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[align=center][img=在昆虫学实验用自动气压室中如何实现正压和负压的高精度程序控制,500,387]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211090604445428_4508_3221506_3.jpg!w690x535.jpg[/img][/align][color=#990000]摘要:昆虫的行为模式会受气压变化的明显影响,为在可控气压条件下的气压室内模拟自然气压变化对昆虫行为进行准确和可重复的研究,需要气压室的气压变化可精确程序控制。本文针对客户提出的气压室压力精密程序控制要求,介绍了高精度真空压力控制仪解决方案。真空压力控制仪采用密闭容器进出气体动态平衡法工作原理,以高压气瓶作为高压气源,真空泵进行抽气,通过双通道真空压力程序控制器采集压力传感器并同时自动调节进气针阀和出气针阀的开度,实现任意设定压力变化程序的精密控制和长时间稳定运行。[/color][align=center][color=#990000]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/color][/align][color=#990000][size=18px][b]一、问题的提出[/b][/size][/color]各种生物体所处的环境会影响和改变其生活方式,这些环境条件主要包括风、雨、土壤成分、辐射、温度和大气压力等因素。大量研究表明,不利的天气条件(通常与气压变化有关)会影响繁殖、摄食和栖息。昆虫行为,如飞行、产卵、寄生、交配和鸣叫等,会受到气压的影响。对于昆虫行为模式与气压之间的相关性研究,目前普遍采用的方式是在自然条件下进行观察和记录,存在效率低、周期长和不准确等问题。个别实验室使用了手动控制气压的气压室,但存在气压控制不准确、无法长时间的精密模仿自然压力的缓慢变化过程以及可控的气压变化范围很窄等问题。最近有客户希望能对昆虫研究用的气压室进行正负压自动控制,具体要求如下:(1)气压控制范围:以一个标准大气压为基准,能实现气压室的气压在内正负压力范围内的精密控制,即气压室内的绝对压力在90kPa~110kPa范围内精密可控。(2)气压控制形式:可自动模拟自然界大气压的缓慢变化过程,即气压变化可按照任意设定的变化方向和速度进行控制,气压可准确恒定在任意设定点处。总之,整个气压变化过程可按照任意设定的折线形式进行精密控制。(3)气压控制精度:在90kPa~110kPa范围内,任意压力下的控制精度小于±0.1%。为了满足客户提出的上述要求,本文将提出相应的高精度气压程序控制解决方案。解决方案将采用密闭容器进出气体动态平衡法,采用高压气瓶作为高压气源,真空泵进行抽气,通过双通道真空压力程序控制器采集压力传感器并同时控制进气针阀和出气针阀的开度,实现任意设定压力变化程序的精密控制和长时间稳定运行。[b][size=18px][color=#990000]二、解决方案[/color][/size][/b]从客户提出的上述要求可以看出,用于昆虫行为研究的气压室压力控制是个典型的正负压力自动控制问题。此正负压力自动控制需要解决以下几方面的问题:(1)正压(压力)和负压(真空)如何形成。(2)正负压自动控制方法和控制仪器。(3)压力传感器的选择。(4)控制阀门的选择。为解决上述几方面的问题,本文提出的具体解决方案如图1所示。[align=center][color=#990000][img=气压室压力控制方案结构示意图,550,227]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211090607045916_3943_3221506_3.jpg!w690x285.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图1 昆虫研究用气压室正负压力程序控制方案示意图[/color][/align]首先,为在气压室内形成正压和负压,解决方案采用了动态平衡法。如图1所示,在气压室的左边进气端布置高压气源,在气压室的右边出气端布置真空泵,如果进气流量大于排气流量则形成正压,若排气流量大于进气流量则形成负压。进气和出气流量通过进气阀和排气阀调节。对气压室正压和负压的调节和控制,是一个典型的分程控制案例,即采用一个调节器的输出同时驱动几个工作范围不同的执行器。这里的调节器就是图1所示的压力控制器,工作范围不同的执行器是进气阀和排气阀。由此可见,压力控制器要求具有分程控制功能,即要求压力控制器针对不同工作范围(正压或负压区间)具备同时调节进气阀和排气阀开度大小的功能。另外,为了保证控制精度,所选择的压力控制器为超高精度PID调节器,具有24位AD和16位DA转换器,并具有双精度浮点运算功能,最小输出百分比可以达到0.01%。为了保证气压室内压力变化达到客户提出的控制精度,还需要选择高精度压力传感器。如果要达到±0.1%的控制精度,压力传感器的测量精度需要达到±0.05%。同样,压力控制精度还取决于进气阀和排气阀的调节精度和响应速度。对于体积较小的昆虫学实验用气压室,则要求阀门具有超高的响应速度。我们选择用步进电机驱动的快速电动针阀,电动针阀的全程开启速度为0.8秒,具有超低的真空漏率和7bar的耐正压能力。一系列不同通孔孔径的电动针阀可供选择以满足不同规格尺寸的自动气压室。最关键的是可以使用0~10V(或4~20mA)的模拟信号直接驱动电动针阀,且具有非常好的线性度和重复性。经过上述选择和配置,按照图1所示的解决方案,所配置的真空压力控制仪如图2所示。