CN112041600B - 压力调节器 - Google Patents

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Abstract

一种压力调节器包括出口压力传感器(16)、加载电磁阀(18)、卸载电磁阀(20)以及调节器控制电路(30)。该调节器控制电路(30)操作地连接至加载电磁阀(18)和卸载电磁阀(20)，并且该调节器控制电路(30)被配置为将加载电磁阀(18)和卸载电磁阀(20)引导成：消除由与期望的出口压力相对应的入口信号与由出口压力传感器提供的反馈信号之间的差给出的误差信号。调节器进一步包括接合电流分析电路，该分析电路被配置为：a)在稳定的入口压力条件下，检测并存储加载电磁阀的螺线管的接合电流的波形的参考特性；b)在调节器工作期间，监控所述接合电流的波形，从而检测该接合电流的波形的特性相对于相应参考特性的任何变化；c)在发生变化的情况下，将引导调制信号提供给加载电磁阀(18)和/或卸载电磁阀(20)，以及/或者将压力变化信号提供至控制电路(30)。

Description

压力调节器
技术领域
本发明涉及一种压力调节器，该压力调节器适于将经调节的压力流体供给到利用加压流体进行工作的装置。
背景技术
已知的压力调节器包括可连接至加压流体的供给源的入口通路以及例如可连接至利用加压流体进行工作的装置的出口通路。供给阀放置在入口通路和出口通路之间的阀座中，并且供给阀设有调整装置，例如膜，该调整装置适于将流体在出口通路中的出口压力调节成：使得该出口压力与入口压力成比例。
调节器可设置有适于检测出口压力的出口压力传感器、具有与入口通路流体连通的入口和与供给阀流体连通的出口的加载电磁阀、以及具有卸载出口和与供给阀流体连通的入口的卸载电磁阀。
调节器设置有调节器控制电路，该调节器控制电路被配置为将加载电磁阀和卸载电磁阀先导/引导(pilot)成：消除由与期望的出口压力相对应的入口信号与由出口压力传感器提供的反馈信号之间的差给出的误差信号。
在压力调节器的启动时，代表期望的出口压力值的输入信号确定加载电磁阀的激活和卸载电磁阀的禁用，从而入口压力作用在供给阀的调节膜上，从而导致阀座打开，因此使压力下的流体从入口通路通向出口通路。
出口压力传感器监控出口压力并将反馈信号报告给控制电路，该控制电路执行功能以供给与入口信号成比例的出口压力。
实际上，入口压力可能不是恒定的，并且入口压力的波动会影响加载电磁阀和卸载电磁阀的行为，从而构成了要为控制电路进行稳定的附加变量。应该注意的是，仅在反馈链的末端，即在调节器的出口，才检测到由入口压力的变化确定的干扰作用，并且在控制中可能存在延迟和/或振荡。
为了消除这种缺陷，还已知使用入口压力传感器，该入口压力传感器适于向控制电路供给与入口压力的变化有关的信息。
显然，除了出口压力传感器之外，入口压力传感器的存在涉及压力调节器的复杂性、尺寸和成本的增加。
发明内容
本发明的目的是提出一种压力调节器和压力调节方法，该压力调节器和压力调节方法能够更有效地且快速地响应由入口压力的变化引起的干扰作用，而无需使用入口压力传感器。
所述目的通过本申请的具体实施方式中公开的压力调节器和调节方法来实现。本申请还描述了本发明的优选实施方式。
附图说明
根据本发明的压力调节器和调节方法的特征和优点，从以下仅参考附图以非限制性示例的方式提供的其优选实施方式的描述中，将很容易理解。在附图中：
-图1是表示作为时间的函数的电磁阀的螺线管的接合(engage)电流的波形的图；
-图1a是表示图1中接合电流的波形随入口压力变化而变化的图；
-图2示意性地示出了根据本发明的压力调节器；
-图3是本发明的调节器的出口压力控制环的框图；
