高压气体容积膨胀减压自动控制装置 技术领域
本发明涉及一种高压气体容积膨胀减压控制方法和自动控制装置。
背景技术
在背景技术领域中，与本发明的功能最为接近的是节流型的压力调节装置，即各种气体减压阀。尽管目前减压阀技术比较成熟，而且能够满足间歇工作、只对功能性有要求的气动系统的应用，但它是通过节流控制实现压力调节的。而节流控制是一种不可逆的能量变化过程，对于连续工作、动力性能要求高的气动动力系统，存在较大的能量损失，因此不利于系统的高效利用。
容积膨胀减压所应用的元件是膨胀容器。其工作原理是通过气动开关阀和膨胀容器调节高压气动系统的输出压力。容积膨胀减压原理是根据气体的状态方程工作的，在一定条件下，一定量的气体的压力与其充满地容积成反比，即容积增大，压力降低。膨胀容器的作用是通过增大容积将上游的高压气体降为工作所要求的低压气体。若在等温和等熵状态下膨胀，它是一可逆过程，基本上不损失能量。通过PLC控制方式和PID调节控制开关阀，膨胀器可以精确控制常规气动系统的输出压力，控制方式灵活，控制精度可在1.0kPa之内。与之相比，在常规气动系统中，节流调节压力要损失系统能量的5～10％来克服摩擦阻力；在高压气动系统中，节流造成的能量损失将会更大。容积膨胀减压控制还在于过程和状态上与节流减压不同，容积膨胀减压过程中没有节流损失；减压后的低压气体可以储存在低压储气罐中经历一段时间与外界进行热补偿。在这一过程中，只要外界能量足够高，并有足够的时间对系统进行能量补充，就可以使损失的能量得到部分补充和恢复，从而保证了系统能量的高效利用。理论分析已经证明，将30MPa压力的超高压气体减低到1.0～5.0MPa的压力，容积减压控制方式比节流减压控制方式可减少能量损失10～35％。
发明内容
本发明的目的是提供一种集高压气动控制阀、压力传感器、流量传感器、控制器、容积膨胀容器于一体的高压气体容积膨胀减压自动控制装置，实现对高压气体容积膨胀减压的自动控制。
本发明采用的技术方案如下：
它包括气源压力传感器及显示仪表，高压截止阀，高压气动开关阀，控制器，容积膨胀容器，减压压力传感器及显示仪表，减压温度传感器及显示仪表，低压截止阀；高压气动开关阀的进气口通过高压管线和接头与高压截止阀相连，出气口通过高压管线和接头与容积膨胀容器的进气口相连，控制端接线与控制器的输出端口连接；容积膨胀容器的出气口通过接头与低压截止阀的一端相连，低压截止阀的另一端与低压管线和接头相连；减压压力传感器及显示仪表和减压和温度传感器及显示仪表均安装在容积膨胀容器上，它们的信号输出引线与控制器的输入端端口连接。
控制器设有数据采集、数据处理和控制输出模块；气源压力传感器及显示仪表、减压压力传感器及显示仪表、减压温度传感器及显示仪表输出引线分别接入各自的由采样/保持电路和A/D转换电路组成的数据采集模块、进入由CPU、程序和数据存储器组成的数据处理模块、进入由功率放大电路组成的控制输出模块后，接在高压气动开关阀的控制端。
压力传感器和温度传感器分别提供高压气源和容积膨胀减压状态的压力和温度数据；控制器设有数据采集、数据处理和控制输出等功能模块，可实时采集所需的压力和温度数据，并根据设定的控制要求和控制算法对高压气动开关阀的开关时间进行控制；容积膨胀容器保证进入的高压气体实现容积膨胀减压过程；减压状态的参数值可以被控制器实时采集和运算，从而实现对高压气体的容积减压过程的自动控制。
本发明具有的优点是：装置组成简单，具有自动控制功能，在高压气体的容积膨胀减压控制过程中没有节流损失，与节流减压相比，在减压过程中可以节能10～35％，能量利用率高。本发明将机械、电子和流体控制集于一体，是典型的机电一体化自动控制系统。本发明可以方便的安装或连接入高压气体动力系统的能量控制环节中，实现对高压气体容积膨胀减压的自动控制，从而达到高效利用高压气体动力系统能量的目的，它可应用在以压缩空气为动力的能量控制系统等领域，特别是压缩空气为动力的气动汽车的能量控制系统中。
附图说明
图1是本发明的结构原理示意图；
图2是本发明的控制器原理的方框图。
具体实施方式
如图1所示，所述的高压气体容积减压装置由高压气动开关阀4、控制器5、容积膨胀容器6、高压截止阀2、压力传感器及显示仪表1和7、温度传感器及显示仪表8、低压截止阀9、高压管线和接头3、低压管线和接头10等组成。
高压气动开关阀4的进气口通过接头和高压管线与高压截止阀2相连，出气口通过接头和高压管线与容积膨胀容器6的进气口相连，控制端接线与控制器5的输出端口连接。高压气动开关阀4受控于控制器5发出的控制信号，用于控制高压气体进入膨胀容器6的周期和时间，并使气体通过高压气动开关阀4时产生较小的压力降，不可逆的能量损失小，有利于节能。
容积膨胀容器6的进气口通过接头和高压管线与高压气动开关阀4的出气口相连，出气口通过接头与低压截止阀9相连。容积膨胀容器6是一个能承受高压，并具有设定容积的气罐，其作用是使进入的高压气体按绝热过程或多变过程在罐内膨胀，使气体压力降低，实现减压，从而消除节流减压过程中的不可逆能量损失。
压力传感器及显示仪表7安装在容积膨胀容器6上，它的信号输出引线与控制器5的输入端口联接。压力传感器及显示仪表7将容积膨胀容器的气体压力值显示出来并传输到控制器，便于监控，并为控制器实现对开关阀的控制提供信息和数据。
压力传感器及显示仪表1安装在高压气源的出口处，即高压气体容积减压装置的进口处，它的信号输出引线与控制器5的输入端口联接。压力传感器及显示仪表1将高压气源的气体压力值显示出来并传输到控制器，便于监控，并为控制器实现对开关阀的控制提供信息和数据。
温度传感器及显示仪表8安装在容积膨胀容器6上，它的信号输出引线与控制器5的输入端口联接。温度传感器及显示仪表8将容积膨胀容器的气体温度值显示出来并传输到控制器，便于监控，并为控制器实现对开关阀的控制提供信息和数据
如图2所示，控制器5设有数据采集、数据处理和控制输出等功能模块。数据采集模块由采样保持电路和A/D转换电路组成，用于采集高压气源的压力、容积膨胀减压气体的压力和温度等工作参数值；数据处理模块包括CPU程序和数据存储器，可按照控制要求和算法对采样数据进行处理，并送到控制输出的放大电路输入端；控制输出模块主要是驱动开关阀工作的功率放大电路，用来控制高压气动开关阀的开启和关闭时间和周期，以实现对容积减压系统的控制。
高压截止阀2用于保证高压气体容积减压装置的静态密封和安全；低压截止阀9用于调节用气元件或系统的气体输出量。
所述的高压气体容积减压装置一般安装在高压气源与气动发动机(气动执行元件)之间。工作时，首先将高压截止阀2打开到最大开口状态，使高压气体无阻碍的到达高压气动开关阀4的进气口，然后可根据系统的减压控制要求，由控制器5对高压气动开关阀4进行开启和关闭状态的控制，从而控制高压气体在容积膨胀容器中的减压过程和减压指标，以满足气动发动机的动力需要。