CN111255944B - 一种带位置和流量复合反馈功能的先导式比例流量阀 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带位置和流量复合反馈功能的先导式比例流量阀，包括先导阀和主阀，先导阀包括控制器和先导阀模块，主阀包括阀体、阀芯、左端盖、右端盖及弹簧；先导阀的先导阀控制口与主阀的主阀控制口相连通，主阀的主阀控制口与主阀的右控制腔相连通，主阀上设置用于测量工作口流量的热式流量传感器，主阀内设置有用于测量阀芯位移的位移传感器；先导阀控制口的压力与输入信号之间呈第一非线性特性关系，主阀控制口的压力与阀口开度之间呈线性关系，阀口开度与输出气体流量之间呈第二非线性特性关系；将输出气体流量和输入信号校正形成线性关系，将数值固化到控制器中。优点在于：适用于气体流量控制，控制精度高，稳定性好，响应速度快。

Description

一种带位置和流量复合反馈功能的先导式比例流量阀

技术领域

本发明涉及气体流量控制技术领域，尤其指一种带位置和流量复合反馈功能的先导式比例流量阀。

背景技术

流体(气体和液体)的流量，在外部条件(压力和温度等)不变时，一般与流体流过的空间的横截面的大小相关。对于具体的流量阀来说，就是控制阀口的开度来实现所需大小的流量值的输出。

所谓的比例流量阀是指，一个控制阀的流量输出量与其所加的输入信号值(电流或电压)成线性关系。所谓先导式控制阀是指主阀的阀芯的运动受之于先导阀的输出压力控制。

先导阀一般是一个微小型直动式比例压力阀。直动式比例压力阀一般由控制电路，电机械转换器，控制阀芯组成。其控制机理是，输入电信号(电压/电流)输入到控制电路，信号放大后，输入到电机械转换器输出机械位移，这个位移形成一个阀口的开度来控制输出压力值。这个压力值与输入电信号之间一般设计成比例关系。

将先导阀的控制压力引入主阀中的控制腔，以此来控制主阀芯的运动，通过阀芯弹簧***，使得阀芯输出一个与压力成线性关系的位移(阀口开度)。

对于液体来说，在一定的流量范围内，阀口的开度与流量之间可以近似看成比例关系。所以在液压控制领域，已经得到广泛应用，而且效果良好。

但是，由于气体的物理特性和液体有很大的不同，一般液体被认为是不可压缩流体，而气体，显然是可压缩流体。气体流过阀口的流量与阀口的开度是非线性关系。这样，气体的流量就不可能与输入信号成比例关系了。

控制***中，将目标输出量反馈到前端与输入量对比，从而让***自动适应输出目标值的这个过程叫做反馈控制。在流体控制阀中，反馈技术被广泛地应用。虽然流量直接反馈的比例流量阀，能提供高精度的流量控制，但是，由于热式流量传感器的动态响应比较低，还是不能很好满足自动化领域的快速响应的实时控制需要。位置反馈的比例流量阀，能提供高的动态响应，但是，阀芯的位置到底不是最终的控制变量，所以其控制精度还是不能满足气氛组态控制领域对成分控制的苛刻要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状，提供结构合理，适用于气体流量控制，流量控制精度高，稳定性好，提高响应速度快的一种带位置和流量复合反馈功能的先导式比例流量阀。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：

一种带位置和流量复合反馈功能的先导式比例流量阀，包括有相连通的先导阀和主阀，先导阀设置有先导阀进气口、先导阀泄压口以及先导阀控制口，先导阀包括有控制器和先导阀模块；主阀上设置有主阀供气口、主阀排气口、主阀控制口、工作口以及先导阀接口，主阀包括有阀体、阀芯、左端盖、右端盖以及弹簧，弹簧设置于阀芯与左端盖之间；先导阀的先导阀控制口与主阀的主阀控制口相连通，主阀的主阀控制口与主阀的右控制腔相连通，主阀上设置有用于测量工作口流量的热式流量传感器，该热式流量传感器与控制器反馈连接，主阀内设置有用于测量阀芯位移的位移传感器，该位移传感器与控制器反馈连接；

先导阀的先导阀控制口的压力与输入信号之间呈第一非线性特性关系，主阀的主阀控制口的压力与主阀的阀口开度之间呈线性关系，主阀的阀口开度与输出气体流量之间呈第二非线性特性关系；通过实验室测试，将输出气体流量和输入信号校正形成线性关系，并将中间变量先导阀控制口的压力值固化到控制器中。

