專利名稱：補(bǔ)償壓力控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有自補(bǔ)償功能的用于供應(yīng)高氣壓的氣壓控制器。
調(diào)節(jié)在供應(yīng)源的高氣壓和被調(diào)節(jié)的低氣壓環(huán)境之間的氣流的氣動(dòng)壓力控制器是人們公知的。這樣的控制器監(jiān)控節(jié)流閥下游的被調(diào)節(jié)壓力、并將其與環(huán)境壓力作比較以產(chǎn)生一個(gè)調(diào)制的傳動(dòng)控制壓力信號(hào)。該傳動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)一個(gè)氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)以確定控制閥的位置，這樣對(duì)于供應(yīng)源而把控制閥進(jìn)行節(jié)流。
一種常見(jiàn)的取得調(diào)制傳動(dòng)壓力信號(hào)的方法是利用一個(gè)具有可變氣流節(jié)流板的控制噴嘴，該節(jié)流板被一個(gè)連接到壓差膜片上的機(jī)械連接構(gòu)件所驅(qū)動(dòng)。該膜片把節(jié)流板或控制閥下游壓力與環(huán)境或其它參考?jí)毫ο啾容^，它能改變控制噴嘴的排放面積，因而能改變上游噴嘴壓力。
一個(gè)傳動(dòng)控制導(dǎo)管把上游噴嘴壓力傳輸?shù)揭粋€(gè)氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)上，該執(zhí)行機(jī)構(gòu)依次確定用來(lái)調(diào)節(jié)下游壓力的節(jié)流閥位置。這樣的控制器通常利用來(lái)用高壓供應(yīng)源的氣體來(lái)供應(yīng)控制噴嘴并確定氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置，因而當(dāng)供應(yīng)源壓力增加時(shí)，這樣的控制器容易出現(xiàn)差錯(cuò)。
這樣一種差錯(cuò)可以產(chǎn)生在其中氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是“半?yún)^(qū)”型的一種控制器機(jī)構(gòu)中。這些執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括兩個(gè)連接的、不同面積的活塞，它們分別被施加以氣體供應(yīng)源壓力和調(diào)制上游噴嘴壓力。因而調(diào)制的壓力隨著供應(yīng)壓力的增加而增加。
當(dāng)所需的調(diào)制壓力增加時(shí)，在噴嘴節(jié)流板上的壓力增加，當(dāng)連接構(gòu)件被在節(jié)流板上的靜態(tài)壓力向后驅(qū)動(dòng)時(shí)這使得閥門下游的實(shí)際被調(diào)節(jié)壓力減小。由于需要增加控制噴嘴和控制導(dǎo)管的大小和流通能力以允許在氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中可能增加的滲漏，該滲漏可能由增加的壓力所引起，這樣該差錯(cuò)進(jìn)一步被混合。一個(gè)較大的控制噴嘴當(dāng)然需要一個(gè)較大的節(jié)流板，因而進(jìn)一步提高了在偏轉(zhuǎn)板上的向后壓力。
已有技術(shù)對(duì)這一問(wèn)題的一種解決方案是增加壓力偏轉(zhuǎn)膜片的面積，然而人們知道使用較大的因而較重的部件改變了控制器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，由于部件質(zhì)量的增加有可能降低初始響應(yīng)時(shí)間，同時(shí)也改變了連接構(gòu)件和膜片的緩沖特性，因而在某些操作狀態(tài)下會(huì)出現(xiàn)不希望的壓力波動(dòng)現(xiàn)象。
