多點(diǎn)氣壓測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

多點(diǎn)氣壓測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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(jī)械工程和氣動(dòng)電氣監(jiān)控的應(yīng)用中，壓力計(jì)是確保設(shè)備正常運(yùn)行的重要指標(biāo)。目前,氣壓測量主要用壓力表進(jìn)行監(jiān)視,自動(dòng)測量和控制中的氣壓測量用壓力傳感器和相應(yīng)的二次儀表來完成。通常的測量方法是,每個(gè)測點(diǎn)要布設(shè)一個(gè)壓力傳感器和相應(yīng)的變送器。對(duì)于多個(gè)測點(diǎn)的氣壓測量問題,測點(diǎn)數(shù)等于壓力傳感器的數(shù)目,從而構(gòu)建多點(diǎn)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(jìn):(1)由于壓力傳感器和變送器的成本較高,當(dāng)通道數(shù)目增多時(shí),測量系統(tǒng)的成本按比例增加:(2)壓力傳感器和相應(yīng)的變送器都需要定期校驗(yàn),且不方便;(3)多路氣壓的電測通道的電氣維護(hù)成本也較高?；谏鲜隹紤],本文研究設(shè)計(jì)一個(gè)氣動(dòng)換向邏輯器件,實(shí)現(xiàn)多個(gè)氣壓測點(diǎn)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(gè)氣壓傳感器,加氣動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān),實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)的氣壓巡回檢測。其意義在于探討如何降低多點(diǎn)測壓系統(tǒng)的成本,和提高測量部件的可維護(hù)性。1多路氮?dú)獾妮敵霭瓷鲜龅乃悸?本文構(gòu)建的多點(diǎn)測壓系統(tǒng)的工作流程圖如1所示。利用價(jià)格低廉、性能可靠的氣動(dòng)電磁閥實(shí)現(xiàn)多路氣壓的引入,進(jìn)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(qū)動(dòng)二次儀表的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào);或通過A/D轉(zhuǎn)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(hào)給電氣轉(zhuǎn)換開關(guān)以實(shí)現(xiàn)對(duì)其的控制,另一方面顯示壓力巡檢測量的結(jié)果。2氣流板及匯流板的設(shè)計(jì)多點(diǎn)壓力巡檢系統(tǒng)主要包括電氣轉(zhuǎn)換開關(guān)、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(chǎn)生和電氣接口)。電氣轉(zhuǎn)換開關(guān)采用上海四通氣動(dòng)公司生產(chǎn)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(shí)現(xiàn)氣動(dòng)邏輯的結(jié)構(gòu)通道,它接受多點(diǎn)的氣壓輸入,結(jié)合上面配裝的一組氣動(dòng)換向閥,得到氣動(dòng)運(yùn)算的結(jié)構(gòu)并引出。匯流板的的原理設(shè)計(jì)如圖2所示。P1-P6負(fù)責(zé)控制6個(gè)點(diǎn)的氣體的通閉。P7作為排氣閥,負(fù)責(zé)排空其余6路氣體和匯流板通孔內(nèi)的殘余氣體。P1～P6閥可安排按順序工作的,如工作順序?yàn)?P1工作(測第一點(diǎn)壓力)→P7工作(排氣)→P2工作(測第一點(diǎn)壓力)→P7工作(排氣)→P3工作,厖,周而復(fù)始。在某一時(shí)刻只有一個(gè)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(yīng)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(diǎn)的切換應(yīng)有合理的時(shí)序控制,切換時(shí)間的設(shè)置應(yīng)考慮氣動(dòng)換向閥的開關(guān)速度和匯流板內(nèi)腔的容積效應(yīng)。