CN114776867A - 一种微流量高压差压力控制装置及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种微流量高压差压力控制装置及控制方法，控制装置包括可编程控制器、压力传感器、蜗轮蜗杆组、针阀和伺服电机；所述压力传感器的信号输出端与所述可编程控制器的信号输入端电连接；所述可编程控制器的信号输出端与所述伺服电机的信号输入端电连接；所述伺服电机通过所述蜗轮蜗杆组控制所述针阀的开启；所述压力传感器的压力检测端与待检测流体接触，所述待检测流体依次流经所述压力传感器和所述针阀。控制方法为采用微流量高压差压力控制装置控制流体系统中的流体压力。本发明可以实现在高压力差及微小流量使用条件下，快速有效精确地对压力进行控制。
Description
技术领域
本发明涉及压力控制技术领域。具体地说是一种微流量高压差压力控制装置及控制方法。
背景技术
对于深部地层中地下水的存在，在相关岩土工程领域的注浆模型试验中是必要的考虑因素，对于岩土工程模拟试验，深部地层中地下水稳定环境的模拟，常需面临的问题就是模型中流体流量小，压力高，若压力、流量控制波动大，会导致模型试验结果的真实可靠性降低。为满足试验所需的流动水的稳定压力环境，有使用泄压阀、调节阀等来实现的；但现有泄压阀门对微流量、高压力环境下的控制精度与响应速度都不能满足试验要求。如果能有相对简单适用的装置可以较好解决此问题，可以为相关岩土工程领域模型试验提供更加拟真的环境，从而提高相关试验的可信度与实用价值。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种微流量高压差压力控制装置及控制方法，以实现在高压力差及微小流量使用条件下，快速有效精确地对压力进行控制。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种微流量高压差压力控制装置，包括可编程控制器、压力传感器、蜗轮蜗杆组、针阀和伺服电机；所述压力传感器的信号输出端与所述可编程控制器的信号输入端电连接；所述可编程控制器的信号输出端与所述伺服电机的信号输入端电连接；所述伺服电机通过所述蜗轮蜗杆组控制所述针阀的开启；所述压力传感器的压力检测端与待检测流体接触，所述待检测流体依次流经所述压力传感器和所述针阀。
上述微流量高压差压力控制装置，所述蜗轮蜗杆组包括蜗轮蜗杆Ⅰ组和蜗轮蜗杆Ⅱ组，所述蜗轮蜗杆Ⅰ组和所述蜗轮蜗杆Ⅱ组传动连接；所述伺服电机通过所述蜗轮蜗杆Ⅰ组以使得所述蜗轮蜗杆Ⅱ组控制所述针阀的开启。
上述微流量高压差压力控制装置，所述蜗轮蜗杆Ⅰ组包括第一蜗杆和第一蜗轮，所述蜗轮蜗杆Ⅱ组包括第二蜗杆和第二蜗轮；所述伺服电机的动力输出端与所述第一蜗杆的一端驱动连接，所述第一蜗杆的另一端与所述第一蜗轮啮合，所述第二蜗杆的一端与所述第一蜗轮内圈固定连接，所述第二蜗杆的另一端与所述第二蜗轮啮合，所述针阀的阀杆操作端与所述第二蜗轮内圈固定连接；所述蜗轮蜗杆Ⅰ组和所述蜗轮蜗杆Ⅱ组的传动比均为1:60。
上述微流量高压差压力控制装置，所述可编程控制器为西门子S7-200SMART CPU。
上述微流量高压差压力控制装置，所述压力传感器为合肥常宏测控技术有限责任公司生产，且型号为CH-804；所述压力传感器的测量范围为0～40MPa，输入电压为24V直流电，输出电流为4～20mA。
一种微流量高压差压力控制方法，采用上述微流量高压差压力控制装置进行控制，具体包括如下步骤：
步骤A：将压力传感器接入需要控制压力环境的流体系统中，使所述压力传感器的压力检测端与待检测流体接触，用可编程控制器对所述压力传感器采集的信号进行处理；
