CN104832466B - 一种变面积比压力倍增装置及调节方法 - Google Patents
一种变面积比压力倍增装置及调节方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种压力调节装置，尤其涉及变面积比压力倍增装置及调节方法，属于静态压力计量校准领域。本发明提出的装置主要包括进气口、气腔排气口、开关阀、活塞限位、上下气腔、气体活塞、活塞连接杆、液压密封组件、出液口、油压管、单向阀、出液口、进液口、液压腔、液压动密封、液压活塞、气压管路和气压控制单元。本发明中气体活塞与液压活塞有较大的面积比，在调节过程中，利用气体活塞循环往复的作用，最终使气体活塞和液压活塞处于力平衡状态，由于压力与面积的反比关系，此时液压输出口的压力，跟进气口的压力相比达到倍增效果。本发明为高压的快速、稳定产生奠定了基础，为压力进一步精确控制做好准备。
Description
技术领域
本发明涉及一种高压压力调节装置，尤其涉及变面积比压力倍增装置及调节方法，属于静态压力计量校准领域。
背景技术
压力是力学计量领域的基础量值之一。而液体高压的测量作为压力测试的重要部分现已广泛应用于航空、航天、船舶、石油勘探等领域，在民用工业如汽车工业等制造工业中也扮演着重要的角色，随着科学技术的发展和新技术的应用，以及现场校准技术的提出，高压测试需求越来越广泛。
目前，广泛使用的现场液体高压压力计量校准仪器主要是油介质压力控制器。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。
油介质压力控制器控制压力的第一步就是实现压力的快速、准确发生，目前均是采用变容积控制方式，利用活塞的一端对密闭在活塞筒内的油液进行压缩，从而达到压力调节的目的。这种利用活塞单端进行压力调节的方法，虽然能得到较高的控制分辨率，但是存在以下却低昂：①对活塞机械加工精度要求高；②压力上升速度慢；③活塞做功过多。所以基于单活塞结构的传统压力调节装置及调节方法，很难同时兼顾压力控制速度和压力控制分辨率这一对相互制约的指标。
发明内容
本发明的目的是解决传统液体压力发生方法较慢，需要液压活塞大量做功的，对活塞机械加工精度要求高等问题，提供一种控制速度快，控制准确度较高的基于变面积比压力倍增装置及其调节方法。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明提出的一种变面积比压力倍增装置，其特征在于：其包括：进气口(1)、上气腔排气口(2)、开关阀A(3)、上气腔活塞限位器(4)、上气腔(5)、气腔主体(6)、O型圈(7)、气体活塞(8)、下气腔(9)、下气腔活塞限位器(10)、下气腔排气口(11)、开关阀B(12)、液压密封组件(13)、液压腔主体(14)、出液口(15)、单向阀A(17)、压力传感器(18)、油杯(19)、单向阀B(20)、进液口(21)、液压腔(22)、液压动密封(23)、液压活塞(24)、活塞连接杆(25)、开关阀C(26)、气压管路(27)、气压控制单元(28)、油压管A(29)、油压管B(30)、油压管C(31)和油压管D(32)。
所述变面积比压力倍增装置的主体由气腔主体(6)和液压腔主体(14)构成。气腔主体(6)和液压腔主体(14)均为圆柱体结构；气腔主体(6)垂直于轴线的截面面积大于液压腔主体(14)垂直于轴线的截面面积。气腔主体(6)固定于液压腔主体(14)上方。
所述气体活塞(8)垂直于轴线的截面面积与液压活塞(24)垂直于轴线的截面面积之比在(1,200]范围内。
气体活塞(8)位于气腔主体(6)内部；液压活塞(24)位于液压腔主体(14)内部；气体活塞(8)与液压活塞(24)之间通过活塞连接杆(25)固定连接。气体活塞(8)的侧壁上有一圈U型槽，O型圈(7)固定在气体活塞(8)的U型槽内，起密封作用。
