一种气驱高压压力调节装置及调节方法与流程

1.本发明涉及一种气驱高压压力调节装置，本发明还涉及了一种高压压力调节方法，属于静态压力计量校准领域。


背景技术：

2.压力测试校准技术贯穿于装备设计、研制、生产、使用以及维护的全过程，是保障装备性能、质量、安全性、可靠性及经济效益的基本手段。而气体高压的测量作为压力测试的重要部分现已广泛应用于航空、航天等多个领域各种压力容器的气压试验中，在民用工业中也扮演着至关重要的角色，随着现场校准技术的提出，高压校准测试需求越来越广泛。高压动力系统以及高压容器的安全监测系统都要用到高压仪表，为了保证这些领域科研生产工作的安全性，需要对这些高压仪表进行定期检测和校准，数据准确与否直接影响着科研和生产的顺利完成，这就对气体高压的计量提出了更高的要求，除了气体高压校准装置在性能指标方面满足量值传递所需的准确度指标之外，还要能够快速、自动地完成压力校准工作。
3.目前常见的压力标准装置是活塞式压力计，它是基于帕斯卡原理以及静力平衡原理制成的，其产生以及调节压力时需要加载标准砝码，难以实现自动校准，在对高压仪器仪表进行多点校准时，校准效率较低。虽然已经有自动加砝码的全自动活塞压力计可以实现全自动校准，但这些活塞压力计的体积较大，结构复杂、价格昂贵，不适合用于现场校准。活塞式压力计又以液体介质的居多，校准高压禁油压力仪表时，只能采用液体活塞式压力计加装油气隔离器的方法来测试校准，这样难免油、水以及杂质等的浸入，极易造成气介质压力仪表锈蚀、堵塞，影响正常使用。
4.气介质压力控制器是传感器技术、计算机技术和流体控制技术相结合的产物，通过对气体的控制，快速、准确、稳定地产生目标压力，同时又能通过压力传感器的实时反馈并显示被测压力，从而实现对气体压力的连续精确控制。
5.气介质压力控制器的核心技术就是精确的压力控制技术，它是通过对气体的精确调节来实现的。其压力调节方法主要有两种：流量调节方法和变容积调节方法。流量调节方法是通过增加或减少对密闭容腔中气体的质量来实现对气体压力的调节，这种控制方式所采用的压力控制系统较简单，但对进行流量控制的阀门的性能要求非常高，要实现高压下的压力精确控制较难。变容积调节方法是通过调压活塞的移动，改变密闭容腔内定质量的气体的体积来实现对气体压力的控制，在高压下具有较高的控制准确度，但对于高压来说，当系统进行大范围的压力调节时，会使得压力的调节时间变得很长，不能满足高压计量校准的需要。因此，基于单活塞结构的传统压力调节装置及调节方法，很难同时兼顾压力控制速度和压力控制分辨率这一对相互制约的指标。
6.本发明就是在上述技术背景下产生的，本发明结合气驱调节阀的结构，可以实现从低压到高压的整个压力量程范围之内任意压力点的快速精确调节。


技术实现要素：

7.本发明有别于传统的活塞压力调节方法，避免了在实际高压控制过程中变容积压力控制技术对活塞的轴向推力大的问题，拓展了流量压力控制技术在气体高压中的运用。本发明公开了一种气驱高压压力调节装置及调节方法。
8.本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
9.本发明公开了一种气驱高压压力调节装置，包括气瓶、气瓶出口、减压阀、快速比例调节系统、气容、压力传感器、气驱调节阀、管路连接件、三通；所述包括气瓶、气瓶出口、减压阀、快速比例调节系统、气容、压力传感器及所述气驱调节阀依次用所述管路连接件连接后，连接至所述三通，引出测试口，用于连接被校准的压力仪器仪表；
10.所述的气驱调节阀，包括气驱输入口、螺钉、上盖、橡胶密封垫、下盖、t型气驱执行单元、固体润滑脂、感压帽、波形弹簧、连接块、o型密封圈a、通孔、组合密封垫a、o型密封圈b、倒t型固定单元、u型限位单元、十字阀限位单元、t型压紧单元、气压入口、圆柱弹簧、压力入口空间、十字阀、弹簧底座、底座、气压出口、环形密封垫、传递柱、压力出口长通孔、组合密封垫b、三角间隙、u型间隙、排气孔、o型密封圈c和中间连接柱；
11.所述上盖的上端开设有气驱输入口；所述t型气驱执行单元置于所述上盖和所述下盖组成的空腔中；所述下盖的下端与固定连接；所述下盖内置的固体润滑脂将t型气驱执行单元限位，使其保持垂直，并在其上下移动中提供润滑。
