制电磁比例阀的续流二极管，防止流量控制电磁比例阀产生反向电动势损坏电路其它器件。端口G为电路的最终输出信号，接至装置的流量控制电磁比例阀。

Claims (3)

1.一种空气质量流量控制装置，包括气体质量流量传感器（3）和流量控制电磁比例阀（7），其特征在于所述的气体质量流量传感器（3）连接信号调理电路模块（2），所述的信号调理电路模块（2）的端口A(9)连接信号控制算法电路模块（4）的端口D(14)，所述的信号控制算法电路模块（4）的端口E(21)连接信号输出驱动电路模块（6）的端口F(23)，所述的信号输出驱动电路模块（6）的端口G(33)连接流量控制电磁比例阀（7），所述的信号调理电路模块（2）的端口A(9)连接信号输出电路模块（1）的端口B(12)，所述的信号控制算法电路模块（4）的端口C(13)连接控制信号输入电路模块（5）；所述的信号控制算法电路模块包括依次串联的减法电路、积分电路和加法求和电路；所述的积分电路并联比例放大电路；所述的减法电路包括并联的电阻R10、电容C8和运算放大器LM324；所述的积分电路包括并联的电阻R13、电容C3和运算放大器LM324；所述的比例放大电路包括并联的电阻R15和运算放大器LM324；所述的加法求和电路包括并联的电阻R22和运算放大器LM324。
2.根据权利要求1所述的一种空气质量流量控制装置，其特征在于所述的信号调理电路模块的电阻R1并联电容C1，构成RC滤波电路；所述的RC滤波电路串联运算放大器LM324，构成缓冲电路；电阻R4、电容C2和运算放大器LM324相互并联，构成放大电路；滑动电阻R5和运算放大器LM324串联，所述滑动电阻R5一端接地，另一端接入运算放大器LM324的一个输入端，电阻R7和运算放大器LM324并联，电阻R7的一端接入运算放大器LM324的另一输入端，电阻R7的另一端接入运算放大器LM324的输出端，构成调零电路；所述的RC滤波电路、电阻R2、缓冲电路、电阻R6、调零电路依次串联。
3.根据权利要求1所述的一种空气质量流量控制装置，其特征在于所述的流量控制电磁比例阀驱动电路包括芯片U1-3524（28）；电阻R24和电容C4相互并联，其两端分别接入到芯片U1-3524的8脚和9脚；电阻R25、电阻R26和电容C7相互并联，所述电阻R25、电阻R26和电容C7的一端接地，电阻R25的另一端接入芯片U1-3524的2脚，电阻R26的另一端接入芯片U1-3524的4脚，电容C7的另一端接入芯片U1-3524的CT脚；电阻R27接入到芯片U1-3524的14脚。
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