步骤B：根据处理后得到的压力值及压力变化速率绝对值，所述可编程控制器控制伺服电机使所述伺服电机做出动作：将流体系统所要控制的目标压力值记为F0,则当压力值在F0±0.05MPa范围内时，持续监测压力值5s，若压力变化速率绝对值≤0.01MPa/s时，所述伺服电机暂不动作；
若压力变化速率绝对值>0.01MPa/s时，再次判断压力值，此时如果瞬时压力值维持在F0±0.05MPa范围内时，令所述伺服电机通过驱动蜗轮蜗杆组控制针阀的阀杆单次旋转0.5°，如果瞬时压力值超出F0±0.05MPa范围内时，令所述伺服电机通过驱动蜗轮蜗杆组控制针阀的阀杆单次旋转1.0°；
步骤C：继续采集压力值，当压力值超出F0±0.05MPa范围时，判断压力值是否超出F0±0.1MPa范围；在压力值维持在F0±0.1MPa范围内时，持续监测压力值5s；若压力变化速率绝对值≤0.01Mpa/s时，输出所述伺服电机的动作要求：如果当前瞬时压力值仍维持在F0±0.1MPa范围内，令所述伺服电机通过驱动蜗轮蜗杆组控制针阀的阀杆旋转1.0°；如果当前瞬时压力值超出F0±0.1MPa范围，令所述伺服电机通过驱动蜗轮蜗杆组控制针阀的阀杆旋转2.0°；
若压力变化速率绝对值>0.01Mpa/s时：如果当前瞬时压力值仍在F0±0.1MPa范围内，令所述伺服电机通过驱动蜗轮蜗杆组控制针阀的阀杆旋转2.0°；如果当前瞬时压力值超出F0±0.1MPa范围，令所述伺服电机通过驱动蜗轮蜗杆组控制针阀的阀杆旋转5.0°；
步骤D：继续采集压力值，当压力值超出F0±0.1MPa范围时：若压力变化速率绝对值>0.01Mpa/s，令所述伺服电机通过驱动蜗轮蜗杆组控制针阀的阀杆旋转5.0°；
若压力变化速率绝对值≤0.01Mpa/s，再次判断压力值，如果当前瞬时压力值仍维持在F0±0.1MPa范围内，令所述伺服电机通过驱动蜗轮蜗杆组控制针阀的阀杆旋转1.0°；如果当前瞬时压力值超出F0±0.1MPa范围内，令所述伺服电机通过驱动蜗轮蜗杆组控制针阀的阀杆旋转2.0°。
上述微流量高压差压力控制方法，步骤A中，需要控制压力环境的流体系统上游流体输入的流量为5～25mL/min。
上述微流量高压差压力控制方法，步骤B中，F0为5～15MPa。
本发明的技术方案取得了如下有益的技术效果：
本发明中微流量高压差压力控制装置可用于岩土工程注浆模拟试验中,在流体流量微小情况下，精确维持和控制注浆系统的压力。针阀入口端与压力传感器接入同一压力环境中，伺服电机与压力传感器均接入可编程逻辑控制器。压力传感器将采集到的压力信号传输给控制器，由控制器判断并令伺服电机动作，从而调节针阀阀杆，进而实现装置接入环境的压力控制。
本发明中的蜗轮蜗杆组可以视实际使用的针阀，进行调节减速比，使之与针阀相匹配，本发明中使用的蜗轮蜗杆组Ⅰ和蜗轮蜗杆组Ⅱ的传动比均为1:60，两者组合使用可以实现1:3600的传动比。伺服电机可以实现转速与转矩的快速调节，在可编程控制器的调节下，结合蜗轮蜗杆组可以实现对针阀阀杆转动角度的快速精确控制，进而实现针阀阀芯高位移分辨率，最终通过针阀内过流通道的精细调节，实现压力环境的自动化精确控制。
本发明的装置可以实现阀门5～25mL/min微流量情况下，阀门进口与出口压力差在5～15MPa范围内特定压力值的精确稳定控制，并且其压力控制误差在0.05～0.1MPa范围内；使用过程中流量变化可以由可编程逻辑控制器采集的压力传感器信号快速响应动作，实现对压力的连续稳定控制。
附图说明
图1本发明微流量高压差压力控制装置的结构示意图。