所需要的是一種壓力控制器，它能補(bǔ)償所增加的供應(yīng)壓力并且在不改變壓力比較器的噴嘴氣流節(jié)流板連接構(gòu)件的機(jī)械結(jié)構(gòu)和大小的情況下控制噴嘴流率。
因而本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種氣壓控制器，它能把來(lái)自一個(gè)變化的供應(yīng)壓力保持在一個(gè)被調(diào)節(jié)的恒定氣壓下。
根據(jù)本發(fā)明，一種提供調(diào)制的傳動(dòng)壓力信號(hào)的壓力控制器包括一個(gè)接受來(lái)自高壓氣體供應(yīng)源氣流的控制體積。該控制器還包括一個(gè)將控制氣流排放到控制體積中的控制噴嘴以及一個(gè)可變的噴嘴氣流節(jié)流板，該節(jié)流板響應(yīng)于在控制體積內(nèi)部和當(dāng)前被調(diào)節(jié)氣壓之間的靜態(tài)壓差。該噴嘴節(jié)流板的作用是調(diào)制排放控制噴嘴上游的控制氣壓，通過(guò)一個(gè)傳動(dòng)導(dǎo)管把上游壓力傳送到一個(gè)用來(lái)確定節(jié)流控制閥位置的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)上，該節(jié)流閥安置在高壓氣體供應(yīng)源和被調(diào)節(jié)的氣體壓力體積之間。
本發(fā)明避免了已有技術(shù)中在較高的供應(yīng)壓力下出現(xiàn)的被調(diào)節(jié)壓力的下降，這通過(guò)提供一個(gè)節(jié)流孔來(lái)完成，通過(guò)該孔將被排放的控制氣流從控制體積排到周圍環(huán)境中。該節(jié)流孔在較高的控制氣流速率下在控制體積中產(chǎn)生了一個(gè)對(duì)應(yīng)于升高的氣體供應(yīng)壓力的升高靜態(tài)氣壓。在控制體積中較高的氣體壓力對(duì)噴嘴節(jié)流板提供了一個(gè)校正力，通過(guò)膜片和機(jī)械連接構(gòu)件可以補(bǔ)償所增加的噴嘴靜態(tài)排放壓力。
根據(jù)本發(fā)明的控制器能對(duì)所增加的氣體供應(yīng)壓力進(jìn)行自補(bǔ)償，因而能適應(yīng)升高的壓力以及增加的控制氣流速率而無(wú)需對(duì)控制器機(jī)械結(jié)構(gòu)或動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行任何不利的改變。
對(duì)于本領(lǐng)域的普通專業(yè)技術(shù)人員來(lái)說(shuō)通過(guò)下面的詳細(xì)說(shuō)明以及權(quán)利要求和附圖，根據(jù)本發(fā)明的壓力控制器的這些及其它目的和優(yōu)點(diǎn)將是明顯的。


圖1圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)壓力控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和節(jié)流閥的圖解安排。
圖2詳細(xì)地圖示了控制噴嘴和壓力節(jié)流板。
圖3比較了根據(jù)本發(fā)明的壓力控制器的特性曲線與一個(gè)已有技術(shù)的壓力控制器的特性曲線。
參看附圖，尤其是圖1，將詳細(xì)地披露按照本發(fā)明的壓力控制器。圖1表示載有加壓氣體10的一個(gè)通路，氣體10流經(jīng)節(jié)流閥12進(jìn)入低壓區(qū)14，在低壓區(qū)14中按預(yù)定的大小調(diào)節(jié)靜態(tài)氣壓RREG。主氣流10的一部分從節(jié)流閥12上游的導(dǎo)管8處被轉(zhuǎn)移到第一控制導(dǎo)管16中。在控制導(dǎo)管16中的控制氣流18以聲速通過(guò)一個(gè)流速調(diào)節(jié)孔20，因而在通常所期望的供應(yīng)壓力Psup和下游壓力PM下通過(guò)噴嘴而達(dá)到節(jié)流。