气腔主体(6)、液压腔主体(14)、气体活塞(8)、液压活塞(24)和活塞连接杆(25)均同轴。
气腔主体(6)内部介质为气体。进气口(1)位于气腔主体(6)的上端；气压控制单元(28)通过进气口(1)向气腔主体(6)的内部提供持续稳定的压力。
气体活塞(8)将气腔主体(6)分为上气腔(5)和下气腔(9)；上气腔(5)的上端有上气腔排气口(2)；上气腔排气口(2)上安装有开关阀A(3)；上气腔(5)的侧壁上端安装有上气腔活塞限位器(4)；上气腔排气口(2)的高度高于上气腔活塞限位器(4)。下气腔(9)的下端有下气腔排气口(11)；下气腔排气口(11)上安装有开关阀B(12)；下气腔(9)的侧壁下端安装有下气腔活塞限位器(10)；下气腔排气口(11)的高度底于下气腔活塞限位器(10)。
液压腔主体(14)的上端设计有液压密封组件(13)，其作用是定位并导向活塞连接杆(25)，同时起密封作用。液压动密封(23)安装在液压活塞(24)周围，起密封作用。液压密封组件(13)与液压活塞(24)之间的腔体内部介质为气体。液压腔主体(14)内部液压活塞(24)下面的腔体称为液压腔(22)；液压腔(22)内部介质为液体。
液压腔主体(14)的下端设计有出液口(15)和进液口(21)。油压管A(29)的一端通过出液口(15)与液压腔主体(14)连接；油压管A(29)的另一端与单向阀A(17)的输入端连接；单向阀A(17)的输出端与油压管B(30)的一端连接；油压管B(30)的另一端与压力传感器(18)连接。压力传感器(18)的作用是实时测量油压管B(30)内的液体压力。
油压管C(31)的一端通过进液口(21)与液压腔主体(14)连接；油压管C(31)另一端与单向阀B(20)的输出端连接；单向阀B(20)的输入端与油压管D(32)的一端连接；油压管D(32)的另一端与油杯(19)连接。
使用所述变面积比压力倍增装置实现压力倍增的方法，具体实现步骤为：
步骤1：通过公式(1)计算气压控制单元(28)向气压控制单元(28)输入的气体压力值(用符号P1表示)。
其中，P2为目标压力值；N为气体活塞(8)垂直于轴线的截面面积和液压活塞(24)垂直于轴线的截面面积比。
步骤2：使所述变面积比压力倍增装置的开关阀A(3)和开关阀C(26)处于关闭状态；开关阀B(12)处于开启状态。
步骤3：所述变面积比压力倍增装置的气压控制单元(28)通过进气口(1)向气腔主体(6)的内部提供持续稳定的气体压力P1。
步骤4：此时，上气腔(5)内的气体压力大于下气腔(9)内的气体，气体活塞(8)向下移动；同时，液压活塞(24)也在液压腔(22)中向下移动，液压腔(22)内的液体体积压缩，压力增加，油压管A(29)内的压力高于油压管B(30)内的压力，单向阀A(17)开启，液体从油压管A(29)流向油压管B(30)，压力传感器(18)实时测量油压管B(30)内的压力值。如果压力传感器(18)测量得到的油压管B(30)内的压力值与目标压力值P2相等，则停止操作。当气体活塞(8)运动到下气腔活塞限位器(10)位置处，将开关阀B(12)关闭，同时，将开关阀C(26)打开，使上气腔(5)内的气体压力等于下气腔(9)内的气体。
步骤5：将气压控制单元(28)关闭，同时关闭开关阀C(26)，打开开关阀A(3)。
步骤6：此时，上气腔(5)内的气体压力小于下气腔(9)内的气体，气体活塞(8)向上移动；同时，液压活塞(24)也在液压腔(22)中向上移动，此时液压腔(22)体积增大，压力下降，此时，油压管A(29)内的压力低于油压管B(30)内的压力，单向阀A(17)关闭；油压管C(31)内的压力低于油压管D(32)内的压力，单向阀B(20)开启，液体从油杯(19)流向油压管C(31)，并进入液压腔(22)，液压腔(22)内液体质量增加。当气体活塞(8)运动到上气腔活塞限位器(4)位置处，重复步骤3至步骤6的操作。
