Регулирование вакуумного давления между отрицательным и положительным значениями — применение электронного клапана регулирования потока.
Непрерывный контроль вакуумного давления между низким и высоким давлением (отрицательным и положительным давлением).
Аннотация: В некоторых областях применения вакуумного давления необходимо обеспечить одностороннее или переменное непрерывное точное регулирование между низким и высоким давлением (или между отрицательным и положительным давлением). В данной статье рассматривается применение электронного клапана регулирования потока для обеспечения переменного регулирования положительного и отрицательного давления, подробно представлены различные конфигурации и технические параметры регулирующего клапана.
1. Введение
В некоторых вакуумных системах часто требуется изменение давления воздуха в одном направлении или попеременно между низким и высоким давлением (от отрицательного давления к положительному), и весь процесс изменения требует точного контроля. Типичные области применения в этом отношении:
(1) Калибровочное устройство датчика давления: Для некоторых датчиков давления, диапазон измерения которых охватывает от отрицательного до положительного давления, для их калибровки требуется соответствующая калибровочная камера, которая должна имитировать соответствующую вакуумную среду от отрицательного до положительного давления. В процессе калибровки необходимо установить несколько калибровочных точек в диапазоне от низкого до высокого давления, непрерывно контролировать и измерять значения от высокого к низкому (или от низкого к высокому) и выполнять калибровку.
(2) Устройство для исследования характеристик органов легких человека: управление процессом имитации дыхания посредством изменений положительного и отрицательного давления для изучения динамических характеристик органов легких, что позволяет направлять и улучшать работу аппаратов ИВЛ и связанных с ними приборов.
(3) Устройство для имитации атмосферного давления: В различных отраслях авиационной промышленности, автомобилестроении, электротехнике и других отраслях необходимо проводить оценочные испытания в условиях, имитирующих атмосферное давление, а соответствующая камера для имитации атмосферного давления также должна обеспечивать непрерывное регулирование положительного и отрицательного давления. Иногда даже требуются быстрые изменения между положительным и отрицательным давлением для имитации динамических характеристик быстрых изменений высоты полета самолета.
(4) Переоборудование изоляционных палат в больницах в палаты с положительным и отрицательным давлением: Во многих больницах операционные в основном представляют собой палаты с положительным давлением. С появлением COVID-19 палаты с положительным давлением необходимо переоборудовать в палаты с отрицательным давлением. Более того, требуется, чтобы палата с положительным давлением могла использоваться по мере необходимости для переключения между положительным и отрицательным давлением.
(5) Процесс мгновенного испарения: Функция процесса мгновенного испарения заключается в том, что жидкость перегревается и быстро испаряется в пар в условиях быстрого изменения положительного и отрицательного давления, что обеспечивает эффект быстрого высыхания, и в то же время может быть использовано для увеличения проникновения жидкости в твердое вещество.
(6) Мягкие пневматические приводы для манипуляторов: Большинство мягких пневматических приводов, используемых для создания изгибающего воздействия, используют положительное или отрицательное давление, а изгибающие силы приводов с положительным и отрицательным давлением объединены в единую структуру привода, что позволяет создавать большую блокирующую силу и при этом обеспечивать большую изгибную деформацию, что повышает эффективность технических средств для захвата мягких роботов в приложениях, требующих деликатного прикосновения.
В данной статье будут предложены соответствующие решения для вышеупомянутых применений, требующих одностороннего или попеременного непрерывного точного регулирования между низким и высоким давлением (или от отрицательного давления к положительному). Для различных диапазонов вакуумного давления подробно описаны различные конфигурации регулирующих клапанов и технические параметры.
2. Технические решения
Основной принцип непрерывного регулирования интервалов положительного и отрицательного давления показан на рисунке 1. Его цель — точное управление непрерывным монотонным изменением (или возвратно-поступательным изменением) давления воздуха в вакуумной камере от низкого давления к высокому (или от высокого давления к низкому). Ниже приведено конкретное содержание принципа управления:
(1) Принцип управления основан на методе динамического баланса входа и выхода вакуумного сосуда высокого давления, который представляет собой типичный замкнутый контур управления.