當(dāng)孔20兩端的壓力比PM/Psup小于一個(gè)鄰界壓力比時(shí)，節(jié)流狀態(tài)出現(xiàn)，此鄰界壓力比對(duì)應(yīng)于通過(guò)此孔的氣流加速度與聲速之比。被節(jié)流氣流的一個(gè)特性是氣量流速對(duì)下游靜態(tài)壓力PM不敏感。如在壓縮流體動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域中所公知的那樣，通過(guò)一個(gè)節(jié)流孔的壓縮流體質(zhì)量流量?jī)H是上游壓力和溫度的函數(shù)。因此，對(duì)于在控制導(dǎo)管16中的孔20來(lái)說(shuō)
其中W20為通過(guò)收斂管道20的質(zhì)量流量;
A20為孔20的橫截空氣流面積;
CB為孔20的排放系數(shù);
Psup為節(jié)流閥12上游的絕對(duì)氣壓;
Tsup為節(jié)流閥12上游氣體的絕對(duì)氣體溫度。
控制氣體18在流經(jīng)節(jié)流器20之后，繼續(xù)流進(jìn)壓力控制器的壓力比較器22中，這通過(guò)一個(gè)控制或排放噴嘴26而排放到一個(gè)內(nèi)部控制體積24中。壓力比較器22包括第一和第二膜片28、30，每個(gè)膜片都有一個(gè)朝著控制氣體的面32、34和一個(gè)相反方向的面36、38，面36、38通過(guò)第二控制導(dǎo)管40與節(jié)流閥12下游的被調(diào)節(jié)壓力體積14保持氣體連通。
第一膜片28的面積比第二膜片30的面積大，兩個(gè)膜片28、30的中心由裝在樞軸上的平衡梁42所連接。第二膜片30還可以包括一個(gè)彈簧44或其它驅(qū)動(dòng)裝置以取得一個(gè)繞平衡支點(diǎn)46的均衡力平衡。壓力比較器22還包括一個(gè)控制噴嘴流量節(jié)流板48，該節(jié)流板固定到平衡梁42的一端上并且如下所述隨平衡梁42的偏轉(zhuǎn)而運(yùn)動(dòng)。
正如本領(lǐng)域的普通專業(yè)技術(shù)人員所知那樣，被調(diào)節(jié)壓力PREG的變化將改變?cè)谄胶饬?2上的力的平衡因而引起平衡梁42的偏轉(zhuǎn)，直到驅(qū)動(dòng)彈簧44被充分地壓縮或拉開(kāi)以重新建立均衡力的平衡。平衡梁42這樣的偏轉(zhuǎn)使得流量節(jié)流板48接近或遠(yuǎn)離排放噴嘴26，因而改變了噴嘴出口的有效面積即增加或減少了在流量節(jié)流板20和排放噴嘴26之間的第一控制導(dǎo)管16中的壓力。這個(gè)變化的、被調(diào)制的壓力PM是由根據(jù)本發(fā)明的控制器所使用的壓力信號(hào)，該信號(hào)激勵(lì)一個(gè)氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)50來(lái)重新確定節(jié)流閥12的位置以維持在被控壓力體積14中的壓力PREG。
如圖1所示執(zhí)行機(jī)構(gòu)50是一種“半?yún)^(qū)”執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其中一個(gè)用來(lái)確定閥12位置的連接構(gòu)件52由被連接在一起的活塞54、56所驅(qū)動(dòng)?；钊?4在其一側(cè)被施加了一個(gè)調(diào)制壓力PM，通過(guò)一個(gè)傳動(dòng)導(dǎo)管58從排放噴嘴26的上游側(cè)提供該壓力PM。第一活塞54的另一面通過(guò)環(huán)境壓力通氣孔60暴露于在執(zhí)行機(jī)構(gòu)50內(nèi)部64中的環(huán)境壓力PA之下。第二活塞56的大小定為第一活塞54的表面積的一半，并且在其一面被施加由供應(yīng)壓力導(dǎo)管62提供的供應(yīng)壓力Psup。第二活塞56的另一個(gè)表面同樣也面對(duì)著在執(zhí)行機(jī)構(gòu)50內(nèi)的中央環(huán)境壓力空腔64。
