CN111505985B - 一种高效的海洋剖面测量仪器的动力模块 - Google Patents

一种高效的海洋剖面测量仪器的动力模块 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高效的海洋剖面测量仪器的动力模块，其特征在于：包括动力部件和控制模块，所述动力部件采用柱塞泵和三通阀或两通阀配合驱动液体流动，所述液体流动的时序或速度由控制模块控制。本发明消除海洋仪器在测量剖面时的气泡影响，提高海洋剖面测量效率。

Description

一种高效的海洋剖面测量仪器的动力模块
技术领域
本发明涉及海洋测量仪器技术领域，尤其涉及一种高效的海洋剖面测量仪器的动力模块。
背景技术
在目前市场上，面向海洋的检测仪器多以国外产品居多，近年才开始有国产厂商进行此类仪器的开发。这些仪器的共同点，就是只能满足原位测量，没有办法进行剖面测量，也没有办法进行巡航式测量。究其原因是此类仪器无法满足剖面测量对速度和压力的要求。
在剖面测量中，要将仪器投放到海平面以下，将整个仪器浸入海水，因此仪器需要保证一定的密封性能，确保应用过程中没有进水。如果气液混合物中的气体排在仪器内部，会增大仪器内部气压，降低仪器密封性能。在仪器内部使用独立空间存储气体时，其对仪器空间要求很大，会严重妨碍应用。所以，对海洋仪器来说，被测水体中的气体必须由排出到仪器外部。应用流动注射法后，信号检测会检测气液混合物的信号值。由于气体会在液路中的某些点(以下称为不光滑点)进行累积，累积到一定程度时，形成相对较大的气泡，会使光信号不是完全在水中，并且气体和液体交界面产生的薄膜会对光信号产生折射、反射、散射等光学影响，对信号测量产生非常大的影响。由于管路的不一致性、温度不确定性、压力的变化等因素影响，气泡产生的时间和大小没有办法进行预期，在信号检测部分滞留的时间也没有办法预估，在后期数据处理时没有办法对数据进行有效处理。
发明内容
(一)解决的技术问题
本发明主要是解决上述现有技术所存在的技术问题，提供一种海洋剖面测量仪器的动力模块，消除海洋仪器在测量剖面时的气泡影响，提高海洋剖面测量效率。
(二)技术方案
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种高效的海洋剖面测量仪器的动力模块，包括动力部件和控制模块，所述动力部件采用柱塞泵和三通阀或两通阀配合驱动液体流动，所述液体流动的时序或速度由控制模块控制。
进一步的，所述控制模块控制动力模块的时序，包括以下步骤：
1)打开入水管，关闭出水管，并延时不小于电磁阀本身的响应延迟时间；
2)控制柱塞泵抽入适量液体，抽入量应稍多于所需用量；
3)保持柱塞泵推杆位置不变，并延时不小于0.5秒的时间；
4)控制柱塞泵推出少量液体，推出量应是步骤2)中多抽取的部分；
5)关闭入水管，打开出水管，并延时不小于电磁阀本身的响应延迟时间；
6)控制柱塞泵推出液体，此时推出量应该是所需用量。
进一步的，所述控制模块控制动力模块的抽取速度，包括以下步骤：
1)打开入水管，关闭出水管，并延时不小于电磁阀本身的响应延迟时间；
2)控制柱塞泵以低速匀速抽入指定量液体，控制频率不超过1千赫兹；
3)控制柱塞泵保持不变，并延时不小于电磁阀本身的响应延迟时间；
4)关闭入水管，打开出水管，并延时不小于电磁阀本身的响应延迟时间；
5)控制柱塞泵以低速匀速推出指定量液体，控制频率不超过1千赫兹。
有益效果
本发明提供了一种高效的海洋剖面测量仪器的动力模块，具备以下有益效果：通过对柱塞泵和阀门的工作时序或者柱塞泵的工作速度进行软件控制，避免柱塞泵和阀门之间的工作时序过于严格，或者柱塞泵在抽入和推出两种状态间快速切换，而导致液体体检剧烈变化或者产生液体动荡，溶解在水中的气体会不断汇聚，形成气泡。
附图说明
图1为本发明采用三通阀的结构原理图；
图2为本发明采用两通阀的结构原理图；
图3为控制芯片最小外围电路设计中的各引脚信号设计图；
图4为控制芯片的GPIO的设计图；
