一種氣動(dòng)自動(dòng)壓力補(bǔ)償裝置的實(shí)現(xiàn)

(昆明船舶設(shè)備試驗(yàn)研究中心, 云南 昆明　650051)

引言

自動(dòng)調(diào)壓裝置在工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用較多，如大型液壓傳動(dòng)機(jī)械、壓力儀器儀表檢定。傳統(tǒng)的加壓裝置結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，體積較大。而且達(dá)到目標(biāo)壓力所需時(shí)間較長，當(dāng)需要提供實(shí)時(shí)壓力補(bǔ)償時(shí)，傳統(tǒng)裝置往往不能滿足要求。

實(shí)現(xiàn)壓力調(diào)節(jié)可以采用氣壓方式或液壓方式，液體具有不可壓縮性，所以輸出平穩(wěn)，實(shí)現(xiàn)起來較為簡單；氣體可壓縮，擴(kuò)散速度較快，調(diào)壓速度快，但是需要良好的策略保證穩(wěn)定壓力輸出，所以對氣路的設(shè)計(jì)和控制策略要求較高。

本研究介紹的自動(dòng)調(diào)壓裝置，采用氣壓方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，結(jié)構(gòu)簡單，能反復(fù)循環(huán)提供實(shí)時(shí)壓力補(bǔ)償。受限于氣泵功率，該裝置主要適用于壓力要求小于2 MPa的領(lǐng)域。

1　自動(dòng)調(diào)壓裝置的結(jié)構(gòu)及原理

1.1　自動(dòng)調(diào)壓裝置的組成

自動(dòng)調(diào)壓裝置主要包括兩部分，氣路部分和電路控制部分。氣路部分包括實(shí)現(xiàn)壓力生成，傳遞與輸出必須的所有組部件，包括氣泵、單向電磁閥、卸壓閥、密閉加壓容器、壓力儲(chǔ)存氣瓶、傳感器等，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1中高壓氣瓶作為氣源，用于儲(chǔ)存產(chǎn)生目標(biāo)壓力的氣體，壓力容器用于儲(chǔ)存壓縮氣體提供壓力輸出，開關(guān)閥1和開關(guān)閥2為手緊閥，其中開關(guān)閥1用于保持氣源內(nèi)氣壓，開關(guān)閥2用于氣壓不足時(shí)向高壓氣瓶補(bǔ)充氣體，閥1～4為電磁閥，用于控制特定氣路的通斷，氣泵用于向氣瓶補(bǔ)充氣體或是向壓力容器中加壓。該氣路的優(yōu)點(diǎn)在于循環(huán)利用氣瓶的氣體進(jìn)行加壓和降壓，使用之前對氣瓶預(yù)充一定量的氣體可以避免反復(fù)從外界充氣，同時(shí)對系統(tǒng)工作過程也能有一定程度的簡化。

圖1　氣路部分結(jié)構(gòu)框圖

電路控制部分包括實(shí)現(xiàn)氣泵、單向電磁閥控制和壓力傳感器數(shù)據(jù)采集的電路，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2　電路控制部分結(jié)構(gòu)框圖

LPC1766芯片作為控制芯片，通過采集壓力傳感器數(shù)據(jù)獲取高壓氣瓶內(nèi)和壓力容器內(nèi)的實(shí)時(shí)壓力，驅(qū)動(dòng)電路四個(gè)電磁閥和氣泵工作，以此保證氣路部分的正常運(yùn)行，達(dá)到壓力調(diào)整的目的。

1.2　自動(dòng)調(diào)壓裝置的工作原理

根據(jù)圖1所示氣路的構(gòu)成，以壓力容器作為壓力輸出口，將調(diào)壓過程分為加壓與降壓兩個(gè)過程，加壓時(shí)由高壓氣瓶向壓力容器補(bǔ)充氣體，降壓時(shí)由壓力容器向高壓氣瓶補(bǔ)充氣體，補(bǔ)充氣體的方式有氣體自然平衡方式和氣泵工作方式兩種，自然平衡方式適用于高壓端向低壓端補(bǔ)充氣體，氣泵工作方式是為了克服壓力逆差，適用于低壓端向高壓端補(bǔ)充氣體。所以根據(jù)氣泵工作與否，分別存在了兩種氣路工作模式。調(diào)壓過程工作方式如圖3所示，分別對應(yīng)了4種不同的工作方式，箭頭方向表示氣體流動(dòng)方向。