執(zhí)行機(jī)構(gòu)50的功能現(xiàn)在應(yīng)該容易搞清楚了。調(diào)制壓力PM通過(guò)節(jié)流板48和控制噴嘴26被維持在大約供應(yīng)壓力Psup的一半，因而在執(zhí)行機(jī)構(gòu)50中的連接在一起的活塞54、56上達(dá)到了力的平衡。如果被調(diào)節(jié)壓力降至低于預(yù)定的水平，平衡梁42則通過(guò)混合壓力和作用在膜片28、30上的驅(qū)動(dòng)力而被偏轉(zhuǎn)，因而對(duì)來(lái)自控制噴嘴26的控制氣流進(jìn)行節(jié)流，這樣增加了噴嘴26上游的壓力PM同時(shí)使驅(qū)動(dòng)活塞54、56向圖1右側(cè)移動(dòng)。這樣的運(yùn)動(dòng)相當(dāng)于打開(kāi)節(jié)流閥12，因而允許更多的氣流10進(jìn)入到控制壓力體積14中，這樣就把壓力水平恢復(fù)到預(yù)定水平上。節(jié)流閥12的下游側(cè)的過(guò)量壓力在根據(jù)本發(fā)明的控制器中當(dāng)然產(chǎn)生相反的影響和作用，因而關(guān)閉節(jié)流閥12并再次校正下游的過(guò)壓力。
圖3表示了一個(gè)代表已有技術(shù)壓力控制器的特性曲線66以及一個(gè)圖示根據(jù)本發(fā)明的壓力控制器的特性曲線的第二曲線68。當(dāng)供應(yīng)壓力增加時(shí)，對(duì)于一個(gè)已有技術(shù)的控制器在節(jié)流閥12下游即體積14處的被調(diào)節(jié)壓力被觀察到比被選定壓力PO有一個(gè)下降67。
參看圖2可很好解釋該下降的原因，圖2是壓力比較器22的控制體積24中的控制噴嘴26的放大詳圖。如圖2所示，控制導(dǎo)管16提供一個(gè)控制氣流18，該氣流從噴嘴26中排出而進(jìn)入到控制體積24中。
節(jié)流板48被定位在鄰近控制噴嘴26的位置上以對(duì)從其噴出的氣流進(jìn)行節(jié)流，因而可以維持噴嘴26上游的壓力PM約為供應(yīng)壓力Psup的一半。節(jié)流板48被靜態(tài)壓力PM從噴嘴26處推開(kāi)。這個(gè)力可由噴嘴面積AN和控制噴嘴壓力PM的乘積計(jì)算得出，它足以改變?cè)谄胶饬?2上的力的平衡，這導(dǎo)致流量節(jié)流板從噴嘴26上被推動(dòng)，因此減小了傳動(dòng)控制壓力信號(hào)PM。這個(gè)減小程度隨供應(yīng)壓力增大而增大，因而如圖3所示導(dǎo)致了下降到所希望的被調(diào)節(jié)壓力PO之下的情況。
根據(jù)本發(fā)明的控制器提供了一個(gè)裝置以補(bǔ)償由升高的供應(yīng)壓力而引起的這樣的下降。本發(fā)明提供了一個(gè)安置在控制體積24的出口處的通氣孔70，基本上所有的控制氣流18通過(guò)該通氣孔排放到周圍環(huán)境中。通過(guò)適當(dāng)確定通氣孔70的大小，控制體積24中的壓力PCV可以隨著作為供應(yīng)壓力Psup函數(shù)的控制氣流量的增加而增加。因此，在控制體積PVC中被增加的向后壓力PVC在膜片28、30上提供了一個(gè)校正力以推動(dòng)節(jié)流板48向噴嘴26移動(dòng)并減小在節(jié)流板48兩端的壓差，因此維持了在控制導(dǎo)管16中的調(diào)制壓力PM。
圖3所示的結(jié)果性能曲線表示了根據(jù)本發(fā)明的控制器基本上校正了已有技術(shù)控制器所經(jīng)歷的所有下降。對(duì)于所希望的供應(yīng)和周圍壓力Psup、PA適當(dāng)確定通氣孔70的大小將使得根據(jù)本發(fā)明的控制器能把在被調(diào)節(jié)體積14中的被調(diào)節(jié)壓力PREG維持在預(yù)定的壓力PO、甚至在升高的供應(yīng)壓力Psup下。