有必要研究氣壓建立過程的動(dòng)態(tài)效應(yīng),以優(yōu)化匯流板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。氣壓傳感和信號(hào)調(diào)理部分選用Honeywell公司的24PCFFA固態(tài)壓力傳感器,然后設(shè)計(jì)了三運(yùn)放式精密放大電路。第一級(jí)放大2.2倍,第二級(jí)放大10倍。第一級(jí)放大的兩個(gè)運(yùn)算放大器之間的電阻可以調(diào)整零點(diǎn)。3中心通道a、c、d的氣阻效應(yīng)要完成某個(gè)測點(diǎn)的壓力測量,必須經(jīng)歷壓力切換引入(充氣)、壓力建立與測量和氣壓排放三個(gè)步驟。由于氣動(dòng)換向閥的開關(guān)時(shí)間相對(duì)固定,且容腔效應(yīng)較小,故本文重點(diǎn)研究匯流板的容腔效應(yīng)。測壓過程描述參見圖3,當(dāng)電磁閥關(guān)閉時(shí),高壓待測氣體停滯于A口;而當(dāng)電磁閥打開時(shí),高壓待測氣體通過毛細(xì)管B和C進(jìn)入中心通道0,再經(jīng)導(dǎo)管D將氣體引至壓力變送器處。由于毛細(xì)管B、C和導(dǎo)管D的直徑(Φ1.2mm,Φ1.5mm,Φ4mm)相對(duì)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(yīng),忽略毛細(xì)管的氣容效應(yīng),可以將上述氣路簡化如圖4所示。(圖中右側(cè)為等效電路圖)。從以上的測壓過程來看,切換測壓過程實(shí)質(zhì)上就是定積氣容的充放氣過程,是一個(gè)變質(zhì)量氣體熱力學(xué)過程。變質(zhì)量系統(tǒng)模型如圖5所示。在充氣初期,氣體流經(jīng)進(jìn)氣孔的時(shí)間很短,且不計(jì)摩擦影響,可以認(rèn)為氣體在進(jìn)氣孔口的流動(dòng)為等熵流動(dòng);隨著充氣的繼續(xù)進(jìn)行,腔室內(nèi)的氣體可以與外界進(jìn)行充分的熱交換,使室內(nèi)溫度保持不變,可以認(rèn)為這是等溫過程。由熱力學(xué)第一定律得到等熵流動(dòng)的流量公式為:式中:S是進(jìn)氣口的有效面積,S=μA(μ流量系數(shù)<1),從計(jì)時(shí)起點(diǎn)壓力比p式1中:當(dāng)0<p/p4單路壓測量的實(shí)驗(yàn)研究在實(shí)驗(yàn)室條件下給匯流板輸入端一階躍壓力信號(hào),通過壓力變送器和A/D板采樣得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),驗(yàn)證上面推導(dǎo)的理論公式。氣調(diào)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(nèi)的腔室排氣十凈(室溫室壓),然后將腔室封閉(關(guān)閉兩位兩通閥),使進(jìn)氣口處保持某一恒定的壓力。階躍響應(yīng)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(nèi)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(gè)數(shù)據(jù)。調(diào)整進(jìn)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(yīng)),得到幾組數(shù)據(jù)。穩(wěn)態(tài)壓力上升過程階躍響應(yīng)曲線如圖6所示。根據(jù)采樣數(shù)據(jù)分析可得在P實(shí)驗(yàn)研究表明,匯流板內(nèi)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(dāng)上升時(shí)間與峰值壓力尤顯著相關(guān)性。另,匯流板的容積與階躍響應(yīng)的上升時(shí)間成反比,故應(yīng)盡量減少匯流板容腔奈積,以改善多路切換時(shí)的動(dòng)態(tài)效應(yīng)。5多點(diǎn)壓力巡檢本文在對(duì)匯流板的定容充氣過程建模與優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)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(shí)現(xiàn)不同通道壓力測點(diǎn)的選通,結(jié)合單路氣壓傳感與變送器,實(shí)現(xiàn)多路氣壓的順序自動(dòng)測量。多點(diǎn)壓力巡檢方法與原來一對(duì)一的逐點(diǎn)壓力測試相比,可以使用同一個(gè)變送器,基