高精度寬量程智能氣源控制系統研究

王 洋，盛曉巖，李鑫武，彭 軼

(中國航空工業集團公司北京長城計量測試技術研究所，北京 100095)

0 引言

壓力控制系統是由用于氣體流體控制的各個壓力元器件按照一定的方式連接組成的。該系統按照預定的方式工作，通過對氣體介質的連續控制，精確輸出用戶指定的目標壓力[1]。壓力控制系統主要由氣源系統、壓力發生及調節系統、控制系統、標準壓力傳感器等部分組成。其中，氣源控制系統作為氣介質來源，是壓力控制系統的重要組成部分，也是氣體壓力參數測試、校準的基礎。

通常，在氣體壓力參數的測試、校準中使用的校準裝置或測試設備需要外接氣源系統。在正壓壓力參數校準和測試時，通常使用氣瓶或壓縮空氣泵配合減壓閥[2]作為正壓壓力源；在負壓壓力參數校準和測試時，通常采用真空泵作為負壓氣源輸入。傳統測試校準中，正壓、負壓測試往往分別完成，需要使用不同的校驗儀器，并且各自使用一套氣源系統。當然，也有部分壓力測試校準設備中覆蓋正壓和負壓的測量。該類儀器中通常設有連接氣壓源接口，正壓和負壓測試切換時需要更換氣源，使用過程中需要手動切換，操作繁瑣。

現有的壓力源通常是正壓、負壓分開的。除此之外，也有少部分正壓、負壓集成的壓力源裝置。其體積、質量都較大，需要手動操作減壓閥以得到相應的氣源壓力。這些壓力源在進行正壓和負壓的切換時，需要手動切換泵體的進氣、排氣接口。有些壓力源雖然能通過閥門控制自動切換，但不能智能、自動地輸出任意用戶指定的壓力。而且，這些壓力源通常還缺少儲氣環節，提供的氣源壓力輸出波動很大，對于氣體的高壓輸出只能達到幾兆帕的水平，不能實現自動化、智能化控制。

針對壓力參數測試、校準實際需求，本文設計了一種高精度、寬量程的智能氣源控制系統。該系統能快速、準確地提供輸出壓力，可解決氣體壓力參數測試和校準中壓力源體積大、不便攜，以及不能快速、準確地提供氣源壓力的問題。

1 氣源控制系統總體設計

本文設計的氣源控制系統需要具備寬量程、智能、高精度壓力輸出等特點。供氣壓力范圍為-0.1～+70 MPa，從負壓到常壓，進而再到氣體高壓，壓力覆蓋范圍廣。這對裝置的壓力發生技術提出了很高的要求。

為了滿足設計要求，需要對氣源的壓力進行控制[3]。對于負壓段，采用微型真空泵提供負壓環境。對于氣體高壓，常用的氣源為工業氣瓶或者氣體壓縮機。但是工業氣瓶的壓力一般上限為15 MPa、氣體壓縮機的上限壓力一般為1 MPa，不能滿足寬量程壓力范圍的要求。因此，本文采用氣驅增壓泵系統來解決高壓氣源的問題[4]。氣源控制系統原理如圖1所示。

圖1 氣源控制系統原理圖

當用戶輸出負壓時，低壓電磁閥1關閉，低壓電磁閥2打開。通過微型真空泵抽真空的方式，為裝置提供負壓氣源。當用戶輸出不大于700 kPa的正壓時，由于裝置的外部氣源提供的壓力為700～800 kPa，則低壓電磁閥2關閉、低壓電磁閥1打開，由外部氣源直接提供氣源壓力。當用戶輸出大于700 kPa的壓力時，通過氣動增壓泵對外部的氣源壓力進行增壓，從而滿足壓力控制的要求。為了降低增壓后的氣源壓力與用戶輸出壓力之間的壓力差，從而更精確地控制輸出壓力，需要準確地控制增壓后的氣源壓力。根據用戶設定的輸出標準壓力值，系統控制快速壓力調節器1快速、準確地提供氣驅增壓泵所需的驅動壓力。氣動增壓泵按照一定的比例將氣源通過過濾器進入的氣體的壓力放大，并通過氣動增壓泵的壓力輸出口輸出放大后的壓力供壓力控制系統使用?？焖賶毫φ{節器1輸出壓力與氣動增壓泵輸出壓力之間的關系如式(1)所示。