图中附图标记表示为：1-可编程控制器；2-压力传感器；3-蜗轮蜗杆Ⅰ组；31-第一蜗杆；32-第一蜗轮；4-蜗轮蜗杆Ⅱ组；41-第二蜗杆；42-第二蜗轮；5-针阀；6-伺服电机。
具体实施方式
本实施例中微流量高压差压力控制装置的结构示意图如图1所示，包括可编程控制器1、压力传感器2、蜗轮蜗杆组、针阀5和伺服电机6；所述压力传感器2的信号输出端与所述可编程控制器1的信号输入端电连接；所述可编程控制器1的信号输出端与所述伺服电机6的信号输入端电连接；所述伺服电机6通过所述蜗轮蜗杆组控制所述针阀5的开启；所述压力传感器2的压力检测端与待检测流体接触，所述待检测流体依次流经所述压力传感器2和所述针阀5。所述蜗轮蜗杆组包括蜗轮蜗杆Ⅰ组3和蜗轮蜗杆Ⅱ组4；所述伺服电机6通过驱动所述蜗轮蜗杆Ⅰ组3以使得所述蜗轮蜗杆Ⅱ组4控制所述针阀5的开启。所述蜗轮蜗杆Ⅰ组3包括第一蜗杆31和第一蜗轮32，所述蜗轮蜗杆Ⅱ组4包括第二蜗杆41和第二蜗轮42；所述伺服电机6的动力输出端与所述第一蜗杆31的一端驱动连接，所述第一蜗杆31的另一端与所述第一蜗轮32啮合，所述第二蜗杆41的一端与所述第一蜗轮32内圈固定连接，所述第二蜗杆41的另一端与所述第二蜗轮42啮合，所述针阀5的阀杆操作端与所述第二蜗轮42内圈固定连接；所述第二蜗轮42带动所述阀杆操作端转动以控制所述针阀5的阀杆转动，从而控制所述针阀5的开启。所述蜗轮蜗杆Ⅰ组3和所述蜗轮蜗杆Ⅱ组4的传动比均为1:60，可以实现1:3600的传动比。蜗轮蜗杆Ⅰ组3和蜗轮蜗杆Ⅱ组4与伺服电机6的搭配，提高阀杆5转动角度的分辨率，满足不同种类针阀、不同通量条件下压力环境的控制。本实施例所用可编程控制器1为西门子S7-200 SMART CPU；所述压力传感器2为合肥常宏测控技术有限责任公司生产，且型号为CH-804；所述压力传感器2的测量范围为0～40MPa，输入电压为24V直流电，输出电流为4～20mA。
工作原理：将针阀5的流体入口侧接入所需控制压力的流体系统环境中，出口端为外界环境；此时针阀5处于需要控制压力环境系统的下游，上游会有微流量流体输入；压力传感器2接入与针阀5流体入口侧相同环境中；当对装置设定某一所需控制的压力值后，可编程控制器1接收由压力传感器2采集得到的压力信号，对信号进行判断，判断逻辑是三个层级：压力值、压力变化速率绝对值以及最后动作前再判断一次当前压力值；即先判断压力值所在范围，再判断压力变化速率绝句值(单位时间变化)，压力变化值的正负对应伺服电机6的正反转，绝对值的大小决定伺服电机6的转动角度；伺服电机6动作前，判断当前压力范围是否与第一次的判断一致，一致则令伺服电机6动作，否则再次进行判断。
该装置的优点在于：对于需要进行压力控制的流体系统环境中，当系统上游输入流量微小时(5～25mL/min)，可以通过该装置实现5～15MPa范围内压力的精确稳定控制，误差在0.05～0.1MPa范围内；通过蜗轮蜗杆组与伺服电机的配合，极大增加了针阀阀杆转动角度的分辨率，以实现对针阀通量的微小调节；可编程控制器1与伺服电机6、压力传感器2的组合，可以对所接入系统压力变化情况，快速响应，连续做出相应调整动作，实现压力控制。
将本实施例的微流量高压差压力控制装置接入需要进行压力控制的系统环境中进行测试，所接入系统的上游流体输入为25mL/min，整体要求通过该装置以维持控制系统环境流体压力为10MPa；具体操作过程如下：
