專利名稱：比例閥門對精密氣壓控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提出的是應(yīng)用于航空、航天、氣壓計(jì)量校準(zhǔn)領(lǐng)域的標(biāo) 準(zhǔn)氣壓信號的產(chǎn)生與控制的裝置，具體地說是比例閥門對精密氣 壓控制裝置。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，壓力計(jì)量測試技術(shù)發(fā)展很快，不 僅體現(xiàn)在壓力測量的準(zhǔn)度、測量的量程范圍等方面，而且，由過 去僅僅研究靜態(tài)壓力的計(jì)量測試、校準(zhǔn)，發(fā)展到動(dòng)態(tài)壓力的計(jì)量 測試、校準(zhǔn)標(biāo)定，不僅在實(shí)踐上得到了發(fā)展，而且在理論上也逐 步完善。精密的控制元器件，高精度數(shù)字式壓力測量技術(shù)、壓力 控制技術(shù)、在壓力的測量和自動(dòng)控制等方面發(fā)揮重要作用，而壓 力精密測量技術(shù)與現(xiàn)代電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)相結(jié)合，派生出 許多新型的壓力測試儀器儀表，如高精度的數(shù)字壓力計(jì)、智能壓 力變送器和智能壓力傳感器等，并在實(shí)用工作中得到了廣泛應(yīng)用， 使得傳統(tǒng)的壓力標(biāo)準(zhǔn)裝置無法適應(yīng)這些壓力測量儀表的校驗(yàn)需 要，對壓力的校驗(yàn)和檢定校準(zhǔn)提出了新的要求，特別是對新型的 壓力標(biāo)準(zhǔn)裝置需求更為迫切。目前，在壓力計(jì)量和傳感器標(biāo)定特別是靜態(tài)標(biāo)定領(lǐng)域，活塞式 壓力標(biāo)定器仍然占據(jù)主流。這類儀器的工作原理是將壓力溯源到質(zhì)量和面積，依靠標(biāo)準(zhǔn)砝碼的質(zhì)量和活塞面積的準(zhǔn)確度保證壓力 計(jì)量準(zhǔn)確度，其壓力值等于工作狀態(tài)下標(biāo)準(zhǔn)砝碼產(chǎn)生的重力除以 活塞有效面積，需要對當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣群涂諝飧×?、溫度影?等因素進(jìn)行修正，其標(biāo)準(zhǔn)砝碼的質(zhì)量都是按照使用地點(diǎn)的重力加 速度調(diào)配的，如果在重力加速度不同的使用地點(diǎn)和特殊情況下需 要產(chǎn)生特定壓力值，而這些壓力值恰好不在活塞壓力計(jì)標(biāo)準(zhǔn)砝碼 所產(chǎn)生的壓力點(diǎn)上，必須進(jìn)行復(fù)雜的修正計(jì)算，給實(shí)用檢定工作 造成了極大不便。近年來，北京航空航天大學(xué)對氣體緊密自動(dòng)壓力控制器和壓 力自動(dòng)校驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行了大量研究工作，在2001年，研制成功了精 密氣體自動(dòng)壓力控制器，該精密自動(dòng)壓力控制器采用多級開關(guān)法控制方式，壓力輸出的穩(wěn)定性達(dá)到了 0. 02%F.S,滿足計(jì)量檢定 的需要。但是體積較大(480 x 445 x 266亳米)，重量達(dá)26千克， 并且操作復(fù)雜，壓力穩(wěn)定時(shí)間長。在航空航天的領(lǐng)域，大氣參數(shù)的校驗(yàn)設(shè)備同樣需要精密氣壓產(chǎn) 生與控制裝置。鑒于上述原因，考慮到目前還沒有可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)整的高精度 氣壓標(biāo)準(zhǔn)，因此，需要檢測精度高、控制準(zhǔn)確、動(dòng)作速度快的氣 壓檢測與控制裝置問世。 發(fā)明內(nèi)容為了克服現(xiàn)有氣壓檢測與控制裝置的缺點(diǎn)，本發(fā)明提出了比 例閥門對精密氣壓控制裝置。該裝置通過高穩(wěn)定高精密模擬控制 電路、比例閥門對氣壓控制部件、雙傳感器控制部件的相互結(jié)合解決精度、速度、準(zhǔn)確度等技術(shù)問題。本發(fā)明解決技術(shù)問題所釆用的方案是由雙傳感器、比例閥門對、恒流源、傳感器調(diào)理電路、實(shí)用微分電路、PID控制電路、高分辨率DA轉(zhuǎn)換器、比例閥門驅(qū)動(dòng)電 路和串行接口相互連接構(gòu)成本發(fā)明裝置。其中計(jì)算機(jī)與通訊電路、單片機(jī)、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、模擬PID 控制電路、閥門驅(qū)動(dòng)器相互連接并信號供給氣容，同時(shí)氣容與被 檢儀表相連通，壓力源通過減壓閥減壓供給氣容，氣容與真空泵 相通，經(jīng)過減壓的氣體流經(jīng)過比例閥門進(jìn)入氣容，調(diào)理放大電路 和模擬傳感器將壓力信號轉(zhuǎn)換成電信號，并回饋到模擬PID控制 電路中，氣容中所產(chǎn)生的電信號通過數(shù)字傳感器與計(jì)算機(jī)相連通， 形成可控可顯示的氣壓數(shù)字信號，成為雙傳感器。