Ps=K×Pd

(1)

式中：Ps為氣驅增壓泵的輸出壓力；K為氣驅增壓泵的壓力放大系數；Pd為快速壓力調節器1的輸出壓力。

因此，氣驅增壓泵輸出壓力的準確度主要取決于快速壓力調節器1的輸出壓力的準確度，對其壓力控制速度要求很高，否則不能滿足氣動增壓泵輸出壓力的控制要求。

根據裝置內部壓力元器件的使用要求，氣源包含兩個輸出部分：負壓及低壓氣源輸出[5-6]，滿足低壓測量范圍-100～+700 kPa的使用要求；高壓氣源輸出，滿足70 MPa高壓的使用要求。氣源控制單元組成如圖2所示。

圖 2 氣源控制單元組成圖

當用戶要求的目標壓力在0～700 kPa時，低壓電磁閥1打開而低壓電磁閥2關閉，氣源的壓力通過低壓氣容以及低壓電磁閥1直接輸出；當目標壓力在-100～0 kPa時，低壓電磁閥1關閉而低壓電磁閥2打開，通過微型真空泵來抽真空，從而輸出負壓。當用戶要求的目標壓力大于700 kPa時，低壓電磁閥1關閉，氣源的壓力通過氣驅增壓泵增壓后輸出。

2 氣源控制系統詳細設計

2.1 氣源整體組成

高精度氣源控制系統整體設計如圖2所示。

圖 3 高精度氣源控制系統整體設計示意圖

高精度氣源控制系統包括微型氣壓泵、氣容A、壓力開關A、比例閥、電動高壓泵、過濾器、氣容B、電磁閥C、氣容C、氣動閥、壓力開關B、負壓傳感器、電磁閥A、真空泵、壓力開關C、氣容D、壓力傳感器、電磁閥B、輸出端、電磁閥D、儀器控制單元[7]。圖3中：虛線框內的是高精度氣源控制系統的壓力元器件；虛線框外的是裝置的儀器控制單元，可以是內置的工控機、嵌入式電路系統等。

微型氣壓泵、氣容A、壓力開關A、電磁閥D、比例閥共同組成氣動閥的驅動源部分，用于給正壓輸出通路的氣動閥提供驅動源。電動高壓泵、過濾器、氣容B、電磁閥C、氣容C、氣動閥、壓力開關B、氣容D、壓力傳感器、電磁閥B、輸出端共同組成整個高精度氣源的正壓輸出通路。負壓傳感器、電磁閥A、真空泵、壓力開關C、氣容D、輸出端共同組成整個高精度氣源的負壓輸出通路。

2.2 氣源各部分功能

2.2.1 驅動源

微型氣壓泵的主要功能是向比例閥提供驅動氣源。

氣容A的主要功能是儲能，以減小壓力波動和壓力調節輸出的分辨率。

壓力開關A的主要功能是通過其電路開關量控制功能，分別控制微型氣壓泵、電動高壓泵和真空泵的上電；通過其氣路開關控制在某一指定壓力時的微型氣壓泵、電動高壓泵和真空泵的開啟和關閉。

