一种可调节双变容积气体微压调节装置及方法与流程

本发明属于压力计量校准技术领域，涉及一种可调节双变容积气体微压调节装置及方法。

背景技术：

气体微压测量作为一项重要基础性测量技术，广泛应用于航空、航天、兵器、船舶、医药等领域，随着科研生产的发展，对气体微压测量的需求和技术要求也越来越高，其准确度、可靠性对于提高气体微压测量仪器的研制和生产质量有很大影响。为保证气体微压测量领域科研生产的安全可靠，需要对微压测量仪表进行计量校准，对此，通常采用微压压力调节装置来实现。

目前常见的气体微压压力调节装置普遍采用变容积方式来实现气体微压的调节。如在圆柱形密闭腔体内，通过活塞前后移动，改变腔体内的气体体积来实现气体微压调节，或通过伸缩波纹管弹性元件使其产生机械变形，实现气体微压的调节。但是由于气体微压受环境干扰压力波动较明显，使得微压的计量测试较难进行。鉴于此，一些技术人员试图通过增大波纹管的截面积进而增加气体容积的方法来减小压力波动，但这样又不可避免的增加了波纹管与环境的热交换，从而使得压力波动仍然较为明显。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决在气体微压调节过程中对压力波动的控制难度较大和波纹管容易受外部温度对压力波动的影响问题。采用双腔体绝热隔热设计减少外部环境温度对压力的影响；通过调压旋钮带动调压丝杠前后移动调节可变容器容积实现目标压力值的粗调，然后通过调压旋钮带动活塞在活塞腔体内上下移动，实现目标压力的微调。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种可调节双变容积气体微压调节装置，包括可变容器8、连接器7、丝杠压盖6、钢珠24、调压丝杠9、第一螺母5、后压盖1、第一调压旋钮20、可变容器端盖10、前压盖2、活塞端盖3、活塞4、活塞腔33、第二调压旋钮13、隔热外套腔体17、绝热保温套18、第二螺母25、第三螺母26、第四螺母27、第五螺母28、第六螺母29、第一密封圈31、第二密封圈32、第一压力输出口22、第二压力输出口23、排气阀21、排气阀阀座14、排气阀阀针15、排气阀压盖16。

所述可变容器8能够沿轴线方向伸缩改变容积，进而使其内部气体体积发生变化，它为工作介质容器，其结构特征为可变容器8为两端开口的管状容器，可变容器8两端通过焊接的方式分别与连接器7、可变容器端盖10固定连接。

所述连接器7用于固定密封可变容器8,连接器7的一端内侧为大的凹陷开口，通过焊接的方式与可变容器8连接密封，另一端内侧为小的凹陷开口，小的凹陷开口外侧有螺纹。

所述钢珠24用于传递调压丝杠9产生的力值,减小调压丝杠9前后移动过程中调压丝杠9与连接器7相对滑动产生的摩擦力，其结构特征为圆球形状，钢珠24与连接器7另一端内侧小的凹陷开口接触。

所述丝杠压盖6用于实现调压丝杠9与连接器7的连接,其结构特征为丝杠压盖6内侧有螺纹，内部底面中间有开孔，调压丝杠9的圆柱体端从丝杠压盖6中间的开孔穿过并间隙配合，丝杠压盖6与连接器7通过螺纹拧紧方式进行连接。

所述调压丝杠9用于带动可变容器8前后移动，来改变可变容器8内的气体容积，其结构特征为调压丝杠9为T型圆柱结构，圆柱表面设有外螺纹。

所述绝热保温套18用于阻断可变容器8与外界环境的热交换，其结构特征为绝热保温套18为具有一定厚度的连续层状结构，绝热保温套18置于隔热外套腔体17内壁面上。

所述隔热外套腔体17起双重隔热作用，保证压力微调的准确度和稳定性，其结构特征为隔热外套腔体17后端设有三个螺纹孔，前端腔体内壁有螺纹，所述第四螺母27、第五螺母28、第六螺母29通过隔热外套腔体17后端的三个螺纹孔与后压盖1连接，隔热外套腔体17前端通过螺纹拧紧方式与前压盖2连接。

所述第一螺母5用于支撑调压丝杠9，调压丝杠9通过丝杠上的螺纹旋入第一螺母5内。

所述后压盖1用于固定支撑第一螺母5和固定支撑隔热外套腔体17的后端，其结构特征为后压盖1中间开孔，第一螺母5置于后压盖1中间的开孔内，第一螺母5与后压盖1为过盈配合固定。