通过上述步骤的操作，即可实现压力倍增。
有益效果
本发明提出的变面积比压力倍增装置及调节方法与已有技术相比较具有如下优点：
①本发明的变面积比压力倍增装置利用变面积比的活塞系统，一方面结合了当前高压领域所采用的变容积压力控制技术，同时兼顾到压力计量校准设备的实际使用时对控制速度要求高的问题，避免了活塞单端进行压力调节对活塞机械加工精度要求高的难题。
②为油介质压力控制器的研制提供了可实现的技术手段，为高压的快速、稳定产生奠定了基础，它的使用简化了传统的油路，为油液压力进一步精确控制做好准备。
附图说明
图1是本发明具体实施方式中变面积比压力倍增装置的结构示意图；
其中，1-进气口、2-上气腔排气口、3-开关阀A、4-上气腔活塞限位、5-上气腔、6-气腔主体、7-O型圈、8-气体活塞、9-下气腔、10-下气腔活塞限位、11-下气腔排气口、12-开关阀B、13-液压密封组件、14-液压腔主体、15-出液口、16-油压管路、17-单向阀A、18-压力传感器、19-油杯、20-单向阀B、21-进液口、22-液压腔、23-液压动密封、24-液压活塞、25-活塞连接杆、26-开关阀C、27-气压管路、28-气压控制单元、29-油压管A、30-油压管B、31-油压管C、32-油压管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。
本实施例中的变面积比压力倍增装置，其结构如图1所示，其包括：进气口1、上气腔排气口2、开关阀A3、上气腔活塞限位器4、上气腔5、气腔主体6、O型圈7、气体活塞8、下气腔9、下气腔活塞限位器10、下气腔排气口11、开关阀B12、液压密封组件13、液压腔主体14、出液口15、单向阀A17、压力传感器18、油杯19、单向阀B20、进液口21、液压腔22、液压动密封23、液压活塞24、活塞连接杆25、开关阀C26、气压管路27、气压控制单元28、油压管A29、油压管B30、油压管C31和油压管D32。
变面积比压力倍增装置的主体由气腔主体6和液压腔主体14构成。气腔主体6和液压腔主体14均为圆柱体结构；气腔主体6垂直于轴线的截面面积大于液压腔主体14垂直于轴线的截面面积。气腔主体6固定于液压腔主体14上方。
气体活塞8的直径为150mm，液压活塞24的直径为12mm，因此气体活塞8与液压活塞24垂直于轴线的截面面积之比N＝156.25。
气体活塞8位于气腔主体6内部；液压活塞24位于液压腔主体14内部；气体活塞8与液压活塞24之间通过活塞连接杆25固定连接。气体活塞8的侧壁上有一圈U型槽，O型圈7固定在气体活塞8的U型槽内，起密封作用。
气腔主体6、液压腔主体14、气体活塞8、液压活塞24和活塞连接杆25均同轴。
气腔主体6内部介质为气体。进气口1位于气腔主体6的上端；气压控制单元28通过进气口1向气腔主体6的内部提供持续稳定的压力。
气体活塞8将气腔主体6分为上气腔5和下气腔9；上气腔5的上端有上气腔排气口2；上气腔排气口2上安装有开关阀A3；上气腔5的侧壁上端安装有上气腔活塞限位器4；上气腔排气口2的高度高于上气腔活塞限位器4。下气腔9的下端有下气腔排气口11；下气腔排气口11上安装有开关阀B12；下气腔9的侧壁下端安装有下气腔活塞限位器10；下气腔排气口11的高度底于下气腔活塞限位器10。
液压腔主体14的上端设计有液压密封组件13，其作用是定位并导向活塞连接杆25，同时起密封作用。液压动密封23安装在液压活塞24周围，起密封作用。液压密封组件13与液压活塞24之间的腔体内部介质为气体。液压腔主体14内部液压活塞24下面的腔体称为液压腔22；液压腔22内部介质为液体。
