CN109340435B - 一种用于多元低压梯度比例电磁阀的高精度误差修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于多元低压梯度比例电磁阀的高精度误差修正方法，预先设置各比例电磁阀的开阀电压、保持电压、高电压保持时间参数；所述开阀电压和保持电压使用独立的直流电压；所述开阀电压设置为额定电压的1‑4倍，所述保持电压设置为额定电压的1/5‑1/2，所述保压保持时间设置为比例电磁阀的开启时间的1.1‑2.5倍；通过调节开阀电压、高压保持时间、保持电压控制比例电磁阀的开闭时间，使各比例电磁阀的开闭时间一致；通过调节提前开阀时间或延迟开阀时间控制比例电磁阀的开闭时机；本发明具有准确控制并保证各阀门开闭时间一致、有效保证液相混合控制精度、有效避免空抽和非线性流量对液相比例控制精度的影响的有益效果。

Description

一种用于多元低压梯度比例电磁阀的高精度误差修正方法

技术领域

本发明属于比例电磁阀控制技术领域，具体涉及一种用于多元低压梯度比例电磁阀的高精度误差修正方法。

背景技术

流体的比例混合控制广泛应用于高效液相色谱、自动稀释仪、自动给药仪等精密流体仪器设备中。利用比例混合可以在线配比产生不同pH、浓度的溶液，或者实现随时间变化的pH、浓度、比例梯度，而高效液相色谱（HPLC）中一般使用低压梯度色谱系统，多元低压梯度色谱系统通过控制若干比例电磁阀的开闭在液体进入输液泵之前进行各液体组分指定比例的混合。目前最通用的梯度比例电磁阀（GPV）是一种多路两位电磁截止阀，每一个微型比例电磁阀控制一路溶剂。比例电磁阀是否通电决定了对应流路的打开和关闭。而绝大多数比例电磁阀都是常闭模式，即对比例电磁阀通电时，阀门打开，此路溶剂流出。比例电磁阀的基本结构为弹簧、衔铁和电磁线圈。通电时，线圈产生磁力，吸引衔铁，弹簧被压缩，阀门打开；断电时，线圈磁力消失，弹簧推动衔铁回到初始密封位置，阀门关闭。高效液相色谱（HPLC）中对比例电磁阀开闭时间的要求非常高，在高效液相色谱高压柱塞泵每个运行周期的吸液阶段，按照流动相设定的比例控制比例电磁阀的各通道开启时间。然而由于比例电磁阀的工作原理与机械结构限制，阀门的开启和关闭都需要一定的时间，而在开启和关闭过程中，阀门的出液量是不稳定的。在HPLC中，柱塞泵的吸液时间仅为数百毫秒到数秒钟，而微型比例电磁阀的响应时间一般为2~50ms，若某一路溶剂的比例电磁阀门关闭较慢，即关闭响应时间较长，则会导致这一路溶剂的比例偏高，反之，关闭速度过快则导致这一路溶剂的比例偏低。为了实现较高精度的比例控制，比例电磁阀的开闭响应时间无法忽略。

传统仪器设备中普遍利用嵌入式控制器产生的脉冲宽度调制(PWM)来驱动比例电磁阀，在电磁线圈两端施以高电压，随着电流增大线圈的磁力逐渐增大，阀门开启。而保持阀门处于开放状态所需的电流比开阀所需的电流要小得多，因此为了避免大电流发热影响比例电磁阀寿命和节约电能，在确保阀门开启后，降低PWM的占空比，使线圈中的等效电流相应降低。但是受到PWM脉冲输出的特点和比例电磁阀自身的电感影响，比例电磁阀中的电流实际存在着周期性的波动，即线圈中存储的电磁能会随着PWM呈现周期性的波动。而线圈中存储的电磁能在断电后开始释放，由于电磁的相互作用，线圈中存储的电磁能直接影响比例电磁阀贴心回弹复位所需的时间。当关闭时机位于PWM周期的不同时间点时，线圈中电磁能实际上存在细微的差别，从而影响到关阀复位所需的时间。当使用较大电感的比例电磁阀线圈时，PWM导致的电流波动幅度更小，但较大的电感使得比例电磁阀关阀响应时间更长；而使用较小电感的线圈时，PWM导致的电流波动幅度更大，这使得不同时刻的关阀响应时间存在较大差异，因此比例电磁阀使用PWM供电是无法适用于高精度的比例混合控制的。