-图4是用于测量螺线管电流的波形的电流峰值的电路的电路图；以及
-图5是根据本发明的压力调节器的实际实施方式的轴向截面。
具体实施方式
一种电磁阀，特别是下文所述的根据本发明的调节器的加载电磁阀，包括由螺线管形成的电磁体、由固定电枢形成的磁路、以及可移动芯，该螺线管缠绕在例如卷轴(reel)上，该固定电枢的例如一部分部分地穿透卷轴的轴向套筒，该可移动芯也部分地穿透卷轴。
在直流电磁阀中，由恒定的电源电压(例如24V、12V或5V)供电，一旦螺线管通电，螺线管中的电流增加，导致磁场扩展，直到电磁场变为足够高以使可移动芯移动。可移动芯的移动增加了磁场的集中度，因为芯的磁质量在磁场内部越来越多地移动。
沿着与产生电流的方向相同的方向改变的磁场在螺线管的匝中感应出相反符号的电压。由于随着可移动芯移动到行进的末端位置，磁场迅速扩展，因此该磁场会导致螺线管绕组中流动的电流短暂减小。当可移动芯到达其行程末端后，电流恢复到最大水平。螺线管电流IS的典型波形如图1所示。
只要没有向螺线管施加电源电压，螺线管电流为零。
当螺线管被供电时，螺线管电流IS第一次增加，直到在时间T1处达到峰值IPEAK，如所述的，这峰值对应于可移动芯的接合，或者在可移动芯朝向固定电枢的行程开始处。然后，螺线管电流经历了减小直到在瞬时(instant)T2处达到最小值IVALLEY，该最小值对应于可移动芯与固定电枢的抵接。此时，螺线管电流开始增大，直到螺线管电流达到最大值。
本发明所基于的思想基于以下观察：在供给有直流电压的电磁阀中，在接合步骤中，螺线管电流的波形取决于入口压力。
特别地，如图1a中的图所示，随着入口压力的增加，电磁阀的接合时间会收缩，这与电流波形相对于在较低入口压力时的电流波形的“提前”相对应。
因此，通过检测接合电流的波形的任何变化，可以导出入口压力的相应变化，从而在控制链中的同一点获得信息，在控制链中将从入口压力传感器获得该信息。
参照图2中的图，根据本发明的压力调节器1包括调节器本体5，在该调节器本体5中形成入口通路10、出口通路12和阀座142，该入口通路10能够连接至处于入口压力Pin的流体的入口导管，该阀座142在入口通路10与出口通路12之间。
供给阀14可滑动地定位在阀座142中。
该供给阀14设置有调整装置144，该调整装置144适于将出口通路12中的流体的出口压力Pout调节成：使得该出口压力Pout与入口压力Pin成比例。
压力调节器1设置有出口压力传感器16，该出口压力传感器适于检测出口通路12中的流体的出口压力Pout。
压力调节器1还包括加载电磁阀18和卸载电磁阀20。
加载电磁阀18具有与入口通路10流体连通的加载电磁阀入口182和与供给阀14流体连通的加载电磁阀出口184。
卸载电磁阀20具有与供给阀14流体连通的卸载电磁阀入口202和在卸载中的卸载电磁阀出口204。
压力调节器1还包括调节器控制电路30，该调节器控制电路30操作地连接至加载电磁阀18和卸载电磁阀20，并且该调节器控制电路30被配置为将加载电磁阀18和卸载电磁阀20引导成：消除由与期望的出口压力Pset相对应的入口信号与由出口压力传感器16提供的反馈信号Pfb之间的差给出的误差信号。
根据本发明的一方面，压力调节器1包括接合电流分析电路40，该接合电流分析电路被配置为：
a)在稳定的入口压力条件下，检测并存储加载电磁阀18的螺线管的接合电流Is的波形的参考特性；
b)在调节器工作期间，监控这种接合电流Is的波形，从而检测该接合电流Is的波形的特性相对于相应参考特性的任何变化；
c)在发生变化的情况下，将先导/引导调制信号提供给加载电磁阀18和/或卸载电磁阀20，以及/或者将压力变化信号提供至控制电路30。