优化的技术措施还包括：

上述的先导阀模块包括有进气电磁阀、排气电磁阀、压力传感器和气路底板，控制器与进气电磁阀、排气电磁阀控制连接，压力传感器反馈连接于控制器，进气电磁阀设置于先导阀进气口和先导阀控制口之间，排气电磁阀设置于先导阀泄压口和先导阀控制口之间。

上述的控制器包括有处理器、M/A模数转换器、输入/输出接口电路、显示电路、电源以及电磁阀驱动电路。

上述的右端盖的左端设置有凸块，凸块的外周与阀体的内壁之间形成右控制腔。

上述的阀芯的中部设置有凹槽。

上述的位移传感器包括有固定部和移动感应部，固定部安装于左端盖上，移动感应部固定于阀芯的左端。

上述的右端盖与所述阀体之间设置有密封圈。

上述的右端盖与所述阀体通过螺钉固定。

上述的控制器和先导阀模块外设置有外罩壳。

本发明的一种带位置和流量复合反馈功能的先导式比例流量阀，结构合理，由先导阀和主阀构成，先导阀的先导阀控制口的压力与输入信号之间呈第一非线性特性关系，主阀的主阀控制口的压力与主阀的阀口开度之间呈线性关系，主阀的阀口开度与输出气体流量之间呈第二非线性特性关系；通过实验室测试，将输出气体流量和输入信号校正形成线性关系，并将中间变量先导阀控制口的压力值固化到控制器中，如此实现主阀流量与输入信号之间的线性关系，实现流量的比例控制，其适用于气体流量环境。

并在主阀上设置有用于测量工作口流量的热式流量传感器，通过热式流量传感器测量工作口流量，形成流量闭环反馈，提高流量控制的准确性。在主阀内设置有用于测量阀芯位移的位移传感器，通过位移传感器测量阀芯位移，形成阀芯位置的闭环反馈，提高流量输出的稳定性，提高响应速度。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1中先导阀去掉外罩壳后的结构示意图；

图3是图1中先导阀的仰视图；

图4是本发明先导阀的控制原理图；

图5是图4中控制器的结构示意图；

图6是本发明主阀的结构示意图；

图7是本发明主阀的俯视图；

图8是本发明比例流量阀的控制原理图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1至图8所示为本发明的结构示意图，

其中的附图标记为：第一非线性特性关系L1、线性关系L2、第二非线性特性关系L3、先导阀进气口P1、先导阀泄压口R1、先导阀控制口K1、主阀供气口P2、主阀排气口R2、主阀控制口K2、工作口A、先导阀1、控制器11、处理器11a、M/A模数转换器11b、输入/输出接口电路11c、显示电路11d、电源11e、电磁阀驱动电路11f、先导阀模块12、进气电磁阀12a、排气电磁阀12b、压力传感器12c、气路底板12d、外罩壳13、主阀2、先导阀接口2a、右控制腔2b、阀体21、阀芯22、凹槽22a、左端盖23、右端盖24、凸块24a、弹簧25、密封圈26、螺钉27、热式流量传感器3、位移传感器4、固定部4a、移动感应部4b。

如图1至图8所示，

一种带位置和流量复合反馈功能的先导式比例流量阀，包括有相连通的先导阀1和主阀2，先导阀1设置有先导阀进气口P1、先导阀泄压口R1以及先导阀控制口K1，先导阀1包括有控制器11和先导阀模块12；主阀2上设置有主阀供气口P2、主阀排气口R2、主阀控制口K2、工作口A以及先导阀接口2a，主阀2包括有阀体21、阀芯22、左端盖23、右端盖24以及弹簧25，弹簧25设置于阀芯22与左端盖23之间；先导阀1的先导阀控制口K1与主阀2的主阀控制口K2相连通，主阀2的主阀控制口K2与主阀2的右控制腔2b相连通，主阀2上设置有用于测量工作口A流量的热式流量传感器3，该热式流量传感器3与控制器11反馈连接，主阀2内设置有用于测量阀芯22位移的位移传感器4，该位移传感器4与控制器11反馈连接；

先导阀1的先导阀控制口K1的压力与输入信号之间呈第一非线性特性关系L1，主阀2的主阀控制口K2的压力与主阀2的阀口开度之间呈线性关系L2，主阀2的阀口开度与输出气体流量之间呈第二非线性特性关系L3；通过实验室测试，将输出气体流量和输入信号校正形成线性关系，并将中间变量先导阀控制口K1的压力值固化到控制器11中。