为了保证比例电磁阀流量控制的准确，还可以使用延长开阀策略。考虑到阀门的关闭时间，第一个阀门断电后一段时间，确保此路完全关闭后，再对下一个比例电磁阀上电开启。这一间隔时间即为延迟时间。这种方式在常规的应用中，确实避免了阀门关闭时的流量非线性，但在HPLC等高精度小流量的应用中，延迟时间中柱塞泵依然在吸液，此时关断阀门，会在流路中出现负压，这会让流动相中的可挥发性组分形成蒸汽或微小气泡，这会占据一定的吸液体积，最终产生不可预期的混合比例波动。此外，为了提高HPLC系统的精密度，必须使用高一致性的比例电磁阀组成一组比例电磁阀。而比例电磁阀的工作原理和机械结构决定了其上电开启和断电关闭的行为非常复杂，特别是电磁线圈的电气特性和衔铁的磁性质时影响比例电磁阀开闭的关键因素，而受生产工艺和材料学的制约，生产高精密且特性一致的比例电磁阀的成本极高且难度较大，同时无法保证较高的良品率，为了获得高一致性的比例电磁阀不得不耗费人力物力进行挑选和匹配，耗时耗力。

因此，针对现有的比例电磁阀控制技术在高效液相色谱等精密流体仪器中进行液体混合比例控制精密度不足的问题，本发明公开了一种用于多元低压梯度比例电磁阀的高精度误差修正方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于多元低压梯度比例电磁阀的高精度误差修正方法，有效避免了PWM驱动方式对关阀时间造成的波动、有效避免了空抽产生气泡而造成混合比例波动、提高比例电磁阀进行液相混合的精度。

本发明通过下述技术方案实现：

一种用于多元低压梯度比例电磁阀的高精度误差修正方法，预先设置各比例电磁阀的开阀电压、保持电压、高电压保持时间参数；所述开阀电压和保持电压使用独立的直流电压；所述开阀电压设置为比例电磁阀的额定电压的1-4倍，所述保持电压设置为比例电磁阀的额定电压的1/5-1/2，所述高电压保持时间设置为比例电磁阀的开启时间的1.1-2.5倍。

通过控制系统及功放电路来控制各比例电磁阀，根据不同的比例电磁阀的额定电压及开闭特性，预先通过控制系统对每一个比例电磁阀预设开阀电压、保持电压、高电压保持时间参数，当比例电磁阀的线圈内的电流超过某个特定值时，线圈中的电磁力大于弹簧的推力，此时衔铁开始移动，比例电磁阀开启。比例电磁阀的开启时间主要是由比例电磁阀的线圈内的电流增长速度决定，由电感的充放电特性可知，当开阀电压高于比例电磁阀的额定电压时，线圈内的电流增长速度更快，比例电磁阀的开启速度更快，但是开阀电压也不宜过大，将开阀电压设置为比例电磁阀的额定电压的1-4倍，将高压保持时间设置为比例电磁阀的开启时间的1.1-2.5倍，能够实现控制比例电磁阀的快速开启。

比例电磁阀开启后，保持阀门开启的过程中，保持阀门开启所需的电流要小于开启阀门所需要的电流，保持电压一般小于比例电磁阀的额定电压，关闭比例电磁阀时，线圈内的电流越大，线圈中储存的电磁能越多，因此阀门的关闭时间越慢，为了实现阀门的快速关闭，因此保持阀门开启的保持电压应尽量小，通过调节保持电压的大小来微调阀门的关闭速度，将保持电压设置为比例电磁阀的额定电压的1/5-1/2能够实现控制比例电磁阀的快速关闭。

