CN103488203A - 基于脉宽调制方式气体压力快速调节装置及调节方法 - Google Patents

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本发明涉及基于脉宽调制方式气体压力快速调节装置及调节方法，属于静态压力计量校准技术领域。该装置包括气路部分和电路部分；其中气路部分包括气源（1）、减压阀（2）、过滤器（3）、增压电磁阀（4）、卸压电磁阀（5）、压力变送器（6）、气容（8）和测试口（9）。本发明利用流量控制方式，获得较宽的压力调节范围，采用价格相对较低的压力变送器、合理的电路设计并结合脉宽调制方式驱动电磁阀为数采、压力控制节省大量时间，为更高准确度的气体压力控制提供前级快速控制。

Description

基于脉宽调制方式气体压力快速调节装置及调节方法
技术领域
本发明涉及基于脉宽调制方式气体压力快速调节装置及调节方法，属于静态压力计量校准技术领域。
背景技术
压力与其他的物理参数一样，是工业生产过程及自动化过程不可缺少的控制参数，其计量准确程度直接影响到生产的经济效益和能源的利用率。由于压力检定和校准的数量大及要求高，所以必须要有高性能和自动化的压力校准装置。
传统的气体活塞压力计，由于只能产生离散压力点，且需要搬动砝码，不能快速产生目标压力等不足，不适用于现场校准和为外接设备快速提供目标压力值。近年来国外已经研制和生产出各种高性能和自动化程度高的气体压力控制校准系统，能快速、稳定产生用户所需压力。
各种气体压力控制器的核心技术就是压力控制技术，它是通过对气体的精确控制来实现的。其控制技术主要有两种：变容积控制技术和流量控制技术。变容积控制技术通过改变密闭容积内气体的体积改变输出压力。此方法的优点是在小范围表压力和小疏空压力时有较好的控制精度；缺点是压力大时控制灵敏度过高，在高压范围内进行压力调节时，容腔中的高压气体会对调压活塞产生很大的轴向推力，这个推力会直接作用在传动系统上，大大增加了传动系统的负荷，使得在高压情况下活塞的轴向移动较为困难，从而不易实现高压下的压力精确调节，且难于实现变容积内气体的密封。
流量控制技术是通过增加或减少对密闭容腔中气体的质量来实现对气体压力的控制，测量范围宽。目前流量控制技术普遍采用单级控制来实现较高的控制准确度，利用一支智能数字式压力传感器感受当前实际压力并参与控制反馈。往往需要数字式压力传感器的分辨率在0.002%FS，而传感器的响应时间与分辨率密切相关，分辨率为0.002%FS时的响应时间均在150ms以上，在追求高精度控制过程中，传感器反馈回的压力值与目标压力的反复计算比较，需要耗费大量时间。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有气体变容积技术中气体高压对活塞产生的轴向推力大导致调压困难的问题，提出基于脉宽调制方式气体压力快速调节装置及调节方法，为更高准确度的气体压力控制提供前级快速控制手段。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明的基于脉宽调制方式气体压力快速调节装置，该装置包括气路部分和电路部分；其中气路部分包括气源1、减压阀2、过滤器3、增压电磁阀4、卸压电磁阀5、压力变送器6、气容8和测试口9；
所述增压电磁阀4、卸压电磁阀5均为常闭电磁阀，分别采用脉宽调制方式进行驱动，即通过改变控制脉冲列的周期来调整电磁阀的开关频率，改变控制脉冲的宽度或者占空比，对电磁阀开启或关闭的时间长短进行调整；
气源1与减压阀2通过管路连接，减压阀2与过滤器3通过管路连接，过滤器3的出口与增压电磁阀4的入口通过管路连接；增压电磁阀4的出口与卸压电磁阀5的入口通过管路连接，增压电磁阀4的出口与气容8的入口通过管路连接；增压电磁阀4的出口与压力变送器6通过管路连接；卸压电磁阀5的出口通大气，气容8和测试口9通过管路连接；
所述气源1的主要功能是：为整套装置提供初始压力；
所述减压阀2的主要功能是：将气源提供的气体压力按要求进行减压调节；
所述过滤器3的主要功能是：对从减压阀2流向增压电磁阀4的气体进行过滤；
所述增压电磁阀4的主要功能是：控制输入到气容8的气体；
