智能阀门定位器中的压电阀门式IP转换单元.doc

智能阀门定位器中的压电阀门式I/P转换单元 标题：智能阀门定位器中的压电阀门式I/P转换单元 作者：钟盛辉 刘渝新 来源：互联网 引言 阀门定位器是气动调节阀来配套产品，长期以来历产的阀门定位器是使用模拟信号和力平衡原理方法实现的。近年来，由于电子技术的发展，国外多家推出了智能阀门定位器，因为其控制精度高、可靠性好、抗振性好、调试方便、流量特性可在线修改、可远程通迅等优越性能，深受用户的青睐。我公司经过多年攻关，研制出HVP型智能阀门定位器，该产品由CPU模板、阀门电流反馈模板、HART通迅模板、报警模板、显示模板、精密位置传感器和I/P转换单元组成。 I/P转换单元是阀门定位器重要的关键部件之一，其可控性、抗振动性、耗电量、耗气量指标都将直接影响整机性能，设计出优良的I/P转换单元是实现阀门定位器智能化的很重要步骤之一。 1 I/P转换单元的类型 I/P转换单元主要作用是电信号变成气动信号，通过放大喷嘴的背压和流量控制，使其具有足够的功率去操作气动调节阀。I/P转换单元的种类可按空气消耗量分为：耗气式和不耗气式两种结构。其中由于不耗气式I/P转换单元的耗气时小，气源压力易于稳定，压力放大倍数小，改善振荡现象，因此，不耗气式的I/P转换单元常常用于阀门定位器设计中。 I/P转换单元按结构形式可分为：线圈喷嘴挡板式、线圈滑阀式和压电阀式三种结构。由于线圈喷嘴挡板式I/P转换单元扫结构简单、制造方便、成本低，因此，传统阀门定位器中的I/P转换单元绝大爽数采用这种结构方式。线圈滑阀式主要在电磁阀中采用，压电阀式的I/P转换单元，最早出现是在二十世纪90年代西门子公司推出的SIPARTPS智能阀门定位器中，因其具有高抗振动性、高可靠性、低功耗、低耗气量和能够接受较高频率的控制信号等特点，非常适合智能阀门定位器对I/P转换单元的性能要求。 2 压电阀工作原理和技术指标 （1）工作原理 压电阀实际是利用功能陶瓷片奄压作用下产生弯曲变形原理制成的一种两位式（或比例式）控制阀。控制压电阀动作只需提供足够的电压，电功耗几乎为零。其动作原理：压电阀的初始状态（不通电，如图1所示），功能陶瓷片作用在喷嘴口1上，这时，口2与喷嘴3与先导腔连通，形成为一个整体。当压电阀接通电源时（如图2所示），功能陶瓷片变形向上翘，把喷嘴口3压住，使得口2与喷嘴口1连通。 （2）技术指标 1）操作电压：240V DC 2）额定工作压力：120Kpa 3）额定空气流量：1.5L/min 4）泄漏：0.10 L/min 5）电容：100nF 6）能量消耗：0W 7）工作温度：30+80 8）交换时间：2ms 9）介质：空气 10）重量：6g 3 结构原理 压电阀在I/P转换单元中起先导的作用，每个I/P转换单元同时应用两个压电阀，压电阀控制I/P转换单元的输出（也称进气阀），压电阀控制I/P转换单元排气（也称排气阀），其工作原理如图3所示。 对于压电阀由于导压（即先导腔室中的气压力）太小，不具有产生气流的能力，所以必须增压。增压是在伺服部分完成，它的作用犹如气动断电器。伺服部分在先导腔室一侧有一个面积较大膜片，在输出及排气腔室一侧有一个面积较小的面。当导压达到120KPa时，施加在先导腔室一侧膜片上的力，大于作用在输出及排气腔室另一侧面上的力，这将迫使移动阀芯与排气腔室一侧面上的气压将大于导压，从而达到增压的目的。 当控制电路接通电源后,压电阀上无电压,压电阀加电压控制,气源KPa进入压电阀的先导腔室中,形成120KPa左右的气压力，导压推动排气阀芯向下移动，把排气口关闭。这时如果控制电路发出输出气压力的脉冲，压电阀则保持上电状态，压电阀加控制电压，功能陶瓷片弯曲，陶瓷片堵住压电阀喷嘴口3，气源P2通过喷嘴口1进入压电阀导压腔室，形成120KPa左右的气压力，推动移动阀芯向下移动，气源P1通过进气口进入到气动调节阀的膜室中，驱动气动调节阀进行位置调节，当到达设定位置时，压电阀的电压变为零，其导压腔室气压变为0KPa，复位弹簧推动移动阀芯关闭输出口，气动调节阀膜室中的气压力就会保持在相对恒定压力下。