在一个实施方式中，接合电流Is的波形的特性包括：在加载电磁阀18的激励瞬时与由于加载电磁阀18的可移动芯的接合所生成的第一电流峰值IPEAK之间经过的第一时间间隔T1。
在一个实施方式中，接合电流Is的波形的特征包括：在加载电磁阀18和/或卸载电磁阀20的激励瞬时与在由于加载电磁阀18和/或卸载电磁阀20的可移动芯的接合所生成的第一电流峰值IPEAK处的后续的螺线管电流的值的最小点IVALLEY之间经过的第二时间间隔T2。
在一个实施方式中，所存储和比较的波形的特征是：在螺线管阀的激励瞬时与第一电流峰值之间的第一波形部分的斜率，以及在电流峰值IPEAK与螺线管电流的值的下一个最小点IVALLEY之间的第二波形部分的斜率。
例如，通过计算波形的第一时间间隔T1的持续时间(即螺线管激励瞬时和电流峰值之间的时间间隔)与电流峰值处的电流值和初始电流(对应于零)的差之间的比率，来确定第一部分的斜率。
通过计算波形的第二时间间隔的持续时间(T2－T1)(即发生电流峰值的瞬时T1与获得电流最小值的瞬时T2之间的时间间隔)与该最小值所对应的电流值和电流峰值处的电流值的差之间的比率，来估算第二部分的斜率。
在一个实施方式中，螺线管电流值是通过利用电流采样电路以预确定的时间间隔对波形进行采样而获得的。
在一个实施方式中，接合电流分析电路40将从采样电路接收的采样电流的每个值与先前的采样电流值进行比较，并且仅在比较的结果表明达到了电流峰值或最小电流时，才将采样值存储在存储器寄存器中。
在一个变型的实施方式中，接合电流分析电路40适合于仅与可移动芯的接合时间T1进行比较，该接合时间T1即在螺线管的激励瞬时与电流峰值的瞬时之间经过的第一时间间隔。
为了检测该时间间隔，在一个实施方式中，接合电流分析电路40包括模拟峰值检测电路400，如图4所示。在该电路中，通过分流电阻RSHUNT(反相输入)感应的螺线管电流以及被施加有通过RC网络给出的延迟的螺线管电流(非反相输入)被带至具有比较器功能的运算放大器402的输入端子。以此方式，该电路能够检测螺线管电流达到峰值IPEAK的瞬时T1。
因此，在一个实施方式中，接合电流分析电路40在压力调节器1的启动时或在入口压力稳定的情形时的任何情况下检测并记录时间T1和T2中的一者或两者，在时间T1和T2中的一者或两者出现峰值IPEAK和/或最小电流IVALLEY；随后，控制电路30使用由出口压力传感器16提供的反馈PFB来实现达到由入口信号PSET给出的期望的出口压力值所需的功能，以校正瞬时出口压力值POUT和设定点PSET之间的误差。
如图3的框图所示，接合电流分析电路40可以通过执行以下动作中的一者或两者来与出口压力控制环相互作用：
·根据加载电磁阀18和/或卸载电磁阀20的接合电流波形的变化来对加载电磁阀18和/或卸载电磁阀20进行调制，以提高或稳定其性能；
·向控制电路30提供第三比较量，根据该比较量来调制加载电磁阀18和/或卸载电磁阀20的使用。
在与***入口处将存在压力传感器的信息相对应的点处，关于入口压力的变化的信息被有利地提供给控制链，该关于入口压力的变化的信息允许实现依赖于入口压力变化的符号(sign)的控制算法。
例如，如果用于分析接合电流的电路检测到接合时间T1和/或T2的减小，则意味着入口压力在增加，压力的增加与接合时间的减小成比例。在这种情况下，控制电路30可以执行加载电磁阀18和/或卸载电磁阀20的调制，该调制与没有关于入口变化的该信息的情况相比一致性较差，却在任何情况下从出口压力传感器16获得信息。通过这种方式，控制很快且没有振荡。
反之亦然，如果入口压力减小，则可以预期加载电磁阀18的部分化(partialization)增加，卸载电磁阀20的反之亦然。
