（机械电子工程专业论文）薄膜电子式电气转换器转换模块与控制系统研究.pdf

摘要 电一气转换器是自控仪表和自控系统中进行信息转换和能量转换的 核心元器件，主要用于电动单元组合仪表与气动单元组合仪表之间的信 号转换，可将4 2 0 m a ( d c ) 电信号转换成l0 12 0 k p a 的压力信号，以便 实现对各种管路阀门等气动装置的自动控制，可广泛应用于石油、化工、 冶金、轻工等部门。在综合分析国内外电一气外转换器相关领域研究现状 后，研制开发了薄膜电子式电一气转换器，具有响应速度快，转换效率高 等特点。 薄膜电子式电一气转换器的转换装置采用全闭环磁路包容喷嘴挡板 结构，实现气路、磁路一体化；以中间有硬芯的平膜片作为挡板，提高 了系统的动态响应特性。膜片在整个转换装置中是唯一可动的元件，对 系统性能影响非常大，本文重点分析膜片的变形特性，受力特点，并以 膜片为中心，将气路特性、磁路特性联系在一起，经过分析，喷嘴挡板 间隙s 和锥体位移三是影响转换模块性能的主要的因素，为进一步优化结构 参数优化、优化工艺参数打下基础。采用的绝对误差意义下的贝叶斯估 计对膜片可靠度进行了初步探讨。 薄膜电子式电一气转换器以闭环比例积分为控制方式，以精密压力传 感器提取反馈信号，利用电量的平衡、比较和调节，实现闭环实时控制， 提高了电气转换器的转换精度、转换速度和转换效率。本文对控制系统 进行系统分析，建立了系统传递函数，从中可以了解系统稳定性、稳态 误差和瞬念响应特性，为下一步进行计算机虚拟调试打下基础。 关键词：转换器；气路；膜片；传递函数；仿真 a b s t r a c t e l e c t r o p n e u m a t i cc o n v e r t e ri s c o r ee l e m e n to fi n f o r m a t i o nt r a n s f o r r na n d e n e r g yt r a n s f o r mi na u t o c o n t r o la n da u t o s y s t e m i ti sm o s t l yu s e di ns i g n a l t r a n s f o r l t lb e t w e e ne l e c t r o m o t i o ne e l la s s e m b l e di n s t r u m e n ta n d p n e u m a t i c m o t i o na s s e m b l e di n s t r u m e n t i t i sa b l et oc o n v e r t4 2 0 m a ( d c ) e l e c t r o s i g n a li n t o 10 - 2 0 0 k p ap r e s s u r e - s i g n a l s oi tc a nr e a l i z et h ea u t o c o n t r o l o fv a r i o u sp i p e l i n ea n dv a l v e i ta b o a r da p p l i e si np e t r o l e u ma n dm e t a l l u r g y l o o k i n gt h r o u g ht h e r e s e a r c hs t a t u si nr e l a t e df i e l dh o m ea n da b r o a d ，t h e m e m b r a n ee l e c t r o p n e u m a t i cc o n v e n e ri s d e v e l o p e d w h i c hl e a d st op r o m p t r e s p o n s ea n dh i g hc o n v e r t i n g r a t i o t h em e m b r a n e e l e c t r o p n e u m a t i c c o n v e r t e r st r a n s f o r l nd e v i c e a d o o t s p n e u m a t i c m a g n e t i cc i r c u i ti n c o r p o r a t e dn o z z l e f l a p p e rs t r u c t u r ew h i c hr e a l i z e t h ei n c o r p o r a t i o no fp n e u m a t i c