Модернизация системы регулирования давления в кабине для моделирования условий низкого давления при проверке радиозондов.

Модернизация системы регулирования давления в кабине для моделирования условий низкого давления при проверке радиозондов.

Аннотация: В данной статье рассматривается проблема низкой точности и стабильности управления системой регулирования давления в камере имитации низкотемпературной среды, используемой для проверки радиозондов, а также неточная конфигурация датчиков давления и систем управления. Предложены требования к модернизации и преобразованию системы. Представлена схема реализации системы регулирования давления нового поколения для камеры имитации низкотемпературной среды, использующая двухсторонний режим управления, и проведены испытания по проверке схемы. Результаты испытаний показывают значительное улучшение точности и стабильности управления.

1. Вопрос

Одним из важных методов калибровки радиозонда является тестирование на земле кабины, имитирующей условия низкого давления. Конструкция используемой кабины, имитирующей условия низкого давления, показана на рисунке 1.

Проблема заключается в значительных колебаниях давления при использовании этой камеры для моделирования условий низкого давления. Чем ближе давление к 1 атмосфере, тем больше колебания. Анализ показывает, что это в основном вызвано следующими причинами:

(1) Выбор датчика давления неточен. Доля погрешности датчика в полном диапазоне давления неодинакова, что показывает, что колебания велики, когда они близки к 1 атмосфере, и малы, когда они далеки от 1 атмосферы. В реальном мире все эти проблемы существуют. Большие колебания, но датчик давления имеет наивысшую точность вблизи 1 атмосферы, а погрешность датчика давления полностью охватывает диапазон колебаний давления на расстоянии от 1 атмосферы. На самом деле, в целом наблюдаются большие колебания, но датчик давления имеет наивысшую точность вблизи 1 атмосферы, а погрешность датчика давления полностью охватывает диапазон колебаний давления на расстоянии от 1 атмосферы.

(2) Регулирование давления осуществляется в режиме переключающего управления. Вакуумный насос и электромагнитный клапан открываются или закрываются одновременно в зависимости от заданного значения давления. Хотя в качестве буфера используется резервуар для хранения газа, в этом полуавтоматическом режиме управления трудно достичь точного и постоянного давления.

(3) Контроллер не использует метод автоматического управления ПИД-регулятора, что также является основной причиной снижения точности регулирования давления. На основе вышеизложенного анализа, сосредоточившись на проблемах низкой точности и стабильности системы регулирования давления с использованием камеры имитации низкого давления для калибровки звукового оборудования предыдущего поколения, а также на неточной конфигурации датчика давления и системы управления, пользователи предложили требования к модернизации и преобразованию. В данной статье будет представлена схема реализации системы регулирования давления нового поколения с использованием камеры имитации низкого давления. Предлагается использовать двунаправленный режим управления, и будет проведено тестирование схемы, которое докажет, что точность и стабильность регулирования могут быть значительно улучшены.

2. Модернизация и усовершенствование системы регулирования давления с использованием электрических игольчатых клапанов серии FC.

Диапазон абсолютного давления в камере имитации низкого давления для проверки зонда составляет 1–760 торр. Необходимо, чтобы давление в камере имитации поддерживалось точно и постоянно в любой заданной точке в этом диапазоне, и чтобы его можно было регулировать в соответствии с заданной скоростью изменения давления. По этой причине конкретная схема модернизации заключается в сохранении вакуумного насоса и вакуумного электромагнитного клапана на основе оригинальной системы управления давлением, замене датчика давления и контроллера, удалении резервуара для накопления энергии и увеличении количества воздухозаборных и выпускных клапанов с числовым программным управлением. Конкретная схема выглядит следующим образом:

(1) Для измерения всего диапазона низкого давления используются емкостные манометры с диапазонами 10 торр и 1000 торр, что обеспечивает точность измерения во всем диапазоне.

(2) Для обеспечения точности измерения емкостного манометра и точности управления используется высокоточный ПИД-регулятор вакуумного давления.

(3) Установите электрический игольчатый клапан на входном и выходном отверстиях вакуумной камеры соответственно. Электрический игольчатый клапан устанавливается непосредственно на входном отверстии.

(4) Режим управления использует соответственно режимы «входа» и «выхода». Режим «входа» используется для регулирования давления воздуха ниже 10 торр, а режим «выхода» — для регулирования давления воздуха в диапазоне 10–760 торр с помощью электрического игольчатого клапана Kao Lu ( https://ru.kaolu-co.com/proportional-flow-control-valve.htm ).

(5) Как показано на рисунке 2, в режиме "вверх по потоку" давление на входе и расход на выходе остаются постоянными, а давление в камере регулируется путем изменения расхода на входе.

(6) Как показано на рисунке 3, в режиме "нижний поток" необходимо поддерживать постоянное давление на входе и расход на входе, а также регулировать давление в камере путем регулирования расхода выхлопных газов.

3. Сертификационные испытания схемы

Для двух описанных выше режимов управления для проведения оценочных испытаний использовались два емкостных манометра с рабочим давлением 1 торр и 1000 торр, электрический игольчатый клапан и 24-битный высокоточный контроллер давления. Внутреннее пространство вакуумной камеры, используемой для испытаний, составляло 400×400×500 мм; испытательное устройство показано на рисунках 4 и 5.

В ходе испытаний в режиме работы на входе вакуумный насос сначала включался, а затем работал на полной скорости. Затем параметры ПИД-регулятора автоматически настраивались примерно на 68 Па. После завершения автоматической настройки контролировались 8 заданных значений: 12, 27, 40, 53, 67, 80, 93 и 107 Па соответственно. Изменения давления воздуха в течение всего процесса управления показаны на рисунке 6. В ходе испытаний в режиме работы на выходе вакуумный насос сначала включался, а затем работал на полной скорости, а электрический игольчатый клапан воздухозаборника регулировался в положение микровхода. Затем параметры ПИД-регулятора автоматически настраивались примерно на 300 Торр. После завершения автоматической настройки контролировались 5 заданных значений: 70, 200, 300, 450 и 600 Торр соответственно. Изменения давления воздуха в течение всего процесса управления показаны на рисунке 7.

Выразив вышеуказанные эффекты управления в различных точках низкого давления в виде коэффициента флуктуаций, получаем распределение коэффициента флуктуаций во всем диапазоне, показанное на рисунках 8 и 9. Из диаграммы распределения коэффициента флуктуаций видно, что коэффициент флуктуаций может точно контролироваться в пределах ±1% во всем диапазоне низкого давления. Большие флуктуации при 12 Па обусловлены тем, что параметры ПИД-регулятора, полученные путем самонастройки при 68 Па, недействительны, и требуется отдельная самонастройка параметров ПИД-регулятора.

Как видно из приведенных выше результатов испытаний, электрический игольчатый клапан позволяет более чем в пять раз повысить точность и стабильность регулирования давления, а также значительно улучшить уровень автоматизации и надежность камеры моделирования низкотемпературной среды. Для получения дополнительной информации о представленном электрическом игольчатом клапане посетите веб-сайт : https://www.genndih.com/proportional-flow-control-valve/miniature-proportional-valve-0-32L-min.html