CN104850143A - 基于电磁阀的流量比例控制装置及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电磁阀的流量比例控制装置，解决了现有技术中开关控制和连续控制方式精度低、可靠性差等问题。该基于电磁阀的流量比例控制装置，其特征在于，包括具有进气口（１）和出气口（２）的流量比例控制装置主体（４），以及用于控制流量比例控制装置主体（４）的电路控制系统；所述流量比例控制装置主体（４）由至少一个电磁阀构成；所述电路控制系统包括供电的电源电路、驱动电路以及微控制器，所述微控制器通过所述驱动电路控制所述电磁阀的开关。本发明控制精度高、可靠性好，智能性高，获取开度值后自动控制电磁阀，完全无需人工调节。

Description

基于电磁阀的流量比例控制装置及其实现方法

技术领域

 本发明涉及一种阀门开度的比例控制原理和实现装置，具体涉及一种通过控制电磁阀在单位时间内的开启时间实现阀门开度的比例控制装置及其实现方法。

背景技术

在化工、波峰焊、回流焊、燃烧风量调节等行业，常常需要对气体流量进行控制，以节约资源及用气成本。目前，对气体流量的控制分为开关控制和连续控制，二者主要存在的缺陷如下：

开关控制要么全开、要么全关，没有中间状态，如电磁阀、节流阀；开关控制的缺点是所需元件多，成本高，构成系统复杂，智能性低，需要人工调节。连续控制是阀门可以根据需要打开任意一个开度，可以实现流量的连续控制。连续控制的输出量随输入量（电流值或电压值）的变化而变化，输出量与输入量之间存在一定的比例关系，具有智能性高、反应快等优点，与开关控制相比，其使用元件少，构造简单，成本低。这类阀有电磁比例阀、气动比例阀、电动球阀等。

电动球阀构造简单，只由少数几个零件组成，具有良好的流量调节功效。但是电动球阀反应慢，精度低，仅适用于大中口径、中低压力的应用范畴。

电磁比例阀在任何线圈电流下，使弹簧力与电磁力之间产生平衡。线圈电流的大小或电磁力的大小将影响阀门开度。但是电磁比例阀存在死区，而且当气压太低或太高时将失去功能：当气压太低时，电磁力不足以打开阀门；当气压太高时，弹簧力不能关闭阀门。

气动调节阀就是以压缩气体为动力源，以气缸为执行器，并借助于阀门定位器、转换器、电磁阀、保位阀、储气罐、气体过滤器等附件去驱动阀门，实现开关量或比例式调节。它与电磁比例阀一样存在死区，而且当气压太低或太高时将失去功能。

综上所述，应用于气流量控制行业的现有技术和产品，都难以满足市场对控制精度、可靠性的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种无死区、控制精度高、可靠性好，完全无需人工调节，可实现最小流量到最大流量连续控制的基于电磁阀的流量比例控制装置和方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

基于电磁阀的流量比例控制装置，包括具有进气口和出气口的流量比例控制装置主体，以及用于控制流量比例控制装置主体的电路控制系统；所述流量比例控制装置主体由至少一个电磁阀构成；所述电路控制系统包括供电的电源电路、驱动电路以及微控制器，所述微控制器通过所述驱动电路控制所述电磁阀的开关。

所述流量比例控制装置主体包括有一个以上的电磁阀，当电磁阀个数为两个及以上时，所有电磁阀的气路相互并联：所述电磁阀的气路入口相互连通并与所述进气口连通，所述电磁阀的气路出口相互连通并与所述出气口连通；所述驱动电路数量与所述电磁阀数量相同，并与所述电磁阀一一对应。