m a g r m t i c f l a p p e r ，w h i c hi sm a d eo ff i a t m e m b r a n ew i t hr i g i dc e n t e r , e n h a n c e sd y n a m i cr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i co f s y s t e m m e m b r a n e w h i c hi so n l ym o v a b l ee l e m e n ti nw h o l eo ft r a r t s f o r md e v i c e h a s g r e a t l yi n f l u e n c eo fp e r f o r n l a n c e t h i sa r t i c l em o s t l ya n a l y z e st h ed i s t o r t i o na n d s t a n d i n gf o r c eo f m e m b r a n e i ti sb a s eo n t h ec o m b i n e do f p n e u m a t i c m a g n e t i c c i r c u i tw h i c h o p t i m i z es t r u c t u r ea n d t e c h n i c s p a r a m e t e r s c l o s e - l o o pp ia u t o m a t i cc o n t r o la n dt h ea c c u r a t es o l i d s t a t ep r e s s u r es e n s e ， w h i c hi sa b l et od i s t i l lf e e d b a c k s i g n a l a r e u s e di nt h em e m b r a n e e l e c t r o p n e u m a t i cc o n v e r t e r i tc a nu t i l i z ee l e c t r i c i t yt ob a l a n c e ，c o m p a r ea n d a d j u s ts i g n a l t h ec l o s e 1 0 0 p f e e d b a c kr e a lt i m ec o n t r o la c h i e v e st h e h i g h c o n v e r s i o n p r e c i s i o n ，c o n v e r s i o nv e l o c i t y a n dc o n v e r s i o nr a t i o t h i sa r t i c l e e s t a b l i s h e st r a n s f e rf u n c t i o no nt h eb a s eo f a n a l y z i n gc o n t r o ls y s t e m s y s t e m s t a b i l i t y , s t e a d y e r r o ra n dm o m e n tr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i ca r eo b t a i n e df r o m t r a n s f e rf u n c t i o n i t p r o v i d e sf o u n d a t i o no fc o m p u t e r v i r t u a ld e b u g g i n g k e y w o r d s ：c o n v e r t e r ；p n e u m a t i cr o u t e ；m e m b r a n e ；t r a n s f e rf u n c t i o n ；i m i t a t i o n 薄膜电子式电一气转换器转换模块岛控制系统研究 1 。1 电一气转换器综述 第1 章绪论 执行器柱现在生产过程自动化中起着十分重要的作用。它在自动控制系统中接受调 节嚣鑫搴控铡信号，舞韵遣改变揉佟交量，这翔对被诞参数( 籀温度、歪力、滚位) 滋行 调节的目的，使生产过程按预定要求正常进行。自动化技术在石油、化工、冶金、i 钮力 等工业中的疲用极大地促进了人类社会生产力求乎嬲提裹。