图5、6为连接柱塞泵的两个接口的电路设计。
具体实施方式：
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例1
如图1所示，一种高效的海洋剖面测量仪器的动力模块，包括动力部件和控制模块，所述动力部件采用柱塞泵和三通阀配合驱动液体流动，所述液体流动的时序或速度由控制模块控制。
控制芯片采用STM32F103ZET6，其中，U01A为芯片最小外围电路设计中的各引脚信号设计，U01B为芯片的GPIO的设计，如图3-4所示。柱塞泵的驱动器选型范围很大，可以使用任意一种适合的器件，但是为了小型化设计，尽量使用集成设计，即驱动器集成到柱塞泵中，此处使用集成式方式。引脚V12_EN是三通阀的控制引脚，用于切换三通阀的两个阀门的状态，直接与三通阀相连。引脚OPT_OUT接收柱塞泵的光耦信号，用来反馈液体在柱塞泵中的位置，直接与柱塞泵中的光耦信号相连。引脚MOTOR_DIR用于控制步进电机的运动方向，直接与步进电机相连。引脚MOTOR_CP用于为步进电机提供时钟信号，直接与步进电机相连。引脚MOTOR_EN用于控制步进电机的使能，可以与步进电机的供电部分相连。引脚5V_CTL为步进电机的逻辑部分提供电源，直接与步进电机相连。引脚24V为步进电机的动力部分提供电源，直接与步进电机相连。
J01、J02连接柱塞泵的两个接口，如图5、6所示。
动力部件采用柱塞泵，为了完成水样的采集，一个柱塞泵需要与一个三通阀配合使用。在实际应用中，阀门通常使用电磁阀，由于其本身工作特性，其通断状态的切换有一个延时，一般在参数中会给出最大延时时间，通常在100毫秒，较低的延时一般在50毫秒。因此，对工作时序要求较严格的应用中，必须将延时作为定值考虑。
当柱塞泵配合三通阀使用时，选择柱塞泵两个接口中的一个作为柱塞泵的输入输出公共端口，公共端口与三通阀的公共端口相连，三通阀的另外两个端口一个连接入水管，一个连接出水管。通过对三通阀的控制，可以关闭和导通入水管和出水管。由于三通阀的工作特性，在某一个时刻，三通阀的入水管和出水管的通断情况只能是一个才能导通、一个关闭，不存在同时关闭和同时导通的情况。
在工作过程中，如果柱塞泵和阀门之间的工作时序过于严格，或者柱塞泵在抽入和推出两种状态间快速切换，会导致液体体检剧烈变化或者产生液体动荡，溶解在水中的气体会不断汇聚，形成气泡。因此，要对柱塞泵和阀门的工作时序、柱塞泵的工作速度进行软件控制。
柱塞泵工作时，需要由电机驱动器来驱动步进电机工作，从而带动柱塞泵的推杆运动，步进电机在数字脉冲信号的控制下动作，脉冲信号频率越高，步进电机运动越快，柱塞泵的吞吐越快。一般的，步进电机的可以在十几千赫兹的脉冲信号频率下正常工作，在应用过程中，可以根据需要对脉冲信号进行调节。
因此，为了减少气泡影响，必须对动力模块根据系统需要做出相应的优化，具体方法如下：
1、柱塞泵配合三通阀时。
a软件控制法——时序控制方式，包括以下步骤：
切换三通阀状态，打开入水管，关闭出水管，并延时不小于电磁阀本身的响应延迟时间，如0.1秒；
控制柱塞泵抽入适量液体，抽入量应稍多于所需用量；
保持柱塞泵推杆位置不变，并适当延时，如0.5秒；
控制柱塞泵推出少量液体，推出量应是之前多抽取的部分；
切换三通阀状态，关闭入水管，打开出水管，并延时不小于电磁阀本身的响应延迟时间，如0.1秒；
控制柱塞泵推出液体，此时推出量应该是所需用量。
b软件控制法——低速控制法，包括以下步骤：
切换三通阀状态，打开入水管，关闭出水管，并延时不小于电磁阀本身的响应延迟时间，如0.1秒；
控制柱塞泵以低速匀速抽入指定量液体，建议此处使用的控制频率不超过1千赫兹，500赫兹以下更好；
控制柱塞泵保持不变，并延时不小于电磁阀本身的响应延迟时间，如0.1秒；
切换三通阀状态，关闭入水管，打开出水管，并延时不小于电磁阀本身的响应延迟时间，如0.1秒；
控制柱塞泵以低速匀速推出指定量液体，建议此处使用的控制频率不超过1千赫兹，500赫兹以下更好。