优选的，所述流量比例控制装置主体的电磁阀个数为10个，与之对应的驱动电路数量为10组。

所述驱动电路包括光耦IC1和IC2，场效应管IC3和IC4，二极管D1，发光二极管D2，TVS管D3，电阻R1、R2、R3、R4、R5和R6；

电阻R1的第一端为控制信号VCP的输入端，与所述微控制器的VCP输出端连接；电阻R1的第二端与IC1的信号输入端正极连接；电势U1与电阻R2的第一端、场效应管IC3的漏极连接；电阻R2的第二端与光耦IC1的电源端和场效应管IC3的栅极连接；场效应管IC3的源极与二极管D1的负极、电阻R3的第一端、TVS管D3的第一端、电磁阀线圈的正极连接；电阻R3的第二端与发光二极管D2的正极连接，发光二极管D2的负极与TVS管D3的第二端、场效应管IC4的漏极、电磁阀线圈的负极连接；电阻R4的第一端为控制信号VCN的输入端，与所述微控制器的VCN输出端连接；电阻R4的第二端与光耦IC2的信号输入端正极连接；电势U2与光耦IC2电源端、二极管D1的正极连接；光耦IC2的信号输出端与电阻R5的第一端连接，电阻R5的第二端与电阻R6的第一端、场效应管IC4的栅极连接；电阻R6的第二端与场效应管IC4的源极连接后接地；光耦IC1和IC2的信号输入端负极接地与地GND2连接，IC1的信号电源负极接地与地GND连接，电磁阀线圈的地线与大地FG连接。

在所述流量比例控制装置主体的进气口处还设置有过滤装置。

优选的，所述过滤装置为粉末冶金头。

所述流量比例控制装置在单位时间内的开度值满足以下关系：

                （1）

式中：

—流量比例控制装置在单位时间内的开度值；

—第个电磁阀在单位时间内的开度值；

—并联电磁阀的总个数，n≥1。

所述电磁阀在单位时间内的开度值满足以下关系：

                  （2）

式中：

—电磁阀在单位时间内的开度值；

—电磁阀在单位时间内的开启时间；

—单位时间。

上述的基于电磁阀的流量比例控制装置的实现方法如下：由一个电磁阀构成流量比例控制装置主体或由两个及以上的电磁阀通过气路并联构成流量比例控制装置主体；通过电路控制系统调节部分电磁阀在单位时间内的开启时间和关闭时间，实现所述流量比例控制装置开度值的调节。

在一种实施方案中，基于电磁阀的流量比例控制装置的实现方法包括以下步骤：

（1）由一个电磁阀构成流量比例控制装置主体或由两个及以上的电磁阀通过气路并联构成流量比例控制装置主体；

（2）微控制器根据设定的控制开度计算单位时间内打开电磁阀的数量和动态占空比信号；

优选的，基于电磁阀的流量比例控制装置获取控制开度的方式可以为通讯和其他形式的电信号；

（3）微控制器根据计算结果输出控制信号并通过驱动电路打开对应的电磁阀；或者停止输出控制信号来关闭对应的电磁阀；所述控制信号为VCP和VCN，该信号通过驱动电路后使对应电磁阀打开，同时点亮发光二极管D2；

（4）气体从进气口进入流量比例控制装置主体，并通过被打开的电磁阀从流量比例控制装置主体的出气口流出，从而流量控制；

其中，动态占空比信号为开启时间所占单位时间的比例。

进一步的，打开电磁阀以后，所述微控制器停止输出VCP信号，仅输出VCN信号，此时，二极管D1导通并通过电势U2来保持电磁阀的开启状态，以达到节能和延长电磁阀寿命的目的；微控制器不输出VCN信号和VCP信号时，关闭对应的电磁阀。

其中，所述步骤（2）通过式（１）和式（２）求得计算结果：

                （1）

                  （2）

式中：

—流量比例控制装置在单位时间内的开度值；

—第个电磁阀在单位时间内的开度值；

—并联电磁阀的总个数，n≥1；

—电磁阀在单位时间内的开度值；

—电磁阀在单位时间内的开启时间；

—单位时间。

本发明的设计原理：一个电磁阀只能完全打开和完全关闭（在此引入“开度值”，来表示电磁阀的打开程度），电磁阀完全打开时，其开度值即为100%；完全关闭，其开度值即为0，因此，通过调节电磁阀在单位时间内的开启时间和关闭时间，就可以控制电磁阀在单位时间内的开度值。根据上述原理：当采用若干个电磁阀并联构成一个整体的比例阀时，通过控制电磁阀开启数量及开启的电磁阀在单位时间内的开启时间所占单位时间的比例就可以控制比例阀的开度值。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明反应快、精度高、可靠性好、无死区，通过周期内电磁阀的打开个数来实现开度的调节，确保了其可靠性和精度要求。