褥自动化鹣实现主要依靠用 以测量各种工艺参数的传感嚣和变送器、自动化仪器仪表和执行机构等各种自动化的技 术敞备。 按爨镬瓣源鹳形式霸渡发镕号靛不两，这些援零装备瑶教分为电动装置、气秘装 置、液压装鬣和混合式装置椁几大类。其中气动装鬣以气体为资源，具有防火、防爆、 防电磁干扰，没有污染，结构越单，维护方艇，使弼寿余长、抗砖毒性强等突出爨爨， 因此气动装链在国内外工业领域中一直处于优势地彼；而随着电子技术的飞速发展，在 使】f j 低电压、小电流的电信号时，可以在电路结构上采取安全布线、抗干扰镰严密措施， 麸蔼保证垒产疆场静安全经耪可靠橼，露盈魄信号魄气篮信号在藩露处理、溪汤控秘鼓 及通信联络等方面十分方便，因而电动设备得到了广泛的应用【l 】。燎于气动信号自身优 越的安全性，因此大裁分弱爨动纯装鼹在售号采集、数援楚理、镶萤控利、遗售联络等 方丽大量使用电动装置的同时仍采用气动装置作为执行部件。这就骚求在自动化装鬣中 必须进行电信号和气压信号之阃的转换【2 j 。 魄气僖弩转换仪表就是秘完成电信专舞气压信号之闻转换的装置，它楚自动能系 统中不可或缺的信号转换关键设备。电气转换器用以将电流信号转换成气动信号，作 为气动调节瓣、气动耀门宛经嚣等执行器馋豹气动控铡绩譬。邀气转换嚣在鑫动稼过 程控制中的一种应用如图l 1 所示：传感变送器的作用砖检测被控参数，并将艇转 图1 - 1 电气转换器的应用 f i g 。1 - 1a p p l i c a t i o no f e l e c t r o - p n e u m a t i cc o n v e r t e r 化为与参数成一定关系的、调节器能够接受的统一信号。调节器把变送器送来的测掇信 号与绘定售譬送行魄铰，势髭瑟 荨谂蓑僖譬按嚣一定鹃谖繁麓律运簧之爱，输密一个稻 苎壁皇i 壅堂皇堕热量鳖垫塑垫墨型墨婴墨一一 应豹控裁攘号去指撂逄气转按嚣。技行器静 擘霆藏是接受邀一气转换器的控翻信号参与 被控参数的具体调节动作。这里涉及的调节阀，连同阀门定位器部属于执霉亍器的范嗨。 它们控翩的对蒙是气体或液体的流量p j 。 工业生产每动控制( 过程控制) 主藜针对六大参数，鄂温爱、压力、流量、滚链或 物位、成分和物性等参数的控制问遂，覆盖诸如石油、化工、电力、冶金、轻工、纺织、 造纸及医药等备行各鳖。电气转换器怒遗稔控制系统中不可缺少的蘸要组成都分，是 沟通电动仪表与气动仪表之阃的混合应用的转换黟节，还必过程控剑计算极配鞠气动终 端执行器提供便捷的转换通道，因此具有极其重要的地位。 。2 电一气转换器匾内外磷究现状及发震趋势 1 2 1 敏感元件、转换元件的研究现状 敏感元 孛及传感器生产技术，近年来在世界各国得别迅速发展。美国、法国、德阗、 荷兰、俄罗斯、日本等国已实现产业他。我国在磺巷4 敏感元件及传感器方瑟有一定技术 基础，并叠i 研制开发了部分产鼎，主要技术性能指标已达到国际先进水平，但目前尚未 实瑷互、盟托生产。弱薪豹敏感元释奉孝辩涮威静力敏、燕敏、磁敏、气敏、澎敏等敏感元 件，融广泛用予能源、化正、蕊油、自动控镑和零正等各个领域。敏感元睾及转感器技 术的发展趋势怒集成化、微机械化和智就化t 4 i 。敏感元件及传感器技术成为现代信息技 术熬三大支柱之，并戏海未来经济发鼹翻裔点疆l 。 弹性敏感元件是指包括膜片、膜盒、波纹管、波登管等数秽零捧农态的一类元件， 被广泛应用于航空航天、交通、气象、电力、石化、气象等铸技术领域，作为感压、感 疑、积越、隔璃、终逡、李 嫠、镑动、联接及弹经嶷撵等功髓元件而使用、但它们最基 本和最普通的应用则是作为压力传感器的敏感元l 牛，将感受到压力转换走垃移，力或频 率，然后通过一定的传递机构或输出方式，显示被测压力的数值大小或向自动控制系统 提供反馈攘号嘲。 常用的压力弹性敏感元件有弹鬣管、波纹管和膜片喾。平膜片的刚度大，灵敏度较 低，继有较好的动态特性。波纹膜片的削度较小，线性较好，灵敏度较高。由膜片组成 的膜盒，既可以增加变形，提嶷灵敏度，瞧震于 筵| | 量箍题。波纹管翁线髓和灵敏度都 较好，可产生较大的底部位移。弹簧管是一个弯成圆弧形的空心铃，程测量时，警建霉l 入被测压力，後自由端产生位移。为获褥更大变形，还可以采用多圈弹簧管1 7 1 。以上几 种弹隧元 牛只自g 输出位移戏力。 1 2 2 电一气转换器国内外研究现状 五十多年前，控制( 竣自动反馈过程) 隧路都跫气体驱凌麴，交送器、调节器稻最 后控制单元( 例如一个调节阀) 被谶接在一起并通过一个3 1 5 p s i 的气动信号相互通 镪，这个售号也被豫为一个动力源焉来驱动最屠控箭单冗的执行机构。气动定位器在调 2 薄膜电子式电一转换器转换模块蛹控制系统研究 节器输出和阀门位谶之间扮演容量调节器、信号放大器和关系控制器的角色。 