当要减小气动调节阀膜室中的气压力时，压电阀控制电压为零，压电阀控制电压也为零，其导压腔室的气压也变为0KPa，排气阀芯在排气弹簧的作用下，打开排气口排气，达到膜室减压的目的。这样不断地对压电阀、的控制，I/P转换单元不断地输出气压力和排气，从而驱动气动调节阀对流过阀体的介质进行流量调节。 4 电路控制原理 压电阀可采on/off位式控制方法，控制电路较简，采用电子开关就可实现。基本原理图见图4。控制开关K1、K2、K3采用单刀双投开关，K1控制进气阀，K2控制排气阀，K3与K1、K2配合可使压电含辛茹苦两端产生反向电压，使压电阀非通电状态下关闭更可靠。控制状态有三种：a保持状态，些时可维持气动执行吕的当前阀位；b进气状态，改变当关阀位；c排气状态，阀位复位。 5 调压装置 由于标准电阀的额定压力为120KPa，而使阀门定位器正常工作的气源压力一般在140500KPa之间，因此，进入压电阀的操作压力必须通过减压达到其额定压力，才能正常工作。目前，空气过滤减夺主器的减压结构体积大、重量也不轻，若把此结构用来调节压电阀的工作压力，势必使I/P转换单元体积和重量都增加，不利于实际应用。在压电阀式I/P转换单元中采用了如图所示的调压结构，其主要特点：体积小（只有常规减压器的十分之一），调节范围广（0800KPa），输出稳定等。 压缩空气Ps经入口通过钢球与阀座盘之间的间隙流入膜片下方与给定弹簧片的力相平衡，使出口压力P保持在所需值而稳定不变。当顺时针方向旋转调节螺钉，出口压力P增加。反之，出口压力P下降。在工作中输入压力PS发生变化，出口压力P几乎不受影响这是因为：当Ps增加，作用在膜片下方的压力增加，推动过渡盘向上移动，复位弹簧推动钢球向上移动，使其与阀座盘之间的间隙减小，输出口的压力P将保持不变。根据减压阀理论，调节特性与膜片有效受压面积A1，和阀通口有效面积A2有关： P2/P11/（A1/A2-1） P1：进口压力变化，P出口压力变化； 如果进口压力在140800KPa之间变化，压力变化量：P1800-140660KPa，若出口压力变化值为：P25KPa则根据上述公式可计算出A1、A2的比值。 A1/A2P1/P2+16605+1133 如果膜片有效受压面积和阀通口有效面积比较值大于133，进口压力在140800KPa之间变化时可使出口压力变化小于KPa。 6 压电阀式I/P转换单元的优点 ()大大提高了I/JP转换单元的抗振动性 传统力平衡式阀门定位器在工作中，挡板与喷嘴间始终保持一段微小的距离，当阀门定位器安装在振动较大的环境，挡板位置就易左右摆动，导致阀门定位器输出不稳定。从图1、2中可看出，双陶瓷片在压电阀先导腔中，只有两个固定位置，一种是作用在口1表面上，另一种是作用在口3表面上，这就从原理上消除了因外界振动而引起双陶瓷摆动；另外，也省掉了采用机械力平衡式的许多零件，其可动零件数就大大减少，从而提高了I/P转换单元的抗振动性。 ()低功耗、低耗气量，使定位器运行成本降低 智能定位器采用两线制工作方式，控制室送给阀门定位器的420mA阀位信号能量有限，它既工满足电路中各种元器件正常工作，又要能驱动I/P转换单元，所以设计中各个部件电功耗都必须严格控制。压电阀是功能陶瓷片制成，供给一定的电压就能工作，几乎不消耗电流。选用压电阀作为I/P转换单元控制元件，降低了整机的功耗。 当调节阀处于相对稳定的调控位置时，进气阀的进气口是关闭的，排气阀的排气口也是关闭，使得气动调节阀膜室的气体容量在一段时间内是静态的，没有空气消耗。传统阀门定位器在气动调节阀达到某一稳定值时，进气口始终有空气供给，排气口始终有空气排出，只是供气量与排气量相等而已。 ()结构精巧 采用了压电控制技术的转换单元，体积大大缩小，转换外形尺寸只有mmX45mmX63mm大小。 ()使整机可靠性更高 由于功能陶瓷片在使用中几乎不磨损，且动作寿命高尚风格达数十亿次，在产品使用中不会因为压电阀的损坏，导致产品出现故障。在使用了压电阀的智能阀门定位器中，最小节流孔径都在0.6mm以上，且压缩空气在通过节流孔这前，先经过微型过渡器过渡，从结构上就决定了整机产品不会堵塞（传统产品的气阻节流孔径只有0.3mm，该孔经常被杂质堵塞）。 总之，在智能阀门定位器中应用压电控制技术，克服了传统阀门定位器无法克服的问题，也使阀门定位器产品上了一个新台阶，为成套控制系统中的气动调节阀提供了一项新的控制选择。 压电阀在智能阀门定位器中的应用 1、 压电效应的应用 压电晶体是一种电能和机械能可逆转换的陶瓷功能材料，它既可以将机械能转化为电能，也可以将电能转化为机械能。 压电晶体受到外力挤压时，除产生机械变形外，在晶体的表面产生与挤压力成比例的电荷，通过电荷放大器可以把电荷转化为相应的电压输出，用来制造成压电力传感器、超声波接受器等。 同样在压电晶体上施加电场，压电晶体的外型尺寸也会发生微小的变化，这种现象称为电致伸缩现象，由于其机械变形是由电场产生的，而且压电晶体的内阻非常大，几乎不消耗能量，可制造小型化、低功耗元件如蜂鸣器、超声波发生器、压电阀等。2、 先导压电阀P9 HOERBIGER-ORIGA先导压电阀片P9（图1）通过压电薄片工作，其结构为极薄弹性金属片两面粘结压电晶体，在压电片的两个工作面上真空镀膜形成两个电极。图1 P9工作原理示意图 不通电时压缩空气输入孔1封闭，输出孔2和大气孔3相通，输出气压为0；通电时上层晶体收缩，下层晶体伸长，产生杠杆效应，使机械变形可扩大到几十微米，大气孔3封闭，压缩空气由孔1流向孔2，产生输出气压信号，压电片弯曲的程度随输入电压的大小变化而变化，所以先导压电阀P9可作为开关或比例阀使用。电压压力输出曲线见图2，先导压电阀响应时间小于2mS。图2 P9压力-电压曲线图3、 压电开关阀P20 HOERBIGER-ORIGA压电开关阀P20（图3）由先导压电阀片P9、开关功率放大器、微型减压阀和30m的过滤器组成2位3通阀。 工作电压：24VDC工作电流：10A维持电流：0A响应时间：20mS (达到10%或90%的压力)电 容：100nF工作气压：1.2-8.0Bar流 量：130 L/Min(From 6 to 5 Bar)工作温度：-30+60度图3 P20工作原理示意图4、压电智能阀门定位器气路结构 压电智能阀门定位器气路上采用两个P20压电阀（PV1、PV2）和两个单向阀（RV1、RV2）组成非常简单的控制气路，如图4。 智能阀门定位器共有3种气路逻辑状态。 PV1PV2RV1RV2调节阀ONON打开关闭进气OFFON关闭关闭保持OFFOFF关闭打开排气 当执行机构有少量泄漏或阀门管道压力突然变化引起阀位波动时，智能定位器马上由保持状态切换到脉冲工作状态，由于P20的响应时间可以到20mS，进气或排气压电阀可以将进气或排气量控制到最小（近似为0），保证阀位的扰动控制在1%误差范围内。图4 气路结构示意图5、压电智能阀门定位器控制模式 压电智能阀门定位器采用脉宽调制工作方式PWM(Pulse Width Modulation)驱动压电阀。当控制偏差很大时，定位器输出连续信号；当偏差不大时，输出脉冲信号；当偏差很小时，输出更小的脉冲信号；当偏差达到阀门控制精度范围，没有控制指令输出，保持定位。6、压电智能阀门定位器特点 由于核心气动元件是压电材料结构，其可活动部件少、体积小、极低功耗、输出气流量可以从0到130L/Min连续变化，压电智能阀门定位器有许多优点。控制精度高、速度快：进气或排气的最小流量几乎可以为0，很容易将控制阀调节到1%或更高的精度，在 25行程3Bar压力的调节阀，开关速度可控制2S以内。耗气量低、抗震动：阀门定位