所述卸压电磁阀5的主要功能是：控制从气容8排向大气中的气体；
所述压力变送器6的主要功能是：用来测量输出的压力，并对电路控制提供反馈电压信号，其响应时间小于5ms；
所述气容8的主要功能是：气体储存容器，对压力变化有缓冲作用；
所述测试口9的主要功能是：为外接设备提供目标压力。
电路部分包括AD采样芯片10、单片机11、电磁阀直流供电电源12和固态继电器13；
AD采样芯片10与压力变送器6通过电路连接，AD采样芯片10采集压力变送器6输出的电压信号；
单片机11与AD采样芯片10通过电路连接；
单片机11与电磁阀直流供电电源12、固态继电器13通过电路连接；
固态继电器13分为两个通道，其中一个通道的接线端与增压电磁阀4通过电路连接，另外一个通道的接线端与卸压电磁阀5通过电路连接；
电磁阀直流供电电源12的正极与固态继电器13通过电路连接，电磁阀直流供电电源12的负极与增压电磁阀4、卸压电磁阀5通过电路连接；
所述单片机11的主要功能是：主要完成对AD采样芯片的数据与输入的目标电压值进行比较，并根据比较结果控制相应的电磁阀改变工作状态或保持，以满足最终的压力输出。
所述AD采样芯片10的主要功能是：采集压力变送器反馈回的电压值，并将其转换为数字信号传输给单片机，供单片机判断如何驱动电磁阀工作。
所述固态继电器13包括2个通道，分别称为通道A14、通道B15，主要功能是：为单片机的“命令”传达工具，它含2个隔离输出通道，能快速响应单片机传来的开关控制信号，控制对应电磁阀的开关动作，以实现对气路中电磁阀的开、闭状态控制，从而实现装置在不同工作状态下气路的切换和对装置输出压力的控制。
所述电磁阀直流供电电源12的主要功能是：为电磁阀提供12V直流电压。
本发明的基于脉宽调制方式气体压力快速调节方法，步骤为：
步骤1：调节减压阀2，使气源1输出压力高于目标压力值，单片机11将输入的目标压力值转换为与之成正比的电压值V1，压力变送器6测量当前的压力，AD采样芯片10采集压力变送器6反馈回的电压值V2，并传送到单片机11上，单片机11对电压值V1、V2进行比较，利用两个电压的差值对固态继电器13通道进行控制，从而实现对电磁阀脉宽调制方式驱动；当V1减V2大于0.1V时，进入步骤2；当V2减V1大于0.1V时，进入步骤3；当V2与V1的差值小于0.1V时，进入步骤4；
步骤2：当V2小于V1，即当前压力小于目标压力，固态继电器13的通道A14吸合，12V电压加到增压电磁阀4上，增压电磁阀4开启，保持卸压电磁阀5关闭，压力可从气源1经过减压阀2、过滤器3、增压电磁阀4进入到气容8，气容8压力增加；当V2与V1的差值小于0.1V时，进入步骤4；
步骤3：当V2大于V1，即当前压力大于目标压力，固态继电器13的通道B15吸合，12V电压加到卸压电磁阀5上，增压电磁阀4关闭，卸压电磁阀5开启，气容8内的气体通过卸压电磁阀5的出口排向大气，气容8压力减小；当V2与V1的差值小于0.1V时，进入步骤4；
步骤4：当V2与V1的差值小于等于0.1V时，固态继电器13的通道A14和通道B15两个通道同时开启，缩短控制脉冲列的周期，即加快增压电磁阀4和卸压电磁阀5的开、闭频率，由于充气-排气特性的不对称性，气容8内气体压力会发生微小变化，来确定增压电磁阀4和卸压电磁阀5在一个周期内开启时间的长短，从而达到对气容8内气体压力的快速差动控制的目的。
有益效果
①避免了气体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；
②利用流量控制方式，获得较宽的压力调节范围，采用价格相对较低的压力变送器、合理的电路设计并结合脉宽调制方式驱动电磁阀为数采、压力控制节省大量时间，为更高准确度的气体压力控制提供前级快速控制。
③为应用范围较广、准确度等级在1.0级及其以下的压力仪表的快速检定提供可运用的技术手段，从而降低实验室以及现场校准的劳动强度，提高校准的工作效率。
附图说明
图1是本发明气体压力快速调节装置气路结构示意图
图2是本发明气体压力快速调节装置电路连接示意图
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1、2，通过1个具体实施例，对本发明做进一步说明。
