高压变换器 【相关申请的交叉引用】
本申请要求于2006年7月20日提交的名为“High PressureTransducer”的美国临时申请No.60/832,052的优先权，在此将该美国临时申请的全部内容引入作为参考。
背景
1.领域
本公开总体涉及压力变换器(transducer)，更特别地涉及能够在高压力下操作的高响应气体变换器。
2.相关技术的描述
在过去的几十年中，压力变换器在某种程度上由于在机械工业和加工工业中需要而显著发展。由于高性能电子控制界面替换需要手动输入以改变变换器设置的手动气压控制界面，因此对于高压变换器的需求不断增长。尽管加工工业对于至多30 PSIG的信号压力是满意的，但是机械工业自动化的不断驱动推动了对能够在更高压力下操作的压力变换器的需求。在机械工业中，典型的气源压力能够高达150 PSIG，其中一些变换器设计在该阈值之上操作。当前，机械工业使用在500 PSIG之上的压力以执行特定的操作，这进一步驱动对能够控制这样高压力的变换器的需求。与在低压变换器部分中不同，对满足这种高压需求的变换器的选择是十分有限的。非常适用于这种任务的变换器需要是高精确、高响应以及高稳定。
现有技术的当前状态是电动气压变换器。设计这种用于高压操作的变换器的挑战性方面是主要电机转换系统。该部负责通过使用电机转换元件把电输入控制信号转换成压力信号。电机系统促动允许控制气体流动的压力控制系统。传统变换器在电机转换系统中使用电磁元件和/或压电元件。
传统的压力控制系统使用或者是可变孔口构造或者是固定孔口构造的高增益气动挡板喷嘴阀。由于高气体消耗，所以传统的挡板喷嘴阀技术并不现实可行。限制气体消耗的尝试导致需要更小的孔口和喷嘴大小，这要求精细的过滤以防止阻塞。因此，在高压条件下需要具有高响应速率的高效变换器。
简介
本公开提供了一种高压变换器，该高压变换器克服传统高压变换器的缺点，也就是说，减少响应时间和高气体消耗。根据本公开的压力变换器包括适合于从分压器部分接收低压源的低压控制部分。低压控制部分包括用于响应控制信号而产生可变控制压力的多个比例电磁阀。还提供输出放大部分，该输出放大部分包括多个面积比活塞以放大可变控制压力信号来获得所希望的高输出压力。压力变换器还包括用于控制低压控制部分和压力放大器的压力传感器和反馈电路以防止其中高摩擦的有害作用。
根据本公开的一个方面，公开了一种高压变换器。变换器包括构造成以供给压力把气体供给提供到高压变换器的供给入口和联接到供给入口的分压器部分。分压器部分构造成作为第一预定比率的函数把供给压力减小到降后压力(reduced pressure)。变换器还包括联接到分压器部分的且构造成接收以位于降后压力上的气体供给的低压控制部分和联接到低压控制部分的放大部分。低压控制部分构造成改变降后压力以获得促动放大部分的可变控制压力。放大部分还构造成作为第二比率的函数使可变控制压力倍增以获得输出压力。进一步，变换器包括联接到放大部分的主供给阀，其中放大部分控制主供给阀。
本公开还仔细考虑了用于控制高压变换器的方法。方法包括步骤：以供给压力经过供给入口把气体供给提供到高压变换器，在联接到供给入口的分压器部分处接收气体供给，和作为第一预定比率的函数把供给压力减小到降后压力。方法还包括步骤：把气体供给以降后压力供给到联接到分压器部分的低压控制部分，其中低压控制部分改变降后压力以获得可变控制压力输出，和把低压控制部分的可变控制压力输出输送到联接到低压控制部分的放大部分以促动放大部分。方法进一步包括步骤：作为第二比率地函数使可变控制压力倍增以获得输出压力，和在输出压力处经过联接到放大部分的主供给阀输出气体供给，其中放大部分控制主供给阀。
