帶有流量測量機能的電氣控制氣體壓力調節器的制作方法

專利名稱：帶有流量測量機能的電氣控制氣體壓力調節器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種壓力調節器，特別涉及一種帶有流量測量機能的電氣控制 氣體壓力調節器，屬于機電一體化中的自動控制領域。該調節器用于實現快速 電氣控制調節氣體壓力的同時準確測量壓力調節器的出口控制端進出的流量。
背景技術：
氣動壓力調節器是氣壓傳動及控制系統中用于調節和穩定氣體壓力的元器 件。伴隨著電子和機械技術的迅速發展，在對氣動元件的自動流量特性檢測和 快速壓力調節上需要具有電氣連續控制、大溢流功能、進出雙向流量快速測量 機能的壓力調節器。
當前測量氣動減壓閥的壓力流量特性的方法，主要是參考國際標準
(IS06953-2:2000 : Pneumatic fluid power. Compressed air pressure regulators and filter-regulators. Test methods to determine the main characteristics to be included in literature from suppliers。氣動減壓 閥和過濾減壓閥.第2部分:評定商務文件中應包含的主要特性的測試方法， 2000)和國家標準(JB/T7376-1994 (2005年復審)氣動空氣減壓閥技術條件)， 將正向流動狀態的流量特性和溢流狀態的流量特性分別利用兩套測試裝置和測 試回路進行測量。在測量正向流動狀態的流量特性時，壓縮空氣經過被測減壓 閥的供氣口和控制口，流經可變節流器和流量計排向大氣，通過調節被測減壓 閥控制端節流器的大小設定負載流量同時測量相應的被測減壓閥控制端壓力從 而繪制正向壓力-流量特性曲線；在測量溢流流動狀態的流量特性時，壓縮空氣 經過在被測減壓閥控制側設置的壓力設定用減壓閥的供氣口和控制口流過流量 計進入被測減壓閥的控制口后從溢流口排向大氣，通過調節控制側減壓閥設定 的壓力同時測量相應的被測減壓閥控制端流量從而繪制溢流向壓力-流量特性 曲線。測試回路復雜，不易實現測試的自動化，測試效率低，空氣消耗量大。 目前一種測試效率高，空氣消耗量少的測試方法已經被提出(無間隔測定氣動 減壓閥流量特性的方法，專利受理號200810057091.7)。即在被測減壓閥的控
制端依次連接一個具有雙向流量測量的流量計和一個具有大溢流無轉換死區的 壓力調節閥，通過設定壓力調節閥從大氣壓到供給壓力范圍內變化可連續測得 被測閥的壓力-流量特性。因此在控制端具有流量雙向測量功能的電氣控制氣動 壓力調節器的開發有利于對該方法的進一步普及。
另外，氣動伺服系統中為提高壓力設定的響應，作為控制手段，在利用電/ 氣壓力控制閥進行壓力控制的同時，流入出控制對象的流量信號加入到控制系 統中可以有效的提高系統的響應性能。將壓力調節機構和流量測量機構進行復 合是實現壓力控制的精密性和快速性的有效手段。
傳統的電氣控制壓力調節器存在如下缺點
1) 電氣驅動機構多采用力(力矩)馬達或高速開關閥的P麗控制形式，力 (力矩)馬達存在功耗大、響應慢、體積相對較大的缺點，很難實現高響應節
能的要求；高速開關閥的PWM控制形式會產生一定的輸出壓力脈動。