通过调节比例电磁阀的开阀电压、高电压保持时间以调节比例电磁阀的开启时间，通过调节比例电磁阀的保持电压以调节比例电磁阀的关闭时间，最终实现调节各比例电磁阀的开启和关闭时间一致。

所述控制系统和功放电路为本领域常用的现有技术，故其工作原理在此不再赘述。

为了更好的实现本发明，进一步地，在进液过程中，控制比例电磁阀流路切换时的开闭时间使任何时刻都有比例电磁阀处于开启状态，从而消除空抽。

在保证各比例电磁阀的开启和关闭时间一致的基础上，由于各电磁比例阀的完全开启和完全关闭都需要一定时间才能完成，在多流路液相控制时，如第一种液相抽吸完成后，第一种液相的比例电磁阀关闭完成后，才进行第二种液相流路的开启，但是由于比例电磁阀的开启和关闭均需要一定时间才能完成，因此在不同流路切换通断的过程中，可能会出现第一种液相的比例电磁阀完全关闭后，第二种液相的比例电磁阀还未完全开启的情况，此时柱塞泵依然进行抽吸作业，就会造成空抽的现象，影响液相混合控制精度。

为了更好的实现本发明，进一步地，在进液过程中，当相邻的比例电磁阀先后关闭、开启时，若比例电磁阀的阀门的开启速度大于关闭速度，则待开启的比例电磁阀中设置有延迟开阀时间，否则设置提前开阀时间。

在保证各比例电磁阀的开启和关闭时间一致的基础上，比例电磁阀通电时，比例电磁阀的内部的衔铁在线圈的作用下从静止到开始移动需要一定的时间，同理，比例电磁阀断电时，衔铁移动也需要一定的时间，在衔铁的移动过程中，比例电磁阀的流量是非线性的。当相邻的比例电磁阀先后关闭、开启时，若比例电磁阀的阀门的开启速度大于关闭速度时，则待开启的比例电磁阀中设置有延迟开阀时间，若比例电磁阀的阀门的开启速度小于关闭速度时，则待开启的比例电磁阀中设置有提前开阀时间，使相邻的两个比例电磁阀之间的开启和关闭时机一致，最大程度上减小非线性流量对液相混合控制精度的影响。

为了更好的实现本发明，进一步地，若相邻的比例电磁阀的其中一个的阀门的开启速度大于另一个的关闭速度，有T_AC=T_BO+T_m+T_d，其中T_BO为待开启比例电磁阀的开启时间，T_AC为待关闭的比例电磁阀的关闭时间，T_m为相邻两个比例电磁阀都有液体流出的时间，T_d为提前开阀时间。

为了更好的实现本发明，进一步地，若比例电磁阀的阀门的开启速度小于关闭速度，有T_BO+T_m=T_AC+T_p，其中T_p为提前开阀时间。

为了更好的实现本发明，进一步地，对比例电磁阀进行供电，首先高电压保持一段时间，然后切换到较低的保持电压；当需要关闭比例电磁阀电压时，则切断电压输出；在高电压时对比例电磁阀开启。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

（1）本发明通过预先设定用于控制比例电磁阀的开阀电压、高压保持时间、保持电压参数控制比例电磁阀的开启、保持开启、关闭的过程，保证比例电磁阀的快速开启和快速关闭的同时，通过调节各比例电磁阀的开阀电压、高压保持时间以控制比例电磁阀的开阀时间，通过调节各比例电磁阀的保持电压，以控制各比例电磁阀的关闭时间，使各比例电磁阀的开启和关闭时间一致；本发明具有准确控制阀门开闭时间、保证各比例电磁阀的开闭时间一致、有效保证液相混合控制精度的有益效果；