实施例1
基于脉宽调制方式气体压力快速调节装置，该装置包括气路部分和电路部分；其中气路部分包括气源1、减压阀2、过滤器3、增压电磁阀4、卸压电磁阀5、压力变送器6、气容8和测试口9；
所述增压电磁阀4、卸压电磁阀5均为常闭电磁阀，分别采用脉宽调制方式进行驱动，即通过改变控制脉冲列的周期来调整电磁阀的开关频率，改变控制脉冲的宽度或者占空比，对电磁阀开启或关闭的时间长短进行调整；
气源1与减压阀2通过管路连接，减压阀2与过滤器3通过管路连接，过滤器3的出口与增压电磁阀4的入口通过管路连接；增压电磁阀4的出口与卸压电磁阀5的入口通过管路连接，增压电磁阀4的出口与气容8的入口通过管路连接；增压电磁阀4的出口与压力变送器6通过管路连接；卸压电磁阀5的出口通大气，气容8和测试口9通过管路连接；
所述气源1的主要功能是：为整套装置提供初始压力；
所述减压阀2的主要功能是：将气源提供的气体压力按要求进行减压调节；
所述过滤器3的主要功能是：对从减压阀2流向增压电磁阀4的气体进行过滤；
所述增压电磁阀4的主要功能是：控制输入到气容8的气体；
所述卸压电磁阀5的主要功能是：控制从气容8排向大气中的气体；
所述压力变送器6的主要功能是：用来测量输出的压力，并对电路控制提供反馈电压信号，其响应时间小于5ms；
所述气容8的主要功能是：气体储存容器，对压力变化有缓冲作用；
所述测试口9的主要功能是：为外接设备提供目标压力。
电路部分包括AD采样芯片10、单片机11、电磁阀直流供电电源12和固态继电器13；
AD采样芯片10与压力变送器6通过电路连接，AD采样芯片10采集压力变送器6输出的电压信号；
单片机11与AD采样芯片10通过电路连接；
单片机11与电磁阀直流供电电源12、固态继电器13通过电路连接；
固态继电器13分为两个通道，其中一个通道的接线端与增压电磁阀4通过电路连接，另外一个通道的接线端与卸压电磁阀5通过电路连接；
电磁阀直流供电电源12的正极与固态继电器13通过电路连接，电磁阀直流供电电源12的负极与增压电磁阀4、卸压电磁阀5通过电路连接；
所述单片机11的主要功能是：主要完成对AD采样芯片的数据与输入的目标电压值进行比较，并根据比较结果控制相应的电磁阀改变工作状态或保持，以满足最终的压力输出。
所述AD采样芯片10的主要功能是：采集压力变送器反馈回的电压值，并将其转换为数字信号传输给单片机，供单片机判断如何驱动电磁阀工作。
所述固态继电器13包括2个通道，分别称为通道A14、通道B15，主要功能是：为单片机的“命令”传达工具，它含2个隔离输出通道，能快速响应单片机传来的开关控制信号，控制对应电磁阀的开关动作，以实现对气路中电磁阀的开、闭状态控制，从而实现装置在不同工作状态下气路的切换和对装置输出压力的控制。
所述电磁阀直流供电电源12的主要功能是：为电磁阀提供12V直流电压。
基于脉宽调制方式气体压力快速调节方法，步骤为：
步骤1：输入的目标压力值为1MPa，调节减压阀2，使气源1输出的压力为1.5MPa，单片机11将输入的目标压力值转换为与之成正比的电压值V1=5V，压力变送器6测量当前的压力为780kPa，AD采样芯片10采集压力变送器6反馈回的电压值V2=3.9V，并传送到单片机11上，单片机11对电压值V1、V2进行比较，结果为V2小于V1，当即当前压力小于目标压力，固态继电器13的通道A14吸合，12V电压加到增压电磁阀4上，增压电磁阀4开启，保持卸压电磁阀5关闭，压力可从气源1经过减压阀2、过滤器3、增压电磁阀4进入到气容8，气容8压力增加；由于V2为实时变化值，当V2值达到4.9V时，固态继电器13的通道A14和通道B15两个通道同时开启，缩短控制脉冲列的周期，即加快增压电磁阀4和卸压电磁阀5的开、闭频率，由于充气-排气特性的不对称性，气容8内气体压力会发生微小变化，来确定增压电磁阀4和卸压电磁阀5在一个周期内开启时间的长短，从而达到对气容8内气体压力的快速差动控制的目的。
实施例2
基于脉宽调制方式气体压力快速调节方法，步骤为：