(1)将压力传感器2接入系统，用可编程控制器1对压力传感器2采集的信号进行处理：当采集到压力在10.00MPa±0.05范围内，测量5s，当判断得压力变化速率绝对值≤0.01MPa/s，可暂不动作；当斜率绝对值>0.01Mpa/s，动作前再次判断当前压力范围，当前瞬时压力值仍在10.00Mpa±0.05范围内，伺服电机6动作令针阀5的阀杆单次旋转0.5°，超出10.00Mpa±0.05范围，令针阀5的阀杆旋转1.0°；
(2)继续采集压力值，当出现压力超出10.00Mpa±0.05范围，再次判断压力值是否超出10.00Mpa±0.1范围；在压力值于10.00Mpa±0.1范围内，判断5s的压力变化速率，绝对值≤0.01Mpa/s情况，通过压力值的第三级判别输出伺服电机6的动作要求，若当前瞬时压力值仍在10.00Mpa±0.1范围内，令针阀5的阀杆旋转1.0°；若当前瞬时压力值超出10.00Mpa±0.1范围，令针阀5的阀杆旋转2.0°；绝对值>0.01Mpa/s，若当前瞬时压力值仍在10.00Mpa±0.1范围内，令针阀5的阀杆旋转2.0°；若当前瞬时压力值超出10.00Mpa±0.1范围，令针阀5的阀杆旋转5.0°；
(3)继续采集压力值，当出现压力超出10.00Mpa±0.1范围，且斜率绝对值>0.01Mpa/s情况；无需通过压力值的第三级判别，令针阀5的阀杆旋转5.0°；若斜率绝对值≤0.01Mpa/s，进行压力值的第三级判别，当前瞬时压力10.00Mpa±0.1范围内，针阀5的阀杆旋转1.0°；当前瞬时压力超出10.00Mpa±0.1范围，针阀5的阀杆旋转2.0°。
在其它一些实施例中，针阀5的阀杆旋转角度可根据实际情况取，比如针阀5的结构、所需维持压力值以及系统上游流量情况进行调整。
本实施例中该装置通过可编程控制器1，借助伺服电机6与蜗轮蜗杆组对针阀5阀杆转动角度的连续精确控制，不断改变针阀5的内部通量，最终实现对微小通量高压差条件下，系统环境流体压力的精确控制，且控制误差在0.05～0.1MPa范围内。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本专利申请权利要求的保护范围之中。
Claims (8)
1.一种微流量高压差压力控制装置，其特征在于，包括可编程控制器(1)、压力传感器(2)、蜗轮蜗杆组、针阀(5)和伺服电机(6)；所述压力传感器(2)的信号输出端与所述可编程控制器(1)的信号输入端电连接；所述可编程控制器(1)的信号输出端与所述伺服电机(6)的信号输入端电连接；所述伺服电机(6)通过所述蜗轮蜗杆组控制所述针阀(5)的开启；所述压力传感器(2)的压力检测端与待检测流体接触，所述待检测流体依次流经所述压力传感器(2)和所述针阀(5)。
2.根据权利要求1所述的微流量高压差压力控制装置，其特征在于，所述蜗轮蜗杆组包括蜗轮蜗杆Ⅰ组(3)和蜗轮蜗杆Ⅱ组(4)，所述蜗轮蜗杆Ⅰ组(3)和所述蜗轮蜗杆Ⅱ组(4)传动连接；所述伺服电机(6)通过驱动所述蜗轮蜗杆Ⅰ组(3)以使得所述蜗轮蜗杆Ⅱ组(4)控制所述针阀(5)的开启。
3.根据权利要求2所述的微流量高压差压力控制装置，其特征在于，所述蜗轮蜗杆Ⅰ组(3)包括第一蜗杆(31)和第一蜗轮(32)，所述蜗轮蜗杆Ⅱ组(4)包括第二蜗杆(41)和第二蜗轮(42)；所述伺服电机(6)的动力输出端与所述第一蜗杆(31)的一端驱动连接，所述第一蜗杆(31)的另一端与所述第一蜗轮(32)啮合，所述第二蜗杆(41)的一端与所述第一蜗轮(32)内圈固定连接，所述第二蜗杆(41)的另一端与所述第二蜗轮(42)啮合，所述针阀(5)的阀杆操作端与所述第二蜗轮(42)内圈固定连接；所述蜗轮蜗杆Ⅰ组(3)和所述蜗轮蜗杆Ⅱ组(4)的传动比均为1:60。
4.根据权利要求1所述的微流量高压差压力控制装置，其特征在于，所述可编程控制器(1)为西门子S7-200 SMART CPU。