（2）本发明智能性高，获取开度值后，自动控制电磁阀，完全无需人工调节。

（3）本发明控制范围宽，分辨率高，本发明可以实现0.1%-100.0%开度的控制。

（4）本发明通过在一块金属或其它硬度良好的材料上开孔，将所有电磁阀和气路设计为一个整体，减少了气路连接点，确保了气路的密封性；同时减少了大量的接头、气管等部件，节约了成本，并缩小了本发明的体积。

附图说明

图1为本发明的驱动电路图。

图2为本发明的气路原理图。

图3为本发明的阀体示意图。

图4为本发明的立体图。

图5为本发明的控制示意图。

其中，附图标记所对应的名称如下：1-进气口，2-出气口，3-电磁阀线圈，4-流量比例控制装置主体，5-电路控制板，6-粉末冶金头，7-进气口与电磁阀入口的连接通道，8-出气口与电磁阀出口的连接通道。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例

如图1至5所示，本实施例提供了一种基于电磁阀的流量比例控制装置，该装置主要由若干气路相互并联的电磁阀构成，在此基础上通过电路控制系统实现一个控制周期内，对电磁阀开启个数和开启时间的控制，以此实现流量比例控制，其一方面利用了电磁阀仅包括完全开启和完全关闭两个状态，确保装置的精确性、可靠性和稳定性，另一方面，通过控制电磁阀开启数量及开启的电磁阀在单位时间内的开启时间所占单位时间的比例实现控制比例阀的开度值，由此，以电磁阀实现最小流量到最大流量的连续控制。

具体的说，基于电磁阀的流量比例控制装置，包括具有进气口和出气口的流量比例控制装置主体，以及用于控制流量比例控制装置主体的电路控制系统；流量比例控制装置主体由至少一个电磁阀构成，优选的，本实施例在流量比例控制装置主体的进气口处还设置有过滤装置，进一步的，过滤装置采用粉末冶金头；电路控制系统包括供电的电源电路、驱动电路以及微控制器，微控制器通过驱动电路控制电磁阀的开关，控制程序被写入微控制器中。优选的，基于电磁阀的流量比例控制装置为整体结构，通过在一块金属或其它硬度良好的底座材料上开孔，将所有电磁阀阀座设置在底座上，并通过内部的孔道实现上述电磁阀的气路连接。通过该设置，减少了气路连接点，确保了气路的密封性；同时减少了大量的接头、气管等部件，节约了成本，并缩小了本发明的体积。

当为单个电磁阀时，流量比例控制装置的开度值的实现是通过该电磁阀在单位时间内的开启时间所占单位时间的比例实现的。

电磁阀在单位时间内的开度值满足以下关系：

                  （１）

式中：

—电磁阀在单位时间内的开度值；

—电磁阀在单位时间内的开启时间；

—单位时间。

此时，电磁阀在单位时间内的开度值即为流量比例控制装置的开度值。优选的，流量比例控制装置主体包括有一个以上的电磁阀，进一步的，本实施例采用十个电磁阀，所有电磁阀的气路相互并联，并联方式如下：电磁阀的气路入口相互连通并与进气口连通，构成进气口与电磁阀入口的连接通道；电磁阀的气路出口相互连通并与出气口连通，构成出气口与电磁阀出口的连接通道。在此基础上，驱动电路数量与电磁阀数量相同，并与电磁阀一一对应，即一个驱动电路对应一个电磁阀，驱动电路的输出接口与对应的电磁阀线圈连接，驱动电路的输入接口与微控制器连接。

当电磁阀个数为10个时，流量比例控制装置的开度值的实现是通过控制电磁阀开启个数以及开启的电磁阀在单位时间内的开启时间所占单位时间的比例实现的。

此时，流量比例控制装置在单位时间内的开度值满足以下关系：

                （２）

式中：

—流量比例控制装置电磁阀个数为10个时，在单位时间内的开度值；

、、…、—对应的电磁阀在单位时间内的开度值；

每个电磁阀在单位时间内的开度值满足以下关系：

                  （2）

式中：

—电磁阀在单位时间内的开度值；

—电磁阀在单位时间内的开启时间；

—单位时间。

本实施例中，驱动电路包括光耦IC1和IC2，场效应管IC3和IC4，二极管D1，发光二极管D2，TVS管D3，电阻R1、R2、R3、R4、R5和R6；其具体的连接关系如下：

