一种PSI级脉冲气体发生器的设计

亢红波，魏燕

（1.长安大学 电子与控制工程学院，西安，710064；2.西安邮电大学 自动化学院，西安，710121；3.西北勘测设计研究所有限公司 光电分院，西安，710065）

压力检测是工业生产中主要的参数检测手段之一，从对象上可分为静态压力检测与动态压力检测，有些工业条件下，动态压力检测更能反映被测对象的本质特征。

动态压力检测传感器一般采用压电式传感器，其工作原理基于压电效应，对于动态变化的压力产生与之相应的电荷变化。压电式仪器，设备的设计、调试、校准、定标等环节，需要符合要求的动态压力源作为被测对象，尤其对于精密仪器的小压力检测，则需要精度与之匹配的压力源模型。本文所设计的气体压力发生器可产生PSI级小压力脉冲气体，其输出压力与频率可调，可很好地作为上述研究的被测对象，且其便携式特征使其能更好地应用于生产现 场［1－3］。

1 系统结构及原理

根据发生器的应用特点，脉冲气体发生器将以箱体形式进行封装，这样就保证了其便携性。封装的体积以系统设计体积为依据，同时兼顾抗震性与密闭性（尤其箱体下部）。系统设计包含了相关的机械、气路与电路设计。其中机械部分主要包括了电路装置、气路元件及其他外围元件的布局、固定、连接、改造等，文章将不再赘述。系统的结构与原理如图1所示。

图1 系统结构原理示意

1.1 电 源

脉冲发生器长时间工作需要消耗较多的能量，所以设计时主要以220V交流供电为主，同时配备锂电池组以支持较短时间移动性测试。在没有220V（AC）电源时，可直接采用电池组供电。电池组额定电压输出36V，其输出最大电流为3A。

当交流电接通时，经AC／DC初级变换为直流38V，分为2个支路，1路经功率二极管直接给锂电池组进行充电，并进行显示，可以确定电池组的充电情况；另一路则作为系统控制板及电路元件的直流电源输入，同时，电路系统可直接选用锂电池作为电源。气体发生器中气路元件电路器件的电源则由控制板供给，38V直流电流在控制板上进行二次及三次变换，送至对应的元器件。

1.2 气流回路

气体发生器主要是产生压力可调、频率可变的气流。气路的工作原理（可参考图1气路部分）：空气压缩装置工作产生压缩气体，压缩气体经三通装置1路进入缓冲装置，另一路进入压力判断装置。显然，空气压缩装置、压力判断装置及缓冲装置三者的压力是相同的。在缓冲装置中完成压缩气体的存储，当气体存储量越大，则输出气流压力越稳定。压力判断装置的本质为气压开关，即用空气压力来控制串入电路的机械开关，如常闭触点。空气压缩装置给缓冲装置充气，缓冲装置与压力判断装置中气体压力逐渐增大，当到达压力判断装置所设定的上限值时，将使串入空气压缩装置电源回路的常闭触点断开，电源回路断开，切断空气压缩机电源，停止其工作，从而保持当前压力。当缓冲装置压力下降时，常闭触点恢复导通，电源回路闭合，重启压缩机。空气压缩装置压力上限设置必须远大于发生器满量程压力。缓冲装置中的气体流向调节装置，可对输出气流的压力大小进行调节，调节后的气流再通过另一个三通装置分别与气流控制装置、压力指示装置相连。气流控制装置则可以把连续气流变为频率可变的脉冲气体，其频率信号由控制板输出，压力指示装置则对实时的气流输出进行检测与显示［4－5］。

1.3 控制板

控制板是气体发生器的控制核心，其功能有三个：为各级元器件（包括气动元件）供电；输出高精度脉冲信号；实现相关的接口功能扩展。

2 设备的集成与设计

2.1 气动元件

各气路装置由其核心元件组成。为了保证设备的可靠性，核心元件为超标配置。气路工作原理如图2所示。

图2 气路工作原理示意

空气压缩机、空气压力开关、储气瓶、调节阀、压力表、电磁阀等为气路中主要元件。设计中对每个环节参数进行严格控制。器件都配备了直径为4～5mm的气路接口，气路元件之间则通过外径为6mm的PE管连接。

空气压缩机主要产生压缩气体，为间歇式工作方式。流量为3.3L／min，压力可达207kPa（30PSI）。其供电电源为12V，进气口需加滤网。

空气压力开关使储气瓶的压力保持在一定范围之内，选择德国Barksdale公司的，测量满量程为103.5kPa（15PSI），精度可达满量程的2%。空气压力开关本身不需要供电，但其继电器触点可支持高达5A的电流通过。