2) 從壓力調節器流入流出的氣體流量一般是用外部流量計來測量，與壓力 調節器集成在一起能夠在承壓下進行雙向快速測量的機構還沒有。
3) 能夠對壓力傳感器的電氣信號和流量的信號進行采集，算法計算，對音 圈電機驅動的電路控制器缺乏。
氣動壓力調節器是氣壓傳動及控制系統中用于調節和穩定氣體壓力的元器 件。伴隨著電子和機械技術的迅速發展，在對氣動元件的自動流量特性檢測和 快速壓力調節上需要具有電氣連續控制、大溢流功能、進出雙向流量快速測量 機能的壓力調節器。

發明內容
本發明要解決的技術問題是針對現有電氣控制壓力調節器存在的缺點，提 供一種帶有流量測量機能的電氣控制氣體壓力調節器。
為解決上述技術問題，本發明采取下列手段
1 )音圈電機驅動擋板式噴嘴擋板結構A包括音圈電機動子、音圈電機定子、 擋板、噴嘴。音圈電機動子的輸出軸與擋板連接，擋板位于噴嘴的正上方，音 圈電機中的線圈和磁場作用產生的力轉換為連接在音圈電機動子上的輸出軸上 的輸出量，該輸出量驅動連接在輸出軸上的擋板作直線的往復運動，擋板與噴
嘴之間的距離能從零變化到最大值，通過噴嘴與擋板間的距離的變化來調節主 閥B的控制端的壓力；
2) 流量測量機構C包含層流式流路元件和差壓傳感器，層流式流路元件采
用多根纖細鋼管并聯組合構成一個層流式流量測量機構，通過差壓傳感器測量
層流纖細管兩端的壓力差，根據公式Q-kAP求出從壓力調節器的控制端流入或 流出的流量，能夠實現雙向流量的測量，流量測量結構C連接在主閥B的控制 端；
3) 外部輸入電氣設定信號為電壓或電流信號，設定信號和實際輸出的壓力 信號同時進入電路控制部分D，通過信號比較、運算放大后，其輸出的電壓或 電流信號輸出到音圈電機驅動擋板式噴嘴擋板結構A中的音圈電機，從而改變 噴嘴與擋板間的距離。
采用上述結構，本發明實現快速電氣控制調節壓力的同時準確測量壓力控 制端的流量，壓力調節器和快速雙向流量測量元件結合而成的新型控制元件在 伺服系統的設計和控制上可以提供同時具有高精度調壓和流量測量的功能。
本發明的技術方案具體實現如下
本發明的一種帶有流量測量機能的電氣控制氣體壓力調節器，如圖1所示， 它包括音圈電機驅動擋板式噴嘴擋板結構A、主閥B、流量測量結構C和電路控 制部分D。
壓力調節流程如圖2所示。帶有流量測量機能的電氣控制氣體壓力調節器 的外部輸入電氣設定信號為電壓或電流信號，信號進入電路控制部分D的電路 控制器，電路控制部分包含電路控制器和壓力傳感器，壓力傳感器設置在主閥 B的控制端，壓力傳感器的輸出信號進入一個帶有微處理器的電路控制器，在 帶有微處理器的電路控制器中將實際輸出的壓力信號和通過外部設定的信號進 行比較后，在帶有微處理器的電路控制器中利用數學控制算法進行運算放大， 其結果(電壓或電流)輸出到音圈電機驅動擋板式噴嘴擋板結構A中的音圈電 機，音圈電機驅動擋板式噴嘴擋板結構A包括音圈電機動子、音圈電機定子、 擋板、噴嘴，音圈電機動子的輸出軸與擋板連接，擋板位于噴嘴的正上方，擋 板與噴嘴之間的距離從零到最大值，擋板與噴嘴之間距離的最大值是根據音圈 電機動子移動的最大距離而定。其工作原理是依據安培定律,通電導體放在磁場
中，就會產生力，力的大小取決于磁場強弱、輸入電流、以及磁場和電流的方向。 有電流或電壓信號輸入時，音圈電機中的線圈和磁場作用產生的力轉換為連接 在音圈電機動子上輸出軸的輸出量，該輸出量驅動連接在輸出軸上的擋板作直 線的往復運動，從而改變噴嘴與擋板間的距離。