换句话说，随着入口压力减小，加载电磁阀18和/或卸载电磁阀20将以较长的时间或利用较高的占空比百分比被通电，以维持基于假定的较高入口压力所设置的设定点。
应当注意，术语“电磁阀的部分化”是指电磁阀可以以较长的时间或利用较高的占空比来运行。
因此，根据本发明的调节方法的一个实施方式，如果接合电流的分析电路检测到入口压力相对于参考压力值的增加，则控制电路对加载电磁阀和/或卸载电磁阀的引导信号进行调制，从而以与处于参考压力的引导信号相比较短的时间或利用与处于参考压力的引导信号相比较低的占空比百分比来激励加载电磁阀和/或卸载电磁阀。
反之亦然，如果接合电流的分析电路检测到入口压力相对于参考压力值的减小，则控制电路对加载电磁阀和/或卸载电磁阀的引导信号进行调制，从而以与处于参考压力的引导信号相比较长的时间或利用与处于参考压力的引导信号相比较高的占空比百分比来激励加载电磁阀和/或卸载电磁阀。
参考图5，现在将描述根据本发明的压力调节器1的实际示例。
调节器1包括第一调节器本体5，在该第一调节器本体5中形成有入口通路10和出口通路12，该入口通路10可连接至加压流体的供给源，该出口通路12可连接至利用加压流体操作的装置，例如，气缸。
在第一调节器本体5中，在入口通路10和出口通路12之间还形成有阀座142。该阀座142容纳有供给阀14，该供给阀可以在阀座142的打开位置和关闭位置之间轴向地移动，以允许或中断流体从入口通路10到出口通路12的流动。
在一个实施方式中，入口通路10和出口通路12沿着彼此平行的方向定向，例如同轴，而阀座142的座轴线与这些通路正交。
供给阀14受到弹性装置例如螺旋型弹簧22的影响，以处于阀座142的关闭位置。
在第一调节器本体5中形成有膜室24，在该膜室中容纳有调节膜26。膜26的外周边缘被保持在形成于膜室24的内壁中的环形凹部28中。例如，所述环形凹部28由调节器本体5的上部部分5＇和下部部分5〞之间的联接获得(考虑调节器1竖向地定向，即，入口通路和出口通路具有水平轴线)。膜26和膜室24的上部部分限定了上部引导室32。膜26和膜室24的下部部分限定了下部卸载室34。
在一个实施方式中，膜26被保持在一对盘元件36、38之间。更详细地，膜26和上部盘元件36两者均具有中央开口，下部盘元件38的升高的中央部分38＇被***在该中央开口中。
上部引导室32适于接收处于引导压力的流体。因此，处于引导压力的该流体作用在调节膜26的上部侧。下部卸载室34与出口导管12流体连通。
应该注意的是，在本说明书中，为简单起见，为容纳在膜室24中，包括了盘元件或其他膜支撑装置的整个组件定义了“膜”，该膜在引导室32中的加压流体的作用下竖向向下移动以及在卸载室34中存在超压的情况下向上移动。
在一个实施方式中，下部卸载室34通过排放管42与外部环境流体连通。因此，可以通过所述排放管42释放存在于出口导管12中的过多压力。
根据一个实施方式，膜26以如下方式操作地连接至供给阀14：膜上的引导压力的增加引起阀座142的打开。
此外，卸载闸50操作地连接至供给阀14，并且适于在膜26处于平衡状态或随着引导压力的增加时防止流体通过排放管42流动，以在存在作用于膜26的下部侧上的过多压力的情况下，允许流体通过所述排放管42。
在一个实施方式中，膜26被轴向卸载通路44横越至上部部分，对于通向引导室32的该上部部分连接排放管42。例如，所述轴向卸载通路44形成在下部盘元件38的突起的中央部分38＇中。
在一个实施方式中，排放管42穿过引导室32，并且通过在第一调节器本体5的壁中形成的排放孔流入大气。
