專(zhuān)利名稱(chēng)：高壓氣體容積膨脹減壓自動(dòng)控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高壓氣體容積膨脹減壓控制方法和自動(dòng)控制裝置。
背景技術(shù)：
在背景技術(shù)領(lǐng)域中，與本發(fā)明的功能最為接近的是節(jié)流型的壓力調(diào)節(jié)裝置，即各種氣體減壓閥。盡管目前減壓閥技術(shù)比較成熟，而且能夠滿(mǎn)足間歇工作、只對(duì)功能性有要求的氣動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用，但它是通過(guò)節(jié)流控制實(shí)現(xiàn)壓力調(diào)節(jié)的。而節(jié)流控制是一種不可逆的能量變化過(guò)程，對(duì)于連續(xù)工作、動(dòng)力性能要求高的氣動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)，存在較大的能量損失，因此不利于系統(tǒng)的高效利用。
容積膨脹減壓所應(yīng)用的元件是膨脹容器。其工作原理是通過(guò)氣動(dòng)開(kāi)關(guān)閥和膨脹容器調(diào)節(jié)高壓氣動(dòng)系統(tǒng)的輸出壓力。容積膨脹減壓原理是根據(jù)氣體的狀態(tài)方程工作的，在一定條件下，一定量的氣體的壓力與其充滿(mǎn)的容積成反比，即容積增大，壓力降低。膨脹容器的作用是通過(guò)增大容積將上游的高壓氣體降為工作所要求的低壓氣體。若在等溫和等熵狀態(tài)下膨脹，它是一可逆過(guò)程，基本上不損失能量。通過(guò)PLC控制方式和PID調(diào)節(jié)控制開(kāi)關(guān)閥，膨脹器可以精確控制常規(guī)氣動(dòng)系統(tǒng)的輸出壓力，控制方式靈活，控制精度可在1.0kPa之內(nèi)。與之相比，在常規(guī)氣動(dòng)系統(tǒng)中，節(jié)流調(diào)節(jié)壓力要損失系統(tǒng)能量的5～10％來(lái)克服摩擦阻力；在高壓氣動(dòng)系統(tǒng)中，節(jié)流造成的能量損失將會(huì)更大。容積膨脹減壓控制還在于過(guò)程和狀態(tài)上與節(jié)流減壓不同，容積膨脹減壓過(guò)程中沒(méi)有節(jié)流損失；減壓后的低壓氣體可以?xún)?chǔ)存在低壓儲(chǔ)氣罐中經(jīng)歷一段時(shí)間與外界進(jìn)行熱補(bǔ)償。在這一過(guò)程中，只要外界能量足夠高，并有足夠的時(shí)間對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行能量補(bǔ)充，就可以使損失的能量得到部分補(bǔ)充和恢復(fù)，從而保證了系統(tǒng)能量的高效利用。理論分析已經(jīng)證明，將30MPa壓力的超高壓氣體減低到1.0～5.0MPa的壓力，容積減壓控制方式比節(jié)流減壓控制方式可減少能量損失10～35％。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種集高壓氣動(dòng)控制閥、壓力傳感器、流量傳感器、控制器、容積膨脹容器于一體的高壓氣體容積膨脹減壓自動(dòng)控制裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓氣體容積膨脹減壓的自動(dòng)控制。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下它包括氣源壓力傳感器及顯示儀表，高壓截止閥，高壓氣動(dòng)開(kāi)關(guān)閥，控制器，容積膨脹容器，減壓壓力傳感器及顯示儀表，減壓溫度傳感器及顯示儀表，低壓截止閥；高壓氣動(dòng)開(kāi)關(guān)閥的進(jìn)氣口通過(guò)高壓管線和接頭與高壓截止閥相連，出氣口通過(guò)高壓管線和接頭與容積膨脹容器的進(jìn)氣口相連，控制端接線與控制器的輸出端口連接；容積膨脹容器的出氣口通過(guò)接頭與低壓截止閥的一端相連，低壓截止閥的另一端與低壓管線和接頭相連；減壓壓力傳感器及顯示儀表和減壓和溫度傳感器及顯示儀表均安裝在容積膨脹容器上，它們的信號(hào)輸出引線與控制器的輸入端端口連接。
控制器設(shè)有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和控制輸出模塊；氣源壓力傳感器及顯示儀表、減壓壓力傳感器及顯示儀表、減壓溫度傳感器及顯示儀表輸出引線分別接入各自的由采樣/保持電路和A/D轉(zhuǎn)換電路組成的數(shù)據(jù)采集模塊、進(jìn)入由CPU、程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器組成的數(shù)據(jù)處理模塊、進(jìn)入由功率放大電路組成的控制輸出模塊后，接在高壓氣動(dòng)開(kāi)關(guān)閥的控制端。