（2）本发明通过在控制系统中预先设定用于控制比例电磁阀的提前开阀时间或延迟开阀时间，在各比例电磁阀的开启和关闭速度不同的情况下，通过调节各比例电磁阀的提前开阀时间或延迟开阀时间，使各比例电磁阀的开启和关闭时机一致，有效避免了空抽，本发明具有有效避免空抽、有效保证阀门开闭过程中非线性流量对液相比例控制精度的影响的有益效果。

附图说明

图1为本发明的步骤流程图；

图2为高效液相色谱仪的结构示意图；

图3为控制系统与比例电磁阀的连接拓扑图；

图4为比例电磁阀驱动电压变化示意图；

图5为比例电磁阀各阶段时间关系示意图。

具体实施方式

实施例1：

本实施例的一种用于多元低压梯度比例电磁阀的高精度误差修正方法，预先设置各比例电磁阀的开阀电压、保持电压、高电压保持时间参数；所述开阀电压和保持电压使用独立的直流电压；所述开阀电压设置为比例电磁阀的额定电压的1-4倍，所述保持电压设置为比例电磁阀的额定电压的1/5-1/2，所述高电压保持时间设置为比例电磁阀的开启时间的1.1-2.5倍。

使用配套的控制系统和功放系统对各比例电磁阀进行控制，在控制系统中预设并保存用于控制比例电磁阀的开阀电压、保持电压、高电压保持时间、提前开阀时间、延迟开阀时间参数，具体参数设置根据不同规格的比例电磁阀的额定电压及开闭特性决定。

控制系统控制功放电路向比例电磁阀施加开阀电压，此时比例电磁阀中的线圈通电，线圈在电流的作用下产生电磁力，当线圈中的电磁力超过衔铁弹簧的弹力时，衔铁移动，比例电磁阀开启。由于线圈中的电磁力使逐渐上升的，并不是在一瞬间到达开启比例电磁阀的特定电压值，因此，控制比例电磁阀开启的开阀电压需要维持一段时间，这段时间就是高电压保持时间。同时，由于电感的充放电特性，为了使线圈中的电磁力增加更快，缩短比例电磁阀开启的时间，因此控制比例电磁阀开启的开阀电压应高于比例电磁阀的额定电压，但是开阀电压也不能过高，开阀电压过高会导致在后续降压保持比例电磁阀开启状态时，造成较大的电压波动，通过实验，开阀电压一般为比例电磁阀的额定电压的1-4倍，高压保持时间一般设置为比例电磁阀的开启时间的1.1-2.5倍较佳。

比例电磁阀开启后，需要保持比例电磁阀开启一定的时间，此时只需要保证线圈中的电磁力保持稳定即可，在后续的比例电磁阀关闭过程中，比例电磁阀中的线圈断电后，线圈中的电磁能是逐渐消失的，因此在比例电磁阀关闭之前，保持电压越大，则线圈内的电流越大，线圈内的电磁能也就越多，断电后线圈中的电磁能消失速度也就越慢，进而导致比例电磁阀关闭速度较慢，从而影响液相混合控制精度。因此在保证比例电磁阀保持开启状态的同时，应尽量保证保持电压尽量小，通过实验，保持比例电磁阀开启的实际所需的保持电压是小于比例电磁阀的额定电压的，保持电压一般为比例电磁阀的额定电压的1/5-1/2较佳。

如图1所示，记录在预先设定的参数下的各比例电磁阀的开启和关闭时间，然后通过控制系统调节各比例电磁阀的开阀电压、高电压保持时间以控制各比例电磁阀的开启时间；通过调节保持电压以控制各比例电磁阀的关闭时间，直至调节各比例电磁阀的开启和关闭时间一致，进而保证不同液相混合控制精度。

对比例电磁的开启和关闭时间制定标准值后，可在出厂前精确测量确定每个比例电磁阀的具体控制参数。这样既降低了对比例电磁阀工作特性的高一致性要求，又可以实现精确的控制，能够极大的降低成本，提高仪器设备的精密性