液压腔主体14的下端设计有出液口15和进液口21。油压管A29的一端通过出液口15与液压腔主体14连接；油压管A29的另一端与单向阀A17的输入端连接；单向阀A17的输出端与油压管B30的一端连接；油压管B30的另一端与压力传感器18连接。压力传感器18的作用是实时测量油压管B30内的液体压力。
油压管C31的一端通过进液口21与液压腔主体14连接；油压管C31另一端与单向阀B20的输出端连接；单向阀B20的输入端与油压管D32的一端连接；油压管D32的另一端与油杯19连接。
使用所述变面积比压力倍增装置实现压力倍增的方法，具体实现步骤为：
步骤1：目标压力值P2＝109MPa，通过公式(1)计算气压控制单元28向气压控制单元28输入的气体压力值P1＝697.6KPa。
步骤2：使所述变面积比压力倍增装置的开关阀A3和开关阀C26处于关闭状态；开关阀B12处于开启状态。
步骤3：所述变面积比压力倍增装置的气压控制单元28通过进气口1向气腔主体6的内部提供持续稳定的气体压力P1。
步骤4：此时，上气腔5内的气体压力大于下气腔9内的气体，气体活塞8向下移动；同时，液压活塞24也在液压腔22中向下移动，液压腔22内的液体体积压缩，压力增加，油压管A29内的压力高于油压管B30内的压力，单向阀A17开启，液体从油压管A29流向油压管B30，压力传感器18实时测量油压管B30内的压力值。如果压力传感器18测量得到的油压管B30内的压力值与目标压力值P2相等，则停止操作。当气体活塞8运动到下气腔活塞限位器10位置处，将开关阀B12关闭，同时，将开关阀C26打开，使上气腔5内的气体压力等于下气腔9内的气体。
步骤5：将气压控制单元28关闭，同时关闭开关阀C26，打开开关阀A3。
步骤6：此时，上气腔5内的气体压力小于下气腔9内的气体，气体活塞8向上移动；同时，液压活塞24也在液压腔22中向上移动，此时液压腔22体积增大，压力下降，此时，油压管A29内的压力低于油压管B30内的压力，单向阀A17关闭；油压管C31内的压力低于油压管D32内的压力，单向阀B20开启，液体从油杯19流向油压管C31，并进入液压腔22，液压腔22内液体质量增加。当气体活塞8运动到上气腔活塞限位器4位置处，重复步骤3至步骤6的操作。
通过上述步骤的操作，油压管B30即可输出109MPa的目标压力。
Claims (1)
1.一种变面积比压力倍增装置，其特征在于：其包括：进气口(1)、上气腔排气口(2)、开关阀A(3)、上气腔活塞限位器(4)、上气腔(5)、气腔主体(6)、O型圈(7)、气体活塞(8)、下气腔(9)、下气腔活塞限位器(10)、下气腔排气口(11)、开关阀B(12)、液压密封组件(13)、液压腔主体(14)、出液口(15)、单向阀A(17)、压力传感器(18)、油杯(19)、单向阀B(20)、进液口(21)、液压腔(22)、液压动密封(23)、液压活塞(24)、活塞连接杆(25)、开关阀C(26)、气压管路(27)、气压控制单元(28)、油压管A(29)、油压管B(30)、油压管C(31)和油压管D(32)；
所述变面积比压力倍增装置的主体由气腔主体(6)和液压腔主体(14)构成；气腔主体(6)和液压腔主体(14)均为圆柱体结构；气腔主体(6)垂直于轴线的截面面积大于液压腔主体(14)垂直于轴线的截面面积；气腔主体(6)固定于液压腔主体(14)上方；
气体活塞(8)位于气腔主体(6)内部；液压活塞(24)位于液压腔主体(14)内部；气体活塞(8)与液压活塞(24)之间通过活塞连接杆(25)固定连接；气体活塞(8)的侧壁上有一圈U型槽，O型圈(7)固定在气体活塞(8)的U型槽内，起密封作用；
气腔主体(6)、液压腔主体(14)、气体活塞(8)、液压活塞(24)和活塞连接杆(25)均同轴；
气腔主体(6)内部介质为气体；进气口(1)位于气腔主体(6)的上端；气压控制单元(28)通过进气口(1)向气腔主体(6)的内部提供持续稳定的压力；