12.作为一种优选的方案：所述t型气驱执行单元的下端部为圆弧形状。
13.作为一种优选的方案：所述底座设有气压入口、气压出口和排气孔；所述压力出口包括长通孔，所述长通孔的一边与气压出口连通，另一边与u型限位单元的三角间隙连通。
14.作为一种优选的方案：所述感压帽是“几”字形结构；中间连接柱为中部带有通孔，底端带有盲孔的三级结构；倒t型固定单元开设有轴向、径向通孔的倒t型结构；所述轴向通孔为二级孔；连接块中部开设有气道，需保证所述气道与倒t型固定单元的轴向通孔联通；u型限位单元为扁平类u型结构，底端侧壁与底座形成三角间隙；底端向上开设凹槽，凹槽向上开设多个通孔，分别用于气体和传递柱的通过；t型压紧单元为中空的t型结构，中空部分用于安装传递柱；十字阀下部与圆柱弹簧固定连接并置于内；波形弹簧置于所述感压帽和所述连接块之间。
15.作为一种优选的方案：所述感压帽下部有内螺纹孔，与中间连接柱螺纹连接；中间连接柱在连接块内，中间连接柱底部有内螺纹孔，与倒t型固定单元螺纹连接；倒t型固定单元中间有开孔，孔槽中有密封结构，且开孔与连接块和中间连接柱的通孔连通，通孔与排气孔相通；波形弹簧套在中间连接柱上，放置在感压帽与连接块之间；下盖底部将连接块压紧在底座内；
16.所述感压帽、中间连接柱与倒t型固定单元三者沿轴心方向上下移动同步，组成同步单元。
17.作为一种优选的方案：所述传递柱加工成了四部分，顶部为球面，上部分为圆柱，中间部分为长方柱，下部为圆柱，上部分圆柱比下部的圆柱直径大，传递柱的球面及上部分的圆柱部分穿过u型限位单元中间的圆孔，并伸入倒t型固定单元的开孔槽中，传递柱的长方柱部分不能通过圆孔，对其进行限位；传递柱中间部分和下部都在t型压紧单元内，t型压紧单元内有通孔，外有螺纹，与十字阀限位单元螺纹连接，并将环形密封垫压紧在十字阀限
位单元内，t型压紧单元除螺纹外的部分在u型限位单元的底部空间；
18.所述十字阀加工成了三部分，上部呈锥面，锥面顶端磨平，中间部分是比圆柱弹簧直径稍大的平台，十字阀的下部分刚好可放置圆柱弹簧内，圆柱弹簧支撑十字阀的中部平台，十字阀和圆柱弹簧一起放置在弹簧底座中，弹簧底座的外螺纹与十字阀限位单元的内螺纹连接，这样就使圆柱弹簧长期处于压紧状态，十字阀顶部平面与传递柱的底部紧靠；
19.所述感压帽、中间连接柱、倒t型固定单元、u型限位单元、传递柱、t型压紧单元、十字阀依次插入连接，组成中间结构，整体置于所述底座内。
20.作为一种优选的方案：所述气驱调节阀的上盖、下盖之间放置橡胶密封垫，螺钉将上盖、橡胶密封垫、下盖紧固，下盖和底座靠螺纹连接固定；底座有气压入口、气压出口、排气孔三个螺纹孔，底座内有压力出口长通孔，一边与气压出口连通，一边与u型限位单元的三角间隙；所述三角间隙与u型间隙连通；
21.气驱调节阀的上盖、下盖之间放置橡胶密封垫，螺钉将上盖、橡胶密封垫、下盖紧固，下盖和底座靠螺纹连接固定；底座有气压入口、气压出口、排气孔三个螺纹孔，底座内有压力出口长通孔，一边与气压出口连通，一边与u型限位单元的三角间隙；所述三角间隙与u型间隙连通；
22.作为一种优选的方案：所述气驱调节阀内有三种压力，所述三种压力包括入口压力、出口压力和排气压力；
23.所述入口压力被组合密封垫b密封在此以下的位置；出口压力被密封于组合密封垫a与组合密封垫b之间的位置；排气压力被密封在o型密封圈a和组合密封垫a之间的位置；
24.所述三种压力的介质流动通路，只存在于轴心的方向；十字阀的上部分锥面压紧在环形密封垫上，形成轴心方向入口压力和出口压力之间的密封点，传递柱的球面压紧在倒t型固定单元开孔槽的密封结构上，形成轴心方向出口压力与排气压力之间的密封点。
25.本发明还公开了一种压力调节方法，利用气体驱动压力控制执行单元动作，控制十字阀开闭，并保持同步单元自平衡，具体包括以下步骤：
26.①