实施例2
如图2所示，一种高效的海洋剖面测量仪器的动力模块，包括动力部件和控制模块，所述动力部件采用柱塞泵和两通阀配合驱动液体流动，所述液体流动的时序或速度由控制模块控制。控制电路同实施例1，此处不再赘述。
动力部件采用柱塞泵，为了完成水样的采集，一个柱塞泵配合两个两通阀使用。在实际应用中，阀门通常使用电磁阀，由于其本身工作特性，其通断状态的切换有一个延时，一般在参数中会给出最大延时时间，通常在100毫秒，较低的延时一般在50毫秒。因此，对工作时序要求较严格的应用中，必须将延时作为定值考虑。
当柱塞泵配合两通阀使用时，同时使用柱塞泵的两个接口，一个作为输入端，一个作为输出端，两个端口各配合一个两通阀，两通阀的两端分别连接入水管和出水管。通过控制两通阀，可以关闭和导通出水管和入水管。由于两个两通阀单独使用，互不影响，入水管和出水管可以同时关闭或导通，也可以一个关闭、一个导通。
在工作过程中，如果柱塞泵和阀门之间的工作时序过于严格，或者柱塞泵在抽入和推出两种状态间快速切换，会导致液体体检剧烈变化或者产生液体动荡，溶解在水中的气体会不断汇聚，形成气泡。因此，要对柱塞泵和阀门的工作时序、柱塞泵的工作速度进行软件控制。
柱塞泵工作时，需要由电机驱动器来驱动步进电机工作，从而带动柱塞泵的推杆运动，，脉冲信号频率越高，步进电机运动越快，柱塞泵的吞吐越快。一般的，步进电机的可以在十几千赫兹的脉冲信号频率下正常工作，在应用过程中，可以根据需要对脉冲信号进行调节。
因此，为了减少气泡影响，必须对动力模块根据系统需要做出相应的优化，具体方法如下：
a软件控制法——时序控制方式，包括以下步骤：
保持出水管关闭，打开入水管，并延时不小于电磁阀本身的响应延迟时间，如0.1秒；
控制柱塞泵抽入适量液体，抽入量应稍多于所需用量；
保持柱塞泵推杆位置不变，并适当延时，如0.5秒；
控制柱塞泵推出少量液体，推出量应是之前多抽取的部分；
关闭入水管，打开出水管，并延时不小于电磁阀本身的响应延迟时间，如0.1秒；
控制柱塞泵推出液体，此时推出量应该是所需用量。
b软件控制法——低速控制法，包括以下步骤：
保持出水管关闭，打开入水管，并延时不小于电磁阀本身的响应延迟时间，如0.1秒；
控制柱塞泵以低速匀速抽入指定量液体，建议此处使用的控制频率不超过1千赫兹，500赫兹以下更好；
控制柱塞泵保持不变，并延时不小于电磁阀本身的响应延迟时间，如0.1秒；
关闭入水管，打开出水管，并延时不小于电磁阀本身的响应延迟时间，如0.1秒；
控制柱塞泵以低速匀速推出指定量液体，建议此处使用的控制频率不超过1千赫兹，500赫兹以下更好。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种高效的海洋剖面测量仪器的动力模块，其特征在于：
包括动力部件和控制模块，所述动力部件采用柱塞泵和三通阀或两通阀配合驱动液体流动，所述液体流动的时序或速度由控制模块控制；
所述控制模块控制动力模块的时序，包括以下步骤：
1）打开入水管，关闭出水管，并延时不小于电磁阀本身的响应延迟时间；
2）控制柱塞泵抽入适量液体，抽入量应稍多于所需用量；
3）保持柱塞泵推杆位置不变，并延时不小于0.5秒的时间；
4）控制柱塞泵推出少量液体，推出量应是步骤2）中多抽取的部分；
5）关闭入水管，打开出水管，并延时不小于电磁阀本身的响应延迟时间；
6）控制柱塞泵推出液体，此时推出量应该是所需用量；
所述控制模块控制动力模块的抽取速度，包括以下步骤：
1）打开入水管，关闭出水管，并延时不小于电磁阀本身的响应延迟时间；
2）控制柱塞泵以低速匀速抽入指定量液体，控制频率不超过1千赫兹；
3）控制柱塞泵保持不变，并延时不小于电磁阀本身的响应延迟时间；
4）关闭入水管，打开出水管，并延时不小于电磁阀本身的响应延迟时间；
5）控制柱塞泵以低速匀速推出指定量液体，控制频率不超过1千赫兹。
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