根据本公开的另一个方面，公开了一种高压变换器。变换器具有构造成以供给压力把气体供给提供到高压变换器的供给入口和联接到供给入口的且包括具有小比率活塞和大比率活塞的比率活塞组件的分压器部分。分压器部分构造成作为小比率活塞和大比率活塞的比的函数把供给压力减小到降后压力。变换器还包括联接到分压器部分的且构造成接收位于降后压力上的气体供给的低压控制部分和联接到低压控制部分的放大部分。低压控制部分构造成改变降后压力以获得促动放大部分的可变控制压力。放大部分包括倍增比率活塞组件，该倍增比率活塞组件构造成作为倍增比率活塞组件的比率的函数使可变控制压力倍增以获得输出压力。变换器还包括联接到放大部分的主供给阀，其中放大部分控制主供给阀。
附图的简要描述
当联接附图时，按照下列详细描述本公开上面的和其它的方面、特征和优点将变得更明显，其中：
图1是根据本公开的高压变换器的侧部截面图；
图2是根据本公开的高压变换器的前部截面图；
图3是图1的高压变换器的低压控制部分的原理图；
图4是根据本公开图解了在低压控制部分中的压力变化的图表；
图5是用于图1的高压变换器的控制电路的原理图；
图6是经过图1的高压变换器的压力路径的原理图；和
图7是图解了用于控制图1的高压变换器的方法的流程图。
详细描述
下面将参考附图在本文中描述本公开的特定实施例。在下列描述中，将不详细描述众所周知的功能和结构以避免用不必要的细节使本公开变得费解。
图1和图2显示了用于控制气流的高压变换器1。压力变换器1包括分压器部分2、低压控制部分4、放大部分22和主供给阀36。分压器部分2以预定比率把气体的供给压力减小到降后压力。然后，降后压力的气体操作低压控制部分4，该低压控制部分改变降后压力以获得可变控制压力来促动放大部分22。更特别地，低压控制部分4包括作为产生可变控制压力的主要电动气压转换机构的进给电磁阀18a和排放电磁阀18b(图2和图3)。
放大部分22以预定比率的倒数放大可变控制压力以把气体压力大致恢复到最初供给压力来控制主供给阀36。放大部分22包括具有一个或多个面积比活塞26的倍增比率活塞组件38，该一个或多个面积比活塞放大低压控制部分4的可变控制压力以获得高输出压力范围。在图5中更详细显示的高精度压力传感器和电子反馈控制电路100通过使用闭合控制回路控制变换器1来防止高摩擦在倍增比率活塞组件38的部件上的有害作用。因此，使用具有比供给压力低的压力的气体来促动主供给阀36，由此减小对低压控制部分4的要求且增加它的响应时间。
变换器1包括高压供给入口6和出口49。被供给的气体可以是适合于操作变换器1的任何类型的气体，比如空气、氮气、氧气、二氧化碳等等。供给入口6包括气体供给导管7，该气体供给导管把气体提供到分压器部分2中，然后把气体以降后压力供给到低压控制部分4。分压器部分2以预定比率(例如，1/8)减小高供给压力，该预定比率是放大部分22所使用的比的倒数(例如，8)，以把可变控制压力气体转换成大致等于供给压力的高输出压力。
分压器部分2包括具有一个或多个气动活塞(例如，下部小面积活塞9和上部大面积活塞14)的比率活塞组件8和挡板喷嘴阀10。分压器部分2应用力平衡原理和下部小面积活塞9与上部大面积活塞14的相对面积比来控制挡板喷嘴阀10的出口压力。把供给到分压器部分2的气体提供到下部小面积活塞9，该下部小面积活塞于是促动挡板喷嘴阀10。
挡板喷嘴阀10的输出提供反馈信号——降后压力的气体，把该降后压力的气体施加到上部大面积活塞14上，由此平衡由作用在下部小面积活塞9上的供给压力所产生的力且关于降后压力的气体调节挡板喷嘴。依赖于由比率活塞组件8的活塞9和活塞14的面积比所划分的供给压力，挡板喷嘴阀10调节供给压力。换句话说，以预定比率减小气体的供给压力，由在下部小面积活塞9和上部大面积活塞14之间的关系来限定该预定比率。
