气压式定仪

[align=left][font=宋体]北京莱森泰克科技有限公司是从事自动化仪器仪表销售、提供量身定制的系统解决方案和系统集成软硬件开发的高技术公司，竭诚为各界用户提供高品质的解决方案和完善的技术服务。[/font][/align][align=left][font=宋体]莱森公司经营的产品主要有：精密压力检验与控制仪器，数字压力计，活塞式压力计，智能气体配比仪，温湿度仪表，露点仪，温度检验仪，多功能检验仪，以及为各行业量身定制的系统集成软、硬件等。[/font][/align][b]2.2 [font=宋体]校验系统功能概述[/font]2.2.1[font=宋体]系统概述：[/font][/b]LABS1000-01[font=宋体]空盒气压计检定系统由中低压校验仪、恒温箱、真空泵、工控机、过滤装置、大气压腔体、打印机、中压控制台所组成。以纯净干燥氮气为工作介质，以北京莱森公司开发的专用校验软件为核心，通过计算机进行连接，分别实现温度与压力的自动控制。所有设备连接成功后，被检设备首先放置恒温箱中，自动设定不同温度点，当温度点达到后，延时一定时间（根据客户需求来设定），人工读取被检设备温度数值，并记录。温度检测完成后，被检设备转置于大气压腔体中，软件控制压力校验仪自动增加至设定压力点，压力检测结束后，大气压腔体震动轻敲、照明提示，人工读取被检设备数值，手动输入温度与压力数值至计算机中，自动计算温度系数数据后，自动生成报告，并存储数据。[/font][b]2.2.2[font=宋体]系统功能：[/font][/b]1) [font=宋体]可设定不同温度点，自动检测完成后，人工读取被检设备温度数值。[/font]2) [font=宋体]自动设定压力控制点，压力检测结束后，大气压腔体震动轻敲、照明提示。[/font]3) [font=宋体]温度与压力分别检测结束后，人工读数，手动输入温度与压力数据后自动储存、生成报告。[/font]4) [font=宋体]具有良好、简洁的人机操作中文界面。[/font]5) [font=宋体]试验台整体为可移动式（气瓶、打印机除外），所有设备均固定安装在试验台上，外形美观，实现各组成部件的系统集成，实现电路和气路的内部连接。[/font][b] [/b][img=,600,577]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/06/202206231614458381_1727_5627570_3.jpg!w600x577.jpg[/img][img=,500,600]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/06/202206231614456088_2515_5627570_3.png!w500x600.jpg[/img][img=,466,600]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/06/202206231614459632_7267_5627570_3.png!w466x600.jpg[/img]

[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]

[size=14px][color=#ff0000]摘要：超低重力仪器中要求液氦池温度恒定，为实现小于0.1mK的波动度，气压控制的波动度要小于10Pa。为此本文提出了相应技术方案，核心内容是实现缓冲罐的气压精密控制，采用了双向控制模式，并使用了万分之一精度的气压传感器、电动针阀和PID控制器。[/color][/size][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][color=#ff0000]一、问题的提出[/color][size=14px]超导重力仪器有超导重力仪和超导重力梯度仪，都是用来对重力信号进行精密测量的仪器。超导重力仪器需要在低温条件对极微弱信号进行测量，所以对低温温度恒定有很高的要求，即要求液氦池温度波动在0.1mK以内。[/size]对于液氦池温度的精密控制可以通过控制液氦池内的气压来实现，这就要求气压的测量和控制达到极高水平。本文将针对超导重力仪器中液氦池内气压的高精密控制问题，提出相应的解决方案。此方案的优势是液氦池温度的控制精度主要受压力传感器精度的影响，选择超高精度的压力传感器，并通过精密数控针阀和高精度PID控制器，采用下游抽气流量控制模式，可使液氦温度的波动稳定控制在0.1mK以内。[size=14px][color=#ff0000]二、技术方案[/color][/size]液氦温度的精密控制原理是基于液氦饱和蒸气压与对应温度的关系。根据液氦饱和蒸气压与温度的对应关系，液氦温度要控制在4K左右，并要求温度波动小于0.1mK，则要求液氦上部气压控制在100kPa左右时，气压的波动要小于10Pa以内。[size=14px]为了实现上述气压控制精度，本文提出的技术方案具体包括以下几方面的内容：[/size][size=14px]（1）液氦池上部的气压控制可以抽象为一个密闭容器内的压力控制。对于密闭容器的压力控制需要增加一个缓冲罐，通过缓冲罐的压力控制实现液氦池的压力控制，结构如图1所示。[/size][align=center][size=14px][img=气压控制,550,490]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/05/202205230927573218_8908_3384_3.png!w690x615.jpg[/img][/size][/align][align=center][size=14px]图1 高精度气压控制系统结构示意图[/size][/align][size=14px][/size][size=14px]（2）缓冲罐的压力控制采用了上下游双向控制模式，通过调节进气和抽气流量进行控制。[/size]（3）整个控制系统包括缓冲罐、气压传感器、PID控制器、数字针阀和真空泵。[size=14px]（4）如果气压控制在100kPa并要求波动小于10Pa，则要求气压的测量和控制要有10/100k=0.0001（万分之一）的精度，由此需要配备万分之一精度的气压计和PID控制器。[/size]总之，本文所述的技术方案，其控制精度主要受气压传感器和PID控制器精度的限制，结合步进电机驱动的小流量电动针阀，通过高精度传感器和控制器，可以实现超导重力仪液氦温度的精密控制，温度波动可以控制在0.1mK以内，且不受外部环境温度变化影响。[size=14px][/size][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][size=14px][/size]