储气瓶为发生器提供气源，其压力远高于脉冲气体输出，体积为600mL，为三正气动的气缸，承受压力大于1.035MPa（150PSI），容量约600mL。

目前，城市轨道交通应急疏散系统的指挥引导，主要依赖指示标志与标志灯来实施。但该系统存在技术缺陷和条件限制，因此亟需采用更好的技术手段来进行突发事件时的应急疏散指挥与引导，以尽可能减少事件发生时造成的人员伤害。大功率参量阵定向扬声器的技术较为成熟，为解决上述问题提供了有效的技术手段。

调节阀可对通过其的气流压力进行调节，这里主要是减压调节，可精确到0.69kPa（0.1PSI），其最大供气压可达1 725kPa（250PSI）。

压力表主要对输出气流的压力进行指示，其与调节阀输出及电磁阀输入相连。选择德国WIKA公司的611.10.063气体压力指示表，其满量程为34.5kPa（5PSI），精度为0.69kPa（0.1PSI）。

电磁阀可把连续气流转换为脉冲气流，通过外部脉冲方波控制电磁阀的通断，以取得脉冲气流，因为涉及机械动作，频率不应很高，其能承受172.5kPa（25PSI）以上的压力，电磁阀动作的延时为毫秒级，二线制控制，控制电压为12V。

固定辅件可与检测体（待检测的微压测量设备）之间形成一个密闭气室，以保证检测体能充分感知气体变化，固定辅件因检测对象不同而设计不同，在变频气体输出时，需注意密闭气室和输气回路容积不能过大，以减小传输压力损失。本例中，检测体为管状体，电磁阀直接安装于固定辅件中，气流输出孔径约1mm。

2.2 控制板

220V（AC）电源经初级转换后为38V（DC），作为控制板的电源输入，控制板对其进行了二级转换，分别输出12V与5V，其中12V可作为相关器件如电流表、频率表等的供电电源；5V为控制板主电路供电。电源转换电路如图3所示。

图3 电源转换电路示意

图3中二极管并联用于降低输入电压，使电源芯片工作于可靠的工作区内，与地并联的电容主要功能：去除电源中的纹波，消除电路中的高频波，从而使电源输出更为纯净稳定。

工作时，频率选择可采用多路旋钮开关，旋钮开关接通了与之对应的电阻链，即改变了SE555外围电阻比率，从而能产生不同频率的初级方波信号，而对每一路方波信号频率的微调则可以通过链路上滑变调节实现。初级方波又经过了两级CD4017，实现二级分频，分频后的信号分别输出到电磁阀与频率表指示端，频率分别有0.5Hz，1Hz，2Hz，5Hz等选择项。脉冲信号发生电路如图4所示。

图4 脉冲发生电路示意

为了方便进行测试，系统集成了信道的电平转换单元，即把TTL信号转换为RS－232／RS－485输出，为测试信号的远传提供了支持。

TTL信号通过SP232与SP485芯片进行电平转换，其中，SP485为半双工收发器。输出线路中所接对地电容可去除高频干扰，二极管具有限幅作用。特别在SP485线路设计中，还采用了上拉与下拉电阻，其具有电平匹配、限制电流、提高驱动力等作用，以保证信号可靠传输，同时，AB之间还并接了1个120Ω终端电阻，减少线路上传输信号的反射。

此外，除相应的旋钮开关、拨档开关、插接件之外，系统还需相应的电压表、电流表及频率表。频率表对所检测方波能计算出频率，不需要对信号进行特别的数字处理。

3 结 论

用标准压力测试装置对设计的脉冲气体发生器进行测量，当设置压力为5.52kPa（0.8PSI），频率为5Hz时，以1kHz的频率对脉冲气体进行采样，响应压力拟合曲线如图5所示。

图5 脉冲气体发生器响应曲线

虽然控制信号为方波，但由检测可以发现，脉冲气体压力输出为类正弦波形，上升较慢，但下降较快，当控制频率不同时，其波形也会发生细小差异，当气路参数变化时，根据伯努利方程，也会产生差异，但对于动态测压设备来说，这种差异不会改变信号的本质，对结果也无实质性影响，尤其对于有些现场设备（如测井压力开关）来说这种差异可以忽略不计［7］。

所设计的PSI级脉冲气体发生器为一种便携式压力辅助检测装置，它可为微压检测设备提供具有可变信号特征的压力信号，这对于压力压电类检测设备的前期设计调试，后期的维护检修都有很重要的辅助意义。用定标后的压电元件进行测试，脉冲气体发生器完全能实现所设计的指标。设计构成简洁，精度高，符合测试领域软性测试的技术趋势，具有很强的应用及推广价值。

［1］赵英男，许建新，赵越.测量压力脉动的动态压力传感器的标定方法［J］.电站系统工程，2010（02）：61－62.

［2］方继明，张训文.压力传感器瞬态响应与稳态响应差异的同频校准法［J］.测试技术学报，2012（32）：19－22.

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［6］韩华.555定时电路的原理及应用［J］.自动化与仪器仪表，2010，5（05）：51－52.

［7］计量测试学会.压力测量不确定度评定［M］.北京：中国计量出版社，2006.