挡板喷嘴阀10还包括用作挡板喷嘴阀10的力限制器和密封件的挡板柱(flapper colume)12。挡板柱12可以由弹性聚合物或弹性体形成。万一突然供给压力丧失，那么在比率活塞组件8上的平衡力也丧失且会抵着挡板喷嘴阀10施加大面积活塞14的全部力。聚合物挡板柱12的弹簧作用压缩，由此使得下部小面积活塞9靠在挡板喷嘴阀10的非关键部分上且保护挡板柱12的密封面不被损坏。
分压器部分2的输出还包括用于电磁阀18a与电磁阀18b和安全泄压阀16的集成缓冲容积室51，万一分压器部分2故障，那么该安全泄压阀可以保护低压控制部分4免受高压。如果分压器2故障，或如果把过高的供给压力施加到变换器1上，那么安全泄压阀16限制被施加到敏感的低压控制部分4上的压力。
参考图3，低压控制部分4包括由数字电子脉宽调制(“PWM”)控制器20所控制的两个快速响应的低容量电磁阀18a和电磁阀18b(例如，进给电磁阀18a和排放电磁阀18b)，该PWM控制器20接收来自比例积分微分(“PID”)控制器112的控制信号。PWM控制器20和PID控制器112是在图5中更详细显示的控制电路100的部件。
PWM控制器20改变被供给到电磁阀18a和电磁阀18b的电流，由此控制在放大部分22的低压侧28中的压力。进给电磁阀18a接收降后压力的气体，且允许气体到放大部分22的低压侧28，而排放电磁阀18b从低压侧28撤回气体。当在闭合构造中时，万一动力丧失，那么电磁阀18有助于所谓的“锁定在最后位置中(lock in lastplace)”的故障模式。
串联连接进给电磁阀18a和排放电磁阀18b，以用两个可变限制形成网络。供给压力在网络的供给端部处进入，而网络的出口端部通到大气，该供给端部是进给电磁阀18a，而出口端部是排放电磁阀18b。通过用脉宽调制控制来操作电磁阀使可变限制发挥作用，由此当PWM占空比从0变化到100％时产生可变限制。
控制两个电磁阀的PWM信号是彼此互补的，使得当一个电磁阀处于80％占空比时，另一个处于20％；当一个电磁阀处于40％时，另一个阀处于60％等等。进给电磁阀18a的PWM控制直接与PID控制器112的输出相关，这里排放电磁阀与PID控制器112的输出反比例相关或互补。当PID控制器112从0穿越(traverse)到100％输出时，进给电磁阀18a控制从0穿越到100％而排放电磁阀18b从100％穿越到0。当这种情况发生时，存在于两个电磁阀18a和电磁阀18b之间的压力从零压力穿越到完全供给压力且有效地把PID控制器112的电信号输出变成如在图4中所示的气压信号输出。该构造通过生成可变控制压力在变换器1中提供主要电机转换功能。尽管随着PID控制器112的输出压力输出没有精确地从0跟踪到100％，但是在PID控制器112中的增益和偏移量可以补偿该失配。
返回参考图1和图2，放大部分22包括接收来自低压控制部分4的可变控制压力的低压侧28和输出被放大气体的高压侧34。放大部分22还包括在低压侧28上的薄膜促动器24。把薄膜促动器24与高压侧34上的滑动O形密封30和排气套筒42联接在一起以生成所需的面积比来使低压控制部分4的压力倍增。面积比大致是在活塞组件8的活塞9和活塞14之间的面积比的倒数，使得把气体压力恢复到最初输入的气体压力。在实施例中，薄膜促动器24构造成在高达大约300PSI的压力处操作且滑动O形密封30构造成在高达1500PSI的压力处操作。
放大部分还包括倍增比率活塞组件38，该倍增比率活塞组件促动主供给阀36，这使得来自入口6的被供给气体能够经过变换器1流到输出49。比率活塞组件38包括面积比活塞26、排气阀套筒42和排气阀座46。排气阀套筒42包含球形接头特征44，该球形接头特征允许排气阀套筒42在活塞组件38中与阀座46自校准。
