一種PSI級脈沖氣體發(fā)生器的設(shè)計(jì)

亢紅波，魏燕

（1.長安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院，西安，710064；2.西安郵電大學(xué) 自動化學(xué)院，西安，710121；3.西北勘測設(shè)計(jì)研究所有限公司 光電分院，西安，710065）

壓力檢測是工業(yè)生產(chǎn)中主要的參數(shù)檢測手段之一，從對象上可分為靜態(tài)壓力檢測與動態(tài)壓力檢測，有些工業(yè)條件下，動態(tài)壓力檢測更能反映被測對象的本質(zhì)特征。

動態(tài)壓力檢測傳感器一般采用壓電式傳感器，其工作原理基于壓電效應(yīng)，對于動態(tài)變化的壓力產(chǎn)生與之相應(yīng)的電荷變化。壓電式儀器，設(shè)備的設(shè)計(jì)、調(diào)試、校準(zhǔn)、定標(biāo)等環(huán)節(jié)，需要符合要求的動態(tài)壓力源作為被測對象，尤其對于精密儀器的小壓力檢測，則需要精度與之匹配的壓力源模型。本文所設(shè)計(jì)的氣體壓力發(fā)生器可產(chǎn)生PSI級小壓力脈沖氣體，其輸出壓力與頻率可調(diào)，可很好地作為上述研究的被測對象，且其便攜式特征使其能更好地應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn) 場［1－3］。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

根據(jù)發(fā)生器的應(yīng)用特點(diǎn)，脈沖氣體發(fā)生器將以箱體形式進(jìn)行封裝，這樣就保證了其便攜性。封裝的體積以系統(tǒng)設(shè)計(jì)體積為依據(jù)，同時(shí)兼顧抗震性與密閉性（尤其箱體下部）。系統(tǒng)設(shè)計(jì)包含了相關(guān)的機(jī)械、氣路與電路設(shè)計(jì)。其中機(jī)械部分主要包括了電路裝置、氣路元件及其他外圍元件的布局、固定、連接、改造等，文章將不再贅述。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理示意

1.1 電 源

脈沖發(fā)生器長時(shí)間工作需要消耗較多的能量，所以設(shè)計(jì)時(shí)主要以220V交流供電為主，同時(shí)配備鋰電池組以支持較短時(shí)間移動性測試。在沒有220V（AC）電源時(shí)，可直接采用電池組供電。電池組額定電壓輸出36V，其輸出最大電流為3A。

當(dāng)交流電接通時(shí)，經(jīng)AC／DC初級變換為直流38V，分為2個(gè)支路，1路經(jīng)功率二極管直接給鋰電池組進(jìn)行充電，并進(jìn)行顯示，可以確定電池組的充電情況；另一路則作為系統(tǒng)控制板及電路元件的直流電源輸入，同時(shí)，電路系統(tǒng)可直接選用鋰電池作為電源。氣體發(fā)生器中氣路元件電路器件的電源則由控制板供給，38V直流電流在控制板上進(jìn)行二次及三次變換，送至對應(yīng)的元器件。

1.2 氣流回路

氣體發(fā)生器主要是產(chǎn)生壓力可調(diào)、頻率可變的氣流。氣路的工作原理（可參考圖1氣路部分）：空氣壓縮裝置工作產(chǎn)生壓縮氣體，壓縮氣體經(jīng)三通裝置1路進(jìn)入緩沖裝置，另一路進(jìn)入壓力判斷裝置。顯然，空氣壓縮裝置、壓力判斷裝置及緩沖裝置三者的壓力是相同的。在緩沖裝置中完成壓縮氣體的存儲，當(dāng)氣體存儲量越大，則輸出氣流壓力越穩(wěn)定。壓力判斷裝置的本質(zhì)為氣壓開關(guān)，即用空氣壓力來控制串入電路的機(jī)械開關(guān)，如常閉觸點(diǎn)。空氣壓縮裝置給緩沖裝置充氣，緩沖裝置與壓力判斷裝置中氣體壓力逐漸增大，當(dāng)?shù)竭_(dá)壓力判斷裝置所設(shè)定的上限值時(shí)，將使串入空氣壓縮裝置電源回路的常閉觸點(diǎn)斷開，電源回路斷開，切斷空氣壓縮機(jī)電源，停止其工作，從而保持當(dāng)前壓力。當(dāng)緩沖裝置壓力下降時(shí)，常閉觸點(diǎn)恢復(fù)導(dǎo)通，電源回路閉合，重啟壓縮機(jī)。空氣壓縮裝置壓力上限設(shè)置必須遠(yuǎn)大于發(fā)生器滿量程壓力。緩沖裝置中的氣體流向調(diào)節(jié)裝置，可對輸出氣流的壓力大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)后的氣流再通過另一個(gè)三通裝置分別與氣流控制裝置、壓力指示裝置相連。氣流控制裝置則可以把連續(xù)氣流變?yōu)轭l率可變的脈沖氣體，其頻率信號由控制板輸出，壓力指示裝置則對實(shí)時(shí)的氣流輸出進(jìn)行檢測與顯示［4－5］。