：气驱输入口与橡胶密封垫形成密闭空间，驱动压力p1可由气驱输入口均匀施加到橡胶密封垫上；橡胶密封垫受到的压力向下传递到同步单元，同步单元向下移动，t型气驱执行单元感压面积为s1，所以同步单元感受到向下的力f1＝p1s1，波形弹簧的弹性系数为k1，波形弹簧压缩，同步单元感受到波形弹簧向上的反作用力，十字阀克服圆柱弹簧的力，向下移动，使上部分锥面离开环形密封垫时，入口压力的气体经过环形密封垫的孔，顺着传递柱与t型压紧单元的缝隙，充满三角间隙、u型间隙，形成出口压力，出口压力作用在同步单元下端面s2向上的力，使同步单元向上移动，十字阀向上移动，十字阀锥面重新顶紧环形密封垫，入口压力停止进入，最终同步单元平衡，此时同步单元所受的向上、向下的力相等：
27.f1＝p
1 s1＝k1δx1+p
2 s2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
28.所以出口压力p2：
[0029][0030]
其中，波形弹簧的压缩程度δx1与p1大小相关，且波形弹簧的力k1δx1远远小于f1，可以看出p2与驱动气压力p1成正比，驱动气压力最终可以依靠气驱调节阀形成多大的出口
压力，与s1/s2大小相关，成比例倍增，且出口压力p2始终小于等于入口压力；
[0031]
②
：驱动压力p1增大，重复步骤
①
，同步单元顶开十字阀的密封，入口压力重新进入后，同步单元形成新的平衡，出口压力p2增大并保持恒定；驱动压力p1减小，同步单元上移，离开紧靠的传递柱，出口压力的气体通过倒t型固定单元的开孔进入通孔，系统排气，p2降低，同步单元形成新的平衡，p2稳定并保持恒定。
[0032]
本发明的技术效果和优点包括：
[0033]
①
结合了当前高压领域所采用的流量压力控制技术，同时兼顾到压力计量校准设备的实际使用需求，设计气驱调节阀结构，避免高压变容积控制技术对调压活塞机械加工精度、电机扭矩要求高的问题。
[0034]
②
利用流量控制方式，获得较宽的压力调节范围，与变容积调节方式相比，不需要加工较长的调压腔体，装置整体体积可缩小30％，装置更便携，更适用于现场校准。
[0035]
③
在快速比例调节系统精确控制气驱入口压力的情况下，本装置与传统单活塞变容积调节方式相比控制速度可显著提高。
附图说明
[0036]
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
[0037]
图1为本发明气驱高压压力调节装置的整体结构示意图；
[0038]
图2为本发明气驱高压压力调节装置的气驱调节阀结构剖面示意图。
[0039]
图中：1-气驱输入口、2-螺钉、3-上盖、4-橡胶密封垫、5-下盖、6-t型气驱执行单元、7-固体润滑脂、8-感压帽、9-波形弹簧、10-连接块、11-o型密封圈a、12-通孔、13-组合密封垫a、14-o型密封圈b、15-倒t型固定单元、16-u型限位单元、17-十字阀限位单元、18-t型压紧单元、19-气压入口、20-圆柱弹簧、21-压力入口空间、22-十字阀、23-弹簧底座、24-底座、25-气压出口、26-环形密封垫、27-传递柱、28-压力出口长通孔、29-组合密封垫b、30-三角间隙、31-u型间隙、32-排气孔、33-o型密封圈c、34-中间连接柱、35-气瓶、36-气瓶出口、37-减压阀、38-快速比例调节系统、39-气驱压力调节装置、40-管路连接件、41-气容、42-压力传感器、43-三通、44-测试口。
具体实施方式
[0040]
下面将结合本技术实施例对本技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0041]
本发明的气驱高压压力调节装置具体实施例见图1和图2所示，气驱高压压力调节装置包括气瓶(35)、气瓶出口(36)、减压阀(37)、快速比例调节系统(38)、气容(41)、压力传感器(42)、气驱调节阀(39)依次用管路连接件(40)连接后，通过三通(43)，引出测试口(44)，用于连接被校准的压力仪器仪表；
[0042]
气驱调节阀，包括气驱输入口(1)、螺钉(2)、上盖(3)、橡胶密封垫(4)、下盖(5)、t型气驱执行单元(6)、固体润滑脂(7)、感压帽(8)、波形弹簧(9)、连接块(10)、o型密封圈a(11)、通孔(12)、组合密封垫a(13)、o型密封圈b(14)、倒t型固定单元(15)、u型限位单元