其中比例閥門對中，加壓泵通過管路與壓力表連通，同時(shí) 供給減壓閥，通過減壓閥減壓后供給進(jìn)氣比例閥中，并與氣容相 連通，然后通過抽氣比例閥、過濾器與真空泵相連通，氣體經(jīng)過 氣容形成氣體壓力信號，數(shù)字傳感器通過氣容后供給模擬傳感器, 形成模擬氣壓電信號。其中恒流源中，由恒流源輸入器與恒流源運(yùn)算放大器和恒 流源三極管線路連接并接入到恒流源模擬傳感器中，通過恒流源 電阻器的作用共同構(gòu)成恒流源控制器，三極管發(fā)射極輸恒流源正 端，電阻器為恒流源負(fù)端，通過正輸出端和負(fù)輸出端為模擬傳感 器供電。其中傳感器調(diào)理電路，傳感器正輸入端與傳感器正輸入端運(yùn)算放大器與傳感器負(fù)輸入端與傳感器負(fù)輸入端運(yùn)算放大器共同 為正向運(yùn)算放大器供電，又經(jīng)過零點(diǎn)調(diào)整二極管及電阻為反向運(yùn) 算放大器供電，經(jīng)過分流電阻形成電流，通過傳感器信號輸出端 輸出。其中實(shí)用微分電路，電流通過微分電路輸入端經(jīng)過電阻和電容同時(shí)供給微分電路初始調(diào)整運(yùn)算放大器和微分電路續(xù)繼調(diào)整 運(yùn)算放大器，然后通過可調(diào)電阻及定阻電阻供給微分電路輸出端， 向外輸出微分電流。其中PID控制電路，壓力給定與偏差調(diào)整信號供給壓力初 始調(diào)整器，再經(jīng)過壓力信號比例放大器、壓力繼續(xù)調(diào)整器、穩(wěn)壓 器、壓力電信號放大、驅(qū)動(dòng)器供給氣路控制器，其壓力信號反饋 于壓力信號回饋器和壓力微分器再回饋于壓力繼續(xù)調(diào)整器中。其中高分辨率DA轉(zhuǎn)換器，16位DA轉(zhuǎn)換器、12位DA轉(zhuǎn)換 器輸入端及直流參考標(biāo)準(zhǔn)源分別通過電阻向DA運(yùn)算放大器提供 信號，形成穩(wěn)定高分辨率電信號通過直流輸出端輸出。其中比例閥門驅(qū)動(dòng)電路,.電流輸入端通過電阻分別供給主 調(diào)整運(yùn)算放大器、副調(diào)整運(yùn)算放大器，然后經(jīng)過副調(diào)整繼發(fā)運(yùn)算 放大器和主繼發(fā)調(diào)整運(yùn)算放大器再經(jīng)過副調(diào)整三極管和主調(diào)整三 極管供給X1控制信號輸出端與X2控制信號輸出端，形成比例閩門驅(qū)動(dòng)控制信號輸出。其中串行接口，數(shù)字壓力傳感器接入端通過數(shù)字壓力傳感 器分接口供給電平轉(zhuǎn)換接口，微型計(jì)算機(jī)接入端也通過微型計(jì)算 機(jī)分接口供給電平轉(zhuǎn)換接口 ，其中從電平轉(zhuǎn)換接口引出RT輸出端和RS輸出端，連接至上位計(jì)算機(jī)。本發(fā)明裝置能夠?qū)崿F(xiàn)的壓力范圍0~ 1500kPa,不確定度達(dá) 0. 01%F.S，控制穩(wěn)定性優(yōu)于0. 002 %F. S,壓力控制過程快速、 平穩(wěn)。適宜各種環(huán)境條件下氣壓的檢測與控制。


圖1為本發(fā)明雙傳感器部件構(gòu)成與連接圖 圖2為本發(fā)明比例閥門對結(jié)構(gòu)構(gòu)成圖 圖3為本發(fā)明恒流源電路圖 圖4為本發(fā)明傳感器電路圖 圖5為本發(fā)明實(shí)用微分電路圖 圖6為本發(fā)明PID控制部件工作狀態(tài)圖 圖7為本發(fā)明高分辨率DA轉(zhuǎn)換部件構(gòu)成圖 圖8為本發(fā)明比例電磁閥門驅(qū)動(dòng)電路圖 圖9為本發(fā)明串行接口示意中，l.計(jì)算機(jī)，2.通訊電路，3.單片機(jī)，4.模數(shù)轉(zhuǎn)換單元， 5.模擬PID控制電路，6.閥門驅(qū)動(dòng)器，7.氣容，8.減壓閥，8.1 真空泵，9.模擬傳感器，IO.供電、調(diào)理放大電路，ll.數(shù)字傳感 器，12.加壓泵，13.壓力表，14.進(jìn)氣比例閥，15.抽氣比例閥， 16.過濾器，17.真空泵，18.恒流源輸入器，19.恒流源單片機(jī)， 20.恒流源三極管，21.恒流源模擬傳感器，22.恒流源電阻器，23. 正電流輸出端，24.負(fù)電流輸出端，25.傳感器正輸出端，26.傳感 器正輸出端運(yùn)算放大器，27.傳感器負(fù)輸出端，28.傳感器負(fù)輸入 端運(yùn)算放大器，29.正向運(yùn)算放大器，30.反向運(yùn)算放大器，31.傳感器信號輸出端，32.微分電路輸入端，33.微分電路初始調(diào)整 運(yùn)算放大器，34.微分電路續(xù)繼調(diào)整運(yùn)算放大器，35.微分電路輸 出端，36.壓力初始調(diào)整器，37.比例放大積分器，38.壓力繼續(xù)調(diào) 整器，39.穩(wěn)壓器，40.壓力電信號放大驅(qū)動(dòng)，41.氣路控制器，42. 壓力信號回饋器，43.壓力微分器，44.16位直流輸入端，45.12 位直流輸入端，46.參考直流源，47.DA轉(zhuǎn)換比例運(yùn)算放大器，48. 直流輸出端，49.電流輸入端，50.主調(diào)整電路，51.副調(diào)整電路， 52.副調(diào)整繼發(fā)運(yùn)算放大器，53.主調(diào)整繼發(fā)電路，54.副調(diào)整三極 管，55.主調(diào)整三極管，56.X1控制信號輸出端，57.X2控制信號 輸出端，58.數(shù)字壓力傳感器接入端，59.微型計(jì)算機(jī)接入端，60. 微型計(jì)算機(jī)分接口， 61.數(shù)字壓力傳感器分接口， 62.電平轉(zhuǎn)換接 口， 63.RT輸出端，64.RS輸出端。