ПИД-регулятор собирает сигнал датчика давления, сравнивает его с заданным значением и регулирует открытие электронных клапанов управления потоком на впуске и выпуске, и в конечном итоге приводит измеренное значение датчика в соответствие с заданным значением для достижения точного регулирования вакуумного давления.
(2) Для охвата всего диапазона вакуумного давления от низкого до высокого давления, по меньшей мере два датчика вакуумного давления сконфигурированы для управления отрицательным и положительным давлением соответственно. ПИД-регулятор представляет собой двухканальное одновременное управление, соответствующее управлению диапазонами низкого и высокого давления, и ПИД-регулятор может автоматически переключать датчики в зависимости от различных диапазонов вакуумного давления.
(3) Контур управления оснащен вакуумным насосом (источник отрицательного давления) и источником газа высокого давления (источник положительного давления) для обеспечения достаточных возможностей низкого и высокого давления.
(4) При изменении управления с низкого давления на высокое, открытие электронного клапана регулирования потока на впуске (поток на впуске) в начале значительно меньше, чем открытие электронного клапана регулирования потока на выпуске (поток на выходе). Для достижения различных режимов вакуумного давления используются разные состояния баланса, и в конечном итоге открытие электронного клапана регулирования потока на впуске постепенно становится значительно больше, чем открытие клапана регулирования потока на выпуске, что обеспечивает непрерывное и точное управление рядом заданных значений в диапазоне от низкого до высокого давления. При изменении управления с высокого давления на низкое описанный выше процесс обратный.
3. Конкретная конфигурация программы
Предложенное в данной статье техническое решение включает две части, охватывающие два различных диапазона вакуумного давления.
(1) Абсолютное давление составляет от 7 бар до 0,01 мбар (1 Па).
Структура системы управления в данном диапазоне вакуумного давления показана на рисунке 2.
Для точного регулирования высокого вакуума используется электронный регулирующий клапан, а выдерживаемое положительное давление электрического игольчатого клапана составляет всего 7 бар, поэтому установлено, что диапазон регулирования высокого давления системы управления данной конфигурации не превышает 7 бар.
Кроме того, для применений, требующих быстрого попеременного регулирования положительного и отрицательного давления, электронные регулирующие клапаны потока на впуске и выпуске должны обладать высокой скоростью отклика. В этом случае необходим электронный регулирующий клапан с более высокой скоростью отклика.
(2) Абсолютное давление составляет от 15 бар до 15 мбар (1,5 кПа).
Для удовлетворения потребностей в более высоком давлении необходимо решить проблему «узкого места» высокого давления в решении, представленном на рисунке 2. Поэтому электронный клапан регулирования потока с высоким давлением и перепадом давлений, показанный на рисунке 2, заменен вакуумным пневматическим клапаном противодавления, что позволяет значительно расширить диапазон высокого давления, но с соответствующими компромиссами в диапазоне низкого давления. Структура системы управления этого высоковольтного типа показана на рисунке 3.
Клапан приводится в действие пневматическим пилотным клапаном. Благодаря использованию пневматического вакуумного противодавления, диапазон регулирования высокого давления может быть увеличен до 15 бар, но соответствующее отрицательное давление также увеличено до 15 мбар. При необходимости верхний предел высокого давления может быть дополнительно повышен, но нижний предел низкого давления также может быть повышен.
В показанном на рисунке 3 методе управления противодавлением с помощью пилотного клапана, помимо смещения всего диапазона управления в сторону высокого давления, он также обладает двумя особенностями. Во-первых, это управление вакуумным давлением в более крупном контейнере. Во-вторых, это высокая скорость отклика противодавления, которая позволяет быстро управлять возвратно-поступательным движением с положительным и отрицательным давлением.
4. Заключение
Благодаря вышеописанному техническому решению, можно полностью реализовать непрерывное и возвратно-поступательное регулирование вакуумного давления в диапазоне положительного и отрицательного давления, а также достичь высокой точности и скорости управления.
Для получения дополнительной информации об электронном регулирующем клапане потока, пожалуйста, посетите эту страницу.