(16)、十字阀限位单元(17)、t型压紧单元(18)、气压入口(19)、圆柱弹簧(20)、压力入口空间(21)、十字阀(22)、弹簧底座(23)、底座(24)、气压出口(25)、环形密封垫(26)、传递柱(27)、压力出口长通孔(28)、组合密封垫b(29)、三角间隙(30)、u型间隙(31)、排气孔(32)、o型密封圈c(33)、中间连接柱(34)；
[0043]
气驱调节阀的上盖(3)、下盖(5)之间放置橡胶密封垫(4)，螺钉(2)将上盖(3)、橡胶密封垫(4)、下盖(5)紧固，下盖(5)和底座(24)靠螺纹连接固定；底座有气压入口(19)、气压出口(25)、排气孔(32)三个螺纹孔，底座(24)内有压力出口长通孔(28)，一边与气压出口(25)连通，一边与u型限位单元(16)的三角间隙(30)、u型间隙(31)连通；
[0044]
下盖(5)内置的固体润滑脂(7)将t型气驱执行单元(6)限位，使其保持垂直，并在其上下移动中提供润滑；
[0045]
感压帽(8)、中间连接柱(34)、波形弹簧(9)、连接块(10)、倒t型固定单元(15)、u型限位单元(16)、t型压紧单元(18)、十字阀限位单元(17)、十字阀(22)、传递柱(27)、圆柱弹簧(20)、弹簧底座(23)12个部分同轴，均位于底座(24)内；感压帽(8)下部有内螺纹孔，与中间连接柱(34)螺纹连接；中间连接柱(34)在连接块(10)内，中间连接柱(34)底部有内螺纹孔，与倒t型固定单元(15)螺纹连接；倒t型固定单元(15)中间有开孔，孔槽中有密封结构，且开孔与连接块(10)和中间连接柱(34)的通孔(12)连通，通孔(12)与排气孔(32)相通；波形弹簧(9)套在中间连接柱(34)上，放置在感压帽(8)与连接块(10)之间；下盖(5)底部将连接块(10)压紧在底座(24)内；
[0046]
感压帽(8)、中间连接柱(34)与倒t型固定单元(15)三者沿轴心方向上下移动同步，组成同步单元；
[0047]
传递柱(27)加工成了四部分，顶部为球面，上部分为圆柱，中间部分为长方柱，下部为圆柱，上部分圆柱比下部的圆柱直径大，传递柱(27)的球面及上部分的圆柱部分穿过u型限位单元(16)中间的圆孔，并伸入倒t型固定单元(15)的开孔槽中，传递柱(27)的长方柱部分不能通过圆孔，对其进行限位；传递柱(27)中间部分和下部都在t型压紧单元内(18)，t型压紧单元(18)内有通孔，外有螺纹，与十字阀限位单元(17)螺纹连接，并将环形密封垫(26)压紧在十字阀限位单元(17)内，t型压紧单元(18)除螺纹外的部分在u型限位单元(16)的底部空间；
[0048]
十字阀(22)加工成了三部分，上部呈锥面，锥面顶端磨平，中间部分是比圆柱弹簧(20)直径稍大的平台，十字阀(22)的下部分刚好可放置圆柱弹簧(20)内，圆柱弹簧(20)支撑十字阀(22)的中部平台，十字阀(22)和圆柱弹簧(20)一起放置在弹簧底座(23)中，弹簧底座(23)的外螺纹与十字阀限位单元(17)的内螺纹连接，这样就使圆柱弹簧(20)长期处于压紧状态，十字阀(22)顶部平面与传递柱(27)的底部紧靠；
[0049]
气驱调节阀内有三种压力，入口压力、出口压力和排气压力，因为各自的密封结构，只存在于限定的位置和通路。入口压力被组合密封垫b(29)密封在此以下的位置；出口压力被密封于组合密封垫a(13)与组合密封垫b(29)之间的位置；排气压力被密封在o型密封圈a(11)和组合密封垫a(13)之间的位置。三种压力的介质流动通路，只存在于轴心的方向；十字阀(22)的上部分锥面压紧在环形密封垫(26)上，形成轴心方向入口压力和出口压力之间的密封点，传递柱(27)的球面压紧在倒t型固定单元(15)开孔槽的密封结构上，形成轴心方向出口压力与排气压力之间的密封点；
[0050]
气瓶(35)的主要功能是：存储14mpa左右的压力，为整套装置提供初始气源；
[0051]
气瓶出口(36)的主要功能是：直接给气驱调节阀提供14mpa左右高压入口气源；
[0052]