实施例中，先导阀模块12包括有进气电磁阀12a、排气电磁阀12b、压力传感器12c和气路底板12d，控制器11与进气电磁阀12a、排气电磁阀12b控制连接，压力传感器12c反馈连接于控制器11，进气电磁阀12a设置于先导阀进气口P1和先导阀控制口K1之间，排气电磁阀12b设置于先导阀泄压口R1和先导阀控制口K1之间。

实施例中，控制器11包括有处理器11a、M/A模数转换器11b、输入/输出接口电路11c、显示电路11d、电源11e以及电磁阀驱动电路11f。

实施例中，右端盖24的左端设置有凸块24a，凸块24a的外周与阀体21的内壁之间形成右控制腔2b。

实施例中，阀芯22的中部设置有凹槽22a，该凹槽22a位于主阀供气口P2处。

实施例中，位移传感器4包括有固定部4a和移动感应部4b，所述的固定部4a安装于左端盖23上，所述的移动感应部4b固定于阀芯22的左端。

实施例中，右端盖24与所述阀体21之间设置有密封圈26。

实施例中，右端盖24与所述阀体21通过螺钉27固定。

实施例中，控制器11和先导阀模块12外设置有外罩壳13。

工作原理：

本先导式比例流量阀由相连通的先导阀1和主阀2构成，先导阀1上设置有先导阀进气口P1、先导阀泄压口R1以及先导阀控制口K1，主阀2上设置有主阀供气口P2、主阀排气口R2、主阀控制口K2、工作口A以及先导阀接口2a，先导阀接口2a的3个口(见图7)对应连接先导阀1上的先导阀进气口P1、先导阀泄压口R1和先导阀控制口K1。先导阀控制口K1与主阀控制口K2相通，也就是说，先导阀控制口K1与主阀控制口K2的压力相同。

如图4所示，输入信号设置先导阀1的输出压力值，压力传感器12c则检测先导阀输出的真实压力，并反馈至控制器11。控制器11经过逻辑运算后，给电磁阀(进气电磁阀12a、排气电磁阀12b)发出操作指令：当反馈压力大于设定压力，则进气电磁阀12a关闭，排气电磁阀12b打开，先导阀控制口K1的气体通过排气电磁阀12b从先导阀泄压口R1向外排气，先导阀控制口K1的压力下降；反之，当反馈压力小于设定压力，则进气电磁阀12a打开，排气电磁阀12b关闭，先导阀进气口P1通过进气电磁阀12a向先导阀控制口K1供气，先导阀控制口K1的压力上升。当反馈压力等于设定压力时，进气电磁阀12a、排气电磁阀12b关闭，此时，先导阀控制口K1的压力便动态稳定于设定压力允许的精度范围内，这样就建立了先导阀控制口K1的压力与输入信号之间的关联。先导阀控制口K1的压力与输入信号之间呈第一非线性特性关系L1。

如图6所示，先导阀1的先导阀控制口K1与主阀2的主阀控制口K2相通，两者压力相等，主阀控制口K2与主阀2的右控制腔2b相连通，右控制腔2b的压力用来控制主阀2的阀芯22的运动。右控制腔2b的压力作用在阀芯22上的力与阀芯22左端的弹簧力相平衡，使得阀芯22停留在某个位置，从而来控制阀口的开度，控制气体的流量。对于一定的主阀控制口K2压力，便会得到一个稳定的阀口开度，便可以获得稳定的气体流量。这样，主阀控制口K2的压力与主阀的气体流量之间也就建立的关联。如图8所示，主阀2中，弹簧25的弹性力与弹簧的压缩量之间是呈线性关系L2，但是由于气体特性，阀口的开度与气体流量之间呈非线性关系，即阀口的开度与气体流量之间呈第二非线性特性关系L3。也就是说主阀2中，主阀2的主阀控制口K2的压力与主阀2的流量之间呈非线性关系。

通过引入中间变量-控制口的压力，建立了主阀2的输出气体流量与输入信号之间的关联。通过在实验室的测试，将主阀流量和输入信号的关系校正为线性关系，并将对应的中间变量—先导阀的输出控制压力值的数据，固化到控制器中；这样，就实现了气体流量的比例控制。