通過噴嘴與擋板間的距離的變化來調節主閥B的控制端的壓力。主閥B包 括主閥活塞、溢流提升閥彈簧、正向流提升閥彈簧、溢流提升閥閥套、正向流 提升閥閥套、溢流提升閥閥座、正向流提升閥閥座、主閥芯軸和可調節流器。
其壓力調節原理是壓縮空氣進入主閥B的進口端后通過一支路中的可調節流
器進入噴嘴下端的背壓腔后經過噴嘴和擋板間形成的縫隙排到大氣中。由于擋 板的位移變化改變噴嘴與擋板間的距離，從而使噴嘴下端背壓腔的壓力產生， 該壓力作用于主閥結構中活塞的上表面，當作用在活塞上表面的力大于正向提 升閥彈簧所產生的向上作用的力時，通過主閥芯軸向下的移動，正向流提升閥
閥套與正向流提升閥閥座之間開口打開，壓縮空氣流向主閥B的出口產生控制 壓力；當出口壓力小于設定壓力時，帶有微處理器的電路控制器調節輸出給音 圈電機的控制信號，使擋板下移減小噴嘴與擋板間的距離，從而增大背壓腔的 壓力，主閥活塞下移，正向流提升閥閥套與正向流提升閥閥座之間開口加大， 流過出口端流量增加使出口壓力上升重新達到設定壓力；當出口壓力大于設定 壓力時，帶有微處理器的電路控制器調節輸出給音圈電機的控制信號使擋板上 移增大噴嘴與擋板間的距離從而減小背壓腔的壓力，活塞上移，通過主閥芯軸 移動，正向流提升閥閥套與正向流提升閥閥座之間開口開度減少直至關閉后溢 流提升閥閥套與溢流提升閥閥座之間開口打開，出口處壓縮空氣從溢流提升閥 閥套與溢流提升閥閥座之間開口迅速排氣，實現溢流，使出口處壓力降重新達 到設定壓力。由于主閥B為提升式結構，進氣和排氣為對稱性結構，能實現正 向流和溢流的大流量且無轉換死區。
主閥B控制端的進出流量的測量機能是通過流量測量機構C來實現的。流 量測量機構C包含層流式流路元件和差壓傳感器，層流式流路元件采用多根纖 細鋼管并聯組合構成一個層流式流量測量機構，連接在主閥B的控制端，通過 差壓傳感器測量層流纖細管兩端的壓力差，根據公式Q-kAP，其中Q為氣體體 積流量；AP為差壓；k為轉換系數，求出從壓力調節器的控制端流入或流出的
流量，能夠實現雙向流量的測量。
由于采用了上述技術方案，本發明具有如下優點和效果，本發明提供帶有 大溢流的并能夠實現快速的調節壓力，具有壓力傳感器反饋功能，使壓力調節 更加精確的壓力調節器。同時在不需要單獨加流量計的情況下進行雙向流量測 量機能的新型元件，這一元件提供同時具有高精度調壓和流量測量的功能。應 用在氣動減壓閥的壓力-流量特性測試試驗時，能夠簡化測試裝置，縮短測試時 間，提高測試精度，節約用氣量；應用在壓力伺服控制系統中時，通過流量反 饋的串級控制，易于實現控制的快速性和穩定性。


圖1為帶有流量測量機能的電氣控制氣體壓力調節器機構示意圖； 圖2為帶有流量測量機能的電氣控制氣體壓力調節器工作原理框圖中A-音圈電機驅動擋板式噴嘴擋板結構、B-主閥、C-流量測量機構、 D-電路控制部分、1-音圈電機動子、2-音圈電機定子、3-擋板、4-噴嘴、5-主 閥活塞、6-背壓腔、7-溢流提升閥彈簧、8-正向流提升閥彈簧、9-溢流提升閥 閥套、10-正向流提升閥閥套、11-溢流提升閥閥座、12-正向提升閥閥座、13-主閥芯軸、14-層流式流路元件、15-壓力傳感器、16-差壓傳感器、17-帶微處 理器的電路控制器、18-可調節流器。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