所述第一调压旋钮20与调压丝杠9之间通过第二螺母25固定连接，通过左右旋转第一调压旋钮20带动调压丝杠9前后移动。

所述可变容器端盖10用于固定密封可变容器8，并且实现可变容器8与活塞腔33之间的气路连接，其结构特征为可变容器端盖10中心位置开有通孔，一端设有外螺纹，通过螺纹拧紧方式与前压盖2连接，另一端通过焊接方式与可变容器8连接。

所述前压盖2用于固定连接可变容器端盖10，固定支撑隔热外套腔体17的前端，其结构特征为前压盖2与可变容器端盖10连接的一侧中心位置开有螺纹孔，前压盖2与可变容器端盖10通过螺纹拧紧方式连接，前压盖2与隔热外套腔体17前端腔体内壁连接的位置设有外螺纹，隔热外套腔体17前端通过螺纹拧紧方式与前压盖2连接。前压盖2内开有活塞腔33，活塞端盖3置于活塞腔33内，活塞4从活塞端盖3中间的空腔穿过，活塞4、活塞腔33同轴；前压盖2侧面设有排气阀阀座14，排气阀21上的排气阀阀针15通过排气阀压盖16压置于排气阀阀座14内；前压盖2前端开有两个压力输出口用于连接外部仪表，分别为第一压力输出口22、第二压力输出口23。

所述活塞端盖3用于压紧密封前压盖2的上端，并实现对活塞4的密封，其结构特征为活塞端盖3上端为外螺纹，中间为空腔，底端设有限位台阶，限位台阶侧壁上设有U型槽，第二密封圈32置于限位台阶的U型槽内。活塞端盖3通过第一密封圈31与前压盖2压紧密封，活塞端盖3与活塞4之间通过第二密封圈32实现密封。

所述活塞4通过上下移动实现活塞腔33内压力的微调，其结构特征为活塞4上端设有外螺纹，活塞4从活塞端盖3中间的空腔穿过，活塞4顶端与第二调压旋钮13通过第三螺母26连接，通过左右旋转第二调压旋钮13带动活塞4上下移动。

一种可调节双变容积气体微压调节装置使用方法：

首先，左右旋转第一调压旋钮20带动调压丝杠9在第一螺母5内前后移动，调压丝杠9在前后移动的过程中，丝杠压盖6与钢珠24接触，调压丝杠9产生的力值通过丝杠压盖6、钢珠24传递到连接器7，连接器7带动可变容器8拉伸或压缩，可变容器8和活塞腔33内的气体容积随可变容器8的伸缩增大或缩小，进而使可变容器8和活塞腔33内的气体压力相应的减小或增大，使可变容器8和活塞腔33内的压力粗略达到目标值；

其次左右旋转第二调压旋钮13带动活塞4在活塞腔33内做上下运动，使可变容器8和活塞腔33内的气体容积增大或缩小，进而使可变容器8和活塞腔33内的气体压力相应的减小或增大，使可变容器8和活塞腔33内的压力精确达到目标压力值。

有益效果

本发明所涉及到的基于变容积气体微压调节方法，结合当前主要气体微压校准技术，同时兼顾到微压仪表的实际使用需求，设计了可调节双变容积调节装置，调节传动装置采用钢珠加精密丝杠，极大的提高了调节的灵敏度。在温度恒温保温方面，采用双腔体绝热隔热设计，极大地减少了外部环境温度对压力的影响，有效减少了微小压力波动，使检测系统中的压力保持准确和稳定。本发明设计的变容积气体微压调节方法是通过调节调压旋钮来改变可变容器和活塞腔内气体容积大小，来产生和精密调节压力，从而提供一种控制速度快、控制精度高、控制稳定性好的气体微压调节装置及调节方法。

本发明为气体微压调节装置的研制提供了基础和可实现的技术手段，利用本方法完全可以设计并制作出高精度、高稳定性的气体微压校准装置，可以应用于实验室以及现场对各种微压计量器具进行校准。