[align=center][color=#990000][img=用于气压室的真空压力控制仪结构示意图,550,447]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211090607364958_9108_3221506_3.jpg!w690x561.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图2 昆虫研究用气压室真空压力控制仪结构示意图[/color][/align]图2所示的真空压力控制仪是一个集成式仪器,将包括数控针阀、控制器、电源等所有部件都集成安装在控制仪内。控制仪两侧留有连接充气/抽气泵的快插接头。控制仪背面留有连接气压室进气/出气的快插接头,同时还留有连接压力传感器、计算机通讯和工作电源的专用接口。压力传感器以外置形式直接安装在气压室侧壁上,可更准确的检测气压室内的真空压力变化。压力传感器的信号和电源引线连接到真空压力控制仪背面相应的连接器上。这种外置式压力传感器形式更具有扩展性,可根据不同气压室或密闭容器的真空压力控制范围选择不同压力传感器,并便于更换和安装。计算机通讯采用了具有标准MODBUS协议的RS 485接口,由此可连接计算机。通过PID控制器随机所带的控制软件,计算机可直接遥控PID调节器,并采用软件界面操作进行控制程序设置和运行,对控制过程进行数据采集、存储和全过程结果曲线显示。[b][size=18px][color=#990000]三、总结[/color][/size][/b]上述的正负压精密控制解决方案作为一种标准的真空压力控制仪器,除了可以满足昆虫学实验用自动气压室的各项要求外,还具有很强的适用性和可扩展性,主要体现在以下几个方面:(1)可进行更大区间的真空压力控制,绝对压力控制范围可覆盖0.1Pa~0.5MPa,具有非常宽泛的正压和负压控制范围。(2)在正压和负压区间可实现各种形式的控制,如单独控制正压、单独控制负压(真空度),也可正负压连续控制,所有控制可进行定点控制,也可进行折线编程程序的自动控制。(3)可进行更多功能的扩展,如实现不同气体或不同气体含量混合气体下的气压控制,也可用来同时控制其他环境变量,如温度、湿度和光照等。总之,标准化的真空压力控制仪可满足各种实验室气压室的压强程序控制,并具有±0.1%以上的控制精度。同时,控制仪也适用于各种真空压力容器(如气候室、气候环境试验箱、真空气氛炉、真空干燥箱、旋转蒸发仪、精密低温容器、冷冻干燥箱和各种光谱仪等)的气压精密控制,大大提高了自动化程度和控制精度。[align=center][/align][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]
实验室禁油表的校验过程,最基础的要求即:造压泵的介质及排污性,气压源与水压源自然承担了禁油表校验的主要任务。在气压源造压检定过程中,需要注意哪几个问题呢?一、气压源的操作便捷省力和所有的设备发展一样,计量行业的便捷省力已经提到日程上来,我们的计量人员要摆脱费力加压,繁复操作的工作了,华信以操作需求为出发点,生产的HX7620C手动气压源,采用一次加压泵预压与二次调压泵配合,女孩即可轻松加压到6MPa,并且可以拓展到10MPa甚至更高,在操作过程中,要注意预压的值,并且注意截止阀与回检阀的配合。二、稳定程度与安全系数这里将稳定程度与安全系数放在一起,其实他们是有一定相关联的,或许您认为,漏压的机器安全系数高,有地方排压啊。其实不然,漏压的机器存在材质问题,接口问题。HX7620C手动气压源采用固化结构,特殊设计,首先加压泵体采取整体结构,不使用任何连接技术。其次,特殊的单向设计,使不锈钢管路存在的最大压力相当于其所承受压力的1/6,绝对保证安全。它主要为校验压力(差压)变送器、精密压力表、一般压力表、压力传感器、压力开关等压力容器提供压力。此产品广泛用于电流、冶金、石油、化工、计量系统等行业的实验室和现场。
[color=#ff0000]摘要:氢气供应系统作为燃料电池系统的重要组成部分,其空气侧与氢气侧之间压力差的动态控制对于整个燃料电池系统可靠性尤为重要。本文针对氢燃料电池系统氢气压力控制中存在的问题,推荐使用精密电动针阀,并详细介绍了电动针阀的特点和技术参数。[/color][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][align=center][img=高精度快响应电动针阀在氢燃料电池系统氢气压力控制中的应用,690,518]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/08/202108101053487958_1868_3384_3.png!w690x518.jpg[/img][/align][size=18px][color=#ff0000]1. 问题的提出[/color][/size] 氢气供应系统作为燃料电池系统的重要组成部分,与电堆、空气供应系统、水热管理系统和电子电力系统协同工作,保证氢气流量、压力的稳定供应,并实现氢气循环利用。燃料电池氢气供应系统简化结构如图1-1所示。高压储氢罐是系统的氢气来源,氢气经过减压阀,压力降至适宜系统使用的范围,通常情况为几巴左右。氢气进气阀用于控制进入电堆的氢气量,进而控制电堆氢气回路的压力,目前常用的氢气进气阀为比例调节阀、开关阀或多个开关阀组。[align=center][color=#ff0000][img=燃料电池氢气供应系统简化图,690,66]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/08/202108101055206617_6144_3384_3.png!w690x66.