由根據(jù)本發(fā)明的控制器調(diào)節(jié)的典型供應(yīng)壓力范圍是100到450磅/吋2(690-3100KPa)，而預(yù)定的被調(diào)節(jié)壓力PO大約為100磅/吋2(690KPa)。
本領(lǐng)域的普通專業(yè)技術(shù)人員可以進(jìn)一步知道根據(jù)本發(fā)明的補(bǔ)償裝置不需要重新確定偏轉(zhuǎn)膜片28，30、平衡梁42、或者諸如已有壓力控制器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)50這樣的其它部件的尺寸。因此，根據(jù)本發(fā)明的控制器保持與已有技術(shù)結(jié)構(gòu)一樣的動(dòng)態(tài)響應(yīng)/衰減，并且不需要使用更重或更大的部件以調(diào)節(jié)更高的供應(yīng)和調(diào)制壓力。
對(duì)于本領(lǐng)域的普通專業(yè)技術(shù)人員來(lái)說(shuō)這里所描述和圖示的實(shí)施例只是種種等效實(shí)施例中的一種，這里所說(shuō)明的實(shí)施例僅作為演示本發(fā)明用，不能理解為對(duì)本發(fā)明范圍的限制。
權(quán)利要求
1.一種氣體壓力調(diào)節(jié)器，它具有一個(gè)安置在氣體傳送導(dǎo)管中的控制閥，該閥的上游氣體被供以第一、較高的壓力，該閥的下游氣體被調(diào)節(jié)成第二、較低的壓力，該調(diào)節(jié)器還包括一個(gè)第一控制導(dǎo)管，該導(dǎo)管接受來(lái)自控制閥上游導(dǎo)管的控制流氣體，并且從一個(gè)控制噴嘴把控制氣體排到一個(gè)控制體積中；一個(gè)孔，該孔設(shè)置在第一控制導(dǎo)管中并且其大小應(yīng)使得通過(guò)該孔的氣體控制流處于節(jié)流狀態(tài)；一個(gè)壓差偏轉(zhuǎn)膜片，該膜片具有一個(gè)朝著控制體積內(nèi)部的第一面以及一個(gè)第二面，該第二面通過(guò)一個(gè)第二控制導(dǎo)管與控制閥的下游導(dǎo)管保持氣體聯(lián)通；響應(yīng)于膜片偏轉(zhuǎn)的裝置，該裝置對(duì)控制噴嘴上的氣體控制流進(jìn)行節(jié)流，以及一個(gè)傳動(dòng)導(dǎo)管，該導(dǎo)管在居于一定大小的孔和控制噴嘴中間的一點(diǎn)處被連接到第一控制導(dǎo)管上，該傳動(dòng)導(dǎo)管將一個(gè)調(diào)制控制壓力傳動(dòng)信號(hào)傳到一個(gè)同時(shí)連接到控制閥上的氣動(dòng)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)上；其特征在于，它還包括一個(gè)通氣孔，它設(shè)置在控制體積內(nèi)側(cè)和控制器周圍環(huán)境之間，所說(shuō)的通氣孔將來(lái)自控制體積的整個(gè)氣體控制流排到周圍環(huán)境中，所說(shuō)的通氣孔的大小應(yīng)使得在比較高的控制氣體流期間與周圍靜態(tài)壓力相比較該通氣孔能夠在控制體積內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)升高的靜態(tài)氣壓。