电阻R1的第一端为控制信号VCP的输入端，与所述微控制器的VCP输出端连接；

电阻R1的第二端与IC1的信号输入端正极连接；

电势U1与电阻R2的第一端、场效应管IC3的漏极连接；

电阻R2的第二端与光耦IC1的电源端和场效应管IC3的栅极连接；

场效应管IC3的源极与二极管D1的负极、电阻R3的第一端、TVS管D3的第一端、电磁阀线圈的正极连接；

电阻R3的第二端与发光二极管D2的正极连接，发光二极管D2的负极与TVS管D3的第二端、场效应管IC4的漏极、电磁阀线圈的负极连接；

电阻R4的第一端为控制信号VCN的输入端，与所述微控制器的VCN输出端连接；

电阻R4的第二端与光耦IC2的信号输入端正极连接；

电势U2与光耦IC2电源端、二极管D1的正极连接；

光耦IC2的信号输出端与电阻R5的第一端连接，电阻R5的第二端与电阻R6的第一端、场效应管IC4的栅极连接；

电阻R6的第二端与场效应管IC4的源极连接后接地；

光耦IC1和IC2的信号输入端负极接地与地GND2连接，IC1的信号电源负极接地与地GND连接，电磁阀线圈的地线与大地FG连接。

本实施例通过电路控制系统调节一个以上的电磁阀在单位时间内的开启时间和关闭时间，实现流量比例控制装置开度值的调节。

    为了使得本领域技术人员对本发明申请了解更清楚，下面举例说明：

基于电磁阀的流量比例控制装置的实现方法包括以下步骤：

（1）由一个电磁阀构成流量比例控制装置主体或由两个及以上的电磁阀通过气路并联构成流量比例控制装置主体；

（2）微控制器根据设定的控制开度计算单位时间内打开电磁阀的数量和动态占空比信号：

该步骤通过式（１）和式（２）求得计算结果：

                （２）

                  （１）

（3）微控制器计算结果输出控制信号并通过驱动电路打开对应的电磁阀；所述控制信号为VCP和VCN，该信号通过驱动电路后使对应电磁阀打开，同时点亮发光二极管D2；

（4）气体从进气口进入流量比例控制装置主体，并通过被打开的电磁阀从流量比例控制装置主体的出气口流出，从而流量控制；

其中，动态占空比信号为开启时间所占单位时间的比例。

进一步的，打开电磁阀以后，所述微控制器停止输出VCP信号，仅输出VCN信号，此时，二极管D1导通并通过电势U2来保持电磁阀的开启状态，以达到节能和延长电磁阀寿命的目的；微控制器不输出VCN信号和VCP信号时，关闭已打开的电磁阀。

按照上述实施例，便可很好地实现本发明。值得说明的是，基于上述设计原理的前提下，为解决同样的技术问题，即使在本发明所公开的结构基础上做出的一些无实质性的改动或润色，所采用的技术方案的实质仍然与本发明一样，故其也应当在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.基于电磁阀的流量比例控制装置，其特征在于，包括具有进气口（１）和出气口（２）的流量比例控制装置主体（４），以及用于控制流量比例控制装置主体（４）的电路控制系统；所述流量比例控制装置主体（４）由至少一个电磁阀构成；所述电路控制系统包括供电的电源电路、驱动电路以及微控制器，所述微控制器通过所述驱动电路控制所述电磁阀的开关。

2.根据权利要求1所述的基于电磁阀的流量比例控制装置，其特征在于，所述流量比例控制装置主体（４）包括有一个以上的电磁阀，当电磁阀个数为两个及以上时，所有电磁阀的气路相互并联：所述电磁阀的气路入口相互连通并与所述进气口连通，所述电磁阀的气路出口相互连通并与所述出气口连通；所述驱动电路数量与所述电磁阀数量相同，并与所述电磁阀一一对应。