实施例2：

本实施例在实施例1的基础上做进一步优化，在进液过程中，控制比例电磁阀流路切换时的开闭时间使任何时刻都有比例电磁阀处于开启状态，从而消除空抽。

在进行各种比例的液相混合时，根据需要混合的液相的所需占比不同，各液相流路上的比例电磁阀的开启或关闭时间也不同，在进行流路切换时，在一条流路的比例电磁阀完全关闭后，另一条流路的比例电磁阀应当立即处于完全开启的状态。但是在实际情况中，因为比例电磁阀的开启和关闭均需要一定的时间才能完成，因此，就有可能出现在一条流路的比例电磁阀完全关闭后，另一条流路的比例电磁阀还未开启的状态，此时柱塞泵仍然持续进行抽吸作业，就会出现空抽的现象，从而影响液相混合控制精度。因此，为了避免空抽，需要控制比例电磁阀流路切换时的开闭时间使任何时刻都有比例电磁阀处于开启状态。

本实施例的其他部分与实施例1相同，故不再赘述。

实施例3：

本实施例在实施例1或2的基础上做进一步优化，在进液过程中，当相邻的比例电磁阀先后关闭、开启时，若比例电磁阀的阀门的开启速度大于关闭速度，则待开启的比例电磁阀中设置有延迟开阀时间，否则设置提前开阀时间。

如图5所示，若比例电磁阀的阀门的开启速度大于关闭速度，有T_AC=T_BO+T_m+T_d，其中T_BO为待开启比例电磁阀的开启时间，T_AC为待关闭的比例电磁阀的关闭时间，T_m为相邻两个比例电磁阀都有液体流出的时间，T_d为延迟开阀时间。

若比例电磁阀的阀门的开启速度小于关闭速度，有T_BO+T_m=T_AC+T_p，其中T_BO为待开启比例电磁阀的开启时间，T_AC为待关闭的比例电磁阀的关闭时间，T_m为相邻两个比例电磁阀都有液体流出的时间，T_p为提前开阀时间。

如在双液相的混合中，若A液相的比例电磁阀的开启速度大于B液相的比例电磁阀的关闭速度，则按照T_AC=T_BO+T_m+T_d的计算式设置延迟开阀时间，其中T_AC为控制A液相的比例电磁阀的关闭所需时间，T_BO为控制B液相的比例电磁阀的开启所需时间，T_d为延迟开阀时间,T_m为A、B液相均流通的共通时间；若A液相的比例电磁阀的开启速度小于B液相的比例电磁阀的关闭速度，则按照T_BO+T_m=T_AC+T_p的计算式设置提前开阀时间，其中T_AC为控制A液相的比例电磁阀的关闭所需时间，T_BO为控制B液相的比例电磁阀的开启所需时间，T_p为提前开阀时间,T_m为A、B液相均流通的共通时间。

其中共通时间T_m是A、B两个液相流路都有液体流出的时间，T_m的最小值即A液相阀门关闭过程中衔铁开始移动到阀门彻底封闭的时间。而微型比例电磁阀的衔铁冲程仅有1~2mm，这一段时间不超过百微秒。精确调整T_p或T_d，使得T_m达到最小。从而在避免空抽的情况下，最小化比例电磁阀开闭过程中的非线性流量对比例控制的影响。

本实施例的其他部分与实施例1或2相同，故不再赘述。

实施例4：

本实施例在上述实施例1-3任一项的基础上做进一步优化，对比例电磁阀进行供电，首先高电压保持一段时间，然后切换到较低的保持电压；当需要关闭比例电磁阀电压时，则切断电压输出；在高电压时对比例电磁阀开启。

功放电路对单独一个比例电磁阀的供电输出，首先高电压保持一段时间，然后切换到较低的保持电压，当比例电磁阀关闭时即切断电压输出。其中，比例电磁阀打开和关闭所需的时间分别为T_open和T_close。