2.一種控制器，它把一個(gè)調(diào)制傳動(dòng)壓力信號(hào)提供到用來(lái)確定安置在一個(gè)導(dǎo)管中的節(jié)流閥位置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)上，因而在節(jié)流閥導(dǎo)管下游靜態(tài)氣壓和周圍氣體靜態(tài)壓力之間保持預(yù)定的壓差，該控制器包括一個(gè)控制噴嘴，它把來(lái)自節(jié)流閥導(dǎo)管上游的控制氣流傳送到控制體積內(nèi)部，其中控制氣體速率由安置在控制噴嘴上游的節(jié)流孔所確定，該節(jié)流孔的大小應(yīng)使得在節(jié)流閥上游氣體靜態(tài)壓力的工作范圍內(nèi)通過(guò)該孔取得節(jié)流狀態(tài)氣流;響應(yīng)于在節(jié)流閥下游導(dǎo)管和控制體積之間的靜態(tài)氣壓差的裝置，該裝置對(duì)從控制噴嘴排出的控制氣體流進(jìn)行節(jié)流，因而噴嘴上游的控制氣壓被調(diào)制;一個(gè)傳動(dòng)控制壓力信號(hào)導(dǎo)管，它提供了在節(jié)流孔和控制噴嘴之間的控制氣流與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的氣體聯(lián)系，這樣被調(diào)制的控制氣體壓力信號(hào)被提供給執(zhí)行機(jī)構(gòu);其特征在于，它還包括通向四周環(huán)境的一定大小的通氣孔，它使控制氣流從控制體積中排出，所說(shuō)的通氣孔有一個(gè)流動(dòng)面積，其大小選擇使得在至少氣體供應(yīng)壓力范圍的較高部分以對(duì)應(yīng)于節(jié)流閥上游氣壓水平的控制氣流速率而在所說(shuō)通氣孔兩端引入一個(gè)壓力降。
3.一種控制器，它把一個(gè)傳動(dòng)控制信號(hào)傳送到一個(gè)確定控制閥位置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)上，該控制閥對(duì)從上游、升高的壓力氣體源到下游、低壓、被調(diào)節(jié)的壓力體積的主氣體流進(jìn)行節(jié)流，其中該控制器包括一個(gè)控制體積，它具有用來(lái)在控制體積內(nèi)部和控制器的周圍環(huán)境之間建立氣體聯(lián)系的一個(gè)通氣孔;一個(gè)控制噴嘴，它接受來(lái)自第一控制導(dǎo)管的控制氣流，第一控制導(dǎo)管適于在控制閥上游的某一點(diǎn)處接受來(lái)自主氣體流的控制氣流;響應(yīng)于在第一和第二入口之間的靜態(tài)壓差的裝置，該裝置對(duì)在控制噴嘴處的控制氣流進(jìn)行節(jié)流，節(jié)流裝置的第一入口靜態(tài)壓力與控制體積中的靜態(tài)壓力相等，而節(jié)流裝置的第二入口靜態(tài)壓力與被調(diào)節(jié)的下游體積中的靜態(tài)壓力相等，其中第一控制導(dǎo)管包括用來(lái)建立節(jié)流狀態(tài)氣流的一個(gè)第一孔以及一個(gè)在第一孔和控制噴嘴中間處連接到第一控制導(dǎo)管上的傳動(dòng)導(dǎo)管，該傳動(dòng)導(dǎo)管還連接到控制閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)上，其中控制體積通氣孔包括一個(gè)第二孔，該孔大小應(yīng)使得對(duì)從控制體積排出的控制氣流進(jìn)行節(jié)流，第二孔的大小還應(yīng)使得在升高的控制流速率下達(dá)到一個(gè)升高的控制體積內(nèi)部的靜態(tài)壓力。
全文摘要
一種氣動(dòng)壓力控制器包括一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(50)以及調(diào)節(jié)氣流(10)的一個(gè)節(jié)流閥(12)。一個(gè)壓力比較器(22)為控制器(50)提供一個(gè)調(diào)制了的壓力信號(hào)(58)。該壓力比較器(22)包括一個(gè)補(bǔ)償升高的供應(yīng)壓力(Psup)的出口孔(70)。
文檔編號(hào)G05D16/16GK1065344SQ9110247
公開(kāi)日1992年10月14日 申請(qǐng)日期1991年3月25日 優(yōu)先權(quán)日1991年3月25日
發(fā)明者R·B·古德曼 申請(qǐng)人:聯(lián)合工藝公司