电子技术和自动化技术的迅速发展，使褥控制系统技术中豹先遴性己经超过了调节 阀和定位器的发展，在今天的自动调节系统中，大多数变送器是带有数字或模拟输出的 电子装置，并且调节器的输出也几乎都是电子信号，但大多数的最精控制单元包括调节 阉都跫气动静。然藤簧把4 2 0 m a 戆摸掇穰号霸3 1 5 p s i 鹣气压傣号联系在一超鬻要 一个电流气压( i p ) 转换装置p j 。 随着多葶孛微处蠼器及微型计算机的应用，智能技术己广泛应用予各静测量控制仪 表。为适应现代化工业生产对过程控制的要求，便于同d c s 系统和计算机接口，定位 器也必然要向智能化方向发展，并凰必定要与将来的全数字化工业控制相适应。目前， 善终一些在工翌交稳位赣域有着多年经验饔雄厚技术优势瓣大公司，翔程门予、费希尔 - 罗斯蒙特等相继研制成功了智能型电气阀门定位器( 即带商微处理器的定位器) ，灏内 这方强起步较晚p j 。纵观国内终技术发展现状，摄攥工 乍照理麴不列，转换嚣主要蠢规 械式、电子式以及智能式三种类别h o l 。 ( 1 ) 枫械式 传统电- 气转换器原理如图1 - 2 所示。来自变送器或调节器的标准电流信号通过线圈 l 唆嘴2 一挡扳3 导磁体4 一支点 5 一平衡锤6 一波纹管7 放大器 8 一气阻9 - 调零弹簧 图i - 2 电气转换器简化原理图 f i g 1 - 2 s c h e m a t i cv i e wo f e l e c t r o - p n e u m a t i cc o n v e n e r 后，产生一个磁场。此电磁场把可渤铁心磁化，并程磁钢的永久磁场作用下产生一电磁 力矩，使可动铁心绕支点作逆时针转动。此时固定谯可动铁心上的撼扳便靠近喷嘴改变 喷嘴和挡板的闷豫。喷嘴挡板税构怒气动仅袭中一种最基本的交换和放大环节。它能将 挡板对于喷嘴的微小位移灵敏地变换成气臌信号。气压信号经过气勘功率放大器后产生 载输出压力璃率攀大。笾基力反馈戮波纹篱串，使哥在葫铁，豁舅一鞴产生一个反馈力矩， 此力矩与线圈产生的电磁力相平衡，构成闭环系统，从而达到使输出压力与输入电信号 成比例地变化”。如于这种转换器域使用这种转换器鲍定搜爨其有份撂低、使瑗可靠、 安全防爆等优点t 屯十年代至，十年代襁，在我国佼箱范围约占8 s 9 。由于其价络 薄膜电子式电一气转换器转换模块与控制系统研究 低廉，鼠前，在我国传统企业里仍在使用。机械力平衡结构缺点是：机械部件易磨损， 抗振动冲击性差，使用寿命短；气压信号传递速度慢，传输距离短，存在较大的惯性和 弹性滞后，动态性能差；调节环节多，机构繁杂，故障率高，维护困难等【”】 t 3 1 1 ”i 。 图1 3 是美国s a m s o n 公司根据机械力平衡原理生产的电气转换装置，用于电气阀 门转换器。日本山武霍尼韦尔公司生产的h e p 电气阀门定位器控制原理与上述原理 基本相同l 】”1 1 6 。我国上海长成自控设备有限公司生产的q z d 一2 0 0 0 型电气转换器以及 2 0 0 0 型系列电气阀门定位器；常数市石化仪表厂生产的q e d 2 0 0 0 电气转换器、e p 3 0 0 0 电气阀门定位器、i p d 2 0 0 0 电- 气阀门定位器等都是基于上述机械力平衡原理【1 7 1 t s l 。 6 7 2 气源 1 挡板；2 喷嘴；3 平衡梁：4 弹簧： 5 机械调零；6 柱塞线圈；7 永久磁铁 图1 - 3 机械力平衡原理电气转换装置图 f i g l - 3s t r u c t u r eo f e l e c t r o p n e u m a t i cc o n v e r t e rd e v i c ew i t hp r i n c i p l eo f f o r c eb a l a n c e ( 2 ) 电子式 电子式电一气阀门定位器在八十年代初开始走向市场，近几年技术手段不断更新。图 1 - 4 是日本h o n e y w e l l 公司生产的e p 2 3 0 0 2 4 0 0 电子式电一气阀门定位器工作原理图，线 性电位器把阀杆位置转换成电信号和初始设定值比较，经过p i 控制器调整和信号放大 输出至压电微型阀，控制输出气压，经气动放大器输出。当输入信号与反馈信号平衡 图1 - 4 电子式电- 气阀定位器原理图 f i g l 一4s c h e m a lo f e l e c t r o - p n e u m a t i cv a v l ep o s i t i o n e rw i t he l e c t r i cc o n t r o l 时，气动放大器输出稳定的压力信号，保证调节阀精确定位。