具體實(shí)施方式
結(jié)合附圖作以詳細(xì)說明本發(fā)明裝置由雙傳感器、比例閥門對、恒流源、傳感器調(diào)理 電路、實(shí)用微分電路、PID控制電路、高分辨率DA轉(zhuǎn)換器、比例 閥門驅(qū)動(dòng)電路和串行接口相互連接構(gòu)成。本發(fā)明的裝置釆用高穩(wěn)定高精密度模擬控制電路高緊密度 PID控制器，基于數(shù)字石英諧振普通硅壓阻雙壓力傳感器和模擬 電路的氣壓高穩(wěn)定控制技術(shù)結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)0~ 1500kPa的壓力信 號的自動(dòng)產(chǎn)生控制，控制精密度優(yōu)于O. 1%F.S,控制穩(wěn)定性優(yōu)于 0. 002 %F. S。a、雙傳感器據(jù)圖1所示，計(jì)算機(jī)1與通訊電路2、單片機(jī)3、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元4、模擬PID控制電路5、閥門驅(qū)動(dòng)器6相互連接并信號供給氣 容7,同時(shí)氣容與被檢儀表相連通，壓力源通過減壓閥8減壓供 給氣容，氣容與真空泵8. l相通，經(jīng)過減壓的氣體流經(jīng)過比例閥 門進(jìn)入氣容，調(diào)理放大電路10和模擬傳感器9將壓力信號轉(zhuǎn)換成 電信號，并回饋到模擬PID控制電路中，氣容中所產(chǎn)生的電信號 通過數(shù)字傳感器11與計(jì)算機(jī)相連通，形成可控可顯示的氣壓數(shù)字 信號，成為雙傳感器。通過雙傳感器可以實(shí)現(xiàn)氣壓精密輸出，提高控制精密度。 普通硅壓阻、諧振、應(yīng)變式傳感器的總在體精密度小于0.1 %,加上溫度的影響,其技術(shù)指標(biāo)一般在O. 1%~1%左右，該傳 感器的總體精密度主要由線性、壓力遲滯和穩(wěn)定性決定，三者互 不相關(guān)，總體精密度按三者方和根計(jì)算，約為0.2。/。F.S。如果不 經(jīng)過有效的溫度補(bǔ)償和非線性修正，其技術(shù)指標(biāo)很難達(dá)到0. 01% F. S,但是，其壓力響應(yīng)特性較好，壓力響應(yīng)時(shí)間小于0. 2ms,具有很好的動(dòng)態(tài)特性，非常適合作為系統(tǒng)的壓力過程控制傳感器。傳感器的靜態(tài)準(zhǔn)確度是系統(tǒng)精密度控制的關(guān)鍵，同時(shí)，其動(dòng) 態(tài)特性也是系統(tǒng)控制動(dòng)態(tài)特性和完成控制過程的首要因素。常用 的普通氣體壓力傳感器有振簡式壓力傳感器、應(yīng)變式壓力傳感器 和壓阻式壓力傳感器等，這些傳感器不具備信號調(diào)理和處理功能， 沒有壓力輸出的溫度補(bǔ)償和非線性校正功能，因此，其測量精密 度較低。但是，正是由于其傳感器的輸出信號沒有經(jīng)過處理，因 而其壓力測量的動(dòng)態(tài)性較好，能夠很好的適應(yīng)信號調(diào)理和控制電路。在現(xiàn)有的數(shù)字石英諧振壓力傳感器和霍尼維爾公司的智能傳 感器上加入了單片機(jī)和溫度測量電路，對壓力輸出進(jìn)行了濾波處 理，溫度、非線性補(bǔ)償修正，具有測量精度高的特點(diǎn)，但在高精 度模式下其壓力測量時(shí)間較長，使得動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性變差。
因此，該發(fā)明釆用模擬和數(shù)字傳感器進(jìn)行氣體壓力測量與控 制，使壓力傳感與控制具有響應(yīng)速度快控制精度高的特點(diǎn)。
b、比例閥門對
據(jù)圖2所示，加壓泵12通過管路與壓力表13連通，同時(shí)供 給減壓閥8，通過減壓閥減壓后供給進(jìn)氣比例閥14中，并與氣容 7相連通，然后通過抽氣比例閥15、過濾器16與真空泵17相連
通，氣體經(jīng)過氣容形成氣體壓力信號，數(shù)字傳感器ll通過氣容后 供給模擬傳感器9，形成模擬氣壓電信號。
執(zhí)行元件的選擇是自動(dòng)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，在該發(fā)明中的關(guān)鍵 是氣體控制閥門的選擇。在工業(yè)氣壓控制中通常采用調(diào)節(jié)閥和控 制器控制，氣壓調(diào)壓閩門的調(diào)節(jié)精度和控制靈敏度較差；定值器 僅能實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)的壓力控制，兩者都不適合作為自動(dòng)壓力控制器的 執(zhí)行元件。脈沖流體控制的高速開關(guān)電磁閥在原理上與普通電磁 閥無本質(zhì)區(qū)別，均是利用電磁力和彈簧配合驅(qū)動(dòng)閩芯，改變氣體 的流向，快速接通和關(guān)斷氣路，實(shí)現(xiàn)流體的流量和流速的控制， 但與普通電磁閥相比，高速開關(guān)電磁閥門閥芯的質(zhì)量和行程都很 小，因此其開關(guān)的速率較高，這種閥門通常采用P麗-脈寬控制 方式，根據(jù)脈沖和占空比得到平均流量，其開關(guān)頻率目前為50~ 2000Hz,其開關(guān)的分辨率有限，在開關(guān)的重復(fù)性和頻率響應(yīng)上，難以實(shí)現(xiàn)高精度的壓力控制。目前，采用這種原理的氣壓控制器 其精度僅僅達(dá)到0. 1 %F. S左右。