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#ff0000]图1-1 燃料电池氢气供应系统简化图[/color][/align] 由于燃料电池自身膜电极的厚度逐渐降低,其机械强度相应下降,因此空气侧及氢气侧压力的动态控制对于整个燃料电池系统可靠性尤为重要,一般要求是氢气侧压力要等于或者稍高于空气侧压力,并且在调节两侧压力时要确保同升同降,以减少对质子膜的损害。然而,在目前氢燃料电池电源系统中,对于这两侧压差的控制存在以下几方面的问题: (1)采用开关阀进行氢气进气的控制,使得整个氢气回路中的波动太大而不易控制; (2)采用电磁比例阀尽管可以按照一定比例进行类似PID模式进行压力控制,但电磁比例阀由于存在较大磁滞现象,会带来控制不稳定的严重问题。 本文针对氢燃料电池系统氢气压力控制中存在的问题,推荐使用精密电动针阀,并详细介绍了电动针阀的特点和技术参数。[size=18px][color=#ff0000]2. 电动针阀[/color][/size] 电动针阀如图2-1所示。[align=center][img=各种规格电动针阀,599,513]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/08/202108101055582033_8168_3384_3.png!w599x513.jpg[/img][/align][align=center][color=#ff0000]图2-1 各种规格电动针阀[/color][/align][size=18px][color=#ff0000]2.1. 技术指标[/color][/size][align=center][color=#ff0000][img=电动针阀技术指标,690,453]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/08/202108101057223127_3501_3384_3.jpg!w690x453.jpg[/img][/color][/align][color=#ff0000][/color][align=center][color=#ff0000]图2-2 电动针阀技术指标[/color][/align][align=center] [img=电动针阀尺寸,690,421]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/08/202108101057371906_4688_3384_3.jpg!w690x421.jpg[/img][/align][align=center][size=16px][color=#ff0000]图2-3 电动针阀尺寸[/color][/size][/align][size=18px][color=#ff0000]2.2. 驱动模块[/color][/size] 数控电动针阀配备有步进电机驱动电路模块,以提供所需电源和控制信号,並以将直流信号转换为双极步进电机的步进控制,同时也可提供RS485串口通讯的直接控制。[align=center][color=#ff0000][img=驱动模块及其尺寸,690,220]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/08/202108101058555517_9466_3384_3.jpg!w690x220.jpg[/img][/color][/align][color=#ff0000][/color][align=center][color=#ff0000]图2-4 驱动模块及尺寸[/color][/align][size=18px][color=#ff0000]2.3. 特点[/color][/size] 新一代用于比例流量调节的数控电动针阀将步进电机的精度和可重复性优势与针阀的线性和分辨率相结合,其结果是具有小于2%滞后、2%线性、1%重复性和0.2%分辨率的可调流量控制,是目前常用电磁比例阀的升级换代产品。与各种PID控制算法和压力控制器相结合,可构成快速准确的氢气压力控制装置。 电动针阀具有以下几方面的特点: (1) 多规格节流面积:从低流量的直径0.9mm(0~50L/min气体)到高流量的直径4.10mm(0到660 L/min气体)的多种规格针阀节流面积,可满足不同的应用需要。 (2) 高度线性:小于2%的线性度,简化了查表或外部控制硬件和软件的配套,简化了命令输入和流量输出之间的关系。 (3) 高重复性:通过每次达到0.1%的相同流量,可提供长期稳定的一致性。 (4) 宽压力范围:通过5或7bar的压力,取决于孔的大小,入口环境可覆盖宽泛的压力范围。电机的刚度和功率确保阀门在相同的输入指令下打开,与压力无关。 (5) 低迟滞:小于2%的迟滞使积分和编程变得简单,在增加和减少达到设定点时能提供一致的流量。 (6) 高分辨率:0.2%的分辨率允许电动针阀根据调节指令的微小变化进行最小流量调整,提供了出色的可控性。 (7) 快速响应:整个行程时间小于1秒,由此可提供及时快速的流量调节和控制。[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][align=center][/align][align=center][img=,690,355]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/08/202108101059518215_4501_3384_3.jpg!w690x355.jpg[/img][/align][align=center][/align][align=center][/align]