一种用于磁环境快速高精度调节微小气氛流量的方法与流程

本发明涉气氛流量控制领域，尤其涉及一种用于磁环境快速高精度调节微小气氛流量的方法。

背景技术：

磁环境能对材料的物相形成及性能产生影响，在磁通量密度超过1个特斯拉的高磁场环境下，温度范围在100k到973k实验，对材料新现象和机理研究具有重要的科学价值。因此制造用于磁环境下宽温区范围使用的的热分析仪器测量材料的物相形成及性能非常有意义。

热分析仪器使用过程中，需要一路保护气氛保护炉头和传感器，一组吹扫气氛保护炉体，气氛流量为0-200ml/min可调，精度为0.5ml/min，调节稳定速度为10秒。保护气氛容易受气体压力和炉体温度的干扰，调节执行机构和测量电路容易受高磁场干扰。热分析仪器的气氛调节过程具有非线性、时滞性和气氛压力不稳定等特点。因此设计一种用于磁环境下的快速高精度调节微小气氛流量的装置是磁环境下热分析仪器的基本条件。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供一种能在磁环境下快速高精度调节微小气氛流量的方法，其具体技术方案如下：

一种用于磁环境快速高精度调节微小气氛流量的方法，包括如下步骤：

步骤1：设计磁环境下使用的气氛测量系统，测量微小气氛流量和气氛管路压力；

步骤2：设计磁环境下使用的控制算法模块，通过所述控制算法模块计算控制参数；

步骤3：设计磁环境下使用的调节执行机构，通过所述调节执行机构调节气氛流量。

进一步的，所述步骤1具体内容如下：

所述的气氛测量系统包括流量传感器、压力传感器和测量电路；所述流量传感器采用热氏质量流量传感器测量微小气氛流量，压力传感器采用压阻式压力传感器测量气氛管路压力，所述微小气氛流量和气氛管路压力经流量传感器和压力传感器变成电信号，后经测量电路放大和采样处理。

进一步的，所述测量电路包括流量测量电路、压力测量电路，由放大电路和采样电路，所述放大电路由差分输入电路、初级放大电路和次级放大电路组成，采样电路由分辨率达24位的σ-δ模数转化芯片测量采样。

进一步的，所述放大电路的外壳，采用坡莫合金屏蔽罩。

进一步的，所述步骤2具体内容如下：

所述控制算法模块包括前馈控制器和mpt控制器，接收由所述测量电路放大采样后的电信号，通过所述控制算法模块的控制算法计算出输出信号。

进一步的，所述的控制算法包括如下步骤：

步骤a.接收热分析仪器的主机指令，确认并设定目标气氛流量；

步骤b.采集当前时刻气氛压力的大小，计算得到前馈控制量，进入步骤c；

步骤c.采集当前时刻气氛流量值，计算平滑滤波因子，计算当前时刻mpt控制器的参数，计算设定值与当前时刻测量值的偏差，代入mpt控制器，计算得到反馈控制量；

步骤d.将前馈控制量和反馈控制量相加得到输出控制量输出给被控对象，判定当前气氛压力是否处于安全压力范围，处于安全区间，进入步骤c，不处于安全区间，进入步骤e；

步骤e.结束。

进一步的，所述步骤3的具体内容如下：

所述调节执行机构包括直流恒流电路、输出电路和调节阀；所述直流恒流电路为输出电路提供直流电，所述输出信号通过所述输出电路控制调节阀。

进一步的，所述直流恒流电路包括保护电路、交流滤波稳压电路和交流转直流电路，220v交流电，经所述直流恒流电路，输出高精度直流电。

进一步的，所述输出电路采用带反馈控制的16位分辨率的pwm输出电路。

进一步的，所述调节阀包括阀芯、铁芯、线圈、活塞和阀体；所述线圈通电后产生磁场，铁芯在磁场下产生电磁力，拉动活塞向上移动，调节阀打开。

本发明的有益效果：

本发明的用于磁环境快速高精度调节微小气氛流量的方法，气氛测量系统精度高，且不受强磁环境影响；调节执行机构分辨率高，响应迅速，且不受强磁场影响；控制算法响应速度快，稳定性好，抗扰动能力强。

附图说明

图1为本发明的系统框图；

图2为本发明的控制算法模块结构图；

图3为本发明的控制算法流程图；

图4为本发明的调节阀结构图；

图中各附图标记含义：1-阀芯；2-线圈；3-铁芯；4-活塞；5-阀体。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步详细说明。

如图1所示的是本发明的系统框图，所述系统包括：气氛测量系统、调节执行机构、控制算法模块和磁屏蔽保护层。

所述气氛测量系统包括：流量传感器、压力传感器和测量电路。

流量传感器采用热氏质量流量传感器，压力传感器采用压阻式压力传感器，传感器选择不受高磁环境影响的传感器。

测量电路包括流量测量电路和压力测量电路，由放大电路和采样电路组成。

放大电路由差分输入电路、初级放大电路和次级放大电路组成，组成放大电路的放大器具备低温漂、低噪音。

所述放大电路的外壳，采用坡莫合金屏蔽罩，形成磁屏蔽保护层，屏蔽外来磁场干扰。

所述采样电路由分辨率达24位的σ-δ模数转化芯片测量采集，信号分辨率可以达到百万分之一。

所述调节执行机构包括直流恒流电路、输出电路和调节阀。

所述直流恒流电路包括保护电路、交流滤波稳压电路和交流转直流电路，220v交流电，经所述直流恒流电路，输出高精度直流电。

如图4所示的是本发明的调节阀结构图，所述调节阀包括阀芯1、铁芯3、线圈2、活塞4和阀体5，所述线圈2通电后，产生磁场，铁芯1在磁场下产生电磁力，拉动活塞4向上作用，调节阀打开。通过调节线圈两端电流的大小，调节磁场力的大小，从而调节调节阀的开度。调节的气氛流量的分辨率要求为0.1ml/min，直流电的稳定性和分辨率要求很高，因此在输出电路的供电采用高精度的直流电路供电，所述输出电路采用带反馈控制的16位分辨率的pwm输出电路，输出电流的分辨率达到0.02%，稳定度精度达到±0.01ma。

具体的，本发明的一种用于磁环境快速高精度调节微小气氛流量的方法，包括如下步骤：

步骤1：流量传感器测量微小气氛流量，压力传感器测量气氛管路压力，所述微小气氛流量和气氛管路压力经流量传感器和压力传感器变成电信号，后经测量电路放大和采集处理；

步骤2：控制算法模块接收经测量电路放大和采集处理的电信号，通过控制算法计算出输出信号；

步骤3：所述输出信号通过调节执行机构的输出电路控制调节阀。

如图2-3所示，控制算法模块包括前馈控制器和mpt控制器，前馈控制量和反馈控制量相加得到输出控制量，前馈控制量为基本控制量，反馈控制量为修正控制量，实现以前馈控制为主导，反馈控制为修正的复合控制系统。

所述控制算法的步骤包括：

步骤a.接收热分析仪器的主机指令，确认并设定目标气氛流量；

步骤b.采集当前时刻气氛压力的大小，计算得到前馈控制量；

步骤c.采集当前时刻气氛流量值，计算平滑滤波因子，计算当前时刻mpt控制器的参数，计算设定值与当前时刻流量值的偏差，代入mpt控制器，计算得到反馈控制量；

步骤d.将前馈控制量和反馈控制量相加得到输出控制量输出给被控对象，判定当前气氛压力是否处于安全压力范围，处于安全区间，进入步骤c，不处于安全区间，进入步骤e；

步骤e.结束。