CN1570403A - 数字化线性比例流量并联控制阀 - Google Patents

Abstract

一种数字化线性比例流量并联控制阀，至少置有二个电磁阀，电磁阀与电磁阀之间的气、液管道通路置为并联连接，每一个电磁阀通路中还串联连接一节流阀，并通过该节流阀使每个电磁阀气、液管道通路大小依序设置为：2^N－1×流量基值，其中N为每个电磁阀序数值。本发明优点是控制码与输出流量值一一对应；控制特性曲线线性度好；激励响应快；整个控制区都在受控状态，没有迟滞、死区，及不敏感区，可用于精密的微压微流量控制；流量控制精度高，可实现零流量或微流量输出。本发明可以作为核心调控部件，广泛应用于各种流体(包括气体和液体)的各种精密压力流量控制系统，特别是精密微压微流量控制系统，以确保设备的精确度、稳定度和安全性。

Description

数字化线性比例流量并联控制阀

技术领域

本发明涉及一种精密压力流量控制设备中的控制阀，特别是一种数字化线性比例流量并联控制阀。

背景技术

现有技术中，精密压力流量控制设备中特别是微压微流量控制设备，例如医学内窥镜诊治手术的重要设备——气控仪(俗称气腹机)，由于其技术性能指标要求高，因此对关键的控制执行部件要求较高，一般都采用电磁比例调节阀作为调控执行部件。如用比例压力调节阀为核心调控执行部件的比例压力控制系统(参见图1)；以及用比例流量调节阀为核心调控执行部件的比例流量控制系统(参见图2)。

由于上述电磁比例调节阀制造精度高，装配调试难度大，应用控制要求高，价格昂贵，且有其难以逾越的先天不足，困扰着应用者，使所选配的设备的性能指标也不尽乎人意。电磁比例调节阀共同的不足是控制特性的非线性，即初始控制段有一个死区，控制量增加与减少走的不是一条线，因此转折处会有一个不敏感区(控制量变化了，但输出量仍不变)。图3和图4分别是比例流量电磁阀和比例压力电磁阀的输入输出特性曲线。从图中可看出，比例流量电磁阀的非线性较大，起始段死区也较大。而比例压力电磁阀由于内置压力调节环节，在内部调节的作用下，使输入输出特性曲线的线性度得到改善，但由于机械阻力、迟滞等的综合作用，使增量调节与减量调节走的仍是二条曲线。因此，在控制量的转折处仍会有一个不敏感区。控制的非线性影响了流量的控制精度，也很难进行流量积算统计。不敏感区使闭环控制特性变坏，超调量增大，系统响应频率低，压力偏差修正慢。另外，比例压力电磁阀当它的控制量回复到零时，它仍有一个输出量。此输出量约等于它的迟滞量。由于这个不能“关断性”，给微压力微流量控制设置了重大的障碍。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术中所存在的缺陷，提供一种数字化线性比例流量并联控制阀。

本发明采用了下列技术方案解决了其技术问题：一种数字化线性比例流量并联控制阀，其特征在于：至少置有二个电磁阀，电磁阀与电磁阀之间的气、液管道通路置为并联连接，每一个电磁阀气、液管道通路中还串联连接一节流阀，并通过该节流阀使每个电磁阀气、液管道通路大小依序设置为：2^N-1×流量基值，其中N为每个电磁阀序数值。

本发明与电磁比例阀相比，其优点在于(1)控制码与输出流量值一一对应；(2)控制特性曲线线性度好；(3)激励响应快；(4)整个控制区都在受控状态，没有迟滞，没有死区，没有不敏感区，可以用于精密的微压微流量控制；(5)流量控制精度高，可以实现零流量或微流量输出。本发明可以作为核心调控部件，广泛应用于各种流体(包括气体和液体)的各种精密压力流量控制系统，特别是精密微压微流量控制系统，以确保设备的精确度、稳定度和安全性。

图说明

图1为现有技术中比例压力控制系统原理简图；

图2为现有技术中比例流量控制系统原理简图；

图3为比例流量电磁阀输入输出特性曲线图；

图4为比例压力电磁阀输入输出特性曲线图；

图5本发明结构示意图；

图6本发明实施例结构示意图；

图7本发明实施例输入输出特性曲线图；

图8本发明用于医用微压微流量控制气控仪结构原理图。

具体实施方式

以下结合图以及实施例来对本发明作进一步的说明。

参照图5，本发明所述的并联控制阀，至少置有二个电磁阀，电磁阀与电磁阀之间的气、液管道通路置为并联连接，每一个电磁阀气、液管道通路中还串联连接一节流阀J，并通过该节流阀J使每个电磁阀气、液管道通路大小依序设置为：2^N-1×流量基值，其中N为每个电磁阀序数值。所述的电磁阀为电磁闸阀或者电磁滑阀。所述的流量基值a大于0，小于等于2升/每分钟。这样本发明的就可以实现各个控制组件平行供流，组合控流。