目前可以釆用的電液伺服閥的成本高，應(yīng)用和維護(hù)條件苛刻。
比例型的電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器(比例電磁鐵)應(yīng)用于工業(yè)液壓閥。比 例控制型控制采用了壓力、流量、位移、動(dòng)壓反饋及電校正手段, 提高了閥的穩(wěn)態(tài)精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)品質(zhì)，其次是比例技術(shù)與插裝閥
已經(jīng)結(jié)合，誕生了比例插裝技術(shù)；比例控制泵為代表的比例容積 元件的誕生。電液比例閥是比例控制系統(tǒng)中的主要功率放大元件， 按輸入電信號指令連續(xù)、成比例地控制液壓系統(tǒng)的壓力、流量等 參數(shù)。與伺服控制系統(tǒng)中的伺服閥相比，在某些方面還有一定的 性能差距，但它顯著的優(yōu)點(diǎn)是抗污染能力強(qiáng)，大大地減少了由污
染而造成的工作故障，提高了液壓系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和可靠性；
另一方面比例閥的成本比伺服閥低，結(jié)構(gòu)也簡單。比例閩按主要 功能分類，分為壓力控制閥、流量控制閩和方向控制閥三大類， 每一類又可分為直接控制和先導(dǎo)控制兩種結(jié)構(gòu)形式，直接控制用 在小流量小功率系統(tǒng)中，先導(dǎo)控制用在大流量大功率中。
本發(fā)明通過比例閥門的測試篩選，根據(jù)響應(yīng)特征性，為比例 閥門配對，構(gòu)成"比例閥門對"，控制氣容內(nèi)的進(jìn)氣量和排氣量， 實(shí)現(xiàn)壓力控制。
"比例閥門對"氣壓控制
釆用2個(gè)經(jīng)過篩選的氣動(dòng)比例閥門，構(gòu)成"比例閥門對"，設(shè)
計(jì)了專用的驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)了氣體壓力的自動(dòng)控制，設(shè)定壓力高 于實(shí)用壓力時(shí)，排氣閥工作，使系統(tǒng)壓力降低，反之，進(jìn)氣閥作，使系統(tǒng)壓力增高。
通過對系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)分析可以知道的，系統(tǒng)的關(guān)鍵問題是 氣路執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、控制策略的確定和測量傳感器的選取和控 制方案的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)方案釆用流量電磁比例閥門設(shè)計(jì)，比例閥
門的最大輸入壓力為1500kPa,壓力氣路串接了一個(gè)氣體減壓閥， 調(diào)整該閥門的設(shè)定減壓范圍，使得輸入的壓力減壓至1500kPa, 實(shí)用要求此壓力大于輸出設(shè)定壓力上限1500kPa即可，即滿足上 限輸出需要的壓力，又能保護(hù)系統(tǒng)比例閥門不受損壞。不考慮死 區(qū)的情況下，比例閥門的閥門開度與輸入電壓成正比，而直流控 制電壓的分辨率可以做得很高，16位D/A轉(zhuǎn)換器的電壓器分辨率 達(dá)到了十萬分之1.5,理論上，采用12位D/A和16位D/A的組 合，其有效分辨率可以達(dá)到20位以上，完全符合系統(tǒng)十萬分之三 的控制分辨率的要求，可以實(shí)現(xiàn)壓力的連續(xù)微調(diào)和微控。這種設(shè) 計(jì)方案大大簡化了系統(tǒng)的氣路結(jié)構(gòu)，降低了系統(tǒng)的成本和控制復(fù) 雜性，提高了可靠性。
另一個(gè)重要問題是控制策略的設(shè)計(jì)， 一方面由于氣壓控制的特 殊性，即氣的可壓縮性、粘性的系統(tǒng)的非線性、氣動(dòng)執(zhí)行元件的 滯后和環(huán)境條件的不穩(wěn)定性等因素，難以用常規(guī)的控制理論和現(xiàn) 代控制理論建立精確的數(shù)學(xué)模型來設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制方案。結(jié)合經(jīng)典 PID控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于普通硅壓阻壓力傳感器和模擬電子電 路的PID模擬氣壓控制器，控制精度和控制穩(wěn)定性和控制分辨率 符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)字PID控制精度數(shù)字式 壓力精密傳感與測量，實(shí)現(xiàn)了氣體壓力的數(shù)字式精密測量與控制。C、恒流源
據(jù)圖3所示，由恒流源輸入器18與恒流源運(yùn)算放大器19和 恒流源三極管20線路連接并接入到恒流源模擬傳感器21中，通 過恒流源電阻器22的作用共同構(gòu)成恒流源控制器，三極管發(fā)射極 輸恒流源正端，電阻器22為恒流源負(fù)端，通過正輸出端23和負(fù) 輸出端24為模擬傳感器供電。