在一个实施方式中，其中阀座142与调节膜26同轴，卸载闸50被轴向地约束至供给阀14，并具有适于以密封方式接合所述轴向通路44的下部部分的上部端部52。
更详细地，卸载闸50具有伸长的形状，如杆状件，其从供给阀14延伸到膜26。
引导室32中的压力由气动引导调节器60控制，该气动引导调节器60包括加载电磁阀18、卸载电磁阀20和实现控制电路30的电子控制板62。接合电流分析电路40可以在控制电路30的同一电子控制板62上制造或在安装于加载电磁阀18上的电子电磁阀板上制造。
在一个实施方式中，气动引导调节器60安装在第一调节器本体5上。更详细地，加载电磁阀18和卸载电磁阀20容纳在第二本体7中，该第二本体7例如通过螺钉8固定至第一调节器本体5的上部部分5＇。
例如，第二本体7、电子板62和压力传感器16由壳体68保护。
与出口导管12流体连接的压力传感器16操作地连接至电子控制板62。
在一个实施方式中，在第一调节器本体5中形成有加载通道72和压力检测通道74，该加载通道72将入口通路12流体连接至加载电磁阀入口182，该压力检测通道74将出口通路12与压力传感器16流体连接。
因此，在第一调节器本体5的顶部与第二调节器本体7的基部之间形成有气动接口76，该气动接口76允许将加载电磁阀18和卸载电磁阀20与引导室32流体连接、将入口通路10与加载电磁阀18流体连接、以及将出口通路12与压力传感器16流体连接。
在不脱离所附权利要求的范围的情况下，本领域技术人员可以对根据本发明的压力调节器的实施方式和调节方法的实施方式的其他功能上等效的元件进行多种改变、调整、改编和替换，从而满足偶然的需要。可以独立于所描述的其他实施方式来获得被描述为属于可能的实施方式的每个特征。

Claims (11)

1.一种压力调节器，所述压力调节器包括：
入口通路(10)，所述入口通路能够连接至处于入口压力(Pin)的流体的入口导管；
出口通路(12)；
供给阀(14)，所述供给阀放置在所述入口通路(10)与所述出口通路(12)之间的阀座(142)中，并且所述供给阀配备有调整装置，所述调整装置适于将出口通路(12)中的流体的出口压力(Pout)调节成：使得所述出口压力与所述入口压力(Pin)成比例；
出口压力传感器(16)，所述出口压力传感器适于检测所述出口压力(Pout)；
加载电磁阀(18)，所述加载电磁阀具有与所述入口通路(10)流体连通的入口(182)以及与所述供给阀(14)流体连通的出口(184)；
卸载电磁阀(20)，所述卸载电磁阀具有卸载出口(204)以及与所述供给阀(14)流体连通的入口(202)；
调节器控制电路(30)，所述调节器控制电路操作地连接至所述加载电磁阀(18)和所述卸载电磁阀(20)，并且所述调节器控制电路被配置为将所述加载电磁阀(18)和所述卸载电磁阀(20)引导成：消除由与期望的出口压力相对应的入口信号与由所述出口压力传感器提供的反馈信号之间的差给出的误差信号，
所述压力调节器的特征在于，所述压力调节器还包括接合电流分析电路，所述接合电流分析电路被配置为：
a)在稳定的入口压力条件下，检测并存储所述加载电磁阀的螺线管的接合电流的波形的参考特性；
b)在所述调节器工作期间，监控所述接合电流的波形，从而检测所述接合电流的波形的特性相对于相应的所述参考特性的任何变化；
c)在发生变化的情况下，将引导调制信号提供给所述加载电磁阀(18)和/或所述卸载电磁阀(20)，以及/或者将压力变化信号提供至所述控制电路(30)。
2.根据权利要求1所述的调节器，其中，所述接合电流的波形的所述特性包括：在所述加载电磁阀(18)和/或所述卸载电磁阀(20)的激励瞬时与由于所述加载电磁阀(18)和/或所述卸载电磁阀(20)的可移动芯的接合所生成的第一电流峰值(IPEAK)之间经过的第一时间间隔(T1)。