根据上述的构造要求，如果本实施例设置八个气、液管道通路并联连接的电磁阀，则电磁阀气、液管道通路的大小应依序设置为：电磁阀1的气、液管道通路大小为2^1-1×流量基值；电磁阀2的气、液管道通路大小为2^2-1×流量基值；电磁阀3的气、液管道通路大小为2^3-1×流量基值；电磁阀4的气、液管道通路大小的气、液管道通路大小为2^4-1×流量基值；电磁阀5的气、液管道通路大小为2^5-1×流量基值；电磁阀6的气、液管道通路大小为2^6-1×流量基值；电磁阀7的气、液管道通路大小为2^7-1×流量基值；电磁阀8的气、液管道通路大小为2^8-1×流量基值。

参见图6，本发明具体实施例为用8个气、液管道通路并联连接的电磁阀，若流量基值设置为0.1升/每分钟，则电磁阀1的气、液管道通路大小是0.1升/每分钟；电磁阀2的气、液管道通路大小是0.2升/每分钟；电磁阀3的气、液管道通路大小是0.4升/每分钟；电磁阀4的气、液管道通路大小是0.8升/每分钟；电磁阀5的气、液管道通路大小是1.6升/每分钟；电磁阀6的气、液管道通路大小是3.2升/每分钟；电磁阀7的气、液管道通路大小是6.4升/每分钟；电磁阀8的气、液管道通路大小是12.8升/每分钟。

本发明可以方便地与电子计算机系统实行连接从而达到实时控制的目的。比如设电磁阀的关闭状态为“0”，则其打开状态为“1”，上述实施例中的8个电磁阀整体可以组成八位二进制码。其数据可由全闭状态的“00000000”至全开状态的“11111111”，如化为十进制即为0～255。

另外，本发明的流量设定理论误差值界为正负最低位设置量值。例如本实施例的调整范围即为0～25.5升/每分钟±0.1升/每分钟。若控制码为10011011，化为十进数为155，总流量L_总＝155×a＝155×0.1L/min＝15.5L/min。

本发明能很方便地实现二进码控流，为数字化控流，数字化闭环控压奠定了基础。

参照图7中8位并联电磁阀的控制特性曲线，本发明与电磁比例阀相比，其优点之一是控制码与输出流量值可一一对应。由图7可知，主控单元给出一个控制码，8位并联电磁阀只有一个输出总流量与之对应，它是唯一的。而比例压力调节阀或比例流量调节阀的控制量却有二个输出量与之对应，还要顾及上次控制点的位置，增量控制与减量控制走的是二条曲线。若控制转向，则会出现一段不敏感区。这是阀的迟滞造成的。控制换向时，虽然控制值变了，但输出值不变。只有越过不敏感区，移到另一条控制曲线上，才能使输出量得到控制。

本发明与电磁比例阀相比，其优点之二是控制特性曲线线性度好。由图7可知，8位并联电磁阀的特性曲线是一条固定斜率过原点零位的直线，没有一点扭曲，线性度极好。对比图3所示比例流量电磁阀的控制特性曲线，以增量控制为例，0～0.26A是它的死区，阀始终没有打开；0.26～0.4A是斜率变化很大的曲线；0.4～0.55A这一段接近于直线，线性度较好；0.55～1A这一段又是斜率变化很大的曲线。而图5所示的为比例压力电磁阀的控制特性曲线。由于该阀一般内置压力自调节环节，80％控制段线性度较好，0～10％和90％～100％控制段，曲率变化较大，线性度较差。

本发明与电磁比例阀相比，其优点之三是激励响应快。特别是我们采用并联控制，响应时间与控制量的增加值大小无关，仅与电磁阀开关速度有关。常规的二位二通电磁阀每秒可连续开关10次，开关时间小于5ms，因此系统激励响应时间小于5ms。而比例调节电磁阀激励响应时间要大几十倍。如国外著名品牌的高精度比例压力电磁阀，阶跃响应的数据如下：从0→90％Pmax，开阀响应的时间为200ms；从100％→10％Pmax，关阀响应的时间为500ms。响应时间分别是并联电磁阀的40倍和100倍。比例流量阀是直动型的，响应的时间比比例压力阀短，但也要在50ms以上，响应时间是并联电磁阀的10倍。