1.3 控制板

控制板是氣體發(fā)生器的控制核心，其功能有三個(gè)：為各級元器件（包括氣動元件）供電；輸出高精度脈沖信號；實(shí)現(xiàn)相關(guān)的接口功能擴(kuò)展。

2 設(shè)備的集成與設(shè)計(jì)

2.1 氣動元件

各氣路裝置由其核心元件組成。為了保證設(shè)備的可靠性，核心元件為超標(biāo)配置。氣路工作原理如圖2所示。

圖2 氣路工作原理示意

空氣壓縮機(jī)、空氣壓力開關(guān)、儲氣瓶、調(diào)節(jié)閥、壓力表、電磁閥等為氣路中主要元件。設(shè)計(jì)中對每個(gè)環(huán)節(jié)參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格控制。器件都配備了直徑為4～5mm的氣路接口，氣路元件之間則通過外徑為6mm的PE管連接。

空氣壓縮機(jī)主要產(chǎn)生壓縮氣體，為間歇式工作方式。流量為3.3L／min，壓力可達(dá)207kPa（30PSI）。其供電電源為12V，進(jìn)氣口需加濾網(wǎng)。

空氣壓力開關(guān)使儲氣瓶的壓力保持在一定范圍之內(nèi)，選擇德國Barksdale公司的，測量滿量程為103.5kPa（15PSI），精度可達(dá)滿量程的2%。空氣壓力開關(guān)本身不需要供電，但其繼電器觸點(diǎn)可支持高達(dá)5A的電流通過。

儲氣瓶為發(fā)生器提供氣源，其壓力遠(yuǎn)高于脈沖氣體輸出，體積為600mL，為三正氣動的氣缸，承受壓力大于1.035MPa（150PSI），容量約600mL。

目前，城市軌道交通應(yīng)急疏散系統(tǒng)的指揮引導(dǎo)，主要依賴指示標(biāo)志與標(biāo)志燈來實(shí)施。但該系統(tǒng)存在技術(shù)缺陷和條件限制，因此亟需采用更好的技術(shù)手段來進(jìn)行突發(fā)事件時(shí)的應(yīng)急疏散指揮與引導(dǎo)，以盡可能減少事件發(fā)生時(shí)造成的人員傷害。大功率參量陣定向揚(yáng)聲器的技術(shù)較為成熟，為解決上述問題提供了有效的技術(shù)手段。

調(diào)節(jié)閥可對通過其的氣流壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，這里主要是減壓調(diào)節(jié)，可精確到0.69kPa（0.1PSI），其最大供氣壓可達(dá)1 725kPa（250PSI）。

壓力表主要對輸出氣流的壓力進(jìn)行指示，其與調(diào)節(jié)閥輸出及電磁閥輸入相連。選擇德國WIKA公司的611.10.063氣體壓力指示表，其滿量程為34.5kPa（5PSI），精度為0.69kPa（0.1PSI）。

電磁閥可把連續(xù)氣流轉(zhuǎn)換為脈沖氣流，通過外部脈沖方波控制電磁閥的通斷，以取得脈沖氣流，因?yàn)樯婕皺C(jī)械動作，頻率不應(yīng)很高，其能承受172.5kPa（25PSI）以上的壓力，電磁閥動作的延時(shí)為毫秒級，二線制控制，控制電壓為12V。

固定輔件可與檢測體（待檢測的微壓測量設(shè)備）之間形成一個(gè)密閉氣室，以保證檢測體能充分感知?dú)怏w變化，固定輔件因檢測對象不同而設(shè)計(jì)不同，在變頻氣體輸出時(shí)，需注意密閉氣室和輸氣回路容積不能過大，以減小傳輸壓力損失。本例中，檢測體為管狀體，電磁閥直接安裝于固定輔件中，氣流輸出孔徑約1mm。

