专利名称：补偿压力控制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有自补偿功能的用于供应高气压的气压控制器。
调节在供应源的高气压和被调节的低气压环境之间的气流的气动压力控制器是人们公知的。这样的控制器监控节流阀下游的被调节压力、并将其与环境压力作比较以产生一个调制的传动控制压力信号。该传动信号驱动一个气动执行机构以确定控制阀的位置，这样对于供应源而把控制阀进行节流。
一种常见的取得调制传动压力信号的方法是利用一个具有可变气流节流板的控制喷嘴，该节流板被一个连接到压差膜片上的机械连接构件所驱动。该膜片把节流板或控制阀下游压力与环境或其它参考压力相比较，它能改变控制喷嘴的排放面积，因而能改变上游喷嘴压力。
一个传动控制导管把上游喷嘴压力传输到一个气动执行机构上，该执行机构依次确定用来调节下游压力的节流阀位置。这样的控制器通常利用来用高压供应源的气体来供应控制喷嘴并确定气动执行机构的位置，因而当供应源压力增加时，这样的控制器容易出现差错。
这样一种差错可以产生在其中气动执行机构是“半区”型的一种控制器机构中。这些执行机构包括两个连接的、不同面积的活塞，它们分别被施加以气体供应源压力和调制上游喷嘴压力。因而调制的压力随着供应压力的增加而增加。
当所需的调制压力增加时，在喷嘴节流板上的压力增加，当连接构件被在节流板上的静态压力向后驱动时这使得阀门下游的实际被调节压力减小。由于需要增加控制喷嘴和控制导管的大小和流通能力以允许在气动执行机构中可能增加的渗漏，该渗漏可能由增加的压力所引起，这样该差错进一步被混合。一个较大的控制喷嘴当然需要一个较大的节流板，因而进一步提高了在偏转板上的向后压力。
已有技术对这一问题的一种解决方案是增加压力偏转膜片的面积，然而人们知道使用较大的因而较重的部件改变了控制器的动态响应，由于部件质量的增加有可能降低初始响应时间，同时也改变了连接构件和膜片的缓冲特性，因而在某些操作状态下会出现不希望的压力波动现象。
所需要的是一种压力控制器，它能补偿所增加的供应压力并且在不改变压力比较器的喷嘴气流节流板连接构件的机械结构和大小的情况下控制喷嘴流率。
因而本发明的一个目的是提供一种气压控制器，它能把来自一个变化的供应压力保持在一个被调节的恒定气压下。
根据本发明，一种提供调制的传动压力信号的压力控制器包括一个接受来自高压气体供应源气流的控制体积。该控制器还包括一个将控制气流排放到控制体积中的控制喷嘴以及一个可变的喷嘴气流节流板，该节流板响应于在控制体积内部和当前被调节气压之间的静态压差。该喷嘴节流板的作用是调制排放控制喷嘴上游的控制气压，通过一个传动导管把上游压力传送到一个用来确定节流控制阀位置的气动执行机构上，该节流阀安置在高压气体供应源和被调节的气体压力体积之间。
本发明避免了已有技术中在较高的供应压力下出现的被调节压力的下降，这通过提供一个节流孔来完成，通过该孔将被排放的控制气流从控制体积排到周围环境中。该节流孔在较高的控制气流速率下在控制体积中产生了一个对应于升高的气体供应压力的升高静态气压。在控制体积中较高的气体压力对喷嘴节流板提供了一个校正力，通过膜片和机械连接构件可以补偿所增加的喷嘴静态排放压力。
根据本发明的控制器能对所增加的气体供应压力进行自补偿，因而能适应升高的压力以及增加的控制气流速率而无需对控制器机械结构或动态特性进行任何不利的改变。
对于本领域的普通专业技术人员来说通过下面的详细说明以及权利要求和附图，根据本发明的压力控制器的这些及其它目的和优点将是明显的。
图1图示了根据本发明的一个压力控制器、执行机构和节流阀的图解安排。
图2详细地图示了控制喷嘴和压力节流板。
图3比较了根据本发明的压力控制器的特性曲线与一个已有技术的压力控制器的特性曲线。
参看附图，尤其是图1，将详细地披露按照本发明的压力控制器。图1表示载有加压气体10的一个通路，气体10流经节流阀12进入低压区14，在低压区14中按预定的大小调节静态气压RREG。主气流10的一部分从节流阀12上游的导管8处被转移到第一控制导管16中。在控制导管16中的控制气流18以声速通过一个流速调节孔20，因而在通常所期望的供应压力Psup和下游压力PM下通过喷嘴而达到节流。
当孔20两端的压力比PM/Psup小于一个邻界压力比时，节流状态出现，此邻界压力比对应于通过此孔的气流加速度与声速之比。被节流气流的一个特性是气量流速对下游静态压力PM不敏感。如在压缩流体动力学领域中所公知的那样，通过一个节流孔的压缩流体质量流量仅是上游压力和温度的函数。因此，对于在控制导管16中的孔20来说
其中W20为通过收敛管道20的质量流量;