電磁閥D的主要功能是卸壓、通大氣，即在整個裝置工作結束時釋放氣容A中存儲的氣體壓力，使裝置卸壓并回到通大氣狀態。

比例閥[8]的主要功能是給氣動閥提供合適、精確的驅動壓力，以控制氣動閥的開啟和關閉。

2.2.2 高精度氣源的正壓輸出通路

電動高壓泵的主要功能是向整個氣體壓力源提供氣源，產生氣體正壓壓力。

過濾器的主要功能是過濾電動高壓泵產生的氣體，從而向整個裝置提供純凈的氣體，以防止損壞各種精密壓力閥門及傳感器。

氣容B、氣容C、氣容D的主要功能是儲能，以減小壓力波動和壓力調節輸出的分辨率。

電磁閥C[9]的主要功能是卸壓、通大氣，即在整個高精度氣源工作結束時，釋放氣容B中存儲的氣體壓力，使高精度氣源卸壓并回到通大氣狀態。

氣動閥[10]的主要功能是控制裝置輸出指定的正壓壓力。氣動閥是以氣體壓力作為控制信號來控制閥的壓力輸出的，即閥的輸出壓力與其驅動氣體壓力之間存在一定的函數關系，因此需要對氣動閥進行大量的標定試驗，從而確定輸出壓力與驅動壓力之間的函數關系；根據函數關系，向氣動閥方面以不同的驅動壓力，從而快速、準確地使輸出壓力達到規定的目標壓力。

壓力開關B的主要功能是通過其電路開關量控制功能，分別控制微型氣壓泵、電動高壓泵和真空泵上電；通過其氣路開關控制在某一指定壓力時的微型氣壓泵、電動高壓泵和真空泵的開啟和關閉。

壓力傳感器的主要功能是實時監測并采集正壓壓力輸出。本系統采用精度為0.5%FS的高精度壓力傳感器。

電磁閥B的主要功能是在負壓輸出時切斷壓力傳感器通路，以免造成壓力傳感器損壞。當壓力傳感器采用絕壓或者量程覆蓋預定負壓的表壓傳感器時，電磁閥B能夠省略。

輸出端作為整個氣源的輸出端，可實現高精度氣源的正壓輸出。

2.2.3 高精度氣源的負壓輸出通路

負壓傳感器的主要功能是實時監測并采集負壓輸出。本系統采用精度為0.5%FS的負壓傳感器。

電磁閥A的主要功能是切斷負壓氣路部分，防止正壓加壓時對負壓傳感器造成影響和損壞。

真空泵的主要功能是抽取氣體，為整個氣體壓力源提供負壓輸出源。

壓力開關C的主要功能是通過其電路開關量控制功能，分別控制微型氣壓泵、電動高壓泵和真空泵的上電；通過其氣路開關，控制在某一指定壓力時的微型氣壓泵、電動高壓泵和真空泵的開啟和關閉。

輸出端是整個氣源的輸出端，用于高精度氣源的負壓輸出。

2.2.4 儀器控制單元

儀器控制單元的主要功能是通過控制壓力開關、比例閥、電磁閥等，智能、自動地控制儀器輸出指定的正壓、負壓壓力。

2.3 氣源各部分連接及工作原理

2.3.1 驅動源部分連接及工作原理

在氣動閥的驅動源部分，壓力開關A采用電路開關常開的壓力開關。其作用是通過其電路開關量控制功能控制微型氣壓泵上電，通過其氣路開關控制在某一指定壓力時微型氣壓泵的開啟和關閉。通過儀器控制單元預先設置好壓力開關A的氣路開關參數值。此壓力值必須大于氣動閥輸出最大壓力時所需的驅動電壓，以保證能滿量程地驅動氣動閥。壓力源裝置開啟后，當用戶輸入指定值的正表壓壓力時，儀器控制單元通過閉合壓力開關A的電路開關控制微型氣壓泵上電。微型氣壓泵啟動工作，向氣容A注入一定量的氣體。當達到壓力開關A的氣路參數預設值時，微型氣壓泵停止工作。儀器控制單元根據氣動閥輸出壓力和所需驅動壓力的關系，計算出使氣動閥輸出相應壓力時需要的驅動壓力值。比例閥根據驅動壓力值開始工作，精確地向氣容C注入氣體以達到需要的驅動壓力，從而驅動氣動閥工作。在此過程中，氣容A中壓力下降，在小于壓力開關A的氣路參數預設值時，開啟微型氣壓泵；直至氣容A中氣體達到指定壓力時，關閉微型氣壓泵。預先對氣動閥的輸出壓力和驅動壓力的關系進行試驗標定，能夠準確地得到氣動閥輸出壓力和所需驅動電壓的關系，有利于更準確地輸出目標壓力。