空气压缩机是[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Wp][color=#3333ff]原子吸收光谱仪[/color][/url]、[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp]气相色谱仪[/url]等分析仪器必备的配套设备之一，日前，我单位一台[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Wp][color=#3333ff]原子吸收光谱仪[/color][/url]配套用空气压缩机因年久老化，调压阀断裂损坏，损坏情况见下图。[align=center][img=,555,338]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/09/201709031125_01_1622581_3.png[/img] [/align] 起初，联系原设备供应商维修，反馈为该型空气压缩机因年代久远已停产（已购买将近10年），找不到相关配件，无法维修（当时也没多想，后面搜索到，在阿里巴巴上有很多调压阀售卖信息）。因仪器急需使用，只好重新购买了另一品牌型号的空气压缩机，这台只损坏了调压阀的压缩机申请了资产报废。 没过多久，单位[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp]气相色谱仪[/url]配套的空气压缩机也因年代比较久了，压缩机内部气路管老化，经常爆裂，且运行过程中震动和噪音越来越大，只好也淘汰报废了。[align=center][img=,534,350]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/09/201709031125_02_1622581_3.png[/img][/align] 两台淘汰的空气压缩机淘汰下来后，暂时还存放在实验室，趁着某个空闲时间就想能不能把[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp]气相色谱[/url]配套空气源内部的调压阀拆下来装在调压阀损坏的空气压缩机上，这样两台坏设备就组合成一台好设备！在这个念头驱使下，决定马上行动。 第一步，观察两台设备的调压阀是否能够匹配。[align=center][img=,570,236]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/09/201709031128_01_1622581_3.png[/img][/align][align=left] 初步观察，两台设备的调压阀都是三个气路接口：一路接空气入口，一路接空气出口，一路接压力表；只是似乎气路口接头不一样。于是，拆下来仔细观察。[/align][align=center][img=,540,302]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/09/201709031130_01_1622581_3.png[/img][/align] 两个调压阀型号很相似，应当可以匹配。后面百度得知，AR代表A系列调压阀，2000代表接管口径。 第二步，更好气路接头。将坏调压阀的气路接头拆下来接在好调压阀上。[align=center][img=,543,269]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/09/201709031131_01_1622581_3.png[/img] [/align][align=center][img=,557,289]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/09/201709031132_01_1622581_3.png[/img][/align] 第三步，连接调压阀，测试空气压缩机能否正常工作。[align=center][img=,589,245]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/09/201709031133_01_1622581_3.png[/img][/align][align=left] 将调压阀连上压缩机可以正常工作，但压缩机调压开关安装口有点偏小，调压阀无法固定上去。用扳手稍微扩大安装口好，成功将调压阀压稳固安装在了压缩机上，见下图：[/align][align=center][img=,557,214]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/09/201709031134_01_1622581_3.png[/img][/align][align=center][img=,523,419]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/09/201709031135_01_1622581_3.png[/img][/align][align=left] 最后，补充一下减压阀的工作原理：[/align][align=center] [img=,350,501]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/09/201709031137_01_1622581_3.png[/img][/align][align=left] 减压阀是空气压缩机、高压钢瓶等的一个必备配件，主要作用是将气源的压力减压并稳定到一个定值，以便于调节阀能够获得稳定的气源动力用于调节控。[/align] 减压阀工作原理1顺时针调节手轮，调压弹簧被压缩，推动膜片组件下移，通过阀杆，打开阀芯，则入口气压力经阀芯节流降压，压力输出2出口压力气体经反馈管进入膜片下腔，在膜片产生一个向上的推力。当此推力与调压弹簧力平衡时，出口压力便稳定一定在值。 减压阀结构原理（如下图所示）2出口压力气体经反馈管进入膜片下腔，在膜片产生一个向上的推力。当此推力与调压弹簧力平衡时，出口压力便稳定一定在值。压力为P1的压缩空气，由左端输入经进气阀门节流后，压力降为P2输出。P2的大小可由调压弹簧2进行调节。若顺时针旋转调节手柄，调压弹簧被压缩，推动膜片和阀杆下移，进气阀门打开，在输出口有气压输出。同时，输出气压经反馈导管作用在膜片上产生向上的推力。该推力与调压弹簧作用力相平衡时，阀便有稳定的压力输出。若输出压力超过调定值，则膜片离开平衡位置而向上变形，使得溢流阀打开，多余的空气经溢流口排入大气。当输出压力降至调定值时，溢流阀关闭，膜片上的受力保持平衡状态。若逆时针放置手柄，调压弹簧放松，作用在膜片上的气压力大于弹簧力，溢流阀打开，输出压力降低直到为零。反馈导管的作用是提高减压阀的稳压精度。另外，能改善减压阀的动态性能，当负载突然改变或变化不定时，反馈导管起着阻尼作用，避免振荡现象发生。若输入压力瞬时升高，输出将随之升高，使膜片气室内压力升高，在膜片上产生的推力相应增大，此推力破坏了原来力的平衡，使膜片向上移动，有少部分气流经溢流孔、排气孔排出。在膜片上移的同时，因复位弹簧的作用，使阀芯也向上移动，关小进气阀口，节流作用加大，使输出压力下降，直至达到新的平衡为止，输出压力基本又回到原来值。 后记：分析仪器及其附属设备有越来有智能化的趋势，但是，再智能化的仪器设备也有出现问题的时候，对一些简单的问题故障，仪器设备操作人员能否自行解决显得尤为重要。所以化学检验技能人才培养不能只侧重于让学生掌握各种分析检验方法，更重要的是培养学生对分析检测仪器设备结构原理的认识理解，这需要通过对仪器设备进行大量的拆装练习来积累，需要有充足的仪器设备基础，但这恰恰是当前技工院校的不足之处。最后，衷心呼吁各企事业单位能够将淘汰的分析仪器设备赞助给技工院校，促进国家职业教育发展！