A20为孔20的横截空气流面积;
CB为孔20的排放系数;
Psup为节流阀12上游的绝对气压;
Tsup为节流阀12上游气体的绝对气体温度。
控制气体18在流经节流器20之后，继续流进压力控制器的压力比较器22中，这通过一个控制或排放喷嘴26而排放到一个内部控制体积24中。压力比较器22包括第一和第二膜片28、30，每个膜片都有一个朝着控制气体的面32、34和一个相反方向的面36、38，面36、38通过第二控制导管40与节流阀12下游的被调节压力体积14保持气体连通。
第一膜片28的面积比第二膜片30的面积大，两个膜片28、30的中心由装在枢轴上的平衡梁42所连接。第二膜片30还可以包括一个弹簧44或其它驱动装置以取得一个绕平衡支点46的均衡力平衡。压力比较器22还包括一个控制喷嘴流量节流板48，该节流板固定到平衡梁42的一端上并且如下所述随平衡梁42的偏转而运动。
正如本领域的普通专业技术人员所知那样，被调节压力PREG的变化将改变在平衡梁42上的力的平衡因而引起平衡梁42的偏转，直到驱动弹簧44被充分地压缩或拉开以重新建立均衡力的平衡。平衡梁42这样的偏转使得流量节流板48接近或远离排放喷嘴26，因而改变了喷嘴出口的有效面积即增加或减少了在流量节流板20和排放喷嘴26之间的第一控制导管16中的压力。这个变化的、被调制的压力PM是由根据本发明的控制器所使用的压力信号，该信号激励一个气动执行机构50来重新确定节流阀12的位置以维持在被控压力体积14中的压力PREG。
如图1所示执行机构50是一种“半区”执行机构，其中一个用来确定阀12位置的连接构件52由被连接在一起的活塞54、56所驱动。活塞54在其一侧被施加了一个调制压力PM，通过一个传动导管58从排放喷嘴26的上游侧提供该压力PM。第一活塞54的另一面通过环境压力通气孔60暴露于在执行机构50内部64中的环境压力PA之下。第二活塞56的大小定为第一活塞54的表面积的一半，并且在其一面被施加由供应压力导管62提供的供应压力Psup。第二活塞56的另一个表面同样也面对着在执行机构50内的中央环境压力空腔64。
执行机构50的功能现在应该容易搞清楚了。调制压力PM通过节流板48和控制喷嘴26被维持在大约供应压力Psup的一半，因而在执行机构50中的连接在一起的活塞54、56上达到了力的平衡。如果被调节压力降至低于预定的水平，平衡梁42则通过混合压力和作用在膜片28、30上的驱动力而被偏转，因而对来自控制喷嘴26的控制气流进行节流，这样增加了喷嘴26上游的压力PM同时使驱动活塞54、56向图1右侧移动。这样的运动相当于打开节流阀12，因而允许更多的气流10进入到控制压力体积14中，这样就把压力水平恢复到预定水平上。节流阀12的下游侧的过量压力在根据本发明的控制器中当然产生相反的影响和作用，因而关闭节流阀12并再次校正下游的过压力。
图3表示了一个代表已有技术压力控制器的特性曲线66以及一个图示根据本发明的压力控制器的特性曲线的第二曲线68。当供应压力增加时，对于一个已有技术的控制器在节流阀12下游即体积14处的被调节压力被观察到比被选定压力PO有一个下降67。
参看图2可很好解释该下降的原因，图2是压力比较器22的控制体积24中的控制喷嘴26的放大详图。如图2所示，控制导管16提供一个控制气流18，该气流从喷嘴26中排出而进入到控制体积24中。
节流板48被定位在邻近控制喷嘴26的位置上以对从其喷出的气流进行节流，因而可以维持喷嘴26上游的压力PM约为供应压力Psup的一半。节流板48被静态压力PM从喷嘴26处推开。这个力可由喷嘴面积AN和控制喷嘴压力PM的乘积计算得出，它足以改变在平衡梁42上的力的平衡，这导致流量节流板从喷嘴26上被推动，因此减小了传动控制压力信号PM。这个减小程度随供应压力增大而增大，因而如图3所示导致了下降到所希望的被调节压力PO之下的情况。
根据本发明的控制器提供了一个装置以补偿由升高的供应压力而引起的这样的下降。本发明提供了一个安置在控制体积24的出口处的通气孔70，基本上所有的控制气流18通过该通气孔排放到周围环境中。通过适当确定通气孔70的大小，控制体积24中的压力PCV可以随着作为供应压力Psup函数的控制气流量的增加而增加。因此，在控制体积PVC中被增加的向后压力PVC在膜片28、30上提供了一个校正力以推动节流板48向喷嘴26移动并减小在节流板48两端的压差，因此维持了在控制导管16中的调制压力PM。