5.根据权利要求1所述的微流量高压差压力控制装置，其特征在于，所述压力传感器(2)为合肥常宏测控技术有限责任公司生产，且型号为CH-804；所述压力传感器(2)的测量范围为0～40MPa，输入电压为24V直流电，输出电流为4～20mA。
6.一种微流量高压差压力控制方法，其特征在于，采用如权利要求1-5任一所述的微流量高压差压力控制装置进行控制，具体包括如下步骤：
步骤A：将压力传感器(2)接入需要控制压力环境的流体系统中，使所述压力传感器(2)的压力检测端与待检测流体接触，用可编程控制器(1)对所述压力传感器(2)采集的信号进行处理；
步骤B：根据处理后得到的压力值及压力变化速率绝对值，所述可编程控制器(1)控制伺服电机(6)使所述伺服电机(6)做出动作：将流体系统所要控制的目标压力值记为F0,则当压力值在F0±0.05MPa范围内时，持续监测压力值5s，若压力变化速率绝对值≤0.01MPa/s时，所述伺服电机(6)暂不动作；
若压力变化速率绝对值>0.01MPa/s时，再次判断压力值，此时如果瞬时压力值维持在F0±0.05MPa范围内时，令所述伺服电机(6)通过驱动蜗轮蜗杆组控制针阀(5)的阀杆单次旋转0.5°，如果瞬时压力值超出F0±0.05MPa范围内时，令所述伺服电机(6)通过驱动蜗轮蜗杆组控制针阀(5)的阀杆单次旋转1.0°；
步骤C：继续采集压力值，当压力值超出F0±0.05MPa范围时，判断压力值是否超出F0±0.1MPa范围；在压力值维持在F0±0.1MPa范围内时，持续监测压力值5s；若压力变化速率绝对值≤0.01Mpa/s时，输出所述伺服电机(6)的动作要求：如果当前瞬时压力值仍维持在F0±0.1MPa范围内，令所述伺服电机(6)通过驱动蜗轮蜗杆组控制针阀(5)的阀杆旋转1.0°；如果当前瞬时压力值超出F0±0.1MPa范围，令所述伺服电机(6)通过驱动蜗轮蜗杆组控制针阀(5)的阀杆旋转2.0°；
若压力变化速率绝对值>0.01Mpa/s时：如果当前瞬时压力值仍在F0±0.1MPa范围内，令所述伺服电机(6)通过驱动蜗轮蜗杆组控制针阀(5)的阀杆旋转2.0°；如果当前瞬时压力值超出F0±0.1MPa范围，令所述伺服电机(6)通过驱动蜗轮蜗杆组控制针阀(5)的阀杆旋转5.0°；
步骤D：继续采集压力值，当压力值超出F0±0.1MPa范围时：若压力变化速率绝对值>0.01Mpa/s，令所述伺服电机(6)通过驱动蜗轮蜗杆组控制针阀(5)的阀杆旋转5.0°；
若压力变化速率绝对值≤0.01Mpa/s，再次判断压力值，如果当前瞬时压力值仍维持在F0±0.1MPa范围内，令所述伺服电机(6)通过驱动蜗轮蜗杆组控制针阀(5)的阀杆旋转1.0°；如果当前瞬时压力值超出F0±0.1MPa范围内，令所述伺服电机(6)通过驱动蜗轮蜗杆组控制针阀(5)的阀杆旋转2.0°。
7.根据权利要求6所述的微流量高压差压力控制方法，其特征在于，步骤A中，需要控制压力环境的流体系统上游流体输入的流量为5～25mL/min。
8.根据权利要求6所述的微流量高压差压力控制方法，其特征在于，步骤B中，F0为5～15MPa。
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2022
- 2022-03-15 CN CN202210252775.2A patent/CN114776867A/zh active Pending
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