多點氣壓測量系統(tǒng)的設計

多點氣壓測量系統(tǒng)的設計

0壓力傳感和測量系統(tǒng)的組成氣體壓力測量是工業(yè)控制的典型問題。特別是在基于流量鎖的壓力工程、機械工程和氣動電氣監(jiān)控的應用中，壓力計是確保設備正常運行的重要指標。目前,氣壓測量主要用壓力表進行監(jiān)視,自動測量和控制中的氣壓測量用壓力傳感器和相應的二次儀表來完成。通常的測量方法是,每個測點要布設一個壓力傳感器和相應的變送器。對于多個測點的氣壓測量問題,測點數(shù)等于壓力傳感器的數(shù)目,從而構建多點氣壓測量系統(tǒng)。這種分布式的測量方法有如下問題值得改進:(1)由于壓力傳感器和變送器的成本較高,當通道數(shù)目增多時,測量系統(tǒng)的成本按比例增加:(2)壓力傳感器和相應的變送器都需要定期校驗,且不方便;(3)多路氣壓的電測通道的電氣維護成本也較高?；谏鲜隹紤],本文研究設計一個氣動換向邏輯器件,實現(xiàn)多個氣壓測點的順序切換,將切換的輸出取樣壓力引入壓力傳感器。即利用單個氣壓傳感器,加氣動轉換開關,實現(xiàn)多點的氣壓巡回檢測。其意義在于探討如何降低多點測壓系統(tǒng)的成本,和提高測量部件的可維護性。1多路氮氣的輸出按上述的思路,本文構建的多點測壓系統(tǒng)的工作流程圖如1所示。利用價格低廉、性能可靠的氣動電磁閥實現(xiàn)多路氣壓的引入,進入?yún)R流板,在匯流板的輸出端接氣壓傳感器和放大器(即壓力變送電路),得到能直接驅動二次儀表的標準信號;或通過A/D轉換將模擬量變成數(shù)字量。圖1中的控制器一方面通過I/0接口將巡檢信號給電氣轉換開關以實現(xiàn)對其的控制,另一方面顯示壓力巡檢測量的結果。2氣流板及匯流板的設計多點壓力巡檢系統(tǒng)主要包括電氣轉換開關、匯流板、氣壓變送器、A/D采樣,和氣壓通道切換控制邏輯的產生和電氣接口)。電氣轉換開關采用上海四通氣動公司生產的K23P-1.2型兩位三通閥,控制電壓AC220V,其AP口通徑為1.2mm。本課題利用兩位三通閥來代替兩位兩通閥。匯流板是實現(xiàn)氣動邏輯的結構通道,它接受多點的氣壓輸入,結合上面配裝的一組氣動換向閥,得到氣動運算的結構并引出。匯流板的的原理設計如圖2所示。P1-P6負責控制6個點的氣體的通閉。P7作為排氣閥,負責排空其余6路氣體和匯流板通孔內的殘余氣體。P1～P6閥可安排按順序工作的,如工作順序為:P1工作(測第一點壓力)→P7工作(排氣)→P2工作(測第一點壓力)→P7工作(排氣)→P3工作,厖,周而復始。在某一時刻只有一個閥工作。這樣克服了氣路之間相互干擾的問題。為了提高裝置的密封性能,應盡可能地減少使用快速管接頭,建議采用板式閥直接安裝在匯流板上。各路壓力的測點的切換應有合理的時序控制,切換時間的設置應考慮氣動換向閥的開關速度和匯流板內腔的容積效應。有必要研究氣壓建立過程的動態(tài)效應,以優(yōu)化匯流板的結構設計。氣壓傳感和信號調理部分選用Honeywell公司的24PCFFA固態(tài)壓力傳感器,然后設計了三運放式精密放大電路。第一級放大2.2倍,第二級放大10倍。第一級放大的兩個運算放大器之間的電阻可以調整零點。3中心通道a、c、d的氣阻效應要完成某個測點的壓力測量,必須經歷壓力切換引入(充氣)、壓力建立與測量和氣壓排放三個步驟。由于氣動換向閥的開關時間相對固定,且容腔效應較小,故本文重點研究匯流板的容腔效應。測壓過程描述參見圖3,當電磁閥關閉時,高壓待測氣體停滯于A口;而當電磁閥打開時,高壓待測氣體通過毛細管B和C進入中心通道0,再經導管D將氣體引至壓力變送器處。由于毛細管B、C和導管D的直徑(Φ1.2mm,Φ1.5mm,Φ4mm)相對于中心通道0的直徑(Φ12mm)來說小的多，因此其氣阻也人的多,體積小的多。忽略中心通道的氣阻效應,忽略毛細管的氣容效應,可以將上述氣路簡化如圖4所示。(圖中右側為等效電路圖)。從以上的測壓過程來看,切換測壓過程實質上就是定積氣容的充放氣過程,是一個變質量氣體熱力學過程。變質量系統(tǒng)模型如圖5所示。在充氣初期,氣體流經進氣孔的時間很短,且不計摩擦影響,可以認為氣體在進氣孔口的流動為等熵流動;隨著充氣的繼續(xù)進行,腔室內的氣體可以與外界進行充分的熱交換,使室內溫度保持不變,可以認為這是等溫過程。由熱力學第一定律得到等熵流動的流量公式為:式中:S是進氣口的有效面積,S=μA(μ流量系數(shù)<1),從計時起點壓力比p式1中:當0<p/p4單路壓測量的實驗研究在實驗室條件下給匯流板輸入端一階躍壓力信號,通過壓力變送器和A/D板采樣得到實驗數(shù)據(jù),驗證上面推導的理論公式。氣調與開閉系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)的采集利用上述匯流板及壓力變送器,首先將匯流板內的腔室排氣十凈(室溫室壓),然后將腔室封閉(關閉兩位兩通閥),使進氣口處保持某一恒定的壓力。階躍響應瞬態(tài)過程的數(shù)據(jù)采集板的采樣頻率為250Hz,數(shù)據(jù)采樣前先讓封閉腔室內的氣壓值(初值)維持1.2秒;然后打開兩位兩通閥引入氣體,然后測量隨后2.8秒的氣壓值。得到一組1000個數(shù)據(jù)。調整進氣口處恒壓源不同的壓力(分別作0.6Mpa,0.5Mpa和0.3Mpa的階躍響應),得到幾組數(shù)據(jù)。穩(wěn)態(tài)壓力上升過程階躍響應曲線如圖6所示。根據(jù)采樣數(shù)據(jù)分析可得在P實驗研究表明,匯流板內腔瞬態(tài)壓力在往穩(wěn)態(tài)壓力的過渡過程呈欠阻尼階躍,其上升過程在起始段(峰值壓力的60%)呈線性,且當上升時間與峰值壓力尤顯著相關性。另,匯流板的容積與階躍響應的上升時間成反比,故應盡量減少匯流板容腔奈積,以改善多路切換時的動態(tài)效應。5多點壓力巡檢本文在對匯流板的定容充氣過程建模與優(yōu)化設計的基礎上,提出一種多路氣體壓力的巡回檢測方法。利用多路換向閥和匯流板實現(xiàn)不同通道壓力測點的選通,結合單路氣壓傳感與變送器,實現(xiàn)多路氣壓的順序自動測量。多點壓力巡檢方法與原來一對一的逐點壓力測試相比,可以使用同一個變送器,基