步骤1：输入的目标压力值为0.5MPa，调节减压阀2，使气源1输出的压力为1.5MPa，单片机11将输入的目标压力值转换为与之成正比的电压值V1=2.5V，压力变送器6测量当前的压力为1MPa，AD采样芯片10采集压力变送器6反馈回的电压值V2=5.0V，并传送到单片机11上，单片机11对电压值V1、V2进行比较，结果为V2大于V1，当即当前压力大于目标压力，固态继电器13的通道B15吸合，12V电压加到卸压电磁阀5上，增压电磁阀4关闭，卸压电磁阀5开启，气容8内的气体通过卸压电磁阀5的出口排向大气，气容8压力减小；当V2与V1的差值小于0.1V时，进入步骤4；
步骤4：当V2与V1的差值小于等于0.1V时，固态继电器13的通道A14和通道B15两个通道同时开启，缩短控制脉冲列的周期，即加快增压电磁阀4和卸压电磁阀5的开、闭频率，由于充气-排气特性的不对称性，气容8内气体压力会发生微小变化，来确定增压电磁阀4和卸压电磁阀5在一个周期内开启时间的长短，从而达到对气容8内气体压力的快速差动控制的目的。
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 (2)

1.基于脉宽调制方式气体压力快速调节装置，其特征在于：该装置包括气路部分和电路部分；其中气路部分包括气源（1）、减压阀（2）、过滤器（3）、增压电磁阀（4）、卸压电磁阀（5）、压力变送器（6）、气容（8）和测试口（9）；
气源（1）与减压阀（2）通过管路连接，减压阀（2）与过滤器（3）通过管路连接，过滤器（3）的出口与增压电磁阀（4）的入口通过管路连接；增压电磁阀（4）的出口与卸压电磁阀（5）的入口通过管路连接，增压电磁阀（4）的出口与气容（8）的入口通过管路连接；增压电磁阀（4）的出口与压力变送器（6）通过管路连接；卸压电磁阀（5）的出口通大气，气容（8）和测试口（9）通过管路连接；
电路部分包括AD采样芯片（10）、单片机（11）、电磁阀直流供电电源（12）和固态继电器（13）；
AD采样芯片（10）与压力变送器（6）通过电路连接，AD采样芯片（10）采集压力变送器（6）输出的电压信号；
单片机（11）与AD采样芯片（10）通过电路连接；
单片机（11）与电磁阀直流供电电源（12）、固态继电器（13）通过电路连接；
固态继电器（13）分为两个通道，其中一个通道的接线端与增压电磁阀（4）通过电路连接，另外一个通道的接线端与卸压电磁阀（5）通过电路连接；
电磁阀直流供电电源（12）的正极与固态继电器（13）通过电路连接，电磁阀直流供电电源（12）的负极与增压电磁阀（4）、卸压电磁阀（5）通过电路连接。
2.基于脉宽调制方式气体压力快速调节方法，其特征在于步骤为：
步骤1：调节减压阀（2），使气源（1）输出压力高于目标压力值，单片机（11）将输入的目标压力值转换为与之成正比的电压值V1，压力变送器（6）测量当前的压力，AD采样芯片（10）采集压力变送器（6）反馈回的电压值V2，并传送到单片机（11）上，单片机（11）对电压值V1、V2进行比较，利用两个电压的差值对固态继电器（13）通道进行控制，从而实现对电磁阀脉宽调制方式驱动；当V1减V2大于0.1V时，进入步骤2；当V2减V1大于0.1V时，进入步骤3；当V2与V1的差值小于0.1V时，进入步骤4；
步骤2：当V2小于V1，即当前压力小于目标压力，固态继电器（13）的通道A（14）吸合，12V电压加到增压电磁阀（4）上，增压电磁阀（4）开启，保持卸压电磁阀（5）关闭，压力可从气源（1）经过减压阀（2）、过滤器（3）、增压电磁阀（4）进入到气容（8），气容（8）压力增加；当V2与V1的差值小于0.1V时，进入步骤4；
步骤3：当V2大于V1，即当前压力大于目标压力，固态继电器（13）的通道B（15）吸合，12V电压加到卸压电磁阀（5）上，增压电磁阀（4）关闭，卸压电磁阀（5）开启，气容（8）内的气体通过卸压电磁阀（5）的出口排向大气，气容（8）压力减小；当V2与V1的差值小于0.1V时，进入步骤4；
步骤4：当V2与V1的差值小于等于0.1V时，固态继电器（13）的通道A（14）和通道B（15）两个通道同时开启，缩短控制脉冲列的周期，即加快增压电磁阀（4）和卸压电磁阀（5）的开、闭频率，从而达到对气容（8）内气体压力的快速差动控制的目的。
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