圖3a為氣泵工作加壓過程，對應(yīng)工作模式1；圖3b為自然平衡加壓過程，對應(yīng)工作模式2；圖3c為氣泵工作降壓過程，對應(yīng)工作模式3；圖3d為自然平衡降壓工作過程，對應(yīng)工作模式4。設(shè)高壓氣瓶當(dāng)前壓力為p瓶，壓力容器當(dāng)前壓為p容，壓力容器需要達(dá)到的目標(biāo)壓力位p目。對各工作模式的描述如下：

(1) 工作模式1：p容

(2) 工作模式2：p容

(3) 工作模式3：p容≥p目，系統(tǒng)處于降壓工作模式，閥2和閥3工作，氣泵工作，其余關(guān)閉。

(4) 工作模式4：p容≥p目，系統(tǒng)處于降壓工作模式，閥1和閥2開啟，其余關(guān)閉。

(5) 工作模式5：p容=p目，系統(tǒng)處于壓力平衡狀態(tài)，不需調(diào)節(jié)，閥門及氣泵均關(guān)閉。

圖3　調(diào)壓過程的4種工作方式

可見，無論是對于加壓過程還是降壓過程，依據(jù)氣泵是否需要工作，都存在兩個(gè)對應(yīng)的工作模式。

2　電路控制部分實(shí)現(xiàn)

電路控制部分包括軟件和硬件兩部分，主要實(shí)現(xiàn)五個(gè)功能：采集傳感器的壓力數(shù)據(jù)；接收上位機(jī)的指令，上傳實(shí)時(shí)壓力數(shù)據(jù)；驅(qū)動(dòng)電磁閥和氣泵工作；實(shí)時(shí)壓力數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；選擇工作方式實(shí)現(xiàn)壓力調(diào)節(jié)。

實(shí)現(xiàn)電路控制部分的功能，主要有數(shù)據(jù)采集電路，RS232通信電路，驅(qū)動(dòng)電路，F(xiàn)lash存儲(chǔ)電路。數(shù)據(jù)采集利用LPC1766自帶12位AD轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)，由于采用的壓力傳感器是0～5 V輸出的電壓型傳感器，故需要數(shù)據(jù)采集電路完成信號處理，供LPC1766使用。RS232通信電路利用MAX3232E實(shí)現(xiàn)兩路串口通信，分別用于向上位機(jī)傳輸實(shí)時(shí)壓力數(shù)據(jù)及接收上位機(jī)控制命令。Flash存儲(chǔ)電路利用LPC1766自帶SPI總線實(shí)現(xiàn)對型號為MX25L1608的NOR Flash讀寫操作。

驅(qū)動(dòng)電路主要實(shí)現(xiàn)電磁閥和直流接觸器的驅(qū)動(dòng)，該系統(tǒng)總共包含4個(gè)電磁開關(guān)閥(24 V、6 W)和1個(gè)直流接觸器(24 V、10 W)，直流接觸器采用以電磁繼電器作為中間繼電器控制其驅(qū)動(dòng)信號的方式來控制，根據(jù)其電磁閥以及中間繼電器的功率及電壓要求，驅(qū)動(dòng)芯片應(yīng)具備至少5路的驅(qū)動(dòng)輸出，輸出電壓為24 V， 且單獨(dú)1路的驅(qū)動(dòng)電流應(yīng)不小于1 A，這里選用的驅(qū)動(dòng)芯片為BTS712N1。

BTS712管腳分布如圖4所示，工作電壓為5～34 V，具備4路驅(qū)動(dòng)輸出以及對應(yīng)的4個(gè)驅(qū)動(dòng)控制端口，四路同時(shí)輸出時(shí)，單路可輸出電流也大于1 A，滿足使用需求，并且兼容CMOS電平輸入，控制LPC1766的IO口即可實(shí)現(xiàn)對驅(qū)動(dòng)輸出的控制。

圖4　BTS712N1管腳分布

3　系統(tǒng)工作模式及壓力調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)

3.1　系統(tǒng)工作模式

系統(tǒng)有四種工作模式，系統(tǒng)工作過程中，根據(jù)p瓶，p容和p目三個(gè)壓力數(shù)值之間的相對關(guān)系，選擇不同的工作模式。首先根據(jù)p容和p目的關(guān)系來確定系統(tǒng)應(yīng)該加壓還是降壓，再根據(jù)p容和p瓶的關(guān)系來確定系統(tǒng)具體采取何種模式工作，對具體工作狀況進(jìn)行如下分析：