2.3.2 正壓輸出氣路連接及工作原理

在正壓輸出通路中，壓力開關B采用電路開關常開的壓力開關。其作用是：通過其電路開關量控制功能分別控制電動高壓泵的上電；通過其氣路開關控制在某一指定壓力時電動高壓泵的開啟和關閉。通過儀器控制單元，預先設置壓力開關B的氣路開關參數值。此壓力值必須大于氣動閥滿量程輸出的最大壓力，以保證氣動閥能滿量程的輸出最大壓力。壓力源裝置開啟后，當用戶輸入指定值的正表壓壓力時，儀器控制單元控制壓力開關B的電路開關閉合，使電動高壓泵上電。電動高壓泵根據壓力開關B設置好的氣路參數開啟，向氣容B注入一定量的氣體。系統達到壓力開關B的氣路參數預設值時，電動高壓泵停止工作。由于電動高壓泵中使用潤滑油，由其產生的氣體會摻雜少量的油氣，因此在電動高壓泵和氣容B之間設置過濾器。過濾器用于過濾介質中的雜質(介質中的雜質包括油氣及空氣中的雜質、顆粒物)，使整個壓力源裝置能輸出純凈的氣體。過濾器的設置可以對使用本壓力源的接入裝置中的高精度閥門、傳感器起到保護作用。氣動閥的驅動源部分會根據需要向氣動閥提供準確的驅動壓力，驅動氣動閥開始工作，從而向氣容D注入指定壓力的氣體。當氣容D內氣體達到目標壓力時，氣動閥關閉，通過輸出端將壓力輸出給用戶，即向用戶輸出所需的高精度氣體正表壓壓力源。實際輸出的壓力數值通過壓力傳感器讀取。壓力源的輸出精度由壓力傳感器精度決定。因此，本文使用高精度壓力傳感器提高輸出精度。在此過程中，氣容B中壓力下降。當壓力開關B的壓力小于其預設值時，電動高壓泵開啟；直至氣容B中氣體達到指定壓力時，電動高壓泵關閉。電磁閥B采用常閉電磁閥。其作用是開啟和關閉壓力傳感器通路(注：當壓力傳感器采用絕壓或者量程可以覆蓋-100 kPa的表壓傳感器時，電磁閥B可以省略)。當需要輸出負表壓壓力時，開啟電磁閥B，切斷壓力傳感器通路，以防止負壓對壓力傳感器造成損壞。電磁閥C采用常開電磁閥。其作用是卸壓、通大氣。在整個壓力源裝置工作結束時，電磁閥C閉合，連通大氣通路，以控制系統釋放氣容B中存儲的氣體壓力，使壓力源裝置卸壓，回到通大氣狀態。

2.3.3 負壓輸出氣路連接及工作原理

在負壓輸出通路中，電磁閥A采用常開電磁閥。其作用是開啟或切斷負壓輸出通路。當用戶需輸出負表壓壓力時，儀器控制單元控制電磁閥A閉合，連通負壓輸出通路；否則，電磁閥A斷開。壓力開關C采用電路開關常開的壓力開關。其作用是：通過其電路開關量控制功能分別控制真空泵的上電；通過其氣路開關控制在某一指定壓力時真空泵的開啟和關閉。當用戶輸入的負表壓壓力時，儀器控制單元通過給壓力開關C設置略高于用戶需求的氣路開關參數值，控制真空泵的開啟和關閉。真空泵抽取氣容D內的氣體，使其達到指定的負壓狀態，并通過輸出端輸出給用戶。實際輸出的負表壓壓力數值通過負壓傳感器讀取。負壓狀態時，電磁閥A是閉合狀態，而負壓通路連通。