根據(jù)整機(jī)不確定度要求，模擬壓力傳感器選用EG&G1230型 阻壓傳感器，其綜合不確定度為0. 1%F.S。傳感器采用恒流源供 電，為避免放大電路引入共模干擾，恒流源電路采用雙電源供電， 電路如圖3所示。高穩(wěn)定穩(wěn)壓集成電路Lml403的輸出電壓為2. 5V, 根據(jù)理想運(yùn)算放大器輸入端"虛短"的概念，輸入端2、 3等電位， 為-2. 5V,運(yùn)算放大器輸入電阻很高，幾乎不吸收電流，因此， 流經(jīng)電阻R28的電流由穩(wěn)壓集成電路MC1403的輸出電壓和電阻 R28的阻值決定，只要電壓和電阻的阻值不變，其電流也不變化， 實(shí)現(xiàn)恒流源功能，這一電流由三極管通壓力傳感器提供，實(shí)現(xiàn)了 傳感器的恒流源供電。恒流源電流10 = 2. 5/R28 (A),由于運(yùn)算 放大器的開環(huán)增益很高，因此恒流源的電流穩(wěn)定度主要取決于基 準(zhǔn)電壓和穩(wěn)定度。
模擬控制電路
目前國內(nèi)外還沒有滿足本發(fā)明技術(shù)所需要的高精度PID控制 器，因此該電路需要配合設(shè)計(jì)。基于普通壓阻壓力傳感器和模擬 電路的氣壓高穩(wěn)定控制技術(shù)，應(yīng)用該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)0 ~ 1500kPa的 壓力信號的自動(dòng)控制，控制精度優(yōu)于0. 01%F.S,制穩(wěn)定性由于0. 002 %F. S。
模擬壓力傳感器供電電路
設(shè)計(jì)中，該模擬傳感器的供電電流要求為1. 5 ~ 2.0mA,集成 電壓標(biāo)準(zhǔn)源Lml403輸出電壓為2. 5V,精密電阻R28選用溫度系 數(shù)較小、穩(wěn)定性較高的金屬膜電阻，取值為1.6K,傳感器的供電 電流為2. 5/1.6 = 1. 56mA,符合傳感器供電要求，傳感器的零點(diǎn) 小于10mv,滿度輸出電壓為85~90mv。
d、傳感器調(diào)理電路
據(jù)圖4所示，傳感器正輸入端25與傳感器正輸入端運(yùn)算放大 器26與傳感器負(fù)輸入端27與傳感器負(fù)輸入端運(yùn)算放大器28共同 為正向運(yùn)算放大器29供電，又經(jīng)過零點(diǎn)調(diào)整二極管及電阻為反向 運(yùn)算放大器30供電，經(jīng)過分流電阻形成電流，通過傳感器信號輸 出端31輸出。
EG&G123G硅傳感器是一單電橋，其輸出阻抗2 3k,輸出電 壓信號小于100mV,為了將傳感器輸出用于系統(tǒng)控制，必須將傳 感器的滿量程輸放大至5V左右，為保證信號調(diào)理電路不影響傳感 器的工作狀態(tài)和工作性能，要求放大電路須具有較高的輸入阻抗, 幾乎不從傳感器吸收電流，同時(shí)，由于普通的運(yùn)算放大器具有較 大的失調(diào)電壓和溫度漂移， 一般不用作微弱信號放大器。測量放 大器具有輸入阻抗、低失調(diào)電壓、的溫度漂移系數(shù)和穩(wěn)定的放大 倍數(shù)，設(shè)計(jì)中傳感器信號放大電路選擇測量放大電路。第一級是 對稱的相同放大器，提高輸入阻抗和零點(diǎn)補(bǔ)償電路，電路中電位 W2用來調(diào)解調(diào)理電路的增益，使傳感器調(diào)理電路的輸出在滿量程是符合要求，電位器wi用來調(diào)解調(diào)理電路的輸出零位。
使用中，該電路若要達(dá)到穩(wěn)定的放大效果，要求R1、 R2、 R3、 R5、 R4、 R6、 W2具有很高的穩(wěn)定性。R3和R5， R4和R6不但具有 很好穩(wěn)定性，還要具有良好的對稱性，R3=R4, R5=R6,設(shè)計(jì)中均 釆用精密繞線電阻。
WI是傳感器零位補(bǔ)償調(diào)整電位器，調(diào)整補(bǔ)償范圍取決于穩(wěn)壓 二極管LM336和運(yùn)算放大器輸入電阻的比例，設(shè)計(jì)中釆用LM336 -2.5V穩(wěn)壓二極管，調(diào)整范圍為-2.5V~+2.5V,對傳感器輸出 的零位補(bǔ)償?shù)碾妷悍秶鸀?0. 25V~+0. 25V。
e、實(shí)用微分電路
據(jù)圖5所示，電流通過微分電路輸入端32經(jīng)過電阻和電容同 時(shí)供給微分電路初始調(diào)整運(yùn)算放大器33和微分電路續(xù)繼調(diào)整運(yùn) 算放大器34,然后通過可調(diào)電阻及定阻電阻供給微分電路輸出端 35,向外輸出微分電流。
微分電路dp/dt是為了獲得壓力變化率或者系統(tǒng)誤差變化率 信號，實(shí)現(xiàn)PID控制的微分功能，構(gòu)成壓力變化率閉環(huán)，達(dá)到穩(wěn) 定控制目的。
微分電路在原理上很簡單，實(shí)用微分電路的實(shí)現(xiàn)卻很困難， 因?yàn)槲⒎汁h(huán)節(jié)本身容易引起系統(tǒng)的振蕩，易受干擾，另外，微分 電容參數(shù)的選取和被控制對象的響應(yīng)特性有很大關(guān)系。由于該控 制系統(tǒng)難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，這一電路的參數(shù)調(diào)整通過多次 試驗(yàn)來確定。