(1) 若p容

(2) 若p容>p目，表明輸出壓力大于目標(biāo)壓力，需對壓力容器進(jìn)行降壓，降壓同樣存在自動(dòng)平衡方式和氣泵工作方式。當(dāng)壓力容器壓力遠(yuǎn)大于高壓氣瓶壓力時(shí)，使用自動(dòng)平衡方式，對應(yīng)工作模式4；當(dāng)壓力容器壓力小于高壓氣瓶壓力時(shí)，壓差為負(fù)，應(yīng)使用氣泵工作方式，對應(yīng)工作模式3；當(dāng)壓力容器壓力大于高壓氣瓶壓差較小時(shí)，應(yīng)使用氣泵工作方式，對應(yīng)工作模式3。

(3) 若p容=p目，表明輸出壓力已達(dá)到目標(biāo)壓力，不需再進(jìn)行任何調(diào)節(jié)，對應(yīng)工作模式5。

壓力容器壓力與目標(biāo)壓力相等，是壓力調(diào)整的最佳狀態(tài)，但實(shí)際工況中，器件存在一定響應(yīng)滯后，且調(diào)節(jié)時(shí)間不能無限長，故壓力調(diào)節(jié)目標(biāo)是使得壓力容器壓力無限接近目標(biāo)壓力，只要二者差值小于調(diào)節(jié)誤差門限，就認(rèn)為調(diào)節(jié)到位，設(shè)調(diào)節(jié)誤差門限為p誤。

高壓氣瓶壓力與壓力容器之間的壓力差是選擇自然平衡工作方式和氣泵工作方式的依據(jù)，這里需設(shè)置壓力差門限，無論是加壓還是降壓，只要壓力差大于壓力差門限就選擇自然平衡工作方式，壓力差小于壓力差門限就選擇氣泵工作方式。設(shè)壓力差門限為p差。

高壓氣瓶壓力、壓力容器壓力、目標(biāo)壓力與工作模式之間的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。該表是系統(tǒng)如何工作的依據(jù)。

3.2　壓力調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)

通電之后系統(tǒng)開始工作，不斷采集壓力數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行判別，判斷是加壓過程還是降壓過程，再根據(jù)高壓氣瓶壓力與壓力容器壓力之間的相對關(guān)系，以表1為依據(jù)，確定具體的工作模式，從而驅(qū)動(dòng)對應(yīng)執(zhí)行器動(dòng)作。

表1　壓力數(shù)據(jù)與工作模式相對關(guān)系表

在壓力調(diào)節(jié)過程中，高壓氣瓶壓力與壓力容器壓力在不斷變化，整個(gè)調(diào)節(jié)過程會(huì)在各個(gè)模式之間頻繁切換，不同模式切換使執(zhí)行器件頻繁動(dòng)作，為避免此問題，選取了合適的調(diào)節(jié)誤差門限與壓力差門限。結(jié)合系統(tǒng)自身的工作情況，本系統(tǒng)的調(diào)節(jié)誤差門限設(shè)置為0.01 MPa，壓力差門限設(shè)置為0.5 MPa。

4　試驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果

系統(tǒng)中的執(zhí)行部件包含4個(gè)電磁閥和1個(gè)氣泵，這里選用的氣泵是微型加壓泵，該氣泵最大能夠輸出3 MPa 的壓力。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠輸出的有效壓力范圍是0～2 MPa，考慮到最大壓力工作范圍，選用的電磁閥、單向閥以及管路的耐壓值應(yīng)不小于3 MPa，否則有可能在試驗(yàn)過程中發(fā)生元件損壞。在試驗(yàn)之前，需要做好氣密試驗(yàn)，避免漏氣現(xiàn)象發(fā)生。試驗(yàn)以外部輸入的壓力作為目標(biāo)值，實(shí)時(shí)測量并記錄壓力輸出容器內(nèi)的壓力，記錄從初始壓力達(dá)到目標(biāo)壓力所需的時(shí)間，一組試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2　試驗(yàn)測試結(jié)果

(續(xù)表2)

5　結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果表明，此調(diào)壓裝置能夠穩(wěn)定輸出調(diào)節(jié)范圍內(nèi)的任意壓力值，且調(diào)節(jié)時(shí)間短。此系統(tǒng)最大優(yōu)勢在于能夠?qū)崿F(xiàn)壓力跟隨輸出，在外部壓力變化劇烈的情況下，也能及時(shí)補(bǔ)償，并且結(jié)合氣路的特點(diǎn)，采用了自然充氣與氣泵工作結(jié)合的方式，針對不同壓力需求，采用不同工作模式，有效地節(jié)省了壓力補(bǔ)償調(diào)節(jié)時(shí)間。

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