图3所示的结果性能曲线表示了根据本发明的控制器基本上校正了已有技术控制器所经历的所有下降。对于所希望的供应和周围压力Psup、PA适当确定通气孔70的大小将使得根据本发明的控制器能把在被调节体积14中的被调节压力PREG维持在预定的压力PO、甚至在升高的供应压力Psup下。
由根据本发明的控制器调节的典型供应压力范围是100到450磅/吋2(690-3100KPa)，而预定的被调节压力PO大约为100磅/吋2(690KPa)。
本领域的普通专业技术人员可以进一步知道根据本发明的补偿装置不需要重新确定偏转膜片28，30、平衡梁42、或者诸如已有压力控制器的执行机构50这样的其它部件的尺寸。因此，根据本发明的控制器保持与已有技术结构一样的动态响应/衰减，并且不需要使用更重或更大的部件以调节更高的供应和调制压力。
对于本领域的普通专业技术人员来说这里所描述和图示的实施例只是种种等效实施例中的一种，这里所说明的实施例仅作为演示本发明用，不能理解为对本发明范围的限制。
权利要求
1.一种气体压力调节器，它具有一个安置在气体传送导管中的控制阀，该阀的上游气体被供以第一、较高的压力，该阀的下游气体被调节成第二、较低的压力，该调节器还包括一个第一控制导管，该导管接受来自控制阀上游导管的控制流气体，并且从一个控制喷嘴把控制气体排到一个控制体积中；一个孔，该孔设置在第一控制导管中并且其大小应使得通过该孔的气体控制流处于节流状态；一个压差偏转膜片，该膜片具有一个朝着控制体积内部的第一面以及一个第二面，该第二面通过一个第二控制导管与控制阀的下游导管保持气体联通；响应于膜片偏转的装置，该装置对控制喷嘴上的气体控制流进行节流，以及一个传动导管，该导管在居于一定大小的孔和控制喷嘴中间的一点处被连接到第一控制导管上，该传动导管将一个调制控制压力传动信号传到一个同时连接到控制阀上的气动阀执行机构上；其特征在于，它还包括一个通气孔，它设置在控制体积内侧和控制器周围环境之间，所说的通气孔将来自控制体积的整个气体控制流排到周围环境中，所说的通气孔的大小应使得在比较高的控制气体流期间与周围静态压力相比较该通气孔能够在控制体积内产生一个升高的静态气压。
2.一种控制器，它把一个调制传动压力信号提供到用来确定安置在一个导管中的节流阀位置的执行机构上，因而在节流阀导管下游静态气压和周围气体静态压力之间保持预定的压差，该控制器包括一个控制喷嘴，它把来自节流阀导管上游的控制气流传送到控制体积内部，其中控制气体速率由安置在控制喷嘴上游的节流孔所确定，该节流孔的大小应使得在节流阀上游气体静态压力的工作范围内通过该孔取得节流状态气流;响应于在节流阀下游导管和控制体积之间的静态气压差的装置，该装置对从控制喷嘴排出的控制气体流进行节流，因而喷嘴上游的控制气压被调制;一个传动控制压力信号导管，它提供了在节流孔和控制喷嘴之间的控制气流与执行机构之间的气体联系，这样被调制的控制气体压力信号被提供给执行机构;其特征在于，它还包括通向四周环境的一定大小的通气孔，它使控制气流从控制体积中排出，所说的通气孔有一个流动面积，其大小选择使得在至少气体供应压力范围的较高部分以对应于节流阀上游气压水平的控制气流速率而在所说通气孔两端引入一个压力降。
3.一种控制器，它把一个传动控制信号传送到一个确定控制阀位置的执行机构上，该控制阀对从上游、升高的压力气体源到下游、低压、被调节的压力体积的主气体流进行节流，其中该控制器包括一个控制体积，它具有用来在控制体积内部和控制器的周围环境之间建立气体联系的一个通气孔;一个控制喷嘴，它接受来自第一控制导管的控制气流，第一控制导管适于在控制阀上游的某一点处接受来自主气体流的控制气流;响应于在第一和第二入口之间的静态压差的装置，该装置对在控制喷嘴处的控制气流进行节流，节流装置的第一入口静态压力与控制体积中的静态压力相等，而节流装置的第二入口静态压力与被调节的下游体积中的静态压力相等，其中第一控制导管包括用来建立节流状态气流的一个第一孔以及一个在第一孔和控制喷嘴中间处连接到第一控制导管上的传动导管，该传动导管还连接到控制阀执行机构上，其中控制体积通气孔包括一个第二孔，该孔大小应使得对从控制体积排出的控制气流进行节流，第二孔的大小还应使得在升高的控制流速率下达到一个升高的控制体积内部的静态压力。
全文摘要
一种气动压力控制器包括一个执行机构(50)以及调节气流(10)的一个节流阀(12)。一个压力比较器(22)为控制器(50)提供一个调制了的压力信号(58)。该压力比较器(22)包括一个补偿升高的供应压力(Psup)的出口孔(70)。
文档编号G05D16/16GK1065344SQ9110247
公开日1992年10月14日 申请日期1991年3月25日 优先权日1991年3月25日
发明者R·B·古德曼 申请人:联合工艺公司