如圖1所示，作為實施例，本發明帶有流量測量機能的電氣控制氣體壓力 調節器中主要結構和工作方式如下。
帶有流量測量機能的電氣控制氣體壓力調節器的外部輸入電氣設定信號為 電壓或電流信號，1 5V的輸入設定信號進入壓力調節器內電路控制部分D的 帶微處理器的電路控制器17，電路控制部分D包含帶微處理器的電路控制器17 和壓力傳感器15，壓力傳感器15設置在主閥B的控制端，其測量范圍是0 lMPa，輸出信號是1 5V。壓力傳感器15的輸出信號進入一個帶有微處理器的 電子電路控制器17，在帶有微處理器的電路控制器17中將實際輸出的壓力信號和通過外部設定的信號進行比較后，在電路控制器利用數學控制算法進行運
算放大，其結果(電壓或電流)輸出到音圈電機驅動擋板式噴嘴擋板結構A中 的音圈電機，音圈電機驅動擋板式噴嘴擋板結構A包含音圈電機動子1、音圈 電機定子2、擋板3、噴嘴4，音圈電機動子l的輸出軸與擋板3連接，擋板3 位于噴嘴4的正上方，噴嘴4直徑為lmm。擋板3與噴嘴4之間的距離從零到 最大值，擋板3與噴嘴4之間距離的最大值是根據音圈電機動子移動的最大距 離而定。其工作原理是依據安培定律,通電導體放在磁場中，就會產生力，力的大 小取決于磁場強弱、電流、以及磁場和電流的方向。有電流或電壓信號輸入時， 音圈電機中的線圈和磁場作用產生的力轉換為連接在音圈動子1上的軸的輸出 量從而驅動連接在軸上的擋板3作直線的往復運動，噴嘴4與擋板3間的距離 從0至!j2mm之間變化。
通過噴嘴4與擋板3間的距離的變化來調節主閥B的控制端的壓力。主閥 B包括主閥活塞5、溢流提升閥彈簧7、正向流提升閥彈簧8、溢流提升閥閥套 9、正向流提升閥閥套IO、溢流提升閥閥座ll、正向流提升閥閥座12、主閥芯 軸13和可調節流器18。其壓力調節原理是壓縮空氣進入主閥B的進口端后 通過一支路中的直徑為lmm的可調節流器18進入噴嘴4下端的背壓腔6后經過 噴嘴4和擋板3間形成的縫隙排到大氣中。由于擋板3的位移變化改變噴嘴4 與擋板3間的距離，從而使噴嘴4下端背壓腔6的壓力產生，該壓力作用于主 閥結構中主閥活塞5的上表面，主閥活塞5的直徑為25mm。當作用在活塞5上 表面的力大于彈性系數為100N/m的正向流提升閥彈簧8所產生的向上作用的力 時，通過主閥芯軸13向下的移動，正向流提升閥閥套10與正向流提升閥閥座 12之間開口打開，正向流提升閥閥座直徑為lOram，最大開口距離為5mm。壓縮 空氣流向壓力調節器的出口產生控制壓力；當出口壓力小于設定壓力時，帶有 微處理器的電路控制器17調節輸出給音圈電機的控制信號使擋板3下移減小噴 嘴4與擋板3間的距離從而增大背壓腔6的壓力，主閥活塞5下移，正向流提 升閥閥套10與正向流提升閥閥座12之間開口加大，流過出口端流量增加使出 口壓力上升重新達到設定壓力；當出口壓力大于設定壓力時，帶有微處理器的 電路控制器17調節輸出給音圈電機的控制信號使擋板3上移增大噴嘴4與擋板 3間的距離從而減小背壓腔6的壓力，主閥活塞5上移，通過主閥芯軸13移動，正向流提升閥閥套10與正向流提升閥閥座12之間開口開度減少直至關閉后溢 流提升閥閥套9與溢流提升閥閥座11之間開口打開，出口處壓縮空氣從溢流提 升閥閥套9與溢流提升閥閥座11之間開口迅速排氣，實現溢流，使出口處壓力 降重新達到設定壓力。由于主閥B為提升式結構，進氣和排氣為對稱性結構， 能實現正向流和溢流的大流量且無轉換死區。