附图说明

图1是本发明可调节双变容积气体微压调节装置剖面示意图；

图2是本发明可调节双变容积气体微压调节装置正视图示意图；

图3是本发明可调节双变容积气体微压调节装置俯视图示意图；

其中，1-后压盖；2-前压盖；3-活塞端盖；4-活塞；5-第一螺母；6-丝杠压盖；7-连接器；8-可变容器；9-调压丝杠；10-可变容器端盖；11-前底角支架；12-后底角支架；13-第二调压旋钮；14-排气阀阀座；15-排气阀阀针；16-排气阀压盖；17-隔热外套腔体；18-绝热保温套；19-底角脚垫；20-第一调压旋钮；21-排气阀；22-第一压力输出口；23-第二压力输出口；24-钢珠；25-第二螺母；26-第三螺母；27-第四螺母；28-第五螺母；29-第六螺母；30-第七螺母；31-第一密封圈；32-第二密封圈；33-活塞腔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

一种可调节双变容积气体微压调节装置，如图1、图2、图3所示，包括可变容器8、连接器7、丝杠压盖6、钢珠24、调压丝杠9、第一螺母5、后压盖1、第一调压旋钮20、可变容器端盖10、前压盖2、活塞端盖3、活塞4、活塞腔33、第二调压旋钮13、隔热外套腔体17、绝热保温套18、第二螺母25、第三螺母26、第四螺母27、第五螺母28、第六螺母29、第七螺母30、第一密封圈31、第二密封圈32、第一压力输出口22、第二压力输出口23、排气阀21、排气阀阀座14、排气阀阀针15、排气阀压盖16、前底脚支架11、后底脚支架12和底脚垫片19。

所述可变容器8能够沿轴线方向伸缩改变容积，进而使其内部气体体积发生变化，它为工作介质容器，其结构特征为可变容器8为两端开口的管状容器，可变容器8两端通过焊接的方式分别与连接器7、可变容器端盖10固定连接。

所述连接器7用于固定密封可变容器8,连接器7的一端内侧为大的凹陷开口，通过焊接的方式与可变容器8连接密封，另一端内侧为小的凹陷开口，小的凹陷开口外侧有螺纹。

所述钢珠24用于传递调压丝杠9产生的力值,减小调压丝杠9前后移动过程中调压丝杠9与连接器7相对滑动产生的摩擦力，其结构特征为圆球形状，钢珠24与连接器7另一端内侧小的凹陷开口接触。

所述丝杠压盖6用于实现调压丝杠9与连接器7的连接,其结构特征为丝杠压盖6内侧有螺纹，内部底面中间有开孔，调压丝杠9的圆柱体端从丝杠压盖6中间的开孔穿过并间隙配合，丝杠压盖6与连接器7通过螺纹拧紧方式进行连接。

所述调压丝杠9用于带动可变容器8前后移动，来改变可变容器8内的气体容积，其结构特征为调压丝杠9为T型圆柱结构，圆柱表面设有外螺纹。

所述绝热保温套18用于阻断可变容器8与外界环境的热交换，其结构特征为绝热保温套18为具有一定厚度的连续层状结构，绝热保温套18置于隔热外套腔体17内壁面上。

所述隔热外套腔体17起双重隔热作用，保证压力微调的准确度和稳定性，其结构特征为隔热外套腔体17后端设有三个螺纹孔，前端腔体内壁有螺纹，所述第四螺母27、第五螺母28、第六螺母29通过隔热外套腔体17后端的三个螺纹孔与后压盖1连接，隔热外套腔体17前端通过螺纹拧紧方式与前压盖2连接。

所述第一螺母5用于支撑调压丝杠9，调压丝杠9通过丝杠上的螺纹旋入第一螺母5内。

所述后压盖1用于固定支撑第一螺母5和固定支撑隔热外套腔体17的后端，其结构特征为后压盖1中间开孔，第一螺母5置于后压盖1中间的开孔内，第一螺母5与后压盖1为过盈配合固定。

所述第一调压旋钮20与调压丝杠9之间通过第二螺母25固定连接，通过左右旋转第一调压旋钮20带动调压丝杠9前后移动。

所述可变容器端盖10用于固定密封可变容器8，并且实现可变容器8与活塞腔33之间的气路连接，其结构特征为可变容器端盖10中心位置开有通孔，一端设有外螺纹，通过螺纹拧紧方式与前压盖2连接，另一端通过焊接方式与可变容器8连接。