設(shè)計(jì)中對微分電容的要求微分電容C漏電流要小，這里選擇高頻高壓電容。C20和C21是濾波電容，這里選用鉭電容。f、 PID控制電路據(jù)圖6所示，壓力給定與偏差調(diào)整信號供給壓力初始調(diào)整器 36，再經(jīng)過壓力信號比例放大器37、壓力繼續(xù)調(diào)整器38、穩(wěn)壓器 39、壓力電信號放大、驅(qū)動(dòng)器40供給氣路控制器41,其壓力信 號反饋于壓力信號回饋器42和壓力微分器43再回饋于壓力繼續(xù) 調(diào)整器中。Pt為壓力調(diào)節(jié)器，設(shè)計(jì)成PI調(diào)節(jié)器。 Pt為壓力變化率調(diào)節(jié)器，設(shè)計(jì)成PI調(diào)節(jié)器。 A為功率放大器，產(chǎn)生控制氣路閥門工作的驅(qū)動(dòng)信號。 P為壓力釆樣和信號放大電路，包括普通模擬壓力傳感器和 放大電路。dp/dt為壓力變化率。g、 高分辨率DA轉(zhuǎn)換器據(jù)圖7所示，16位DA轉(zhuǎn)換器44、 12位DA轉(zhuǎn)換器輸入端45 及直流參考標(biāo)準(zhǔn)源46分別通過電阻向DA運(yùn)算放大器47提供信 號，形成穩(wěn)定高分辨率電信號通過直流輸出端48輸出。高分辨率DA轉(zhuǎn)換器主要完成和上位計(jì)算機(jī)的通訊，壓力給定 值的D/A轉(zhuǎn)換和調(diào)整控制。調(diào)整控制器由AdjuC812單片機(jī)及其自 帶的12位D/A轉(zhuǎn)換器，16位D/A轉(zhuǎn)換器AD569系統(tǒng)構(gòu)成。Ad ju C812單片機(jī)內(nèi)部集成了 CPU、 8K字節(jié)的閃速(FLASH)程序存儲(chǔ) 器，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，2路12位D/A轉(zhuǎn)換器。只需外接RS232接口芯口芯片ADM202E就可以和PC機(jī)串口相連，使用下載工具實(shí)現(xiàn)對 AduC812的編程。在PC機(jī)上運(yùn)行DEBUG程序還可以實(shí)現(xiàn)在線仿真 調(diào)試和程序的下載、執(zhí)行。改變AduC812的戶5i^引腳的電平實(shí)現(xiàn)編程和運(yùn)行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，/^^v通過下拉電阻接地為編程狀態(tài)，懸空為程序運(yùn)行狀態(tài)。雖然AduC812單片機(jī)本身帶有12位D/A轉(zhuǎn) 換器，但是滿足不了系統(tǒng)分辨率要求，所以要外接16位D/A轉(zhuǎn)換 器AD569。AdjuC812單片機(jī)具有8051單片機(jī)的內(nèi)核，同時(shí)又集成了模 數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器，具有開發(fā)工具簡單、資源豐富的特點(diǎn)，其內(nèi)部 的8K字節(jié)的EEPOM程序存貯器完全滿足該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要，并且 系統(tǒng)的控制算法和界面管理、數(shù)據(jù)處理由上位PC計(jì)算機(jī)完成，克 服了單片機(jī)數(shù)據(jù)處理速度和浮點(diǎn)運(yùn)算能力低下的瓶頸，實(shí)現(xiàn)了兩 者的有機(jī)結(jié)合。系統(tǒng)設(shè)計(jì)對D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度和長期穩(wěn)定性要求不高，對 其分辨率和短期穩(wěn)定性要求較高，系統(tǒng)氣壓控制分辨率達(dá)0.001 % ,要求D/A轉(zhuǎn)換器數(shù)字輸出的分辨率為18位。常用的D/A轉(zhuǎn)換 器AD569的有效分辨率為16位，不滿足要求，而18或20位D/A 轉(zhuǎn)換器價(jià)格昂貴，采用兩個(gè)普通的D/A轉(zhuǎn)換器組合輸出，兩者組 合可以實(shí)現(xiàn)具有18位分辨率的D/A轉(zhuǎn)換器。AdpC812單片機(jī)系統(tǒng)從PC機(jī)串口接收壓力數(shù)字給定指令， 經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成模擬量傳送到壓力控制器，待壓力輸出和給定達(dá)到 平衡后，再由PC機(jī)發(fā)出偏差調(diào)整控制指令給調(diào)整控制器，通過 D/A轉(zhuǎn)換器發(fā)出調(diào)整控制碼，調(diào)整壓力控制器的壓力輸出值。h、 比例閥門驅(qū)動(dòng)電路據(jù)圖8所示，電流輸入端49通過電阻分別供給主調(diào)整運(yùn)算放 大器50、副調(diào)整運(yùn)算放大器51,然后經(jīng)過副調(diào)整繼發(fā)運(yùn)算放大器 52和主繼發(fā)調(diào)整運(yùn)算放大器53再經(jīng)過副調(diào)整三極管54和主調(diào)整 三極管55供給X1控制信號輸出端56與X2控制信號輸出端57, 形成比例閥門驅(qū)動(dòng)控制信號輸出。電磁閥門驅(qū)動(dòng)電路的作用是控制電路輸出的電壓經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電 路作用到閥門上，由于比例電磁閥門存在著較大的死區(qū)電壓，同 時(shí)控制電路輸出的控制量根據(jù)控制策略具有正負(fù)極性，驅(qū)動(dòng)電路 要求具有絕對值功能，又能克服死區(qū)限制。