本实施例的其他部分与上述实施例1-3任一项相同，故不再赘述。

实施例5：

本实施例的一种用于多元低压梯度比例电磁阀的高精度误差修正方法，如图2所示为高效液相色谱仪的基本结构。为了实现不同比例的液体混合，由每一路溶剂相应比例电磁阀的开闭时间来实现。例如，要实现40:60的混合比例时，两路比例电磁阀在泵吸液阶段的保持开启的时间比例即为40%，60%。

如图3所示，控制系统控制功放电路对各比例电磁阀进行控制，控制系统可由FPGA、DSP等高速数字电子部件实现，视使用需求和实现难度可与总控制系统集成。控制系统中预先设置并存储每个比例电磁阀的开阀电压、保持电压、高电压保持时间、提前开阀时间、延迟开阀时间控制参数，并按照所需的比例向功放电路输出指定的控制信号，由功放电路对比例电磁阀供电。

如图4所示，控制系统中预先设置并保存的控制参数有，开阀电压V_max，高电压保持时间t₁，保持电压V_hold，提前开阀时间T_p或延迟开阀时间T_d，其中开阀电压和高电压保持时间用于调整比例电磁阀的开启时间T_open，保持电压V_hold用于调整比例电磁阀的关闭时间，提前开阀时间T_p或延迟开阀时间T_d用于调控比例电磁阀的开闭时机避免空抽。通过微调这些参数，使得各个比例电磁阀的开启时间和关闭时间能够保持一致。例如，若某一个比例电磁阀的关闭速度略慢，则可以降低其保持电压，从而使其关闭速度更快。当某个比例电磁阀在当前电压下开启速度较慢时，可提高开阀电压使其开启速度加快。考虑到升高电压会使得高电压切换到保持电压时，电流衰减变化的时间T_decay变长，这会导致液相混合比例的误差变大，因此要相应的减小高电压保持时间t₁。

如比例电磁阀的额定电压为24V时，使用24V的开阀电压时阀门开启时间为10.3ms；而使用30V开阀电压时开启时间为7.6ms。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.种用于多元低压梯度比例电磁阀的高精度误差修正方法，其特征在于，预先设置各比例电磁阀的开阀电压、保持电压、高电压保持时间参数；所述开阀电压和保持电压使用独立的直流电压；所述开阀电压设置为比例电磁阀的额定电压的1-4倍，所述保持电压设置为比例电磁阀的额定电压的1/5-1/2，所述高电压保持时间设置为比例电磁阀的开启时间的1.1-2.5倍；在进液过程中，控制比例电磁阀流路切换时的开闭时间使任何时刻都有比例电磁阀处于开启状态，从而消除空抽。

2.根据权利要求1所述的一种用于多元低压梯度比例电磁阀的高精度误差修正方法，其特征在于，在进液过程中，当相邻的比例电磁阀先后关闭、开启时，若比例电磁阀的阀门的开启速度大于关闭速度，则待开启的比例电磁阀中设置有延迟开阀时间，否则设置提前开阀时间。

3.根据权利要求2所述的一种用于多元低压梯度比例电磁阀的高精度误差修正方法，其特征在于，若比例电磁阀的阀门的开启速度大于关闭速度，有TAC=TBO+Tm+Td，其中TBO为待开启比例电磁阀的开启时间，TAC为待关闭的比例电磁阀的关闭时间，Tm为相邻两个比例电磁阀都有液体流出的时间，Td为提前开阀时间。

4.根据权利要求3所述的一种用于多元低压梯度比例电磁阀的高精度误差修正方法，其特征在于，若比例电磁阀的阀门的开启速度小于关闭速度，有TBO+Tm=TAC+Tp，其中Tp为提前开阀时间。

5.根据权利要求1所述的一种用于多元低压梯度比例电磁阀的高精度误差修正方法，其特征在于，对比例电磁阀进行供电，首先高电压保持一段时间，然后切换到较低的保持电压；当需要关闭比例电磁阀电压时，则切断电压输出；在高电压时对比例电磁阀开启。

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