同时，主阀2上设置有用于测量工作口A流量的热式流量传感器3，该热式流量传感器3与控制器11反馈连接；建立工作口A的流量反馈。当热式流量传感器3检测的流量值小于设定的流量值时，先导阀1中的控制器11发出指令，先导阀1的输出压力增大，推动阀芯22向左运动，主阀2的阀口开度变大，工作口A的输出流量就上升。反之，当热式流量传感器3检测的流量值小于设定的流量值时，先导阀1中的控制器11发出指令，先导阀1的输出压力减小，推动阀芯22向右运动，主阀2的阀口开度变小，工作口A的输出流量就下降。这样，主阀2的输出流量便动态地保持在设定值允许的变动范围内。

数据固化后，阀芯22的某一位置便会对应一具体的流量值，也就是说阀芯22位置与输出流量值之间存在函数关系；同时，主阀2内设置有用于测量阀芯22位移的位移传感器4，该位移传感器4与控制器11反馈连接，通过位移传感器4检测阀芯22的实时位置建立阀芯22的位置反馈。当位移传感器4检测到的阀芯22位移数值，偏离数据固化后对应的数值时，便会发出指令，增加或者减小先导阀1的输出压力，使阀芯22回到设定的平衡位置，这样的一个反馈和自纠机制，阀芯的动态刚度得到很大的提高，比例流量阀的流量稳定性和反应灵敏度也大大提高。

如图8所示本比例流量阀的控制原理:

输入信号I输入至先导阀1的控制器11，来设置先导阀1的输出压力值，在先导阀1中，输入信号I与输出变量P(控制口压力)之间建立特定的函数关系(即第一非线性特性关系L1)。先导阀1的输出变量P作为主阀2的输入变量P’，在主阀2中，输入变量P’通过弹簧***输出一个变量也就是阀芯22的位移量X，阀芯22的位移量X与输入变量P’为线性关系(即线性关系L2)。阀芯22的位移量X对应阀口的开度，阀口的开度与输出流量Q之间存在函数关系(即第二非线性特性关系L3)。阀口的开度与输出流量Q之间的函数关系是阀结构本身固有的，它们之间为非线性关系，而该函数关系的具体数值可以在实验室中测试得出。

以上便建立了从输入信号I至输出流量Q之间的关系，整个关系链中包含了2组非线性关系(第一非线性特性关系L1和第二非线性特性关系L3)和一组线性关系(线性关系L2)，其中，线性关系L2由弹簧特性决定，第二非线性特性关系L3可以由实验室中测试得出。将第一非线性特性关系L1、线性关系L2和第二非线性特性关系L3叠加，通过是实验室测试，可以人为建立输入信号I与输出流量Q之间的线性关系。从而获得第一非线性特性关系L1的具体函数，并将其固化到先导阀1的内嵌软件中。

热式流量传感器3监测输出流量，并反馈至先导阀1的控制器11中，建立闭环反馈，使主阀2的输出流量动态地保持在设定值允许的变动范围内。位移传感器4监测阀芯22的实时位置，并反馈至先导阀1的控制器11中，建立阀芯22位置的闭环反馈，使主阀2的输出流量动态地保持在设定值允许的变动范围内。

本先导式比例流量阀既建立了流量闭环反馈，也建立了阀芯位置闭环反馈。

控制器11中固化有压力-流量的关系函数，通过这个函数，建立了主阀输出流量与输入电信号之间的比例关系，此控制策略称为压力反馈的控制策略(P1)。位移传感器4用来检测阀芯22的位置，并将测量到的实时数据反馈到控制器11中，控制器11通过运算后，给出控制策略，用来矫正阀芯22受到气体流动时的气动力的影响而产生的偏差，这个控制策略称为位置反馈控制策略(W1)。当负载变化时，由于气体的物理特性，其流量会有相应的变化，这种变化又会反过来影响负载的运动，这对***的稳定性是非常不利的。把流量直接反馈到控制器11，通过固化在控制器11内部运算后，给出控制策略，进一步稳定流量输出，这个控制策略称为流量反馈控制策略(Q1)。

通过实验室测试，对应压力反馈控制策略(P1)、位置反馈控制策略(W1)和流量反馈控制策略(Q1)，分别把主阀输出流量和输入电信号的关系独立校正为线性关系P1、W1、Q1，并将他们的控制策略分别固化到控制器11中。

控制器11中设置有两种控制模式，第一种为运动控制模式(M1)，第二种为组分控制模式(M2)。对于运动控制模式(M1)，调用P1+W1的控制策略，Q1为监控程序；对于组分控制模式(M2)，调用P1+Q1的控制策略，W1为辅助监控程序。