比例電磁閥門具有結(jié)構(gòu)簡單可靠、控制精度高、穩(wěn)定性好的 特點(diǎn)，并且，其電流驅(qū)動(dòng)電路已經(jīng)進(jìn)行了固態(tài)處理，只需要控制 電壓，無需用戶再考慮設(shè)計(jì)功率驅(qū)動(dòng)電路。i、 串行接口據(jù)圖9所示，數(shù)字壓力傳感器接入端58通過數(shù)字壓力傳感器 分接口 61供給電平轉(zhuǎn)換接口 62，微型計(jì)算機(jī)接入端59也通過微 型計(jì)算機(jī)分接口 60供給電平轉(zhuǎn)換接口 ，其中從電平轉(zhuǎn)換接口引出 RT輸出端63和RS輸出端64,連接至上位計(jì)算機(jī)。通訊電路設(shè)計(jì)為更好的節(jié)省計(jì)算機(jī)資源，避免配置多串口擴(kuò)展卡，設(shè)計(jì)了 多串口儀器連接方案，實(shí)現(xiàn)了在一個(gè)計(jì)算機(jī)串行接口上，掛接單 片機(jī)AduC812控制的模擬壓力控制器和數(shù)字石英諧振壓力傳感 器。在總線模式中，既可以將多個(gè)設(shè)備并接在總線上，通過設(shè)備 選擇區(qū)分設(shè)備，也可以通過地址碼區(qū)分設(shè)備，并行連接設(shè)備對總 線的驅(qū)動(dòng)能力要求較高。系統(tǒng)設(shè)計(jì)釆用串接方式，以地區(qū)碼區(qū)分 設(shè)備的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)中，計(jì)算機(jī)發(fā)出的指令均帶有標(biāo)識(shí)作用對象的地址碼，帶有指令對象地址碼的RS232控制指令首先到達(dá)地址碼為02的模 擬壓力控制器，模擬壓力控制器按位接收指令，同時(shí)將該指令通 過發(fā)送端推出，由地址碼位01的數(shù)字式石英諧振壓力傳感器接 收，這樣， 一個(gè)指令串相繼被兩個(gè)設(shè)備接收譯碼，接受設(shè)備將地 址與自身的地址碼比較，決定是否執(zhí)行指令，與自己地址碼相同 則譯碼執(zhí)行；不同則忽略，這種方案使得第二個(gè)設(shè)備在時(shí)間上僅僅落后了幾個(gè)單片機(jī)的指令周期。 本發(fā)明的工作過程是由計(jì)算機(jī)通過鍵盤輸入需要的壓力值，由軟件將其轉(zhuǎn)換成對 應(yīng)數(shù)字量，并通過接口通訊電路送入單片機(jī)，單片機(jī)控制高分辨 率轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成對應(yīng)電壓，模擬傳感器在恒流源電路、放大電路 配合下，將測得的實(shí)際壓力轉(zhuǎn)成電壓信號，這兩個(gè)電壓差值為系 統(tǒng)控制基本信號，給后續(xù)PID控制，放大驅(qū)動(dòng)閥門工作，如果氣 容壓力低于設(shè)定壓力，則模擬傳感器電壓小于D/A轉(zhuǎn)換器輸出， 致使進(jìn)氣閩門打開，氣體注入氣容，氣容內(nèi)壓力升高，反之排氣 閥門打開工作，氣體自氣容內(nèi)排出，氣容內(nèi)壓力降低，如此反復(fù) 工作，直至兩電壓相等。再由計(jì)算機(jī)采樣數(shù)字石英傳感器測量值， 依此對系統(tǒng)氣容內(nèi)壓力進(jìn)入修正，通過修改數(shù)字量，完成這一過程，同樣反復(fù)工作，使數(shù)字石英傳感器測量值等于設(shè)定值，完成 氣壓精密、穩(wěn)定控制。本發(fā)明的裝置能夠?qū)崿F(xiàn)的壓力范圍0~ 1500kPa,不確定度達(dá) 0. 01%F. S,控制穩(wěn)定性優(yōu)于0. 002 %F. S,壓力控制過程快速、 平穩(wěn)?？梢詫?shí)現(xiàn)0 1500kPa連續(xù)調(diào)整的高分辨率、高穩(wěn)定性的氣 壓標(biāo)準(zhǔn)信號的產(chǎn)生與控制。
權(quán)利要求
1、比例閥門對精密氣壓控制裝置，其特征是由雙傳感器、比例閥門對、恒流源、傳感器調(diào)理電路、實(shí)用微分電路、PID控制電路、高分辨率DA轉(zhuǎn)換器、比例閥門驅(qū)動(dòng)電路和串行接口相互連接構(gòu)成；其中雙傳感器由計(jì)算機(jī)(1)與通訊電路(2)、單片機(jī)(3)、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元(4)、模擬PID控制電路(5)、閥門驅(qū)動(dòng)器(6)相互連接并信號供給氣容(7)，同時(shí)氣容與被檢儀表相連通，壓力源通過減壓閥(8)減壓供給氣容，氣容與真空泵(8.1)相通，經(jīng)過減壓的氣體流經(jīng)過比例閥門進(jìn)入氣容，調(diào)理放大電路(10)和模擬傳感器(9)將壓力信號轉(zhuǎn)換成電信號，并回饋到模擬PID控制電路中，氣容中所產(chǎn)生的電信號通過數(shù)字傳感器(11)與計(jì)算機(jī)相連通，形成可控、可顯示的氣壓數(shù)字信號；其中比例閥門對由加壓泵(12)通過管路與壓力表(13)連通，同時(shí)供給減壓閥(8)，通過減壓閥減壓后供給進(jìn)氣比例閥(14)中，并與氣容(7)相連通，然后通過抽氣比例閥(15)、過濾器(16)與真空泵(17)相連通，氣體經(jīng)過氣容形成氣體壓力信號，數(shù)字傳感器(11)通過氣容后供給模擬傳感器(9)，形成模擬氣壓電信號。