所述前压盖2用于固定连接可变容器端盖10，固定支撑隔热外套腔体17的前端，其结构特征为前压盖2与可变容器端盖10连接的一侧中心位置开有螺纹孔，前压盖2与可变容器端盖10通过螺纹拧紧方式连接，前压盖2与隔热外套腔体17前端腔体内壁连接的位置设有外螺纹，隔热外套腔体17前端通过螺纹拧紧方式与前压盖2连接。前压盖2内开有活塞腔33，活塞端盖3置于活塞腔33内，活塞4从活塞端盖3中间的空腔穿过，活塞4、活塞腔33同轴；前压盖2侧面设有排气阀阀座14，排气阀21上的排气阀阀针15通过排气阀压盖16压置于排气阀阀座14内；前压盖2前端开有两个压力输出口用于连接外部仪表，分别为第一压力输出口22、第二压力输出口23。

所述活塞端盖3用于压紧密封前压盖2的上端，并实现对活塞4的密封，其结构特征为活塞端盖3上端为外螺纹，中间为空腔，底端设有限位台阶，限位台阶侧壁上设有U型槽，第二密封圈32置于限位台阶的U型槽内。活塞端盖3通过第一密封圈31与前压盖2压紧密封，活塞端盖3与活塞4之间通过第二密封圈32实现密封。

所述活塞4通过上下移动实现活塞腔33内压力的微调，其结构特征为活塞4上端设有外螺纹，活塞4从活塞端盖3中间的空腔穿过，活塞4顶端与第二调压旋钮13通过第三螺母26连接，通过左右旋转第二调压旋钮13带动活塞4上下移动。

所述前底脚支架11与前压盖2、后底脚支架12与后压盖1通过第七螺母30固定，用于支撑整个调节装置，其中第七螺母共4个，前底脚支架11通过两个第七螺母分别在左右脚与前压盖2底部固定，后底脚支架12通过两个第七螺母分别在左右脚与后压盖1底部固定，底脚垫片19置于前底脚支架11、后底脚支架12下方，用于增大整套装置与工作台面之间的摩擦力。

本发明在实际运用中，为实现较高的调节分辨率，需合理的设计活塞4的面积和活塞4移动的最小进给距离。

本方法可实现的气体微压测量范围为(0～5)kPa，调节分辨率可达：0.01Pa。

假设压力调节装置的压力调节腔包括气容、所有管路容积约为V，活塞4的面积为S，活塞4最小进给距离为△l，所以当活塞移动最小进给距离时，容积变化量为△V，

ΔV＝Δl·S (1)

为实现最小可控压力的目标，就要求设计的活塞面积和最小进给距离配合，当活塞移动最小进给距离时，气体压力的变化量应小于0.01Pa，所以根据活塞的设计面积，合理设计活塞最小进给距离可实现不同的调节分辨率。

本发明所述变容积气体微压调节方法，在变容积控制过程中，随着活塞移动，密闭容积内的气体体积发生变化，若此时压力已经达到目标压力值，调压过程结束，调压丝杠和活塞不再移动，气体微压调节装置处于定容积的状态，由于经过压力变化的过程，可变容器和活塞腔内气体温度已经偏离环境温度，为达热力平衡，可变容器和活塞腔内气体与外界环境会发生热交换，根据理想气体状态方程pV＝μRT，当V不变的情况下，气体温度变化会导致可变容器和活塞腔内的气体压力产生波动，因此需要阻断这种气体热交换过程的发生，本发明采用双腔体绝热隔热设计，在可变容器外壁包裹绝热保温套，最大程度杜绝气体与外界环境的热交换，使已经处于稳定状态下的气体压力，不会因为气体温度的瞬间降低或升高引起较大的变化。

使用所述变容积气体微压调节装置产生气体微小压力的方法，具体操作步骤为：

首先，打开排气阀21，同时分别在第一压力输出口22、第二压力输出口23上连接标准仪表和被测仪表，确认连接完好后，关闭排气阀21；

其次，调节第一调压旋钮20使调压丝杠9做前后运动，同时带动可变容器8做拉伸或压缩运动来改变压力容积的大小：

(1)当前压力值小于目标压力值

向右旋转第一调压旋钮20带动调压丝杠9在第一螺母5内向前移动，进而压缩可变容器8来缩小可变容器8和活塞腔33内气体的体积，使可变容器8和活塞腔33内的压力粗略达到目标值；

(2)当前压力大于目标压力值

向左旋转第一调压旋钮20带动调压丝杠9在第一螺母5内向后移动，进而拉伸可变容器8来增大可变容器8和活塞腔33内气体的体积，使可变容器8和活塞腔33内的压力粗略达到目标值；

最后，旋转第二调压旋钮13带动活塞4在活塞腔33内做上下运动，使可变容器8和活塞腔33内的压力精确达到目标压力值。