主閥B的控制端的進出流量的測量機能是通過流量測量機構C來實現的。 流量測量機構C包含層流式流路元件14和差壓傳感器16，差壓傳感器16的測 量范圍是-500 500kPa，輸出信號為0. 5 4. 5V。層流式流路元件14采用多根 纖細鋼管并聯組合構成一個層流式流量測量機構，連接在主閥B的控制端，通 過差壓傳感器16測量層流式流路元件14兩端的壓力差，根據公式Q=kAP，其 中Q為氣體體積流量；AP為差壓；k為轉換系數，求出從壓力調節器的控制端 流入或流出的流量，流量的范圍為-500 500NL/min，從而能夠實現雙向流量的
權利要求
1、一種帶有流量測量機能的電氣控制氣體壓力調節器，包括音圈電機驅動擋板式噴嘴擋板結構A、主閥B、流量測量結構C和電路控制部分D四部分，其特征在于音圈電機驅動擋板式噴嘴擋板結構A包括音圈電機動子(1)、音圈電機定子(2)、擋板(3)、噴嘴(4)；音圈電機動子(1)的輸出軸與擋板(3)連接，擋板(3)位于噴嘴(4)的正上方，音圈電機中的線圈和磁場作用產生的力轉換為連接在音圈電機動子(1)上的輸出軸上的輸出量，該輸出量驅動連接在輸出軸上的擋板(3)作直線的往復運動，擋板(3)與噴嘴(4)之間的距離能從零變化到最大值，通過噴嘴(4)與擋板(3)間的距離的變化來調節主閥B的控制端的壓力；流量測量機構C包含層流式流路元件(14)和差壓傳感器(16)，層流式流路元件(14)采用多根纖細鋼管并聯組合構成一個層流式流量測量機構，連接在主閥B的控制端，通過差壓傳感器(16)測量層流纖細管兩端的壓力差，根據公式Q＝kΔP求出從壓力調節器的控制端流入或流出的流量，能夠實現雙向流量的測量，流量測量結構C連接在主閥B的控制端；外部輸入電氣設定信號為電壓或電流信號，設定信號和實際輸出的壓力信號同時進入電路控制部分D，通過信號比較、運算放大后，其輸出的電壓或電流信號輸出到音圈電機驅動擋板式噴嘴擋板結構A中的音圈電機，從而改變噴嘴(4)與擋板(3)間的距離。
2、 如權利要求1所述的一種帶有流量測量機能的電氣控制氣體壓力調節器， 其特征在于擋板(3)與噴嘴(4)之間距離的最大值是根據音圈電機動子移 動的最大距離而定。
全文摘要
本發明涉及一種壓力調節器，特別涉及一種帶有流量測量機能的電氣控制氣體壓力調節器，屬于機電一體化中的自動控制領域。本發明包括音圈電機驅動擋板式噴嘴擋板結構A、主閥B、流量測量結構C和電路控制部分D四部分。外部輸入電氣設定信號為電壓或電流信號，設定信號和實際輸出的壓力信號同時進入電路控制部分D，通過信號比較、運算放大后，其輸出的電壓或電流信號輸出到音圈電機驅動擋板式噴嘴擋板結構A中的音圈電機，從而改變噴嘴與擋板間的距離，通過噴嘴與擋板間的距離的變化來調節主閥B的控制端的壓力。主閥B的控制端連接層流式流量測量機構C。本發明具有高精度快速調壓和精確雙向流量測量的功能。
文檔編號G01F1/34GK101344791SQ200810117929
公開日2009年1月14日 申請日期2008年8月15日 優先權日2008年8月15日
發明者彭光正, 濤 王, 胡艷萍, 香川利春 申請人:北京理工大學