2.2 控制板

220V（AC）電源經(jīng)初級轉(zhuǎn)換后為38V（DC），作為控制板的電源輸入，控制板對其進(jìn)行了二級轉(zhuǎn)換，分別輸出12V與5V，其中12V可作為相關(guān)器件如電流表、頻率表等的供電電源；5V為控制板主電路供電。電源轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

圖3 電源轉(zhuǎn)換電路示意

圖3中二極管并聯(lián)用于降低輸入電壓，使電源芯片工作于可靠的工作區(qū)內(nèi)，與地并聯(lián)的電容主要功能：去除電源中的紋波，消除電路中的高頻波，從而使電源輸出更為純凈穩(wěn)定。

工作時(shí)，頻率選擇可采用多路旋鈕開關(guān)，旋鈕開關(guān)接通了與之對應(yīng)的電阻鏈，即改變了SE555外圍電阻比率，從而能產(chǎn)生不同頻率的初級方波信號，而對每一路方波信號頻率的微調(diào)則可以通過鏈路上滑變調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)。初級方波又經(jīng)過了兩級CD4017，實(shí)現(xiàn)二級分頻，分頻后的信號分別輸出到電磁閥與頻率表指示端，頻率分別有0.5Hz，1Hz，2Hz，5Hz等選擇項(xiàng)。脈沖信號發(fā)生電路如圖4所示。

圖4 脈沖發(fā)生電路示意

為了方便進(jìn)行測試，系統(tǒng)集成了信道的電平轉(zhuǎn)換單元，即把TTL信號轉(zhuǎn)換為RS－232／RS－485輸出，為測試信號的遠(yuǎn)傳提供了支持。

TTL信號通過SP232與SP485芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，其中，SP485為半雙工收發(fā)器。輸出線路中所接對地電容可去除高頻干擾，二極管具有限幅作用。特別在SP485線路設(shè)計(jì)中，還采用了上拉與下拉電阻，其具有電平匹配、限制電流、提高驅(qū)動力等作用，以保證信號可靠傳輸，同時(shí)，AB之間還并接了1個(gè)120Ω終端電阻，減少線路上傳輸信號的反射。

此外，除相應(yīng)的旋鈕開關(guān)、撥檔開關(guān)、插接件之外，系統(tǒng)還需相應(yīng)的電壓表、電流表及頻率表。頻率表對所檢測方波能計(jì)算出頻率，不需要對信號進(jìn)行特別的數(shù)字處理。

3 結(jié) 論

用標(biāo)準(zhǔn)壓力測試裝置對設(shè)計(jì)的脈沖氣體發(fā)生器進(jìn)行測量，當(dāng)設(shè)置壓力為5.52kPa（0.8PSI），頻率為5Hz時(shí)，以1kHz的頻率對脈沖氣體進(jìn)行采樣，響應(yīng)壓力擬合曲線如圖5所示。

圖5 脈沖氣體發(fā)生器響應(yīng)曲線

雖然控制信號為方波，但由檢測可以發(fā)現(xiàn)，脈沖氣體壓力輸出為類正弦波形，上升較慢，但下降較快，當(dāng)控制頻率不同時(shí)，其波形也會發(fā)生細(xì)小差異，當(dāng)氣路參數(shù)變化時(shí)，根據(jù)伯努利方程，也會產(chǎn)生差異，但對于動態(tài)測壓設(shè)備來說，這種差異不會改變信號的本質(zhì)，對結(jié)果也無實(shí)質(zhì)性影響，尤其對于有些現(xiàn)場設(shè)備（如測井壓力開關(guān)）來說這種差異可以忽略不計(jì)［7］。

所設(shè)計(jì)的PSI級脈沖氣體發(fā)生器為一種便攜式壓力輔助檢測裝置，它可為微壓檢測設(shè)備提供具有可變信號特征的壓力信號，這對于壓力壓電類檢測設(shè)備的前期設(shè)計(jì)調(diào)試，后期的維護(hù)檢修都有很重要的輔助意義。用定標(biāo)后的壓電元件進(jìn)行測試，脈沖氣體發(fā)生器完全能實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的指標(biāo)。設(shè)計(jì)構(gòu)成簡潔，精度高，符合測試領(lǐng)域軟性測試的技術(shù)趨勢，具有很強(qiáng)的應(yīng)用及推廣價(jià)值。

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