流量反馈控制策略(Q1)直接对输出流量进行监控，控制精度高；位置反馈控制策略(W1)则是对阀芯位置进行监控，流量输出稳定性好，响应速度快，但是精度没有流量反馈高。因此，当本比例流量阀用于控制气缸运动时，可选用运动控制模式(M1)；当用于如焊接领域的气体组分控制时，可选用组分控制模式(M2)；以满足不同领域的控制需求。

本发明的最佳实施例已阐明，由本领域普通技术人员做出的各种变化或改型都不会脱离本发明的范围。

Claims (9)

1.一种带位置和流量复合反馈功能的先导式比例流量阀，包括有相连通的先导阀(1)和主阀(2)，所述的先导阀(1)设置有先导阀进气口(P1)、先导阀泄压口(R1)以及先导阀控制口(K1)，所述的先导阀(1)包括有控制器(11)和先导阀模块(12)；所述的主阀(2)上设置有主阀供气口(P2)、主阀排气口(R2)、主阀控制口(K2)、工作口(A)以及先导阀接口(2a)，所述的主阀(2)包括有阀体(21)、阀芯(22)、左端盖(23)、右端盖(24)以及弹簧(25)，所述的弹簧(25)设置于阀芯(22)与左端盖(23)之间；所述的先导阀(1)的先导阀控制口(K1)与主阀(2)的主阀控制口(K2)相连通，其特征是:所述的主阀(2)的主阀控制口(K2)与主阀(2)的右控制腔(2b)相连通，所述的主阀(2)上设置有用于测量工作口(A)流量的热式流量传感 器(3)，该热式流量传感器(3)与控制器(11)反馈连接，所述的主阀(2)内设置有用于测量阀芯(22)位移的位移传感器(4)，该位移传感器(4)与控制器(11)反馈连接；所述的先导阀(1)的先导阀控制口(K1)的压力与输入信号之间呈第一非线性特性关系(L1) ，所述的主阀(2)的主阀控制口(K2)的压力与主阀(2)的阀口开度之间呈线性关系(L2)，所述的主阀(2)的阀口开度与输出气体流量之间呈第二非线性特性关系(L3)；通过实验室测试，将输出气体流量和输入信号校正形成线性关系，并将中间变量先导阀控制口(K1)的压力值固化到控制器(11)中。

2.根据权利要求1所述的一种带位置和流量复合反馈功能的先导式比例流量阀，其特征是：所述的先导阀模块(12)包括有进气电磁阀(12a)、排气电磁阀(12b)、压力传感器(12c)和气路底板(12d)，所述的控制器(11)与进气电磁阀(12a)、排气电磁阀(12b)控制连接，所述的压力传感器(12c)反馈连接于控制器(11)，所述的进气电磁阀(12a)设置于先导阀进气口(P1)和先导阀控制口(K1)之间，所述的排气电磁阀(12b)设置于先导阀泄压口(R1)和先导阀控制口(K1)之间。

3.根据权利要求2所述的一种带位置和流量复合反馈功能的先导式比例流量阀，其特征是：所述的控制器(11)包括有处理器(11a)、M/A模数转换器(11b)、输入/输出接口电路(11c)、显示电路(11d)、电源(11e)以及电磁阀驱动电路(11f)。

4.根据权利要求3所述的一种带位置和流量复合反馈功能的先导式比例流量阀，其特征是：所述的右端盖(24)的左端设置有凸块(24a)，所述的凸块(24a)的外周与阀体(21)的内壁之间形成右控制腔(2b)。

5.根据权利要求4所述的一种带位置和流量复合反馈功能的先导式比例流量阀，其特征是：所述的阀芯(22)的中部设置有凹槽(22a)。

6.根据权利要求5所述的一种带位置和流量复合反馈功能的先导式比例流量阀，其特征是：所述的位移传感器(4)包括有固定部(4a)和移动感应部(4b)，所述的固定部(4a)安装于左端盖(23)上，所述的移动感应部(4b)固定于阀芯(22)的左端。

7.根据权利要求6所述的一种带位置和流量复合反馈功能的先导式比例流量阀，其特征是：所述的右端盖(24)与所述阀体(21)之间设置有密封圈(26)。

8.根据权利要求7所述的一种带位置和流量复合反馈功能的先导式比例流量阀，其特征是：所述的右端盖(24)与所述阀体(21)通过螺钉(27)固定。

9.根据权利要求8所述的一种带位置和流量复合反馈功能的先导式比例流量阀，其特征是：所述的控制器(11)和先导阀模块(12)外设置有外罩壳(13)。

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