壓力傳感器和溫度傳感器分別提供高壓氣源和容積膨脹減壓狀態(tài)的壓力和溫度數(shù)據(jù)；控制器設(shè)有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和控制輸出等功能模塊，可實(shí)時(shí)采集所需的壓力和溫度數(shù)據(jù)，并根據(jù)設(shè)定的控制要求和控制算法對(duì)高壓氣動(dòng)開(kāi)關(guān)閥的開(kāi)關(guān)時(shí)間進(jìn)行控制；容積膨脹容器保證進(jìn)入的高壓氣體實(shí)現(xiàn)容積膨脹減壓過(guò)程；減壓狀態(tài)的參數(shù)值可以被控制器實(shí)時(shí)采集和運(yùn)算，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓氣體的容積減壓過(guò)程的自動(dòng)控制。
本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)是裝置組成簡(jiǎn)單，具有自動(dòng)控制功能，在高壓氣體的容積膨脹減壓控制過(guò)程中沒(méi)有節(jié)流損失，與節(jié)流減壓相比，在減壓過(guò)程中可以節(jié)能10～35％，能量利用率高。本發(fā)明將機(jī)械、電子和流體控制集于一體，是典型的機(jī)電一體化自動(dòng)控制系統(tǒng)。本發(fā)明可以方便的安裝或連接入高壓氣體動(dòng)力系統(tǒng)的能量控制環(huán)節(jié)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓氣體容積膨脹減壓的自動(dòng)控制，從而達(dá)到高效利用高壓氣體動(dòng)力系統(tǒng)能量的目的，它可應(yīng)用在以壓縮空氣為動(dòng)力的能量控制系統(tǒng)等領(lǐng)域，特別是壓縮空氣為動(dòng)力的氣動(dòng)汽車(chē)的能量控制系統(tǒng)中。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理示意圖；圖2是本發(fā)明的控制器原理的方框圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，所述的高壓氣體容積減壓裝置由高壓氣動(dòng)開(kāi)關(guān)閥4、控制器5、容積膨脹容器6、高壓截止閥2、壓力傳感器及顯示儀表1和7、溫度傳感器及顯示儀表8、低壓截止閥9、高壓管線和接頭3、低壓管線和接頭10等組成。
高壓氣動(dòng)開(kāi)關(guān)閥4的進(jìn)氣口通過(guò)接頭和高壓管線與高壓截止閥2相連，出氣口通過(guò)接頭和高壓管線與容積膨脹容器6的進(jìn)氣口相連，控制端接線與控制器5的輸出端口連接。高壓氣動(dòng)開(kāi)關(guān)閥4受控于控制器5發(fā)出的控制信號(hào)，用于控制高壓氣體進(jìn)入膨脹容器6的周期和時(shí)間，并使氣體通過(guò)高壓氣動(dòng)開(kāi)關(guān)閥4時(shí)產(chǎn)生較小的壓力降，不可逆的能量損失小，有利于節(jié)能。
容積膨脹容器6的進(jìn)氣口通過(guò)接頭和高壓管線與高壓氣動(dòng)開(kāi)關(guān)閥4的出氣口相連，出氣口通過(guò)接頭與低壓截止閥9相連。容積膨脹容器6是一個(gè)能承受高壓，并具有設(shè)定容積的氣罐，其作用是使進(jìn)入的高壓氣體按絕熱過(guò)程或多變過(guò)程在罐內(nèi)膨脹，使氣體壓力降低，實(shí)現(xiàn)減壓，從而消除節(jié)流減壓過(guò)程中的不可逆能量損失。
壓力傳感器及顯示儀表7安裝在容積膨脹容器6上，它的信號(hào)輸出引線與控制器5的輸入端口聯(lián)接。壓力傳感器及顯示儀表7將容積膨脹容器的氣體壓力值顯示出來(lái)并傳輸?shù)娇刂破?，便于監(jiān)控，并為控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)閥的控制提供信息和數(shù)據(jù)。
壓力傳感器及顯示儀表1安裝在高壓氣源的出口處，即高壓氣體容積減壓裝置的進(jìn)口處，它的信號(hào)輸出引線與控制器5的輸入端口聯(lián)接。壓力傳感器及顯示儀表1將高壓氣源的氣體壓力值顯示出來(lái)并傳輸?shù)娇刂破?，便于監(jiān)控，并為控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)閥的控制提供信息和數(shù)據(jù)。
溫度傳感器及顯示儀表8安裝在容積膨脹容器6上，它的信號(hào)輸出引線與控制器5的輸入端口聯(lián)接。溫度傳感器及顯示儀表8將容積膨脹容器的氣體溫度值顯示出來(lái)并傳輸?shù)娇刂破?，便于監(jiān)控，并為控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)閥的控制提供信息和數(shù)據(jù)如圖2所示，控制器5設(shè)有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和控制輸出等功能模塊。數(shù)據(jù)采集模塊由采樣保持電路和A/D轉(zhuǎn)換電路組成，用于采集高壓氣源的壓力、容積膨脹減壓氣體的壓力和溫度等工作參數(shù)值；數(shù)據(jù)處理模塊包括CPU程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，可按照控制要求和算法對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并送到控制輸出的放大電路輸入端；控制輸出模塊主要是驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)閥工作的功率放大電路，用來(lái)控制高壓氣動(dòng)開(kāi)關(guān)閥的開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)間和周期，以實(shí)現(xiàn)對(duì)容積減壓系統(tǒng)的控制。