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的比例閥門對精密氣壓控制裝置，其 特征是恒流源由由恒流源輸入器(18 )與恒流源運(yùn)算放大器(19 ) 和恒流源三極管(20)線路連接并接入到恒流源模擬傳感器(21)中，通過恒流源電阻器(22)的作用共同構(gòu)成恒流源控制器，三 極管發(fā)射極輸恒流源正端，電阻器(22)為恒流源負(fù)端，通過正 輸出端(23)和負(fù)輸出端(24)為模擬傳感器供電。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的比例閩門對精密氣壓控制裝置，其 特征是傳感器調(diào)理電路由傳感器正輸入端(25)與傳感器正輸 入端運(yùn)算放大器(26)與傳感器負(fù)輸入端(27)與傳感器負(fù)輸入 端運(yùn)算放大器(28)共同為正向運(yùn)算放大器(29)供電，又經(jīng)過 零點(diǎn)調(diào)整二極管及電阻為反向運(yùn)算放大器(30)供電，經(jīng)過分流 電阻形成電流，通過傳感器信號輸出端(31)輸出。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的比例閥門對精密氣壓控制裝置，其 特征是實(shí)用微分電路由電流通過微分電路輸入端(32)經(jīng)過電 阻和電容同時(shí)供給微分電路初始調(diào)整運(yùn)算放大器(33)和微分電 路續(xù)繼調(diào)整運(yùn)算放大器(34),然后通過可調(diào)電阻及定阻電阻供給 微分電路輸出端(35),向外輸出微分電流。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的比例閥門對精密氣壓控制裝置，其 特征是PID控制電路由壓力給定與偏差調(diào)整信號供給壓力初始調(diào)整器(36),再經(jīng)過壓力信號比例放大器(37)、壓力繼續(xù)調(diào)整器 (38)、穩(wěn)壓器(39)、壓力電信號放大、驅(qū)動(dòng)器UO)供給氣路 控制器(41),其壓力信號反饋于壓力信號回饋器(42)和壓力微 分器"3)再回饋于壓力繼續(xù)調(diào)整器中。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的比例閥門對精密氣壓控制裝置，其 特征是高分辨率DA轉(zhuǎn)換器由16位DA轉(zhuǎn)換器(44 )、 12位DA 轉(zhuǎn)換器輸入端(45)及直流參考標(biāo)準(zhǔn)源(46)分別通過電阻向DA運(yùn)算放大器(47)提供信號，形成穩(wěn)定高分辨率電信號通過直流 輸出端(48)輸出。
7、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的比例閥門對精密氣壓控制裝置，其 特征是比例閩門驅(qū)動(dòng)電路由電流輸入端(49)通過電阻分別供 給主調(diào)整運(yùn)算放大器(50)、副調(diào)整運(yùn)算放大器(51),然后經(jīng)過 副調(diào)整繼發(fā)運(yùn)算放大器(52)和主繼發(fā)調(diào)整運(yùn)算放大器(53)再 經(jīng)過副調(diào)整三極管(54 )和主調(diào)整三極管(55 )供給XI控制信號 輸出端(56)與X2控制信號輸出端(57)，形成比例閥門驅(qū)動(dòng)控 制信號輸出。
8、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的比例閥門對精密氣壓控制裝置，其 特征是串行接口由數(shù)字壓力傳感器接入端(58)通過數(shù)字壓力 傳感器分接口 (61)供給電平轉(zhuǎn)換接口 (62)，微型計(jì)算機(jī)接入端(59)也通過微型計(jì)算機(jī)分接口 (60)供給電平轉(zhuǎn)換接口 (62), 其中從電平轉(zhuǎn)換接口引出RT輸出端(63)和RS輸出端(64),連 接至上位計(jì)算機(jī)上。
全文摘要
本發(fā)明提出的是應(yīng)用于航空、航天、氣壓計(jì)量校準(zhǔn)領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號的產(chǎn)生與控制的裝置，具體地說是比例閥門對精密氣壓控制裝置。由雙傳感器、比例閥門對、恒流源、傳感器調(diào)理電路、實(shí)用微分電路、PID控制電路、高分辨率DA轉(zhuǎn)換器、比例閥門驅(qū)動(dòng)電路和串行接口相互連接構(gòu)成本發(fā)明裝置。本發(fā)明裝置能夠?qū)崿F(xiàn)的壓力范圍0～1500KPa，不確定度達(dá)0.01％F.S，控制穩(wěn)定性優(yōu)于0.002％F.S，壓力控制過程快速、平穩(wěn)。適宜各種環(huán)境條件下氣壓的檢測與控制。
文檔編號G05D16/20GK101256417SQ200810010469
公開日2008年9月3日 申請日期2008年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月25日
發(fā)明者侯興勃, 周德海, 崔保健 申請人:周德海;崔保健;侯興勃