3.根据权利要求２所述的基于电磁阀的流量比例控制装置，其特征在于，所述驱动电路包括光耦IC1和IC2，场效应管IC3和IC4，二极管D1，发光二极管D2，TVS管D3，电阻R1、R2、R3、R4、R5和R6；

电阻R1的第一端为控制信号VCP的输入端，与所述微控制器的VCP输出端连接；电阻R1的第二端与IC1的信号输入端正极连接；电势U1与电阻R2的第一端、场效应管IC3的漏极连接；电阻R2的第二端与光耦IC1的电源端和场效应管IC3的栅极连接；场效应管IC3的源极与二极管D1的负极、电阻R3的第一端、TVS管D3的第一端、电磁阀线圈的正极连接；电阻R3的第二端与发光二极管D2的正极连接，发光二极管D2的负极与TVS管D3的第二端、场效应管IC4的漏极、电磁阀线圈的负极连接；电阻R4的第一端为控制信号VCN的输入端，与所述微控制器的VCN输出端连接；电阻R4的第二端与光耦IC2的信号输入端正极连接；电势U2与光耦IC2电源端、二极管D1的正极连接；光耦IC2的信号输出端与电阻R5的第一端连接，电阻R5的第二端与电阻R6的第一端、场效应管IC4的栅极连接；电阻R6的第二端与场效应管IC4的源极连接后接地；光耦IC1和IC2的信号输入端负极接地与地GND2连接，IC1的信号电源负极接地与地GND连接，电磁阀线圈的地线与大地FG连接。

4.根据权利要求１至３任意一项所述的基于电磁阀的流量比例控制装置，其特征在于，在所述流量比例控制装置主体（４）的进气口（１）处还设置有过滤装置。

5.根据权利要求１至３任意一项所述的基于电磁阀的流量比例控制装置，其特征在于，所述流量比例控制装置在单位时间内的开度值满足以下关系：

                （1）

式中：

—流量比例控制装置在单位时间内的开度值；

—第个电磁阀在单位时间内的开度值；

—并联电磁阀的总个数，n≥1。

6.根据权利要求5所述的基于电磁阀的流量比例控制装置，其特征在于，所述电磁阀在单位时间内的开度值满足以下关系：

                  （2）

式中：

—电磁阀在单位时间内的开度值；

—电磁阀在单位时间内的开启时间；

—单位时间。

7.如根据权利要求１至6任一项所述的基于电磁阀的流量比例控制装置的实现方法，其特征在于，通过电路控制系统调节一个以上的电磁阀在单位时间内的开启时间和关闭时间，实现所述流量比例控制装置开度值的调节。

8.根据权利要求７所述的基于电磁阀的流量比例控制装置的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）由一个电磁阀构成流量比例控制装置主体或由两个及以上的电磁阀通过气路并联构成流量比例控制装置主体；

（2）微控制器控制开度计算单位时间内打开电磁阀的数量和动态占空比信号；

（3）微控制器根据计算结果，输出控制信号并通过驱动电路打开或关闭对应的电磁阀，或停止输出控制信号来关闭电磁阀；

（4）气体从进气口进入流量比例控制装置主体，并通过被打开的电磁阀，再从流量比例控制装置主体的出气口流出，从而实现流量控制；

其中，动态占空比信号为开启时间所占单位时间的比例。

9.根据权利要求8所述的基于电磁阀的流量比例控制装置的实现方法，其特征在于，打开电磁阀以后，所述微控制器停止输出VCP信号，仅输出VCN信号，此时，二极管D1导通并通过电势U2来保持电磁阀的开启状态；微控制器不输出VCN信号和VCP信号时，关闭对应的电磁阀。

10.根据权利要求9所述的基于电磁阀的流量比例控制装置的实现方法，其特征在于，所述步骤（2）通过式（１）和式（２）求得计算结果：

                （1）

                  （2）

式中：

—流量比例控制装置在单位时间内的开度值；

—第个电磁阀在单位时间内的开度值；

—并联电磁阀的总个数，n≥1；

—电磁阀在单位时间内的开度值；

—电磁阀在单位时间内的开启时间；

—单位时间。