3 氣源控制系統工作方法和步驟

氣源控制系統工作步驟如下。

①打開高精度氣源(簡稱裝置)電源，使裝置上電開機。

②設置用戶需要輸出的氣源壓力。

③啟動裝置。

④當目標壓力為正表壓時，儀器控制單元首先通過壓力開關A控制微型氣壓泵上電并啟動，向氣容A注入一定量的氣體；再通過比例閥控制向氣容C注入相應量值的氣體，得到氣動閥需要的驅動壓力，以驅動氣動閥工作。在達到氣動閥工作要求的驅動壓力后，壓力開關B控制電動高壓泵上電并啟動，通過過濾器向氣容B注入一定量的氣體，使氣動閥工作，向氣容D注入用戶目標值指定的相應壓力的氣體。當氣容D內氣體達到目標壓力時，氣動閥關閉，通過輸出端將壓力輸出給用戶；實際輸出的數值通過壓力傳感器讀取。

⑤當目標壓力為負表壓時，儀器控制單元通過壓力開關C控制真空泵上電，使電磁閥A閉合，連通負壓輸出通路。根據用戶需要，儀器控制單元通過壓力開關C控制真空泵的開啟，抽取氣容D內的氣體，使其達到指定的負壓狀態。系統的負壓通過輸出端輸出給用戶，實際輸出的壓力值通過負表壓傳感器讀取。

⑥停止運行裝置。

⑦各參數復位。參數復位包括電磁閥、壓力開關回到初始開機狀態。

⑧參數復位閉裝置電源。

4 氣源控制系統性能試驗

4.1 氣源控制系統負壓性能試驗

氣源負壓準確度試驗結果如表1所示。由表1可知：最大示值誤差為0.43 kPa；準確度為0.4%FS。

表1 負壓準確度試驗結果

負壓穩定性試驗結果如表2所示。由表2可知：控制穩定性最大值為0.325 kPa；負壓氣源控制穩定性為0.3%FS。

表2 負壓穩定性試驗結果

4.2 氣源控制系統常壓性能試驗

氣源常壓準確度試驗結果如表3所示。由表3可知：最大示值誤差為3.36 kPa；準確度為0.5%FS。

表3 常壓準確度試驗結果

常壓穩定性試驗結果如表4所示。由表4可知：控制穩定性最大值為2.71 kPa；常壓氣源控制穩定性為0.4%FS。

表4 常壓穩定性試驗結果

4.3 氣源控制系統高壓性能試驗

氣源高壓準確度試驗結果如表5所示。由表5可知：最大示值誤差為0.336 MPa；準確度為0.5%FS。

表5 高壓準確度試驗結果

高壓穩定性試驗結果如表6所示。由表6可知：控制穩定性最大值為0.295 MPa；高壓氣源控制穩定性為0.4%FS。

表6 高壓穩定性試驗結果

5 結論

本文設計的寬量程智能氣源控制系統，可以滿足-0.1～+70 MPa的寬量程氣源供氣需求。其中：負壓氣源輸出準確度為0.4%FS，控制穩定性為0.3%FS；低壓氣源輸出準確度為0.5%FS，控制穩定性為0.4%FS；高壓氣源輸出準確度為0.5%FS，控制穩定性為0.4%FS。該系統具有體積小、重量輕的優點，其寬量程設計將負壓、低壓和高壓氣源集于一體，不但能夠實現正壓、負壓的自動切換，還能夠實現高精度的壓力輸出。該系統的研究有效地解決了氣體參數的現場壓力校準中氣體寬量程氣源供給問題，實現了氣源量程的自動切換，提高了校準效率。