自力式微压控制器的研制和应用

摘  要： 自力式微压控制器是为高精确度、小量程压力测量传感器能够在承受高压的设备上进行低压在线测量而研制的一种新型控制装置。此控制器采用调节弹簧和缓冲弹簧以及膜片式传感机构与低摩擦力的切断阀组合，实现了在最高压力达20MPa的设备上自动切断或打开的功能。实验及试用结果表明，自力式微压控制器使用方便、感应精度高、密封效果好，扩大了高精确度、小量程压力仪表的实际使用场合。

    0 引言

    压力测量传感器都具有一定的量程和精确度。通常大量程的压力传感器在测量低压力时，精确度无法保证，而高精确度的低压传感器因量程有限而无法满足大量程的需要，这使得在大压力量程内，高精确度的低压测量难以开展。对此，我们开发了一种自力式微压控制器，将其置于压力传感器连接管路中，利用介质自身压力变化，在介质压力超过压力传感器量程时，自动切断介质与传感器连接管路，避免压力传感器由于超压而破坏；当介质压力回到压力传感器量程内后，自动打开与传感器连接管路，传感器即可恢复测量工作。

    自力式微压控制器的运用可以扩展高精确度低压仪表的实际使用场合，即让量程为0～0.1MPa的压力仪表能使用在压力高达20MPa的设备上，从而改变了我国没有大压力（0～20MPa）背压下进行低压力（0～0.1MPa）控制与切断调节器的局面。自力式微压控制器目前已申请国家发明专利（申请号为2010 102 254 68.2）。

    1 工作原理

    自力式微压控制器部分结构和强度等是参考相关的阀门标准设计与制造的，如GB 12224-2005、GB8105-1987等。控制器由控制器和切断阀两部分构成，特征在于控制器由支架座、端盖与推杆、固定连接的托盘和压盘以及安置在托盘下的旋转弹簧座构成。

    旋转弹簧座上设有调节弹簧，压盘和托盘之间设有膜片和O型密封圈，切断阀阀杆与推杆由一连接套组合在一起，连接套上设有缓冲弹簧。切断阀由阀体、O型圈密封、压套、压环和阀杆Stem组成。

    流体介质分两路同时进入切断阀进口和控制器膜片上腔。当流体介质压力小于控制器设定的切断压力时，控制器和切断阀均不动作，流入切断阀的介质经过阀座由阀门出口流出。当流体介质内压大于控制器设定的切断压力后，介质在控制器的上腔内对膜片所产生的作用力大于调节弹簧的预压缩力，而小于缓冲弹簧预压缩力，膜片带动托盘和推杆压缩调节弹簧向下位移，直到与推杆相连的阀杆达到关闭位置。随着介质的压力继续增大，作用在膜片上的作用力也继续增大，当作用力大于调节弹簧和缓冲弹簧预压缩力时，膜片带动推杆、调节弹簧和缓冲弹簧一起向下位移。推杆的位移是在连接套内，不带动阀杆做动作，直到膜片的托盘到位。此后，控制器内压力继续增大至20MPa，但膜片已完全贴合控制器下腔不做动作。切断阀的阀杆对阀座密封O型圈的密封力为调节弹簧和缓冲弹簧的全行程压缩力。

    2 结构设计特点

    同现有的其他自力式阀门结构相比，自力式微压控制器在阀杆和连接膜片的推杆之间增加了一条预紧弹簧，即缓冲弹簧。此弹簧设计的预压缩力大于调节弹簧全行程的作用力，即阀杆在做全行程内动作时，缓冲弹簧没有位移。当阀杆达到关闭位置后，膜片带动缓冲弹簧有一段缓冲行程，直到膜片贴合控制器下腔，既保证了膜片贴合控制器下腔后腔内压力继续增加，膜片不受拉力，同时又保证了阀门有一定的密封力。此设计确保了膜片在高压下不受破坏，从而使自力式微压控制器能够承受20MPa的背压。

    阀杆与推杆的连接通过一连接套相连，使得阀杆行程方便调整，设定压力（0～0.1MPa）可以通过旋转弹簧座随意调整，调试方便。

    膜片比一般的气动阀门橡胶膜片更薄，上下用一金属片夹住，并在膜片下方增加了一条缓冲O型圈，防止介质压力突然增大时膜片向下运动造成的碰撞。切断阀使用橡胶O型圈密封，此密封圈的摩擦力比传统的填料密封圈小，大大提高了自力式微压控制器的调节灵敏度。自力式微压控制器可拆分为两个部分，便于维修更换O型圈和膜片。

    3 应用实例介绍

    自力式微压控制器的最大特点是不需要任何外加能源，仅利用被调介质自身压力变化就可实现自动切断。压力设定值在运行中可随意调整，采用快开流量特性，动作灵敏，密封性好，满足各种工业设备中用气体介质自动切断控制的需要，尤其适用于高精确度、小量程的压力仪表（0～0.1MPa）在大压力范围（0～20MPa）内测量高精确度的低压力值。广泛使用于国民经济各个领域的快开门式压力容器，小到日常生活中的压力煮饭锅，大到航天飞船上的进出口。

    为了防止因快开门盖未完全关闭就升压或设备中的压力没有释放完全就开启门盖而造成的安全事故，快开门式压力容器必须具有安全联锁功能。要做到安全地开启或闭合快开门式压力容器，安全联锁功能必须使得压力容器内的压力值在非常接近零时才能启闭快开门盖（目前大量的快开门式压力容器安全联锁功能的动作压力值在0～0.03MPa之间）。而压力容器自带的压力仪表只满足其工作压力的量程和精确度（通常工作压力在0～15MPa间），无法对安全联锁功能的动作压力值进行测定与判断。若使用高精确度小量程的压力仪表，则因为量程无法满足压力容器的实际工作压力，也无法安装使用。

    为此，我们将自力式微压控制器与快开门式压力容器安全联锁功能测试仪（压力量程0～0.1MPa、显示分辨率10Pa）进行组合安装，把自力式微压控制器安装在快开门式压力容器安全联锁功能测试仪的压力进口前，使容器压力经过自力式微压控制器后再进入测试仪。    这样当介质压力小于控制器设定切断压力时（设定值为0.05MPa），控制器没有动作，流入切断阀的介质经过阀座由阀门出口流出，通过快开门式压力容器安全联锁功能测试仪，可显示并记录安全联锁的动作压力值。当介质内压大于控制器设定切断压力后，控制器自行动作关闭切断阀，使得快开门式压力容器安全联锁功能测试仪不会有超压的危险。当介质压力回到控制器设定切断压力后，切断阀自行开启，快开门式压力容器安全联锁功能测试仪又可显示并记录安全联锁的动作压力值。

    通过使用自力式微压控制器，可保持压力始终在快开门式压力容器安全联锁功能测试仪压力传感器的测量范围内，实现了快开门式压力容器安全联锁功能的实时在线检测与记录，填补了国内在这方面的空白。

    4 结束语

    实践表明，自力式微压控制器的功能满足设计要求。样品经国家泵阀产品质量监督检验中心检验，所检项目中阀门关闭动作压力、阀门开启动作压力、正向气体密封试验和壳体试验的检验结果均符合JB/T9092-1999标准的要求。动作寿命试验2830次，阀门动作正常。

    自力式微压控制器整体外形小巧，加工简单，操作维护方便，是高精确度低压传感器在大压力范围内进行高精确度的低压值测量所必须的辅助装置，具有广阔的市场前景。