3.根据权利要求1或2所述的调节器，其中，所述接合电流的波形的所述特性包括：在所述加载电磁阀(18)和/或所述卸载电磁阀(20)的激励瞬时与在由于所述加载电磁阀(18)和/或所述卸载电磁阀(20)的可移动芯的接合所生成的第一电流峰值(IPEAK)处的后续的螺线管电流的值的最小点(IVALLEY)之间经过的第二时间间隔(T2)。
4.根据权利要求1或2所述的调节器，其中，所述接合电流的所述分析电路包括电流采样电路，所述电流采样电路适于以预确定的时间间隔对螺线管电流的所述波形进行采样。
5.根据权利要求1或2所述的调节器，其中，所述接合电流的所述分析电路包括模拟峰值检测电路，所述模拟峰值检测电路包括具有比较器功能的运算放大器，所述运算放大器的反相输入端子通过分流电阻器接收所检测的螺线管电流，以及所述运算放大器的非反相输入端子接收被施加有通过RC网络给出的延迟的螺线管电流。
6.根据权利要求1或2所述的调节器，所述调节器包括第一本体和安装在所述第一本体上的第二本体，在所述第一本体中设置有所述入口通路、所述出口通路和所述阀座，在所述第二本体中容纳有所述加载电磁阀和所述卸载电磁阀以及形成所述控制电路的电子控制板，在所述第一本体和所述第二本体中也获得加载通道和压力检测通道，所述加载通道流体地连接所述入口通路与所述加载电磁阀的所述入口，所述压力检测通道流体地连接所述出口通路与所述压力传感器。
7.通过前述权利要求中的任一项所述的压力调节器对流体的压力进行调节的方法，所述方法包括以下步骤：
a)在稳定的入口压力条件下，检测并存储所述加载电磁阀的螺线管的接合电流的波形的参考特性；
b)在所述调节器工作期间，监控所述接合电流的波形，从而检测所述接合电流的波形的特性相对于相应的所述参考特性的任何变化；
c)在发生变化的情况下，将引导调制信号提供给所述加载电磁阀(18)和/或所述卸载电磁阀(20)，以及/或者将压力变化信号提供至所述控制电路(30)。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述接合电流的波形的所述特性包括：在所述加载电磁阀(18)和/或所述卸载电磁阀(20)的激励瞬时与由于所述加载电磁阀(18)和/或卸载电磁阀(20)的可移动芯的接合所生成的第一电流峰值(IPEAK)之间经过的第一时间间隔(T1)。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其中，所述接合电流的波形的所述特性包括：在所述加载电磁阀(18)和/或所述卸载电磁阀(20)的激励瞬时与在由于所述加载电磁阀(18)和/或卸载电磁阀(20)的可移动芯的接合所生成的第一电流峰值(IPEAK)处的后续的螺线管电流的值的最小点(IVALLEY)之间经过的第二时间间隔(T2)。
10.根据权利要求7或8所述的方法，其中，在所述接合电流的分析电路检测到所述入口压力相对于参考压力值增加的情况下，所述控制电路对所述加载电磁阀的引导信号进行调制，从而以与处于参考压力的引导信号相比较短的时间或利用与处于参考压力的引导信号相比较低的占空比百分比来激励所述加载电磁阀。
11.根据权利要求7或8所述的方法，其中，在所述接合电流的分析电路检测到所述入口压力相对于参考压力值减小的情况下，所述控制电路对所述加载电磁阀和/或所述卸载电磁阀的引导信号进行调制，从而以与处于参考压力的引导信号相比较长的时间或利用与处于参考压力的引导信号相比较高的占空比百分比来激励所述加载电磁阀和/或所述卸载电磁阀。
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