高壓截止閥2用于保證高壓氣體容積減壓裝置的靜態(tài)密封和安全；低壓截止閥9用于調(diào)節(jié)用氣元件或系統(tǒng)的氣體輸出量。
所述的高壓氣體容積減壓裝置一般安裝在高壓氣源與氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)(氣動(dòng)執(zhí)行元件)之間。工作時(shí)，首先將高壓截止閥2打開(kāi)到最大開(kāi)口狀態(tài)，使高壓氣體無(wú)阻礙的到達(dá)高壓氣動(dòng)開(kāi)關(guān)閥4的進(jìn)氣口，然后可根據(jù)系統(tǒng)的減壓控制要求，由控制器5對(duì)高壓氣動(dòng)開(kāi)關(guān)閥4進(jìn)行開(kāi)啟和關(guān)閉狀態(tài)的控制，從而控制高壓氣體在容積膨脹容器中的減壓過(guò)程和減壓指標(biāo)，以滿(mǎn)足氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力需要。
權(quán)利要求
1.高壓氣體容積膨脹減壓自動(dòng)控制裝置，其特征在于它包括氣源壓力傳感器及顯示儀表(1)，高壓截止閥(2)，高壓氣動(dòng)開(kāi)關(guān)閥(4)，控制器(5)，容積膨脹容器(6)，減壓壓力傳感器及顯示儀表(7)，減壓溫度傳感器及顯示儀表(8)，低壓截止閥(9)；高壓氣動(dòng)開(kāi)關(guān)閥(4)的進(jìn)氣口通過(guò)高壓管線和接頭(3)與高壓截止閥(2)相連，出氣口通過(guò)高壓管線和接頭與容積膨脹容器(6)的進(jìn)氣口相連，控制端接線與控制器(5)的輸出端口連接；容積膨脹容器(6)的出氣口通過(guò)接頭與低壓截止閥(9)的一端相連，低壓截止閥(9)的另一端與低壓管線和接頭(10)相連；減壓壓力傳感器及顯示儀表(7)和減壓和溫度傳感器及顯示儀表(8)均安裝在容積膨脹容器(6)上，它們的信號(hào)輸出引線與控制器(5)的輸入端端口連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓氣體容積膨脹減壓自動(dòng)控制裝置，其特征在于所說(shuō)的控制器(5)設(shè)有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和控制輸出模塊；氣源壓力傳感器及顯示儀表(1)、減壓壓力傳感器及顯示儀表(7)、減壓溫度傳感器及顯示儀表(8)輸出引線分別接入各自的由采樣/保持電路和A/D轉(zhuǎn)換電路組成的數(shù)據(jù)采集模塊、進(jìn)入由CPU、程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器組成的數(shù)據(jù)處理模塊、進(jìn)入由功率放大電路組成的控制輸出模塊后，接在高壓氣動(dòng)開(kāi)關(guān)閥(4)的控制端。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種高壓氣體容積膨脹減壓自動(dòng)控制裝置。它是集高壓氣動(dòng)控制閥、傳感器、控制器、容積膨脹容器于一體的超高壓氣動(dòng)減壓系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)時(shí)采集低壓容積膨脹容器的壓力數(shù)據(jù),根據(jù)一定的控制要求和控制算法,由控制器發(fā)出指令來(lái)控制高壓氣動(dòng)開(kāi)關(guān)閥的開(kāi)關(guān)時(shí)間,從而實(shí)現(xiàn)高壓或超高壓氣體的容積減壓過(guò)程的自動(dòng)控制。通過(guò)對(duì)高壓或超高壓氣體進(jìn)行減壓控制,與節(jié)流減壓相比,在減壓過(guò)程中可以節(jié)能10～35%。本發(fā)明裝置組成簡(jiǎn)單,可以方便的安裝或連接入高壓氣體動(dòng)力系統(tǒng)的能量控制環(huán)節(jié)中,實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓氣體容積膨脹減壓的自動(dòng)控制,從而達(dá)到高效利用高壓氣體動(dòng)力系統(tǒng)能量的目的。它可應(yīng)用在以壓縮空氣為動(dòng)力的能量控制系統(tǒng)等領(lǐng)域,特別是壓縮空氣為動(dòng)力的氣動(dòng)汽車(chē)的能量控制系統(tǒng)中。
文檔編號(hào)G05D16/00GK1383042SQ0211184
公開(kāi)日2002年12月4日 申請(qǐng)日期2002年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月24日
發(fā)明者王宣銀, 賈光政, 陳鷹, 陶國(guó)良, 許宏, 劉昊, 吳根茂 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)