主供给阀36包括被设置在供给面积50中的滑动活塞48，该滑动活塞通过置于其中的供给压力和通向供给面积50任一侧上的室的出口压力来使主供给阀36压力平衡。还通过应用有效阀直径来压力平衡排气阀40，该有效阀直径大致与排气套筒的滑动密封30是相同的直径。
图5显示了包括控制输入102的控制电路100，该控制输入比如允许设定用于变换器1的所希望的输出压力的电控制信号或手动输入机构。控制输入102把控制信号传输到放大器104以增加控制信号的功率。此后，通过比例运算电路106来比例运算被放大的信号且分支到到PID控制器112的误差信号放大器110和前馈电路108二者。PID控制器112基于在所测量的过程变量和所希望的控制信号之间的误差生成到PWM控制器20的输出。PID控制器112计算，然后输出校正动作，该校正动作基于三个参数：比例，积分和微分来调节控制输出响应。
PID控制器112处理误差信号且把所处理的信号传输到PWM控制器20，然后，该PWM控制器控制电磁阀18a和电磁阀18b，如上面关于图3所讨论的。电磁阀18a是进给阀，其中电磁阀18b是排放阀。通过来自分压器2的低压气体来供给进给阀18a。此后，进给阀18a控制放大部分22以生成所希望的输出。
压力传感器116监控在分压器部分2中的压力，而压力传感器114监控在主供给阀33中的出口49处的输出压力。在把压力信号传到PID控制器112以用于处理之前传输到各自的放大器118和放大器120以及比例运算电路122和比例运算电路124。PID控制器112把在分压器部分2中所测量的压力和出口压力与相应的控制信号作比较且基于来自控制信号的偏差来控制PWM控制器20以调节电磁阀18a和电磁阀18b。这使得电磁阀18a和电磁阀18b能够使输出压力和来自控制信号的所希望的输出压力相等。
图6图解了在变换器1中的压力变化。在实施例中，气体的被供给到变换器1的供给压力是1000 PSI。由分压器2来划分气体供给，这导致125 PSI的降后压力，该降后压力大约是最初供给压力的1/8。压力依赖于在分压器中活塞组件8的活塞9和活塞14的比而减小。把降后压力供给到低压控制部分4，对于降后压力的给定供给，该低压控制部分在从大约0 PSI到大约100 PSI的压力范围中操作。然后，低压控制部分4使用降后压力以产生可变控制压力。当放大部分22促动主供给阀33时可变控制压力控制放大部分22，该放大部分在从大约0 PSI到大约750 PSI的输出压力处输出气体。如在图6的图表中所看到的，尽管最初把供给压力减小到降后压力、改变该供给压力、且此后放大该供给压力以获得所希望的输出压力，但是由此产生的输出压力都大致等于供给压力。
图7图解了用于控制压力变换器1的方法。在步骤200中，经过供给入口6把气体供给到变换器1。把气体供给的一部分引导到分压器部分2，其中在步骤202中，通过由在比率活塞组件8的活塞9和活塞14之间的面积比所规定的预定比率来减小最初供给压力。在步骤204中，把以降后压力的气体供给到低压控制部分4。在步骤206中，通过改变降后压力气体产生可变控制压力，进给电磁阀18a和排放电磁阀18b控制放大部分22。在步骤208中，通过放大部分22以预定比率的倒数来放大可变控制压力气体，以把可变控制压力气体大致恢复到最初供给压力。在步骤210中，开启主供给阀36以经过出口49输出被放大的气体。
本公开所描述的实施例意在是例证性而不是限制性，并且该实施例并不意在表示本公开的每一个实施例。在不偏离本公开的如在所附权利要求中所提出的精神或范围的情况下，能够做出各种修改和变型，在法律上既承认字面上的所附权利要求也承认所附权利要求的等价物。