气体活塞(8)将气腔主体(6)分为上气腔(5)和下气腔(9)；上气腔(5)的上端有上气腔排气口(2)；上气腔排气口(2)上安装有开关阀A(3)；上气腔(5)的侧壁上端安装有上气腔活塞限位器(4)；上气腔排气口(2)的高度高于上气腔活塞限位器(4)；下气腔(9)的下端有下气腔排气口(11)；下气腔排气口(11)上安装有开关阀B(12)；下气腔(9)的侧壁下端安装有下气腔活塞限位器(10)；下气腔排气口(11)的高度低于下气腔活塞限位器(10)；
液压腔主体(14)的上端设计有液压密封组件(13)，其作用是定位并导向活塞连接杆(25)，同时起密封作用；液压动密封(23)安装在液压活塞(24)周围，起密封作用；液压密封组件(13)与液压活塞(24)之间的腔体内部介质为气体；液压腔主体(14)内部液压活塞(24)下面的腔体称为液压腔(22)；液压腔(22)内部介质为液体；
液压腔主体(14)的下端设计有出液口(15)和进液口(21)；油压管A(29)的一端通过出液口(15)与液压腔主体(14)连接；油压管A(29)的另一端与单向阀A(17)的输入端连接；单向阀A(17)的输出端与油压管B(30)的一端连接；油压管B(30)的另一端与压力传感器(18)连接；压力传感器(18)的作用是实时测量油压管B(30)内的液体压力；
油压管C(31)的一端通过进液口(21)与液压腔主体(14)连接；油压管C(31)另一端与单向阀B(20)的输出端连接；单向阀B(20)的输入端与油压管D(32)的一端连接；油压管D(32)的另一端与油杯(19)连接；
所述气体活塞(8)垂直于轴线的截面面积与液压活塞(24)垂直于轴线的截面面积之比在(1,200]范围内；
所述变面积比压力倍增装置实现压力倍增的方法，具体实现步骤为：
步骤1：通过公式(1)计算气压控制单元(28)向气腔主体(6)输入的气体压力值，用符号P1表示；
其中，P2为目标压力值；N为气体活塞(8)垂直于轴线的截面面积和液压活塞(24)垂直于轴线的截面面积比；
步骤2：使所述变面积比压力倍增装置的开关阀A(3)和开关阀C(26)处于关闭状态；开关阀B(12)处于开启状态；
步骤3：所述变面积比压力倍增装置的气压控制单元(28)通过进气口(1)向气腔主体(6)的内部提供持续稳定的气体压力P1；
步骤4：此时，上气腔(5)内的气体压力大于下气腔(9)内的气体压力，气体活塞(8)向下移动；同时，液压活塞(24)也在液压腔(22)中向下移动，液压腔(22)内的液体体积压缩，压力增加，油压管A(29)内的压力高于油压管B(30)内的压力，单向阀A(17)开启，液体从油压管A(29)流向油压管B(30)，压力传感器(18)实时测量油压管B(30)内的压力值；如果压力传感器(18)测量得到的油压管B(30)内的压力值与目标压力值P2相等，则停止操作；当气体活塞(8)运动到下气腔活塞限位器(10)位置处，将开关阀B(12)关闭，同时，将开关阀C(26)打开，使上气腔(5)内的气体压力等于下气腔(9)内的气体压力；
步骤5：将气压控制单元(28)关闭，同时关闭开关阀C(26)，打开开关阀A(3)；
步骤6：此时，上气腔(5)内的气体压力小于下气腔(9)内的气体压力，气体活塞(8)向上移动；同时，液压活塞(24)也在液压腔(22)中向上移动，此时液压腔(22)体积增大，压力下降，此时，油压管A(29)内的压力低于油压管B(30)内的压力，单向阀A(17)关闭；油压管C(31)内的压力低于油压管D(32)内的压力，单向阀B(20)开启，液体从油杯(19)流向油压管C(31)，并进入液压腔(22)，液压腔(22)内液体质量增加；当气体活塞(8)运动到上气腔活塞限位器(4)位置处，重复步骤3至步骤6的操作；
通过上述步骤的操作，即可实现压力倍增。
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