本发明与电磁比例阀相比，其优点之四是整个控制区都在受控状态，没有迟滞，没有死区，没有不敏感区，可以用于精密的微压微流量控制。比例压力电磁阀，在增量起调区，线性度差，微压控制精度难以保证。在减量调整时，由于迟滞的存在，当控制量为零时，阀仍有一微压量输出，一般约5KPa，关不死。因此，在微压微流量控制中容易造成压力失控上冲。比例流量电磁阀死区很大，约占整个控制段的30％，且起调区控制特性曲线曲率变化很大，线性度极差，很难使微压微流量的精度得到有效的控制。

本发明并联电磁阀与电磁比例阀相比，其优点之五是流量控制精度高，可以零流量或微流量输出。最小流量输出取决于最低位，即“0”位a的设定量。最高位增加1位，流量增大一倍。最低位量为流量控制的分辨率值。全量程流量自由设定，精确输出，最大误差＝最低位值+各位电磁阀整定误差。另外，可根据各电磁阀开通时间积时计算，较精确地进行总用量的统计。而比例电磁阀由于其控制特性的非线性、迟滞、死区以及增量控制和减量控制走的是二条曲线，因此流量设定误差很大。

参照图8，此为以本发明作为核心执行部件的控制系统的医用微压微流量控制气控仪系统原理简图。

该医用微压微流量控制气控仪选用0～5KPa双精密微压传感器并联测压，以确保测压数据的可信度。压力信号经运算放大后，转变成0～5V的电压信号。系统以嵌入式单板机作为微电脑主控单元，此单板机内置多通道10位A/D转换部分。选用三菱公司5.7″液晶触摸屏作为本实施例的人机界面。系统主控单元的8位开关量输出口(I/O口)作为8位并联电磁阀的控制接口，根据流量控制二进制的码值，并行控制各电磁阀的开关。系统调流范围为0～25.5L/min，流量控制精度为±0.1L/min。输入控制主控单元的控制程序和触摸屏的图象程序，即组成了调流范围为0～25L/min，控压范围为0～4KPa(30mmHg)的气控仪。

上述实施例气控仪与以比例电磁阀(压力型或流量型)为调控部件的系统相比有明显的优点：

1、激劢响应快，超调量小，压力偏差修正快。从开机启动到压力达到压力设定点值的动态控制过程时间很短，很快压力就稳定下来，控压过程不会出现压力上下波动现象。

2、控流精度高，控流范围宽，可以进行微量输出。由于控制特性曲线线性度好，没有迟滞，没有死区，以上述实施例为例，零流量、0.1L/min以及0～25.5L/min之间任意值，都能精确地进行流量控制，流量输出值和其控制码严格对应。

3、控压精度高，控压范围宽，可以进行极微压输出。以上述实施例为例，可以把输出压力设置在0.1KPa，4KPa，也可设置在0～4KPa之间任意点，都能保证控压精度。

Claims (6)

1、一种数字化线性比例流量并联控制阀，其特征在于：至少置有二个电磁阀，电磁阀与电磁阀之间的气、液管道通路置为并联连接，每一个电磁阀气、液管道通路中还串联连接一节流阀，并通过该节流阀使每个电磁阀气、液管道通路大小依序设置为：2^N-1×流量基值，其中N为每个电磁阀序数值。

2、根据权利要求1所述的数字化线性比例流量并联控制阀，其特征在于：所述的电磁阀为电磁闸阀或者电磁滑阀。

3、根据权利要求1所述的数字化线性比例流量并联控制阀，其特征在于：所述的流量基值大于0，小于等于2升/每分钟。

4、根据权利要求3所述的数字化线性比例流量并联控制阀，其特征在于：所述的流量基值为0.1升/每分钟。

5、根据权利要求1所述的数字化线性比例流量并联控制阀，其特征在于：置有八个气、液管道通路并联连接的电磁阀，电磁阀的气、液管道通路大小依序设置为：第一个电磁阀为2^1-1×流量基值；第二个电磁阀为2^2-1×流量基值；第三个电磁阀为2^3-1×流量基值；第四个电磁阀为2^4-1×流量基值；第五个电磁阀为2^5-1×流量基值；第六个电磁阀为2^6-1×流量基值；第七个电磁阀为2^7-1×流量基值；第八个电磁阀为2^8-1×流量基值。

6、根据权利要求5、4所述的数字化线性比例流量并联控制阀，其特征在于：置有八个气、液管道通路并联连接的电磁阀，电磁阀的气、液管道通路大小依序为：第一个电磁阀0.1升/每分钟；第二个电磁阀0.2升/每分钟；第三个电磁阀0.4升/每分钟；第四个电磁阀0.8升/每分钟；第五个电磁阀1.6升/每分钟；第六个电磁阀3.2升/每分钟；第七个电磁阀6.4升/每分钟；第八个电磁阀12.8升/每分钟。

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