减压阀(37)的主要功能是：将气瓶高压减压至1mpa，为快速比例调节系统提供压力；
[0053]
快速比例调节系统(38)的主要功能是：将1mpa的气源压力，运用比例调节方法快速调节为(0～800)kpa的任意压力，为气驱调节阀提供精确驱动气压；
[0054]
管路连接件(40)的主要功能是：连接作用，连接气容、压力传感器等；
[0055]
气容(41)的主要功能是：盛装气体，压力缓冲；
[0056]
压力传感器(42)的主要功能是：实时采集并反馈当前压力；
[0057]
三通(43)的主要功能是：连接管路连接件，将管路一分为二；
[0058]
测试口(44)的主要功能是：连接被校准的压力仪器仪表。
[0059]
基于气驱高压压力调节装置的压力调节方法，是一种气体驱动压力控制执行单元动作，控制十字阀(22)开闭，并保持同步单元自平衡，保证恒定输出的压力调节方法：
[0060]
首先，举例驱动压力p1＝450kpa可由气驱输入口均匀施加到橡胶密封垫上。橡胶密封垫受到的压力向下传递到同步单元，同步单元向下移动，t型气驱执行单元感压面积为s1＝3.1cm2，所以同步单元感受到向下的力f1＝p1s1，波形弹簧(弹性系数为k1)压缩，同步单元感受到波形弹簧向上的反作用力，十字阀克服圆柱弹簧的力，向下移动，使上部分锥面离开环形密封垫时，入口压力的气体经过环形密封垫的孔，顺着传递柱与t型压紧单元的缝隙，充满三角间隙、u型间隙，形成出口压力，出口压力作用在同步单元下端面s2＝63.6cm2向上的力，使同步单元向上移动，十字阀向上移动，十字阀锥面重新顶紧环形密封垫，入口压力停止进入，最终同步单元平衡，此时同步单元所受的向上、向下的力相等：
[0061]
f1＝p
1 s1＝k1δx1+p
2 s2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0062]
所以出口压力p2：
[0063][0064]
其中，波形弹簧的压缩程度δx1δx1与p1大小相，且波形弹簧的力k1δx1远远小于f1，p2与驱动气压力p1成正比，与相关，经过计算大约成20倍的倍增压力，出口压力p2大约为9mpa，始终小于入口压力14mpa；
[0065]
进一步，驱动压力p1增大为600kpa，重复上一步骤，同步单元顶开十字阀的密封，入口压力14mpa重新进入后，同步单元形成新的平衡，出口压力p2增大至12mpa左右并保持恒定；驱动压力p1减小为300kpa，同步单元上移，离开紧靠的传递柱，出口压力的气体通过倒t型固定单元的开孔进入通孔，系统排气，p2降低，同步单元形成新的平衡，p2稳定在6mpa左右并保持恒定；
[0066]
基于气驱高压压力调节装置的压力调节方法，当前压力6mpa小于目标压力值12mpa时，操作过程如下：
[0067]
计算需要的具体驱动压力值需要600kpa左右，防止控制超调，驱动压力适当比计算值降低，快速比例调节系统工作，将输出的驱动压力升高并稳定在580kpa，气驱调节阀工作自平衡调节，压力出口输出更多高压气体至气容中，气容压力升高，压力传感器实时反馈当前压力，与目标压力值12mpa相差0.5mpa；
[0068]
进一步，缓慢增加驱动压力大小25kpa，重复上一步骤，系统增压，直到反馈回的当前压力等于目标压力值；
[0069]
基于气驱高压压力调节装置的压力调节方法，当前压力12mpa大于目标压力值5mpa时，操作过程如下：
[0070]
首先，计算需要的具体驱动压力值250kpa左右，防止控制回调，快速比例调节系统工作，将输出的驱动压力降低达到280kpa左右，气驱调节阀工作，系统压力排出，气容压力降低，压力传感器实时反馈当前压力，与目标压力值相差0.3mpa左右；
[0071]
进一步，稍微向下调整驱动压力20kpa左右，气驱调节阀重复上一步骤，系统继续排气，直到等于目标压力值5mpa。
[0072]
以上仅为本技术的较佳实施例而已，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术保护的范围之内。其它结构和原理与现有技术相同，这里不再赘述。