由此可见，控制原理完全 薄膜电子式电一气转换器转换模块妫控制系统研究 不同于过去的机械力平衡原理，给定值与实际反馈值的比较完全是电信号，不再是力平 筏，减少了中闷传递环节，消除了力捷递和转换过程中一些阗题，旋裹了抗于抗能力。 其中电一气转换元件采用压电微型阀，压电阀具有动作速度快、质繁小、寿命长等突出 优点，在实现气路平衡的同时，完成电信号到气信弩的精确转换。 英国r o s e m o u n t 公司开发窭了逶羯静电予伍懿毫一气转换器t y p e 8 4 0 ，圈l 一5 是葵漾 理槭图。电子线路接收标准的4 - 2 0 m a 电流，固态压力传感器实时测量气动放大器 ( b o o s t e rs t a g e ) 的竣出气援，将气蘧信号转换为电流信号反馈绘按划电路。够实时 地谶彳亍校正和补偿，其有良好的动态特性。 t y p e 8 4 6 的电一气转换装鼹核心绪构如图卜6 所示。磁力执行器体为喷嘴挡板，由永 磁铁帮线圈缀盛。挡板部努楚一个灏柱俸，警它靠主鍪嚣个发鸯孝嚷骧秘接收嚷裙露，将遮 挡气流。输出气压降低反之，则气眶升高。这样接收喷嘴的压力将随着圆柱体的位移 两变化。线圈豹电浚是由电路提供嚣控制的，电一气转换器憋体是一个闭环电子控铡系 统。与机械浅转换器采用静杠杆、弹簧、波纹管所缀成的反馈控制相比，电子反馈控制 不存在气压信号的延迟滞届现象，响应速度快。此外，因为减少了机械零部件，抗振性 氇e i 较舞。囊予转羧装置在结构上怒模块亿豹，作为一个功能模块，缀容器移檀虱蔡它 产品中”】1 2 0 。 i n n u tc u r l e n t 4t o2 0m a d c 了1 e l e c t r o n i cci r e u l l i i ma g n e t i cac t u a t ori s o l i t s t a r e l pr e ss u r e | p i l o ts t a g ei s e n s o r i b0 t ) s t e t s t a g el o u t p n tp r e s s t l r e 2 0t ol0 0kpa 耍i - 5k s o p c 工 # 蒙蘧 f i g 1 - 5s c h c m a lo f k 8 0 p c 笈瓣礤璇 按嫒峻璃 爨t - 6 电，气转换装鬟 f i g 1 - 6e l e c t r o - p n e u m a t i cc o n v e r t e rd e v i c eo f t y p e 8 4 6 电子式转捩嚣懿蹬瑗，蓉次实现转换嚣瓣徽套纯，转袋装置豹模块讫。模块纯绐擒 为现场维护带来了方便，当电一气转换器出现故障时，只需更换转换模块，不需要藏新 接绒或再次括定，从丽保证，生产连续进行。从近几簪的发展看，务大仪表公司的电子式 产箍在电信号的控稍上差异不大，都采用简洁的p i ( 控截，但转换装置蕊千差万剐， 转换装置性能的灵敏性、可靠性和稳定性决定了整个转换器性能的好坏，各大公司纷纷 投入精力臻铡娃缝嚣饯受懿转换装鬟。t y p e 8 4 6 磁力技行嚣转换装嚣获得了专稳，并盔 用在该公司汗发的数字式智能型阀门控制器。此外，英国的i v c op r o c e s sv a l v ei n c 开发的能进乎亍篱单鹣p i d 运算的电一气转换瓣k 8 0 p c i 2 1 l ；日本h o n e y w e l l 公司生产约 e p 2 3 0 0 2 4 0 0 系列电气转换嚣、定骰器；美酒b r a n d t 公司生产的s t d 5 0 0 0 6 0 0 0 龟气转换 蔓堕皇至垄皇二兰整塑鲎堡堡堡壅墨堡型墨堕堕窒 一一 器1 2 2 】，都是电子式转换器、定位器的代表。 ( 3 ) 智能式 美国尤他州的v a l t e k 公司最早提出智能管理器i v m ( i n t e l l i g e n tv a l v em a n a g e r ) 的全新概念 2 3 1 。随着计算机技术发展国外推出了带微处理器的两线制压差、压力变送器， 标志着过程控制领域的现场仪表己进入了智能化。很多电一气转换器采用模块化结构， 具有自诊断能力和可升级的电路，更易于安装，同时消耗空气量更少”。有些智能仪 表也可以通过调整计算机模型的参数来优化控制参数，以此获得良好的动态特性8 ”a 由 于智能化仪表使用方便，实际使用精度高、功能强、扩展容易、可靠性高等，因此得到 了较快的普及。 目前，国外一些在工业自动化领域有着多年经验和雄厚技术优势的大公司，如西门 子、费希尔一罗斯蒙特等相继研制成功了智能型两线制，或者配置有h a r t 总线、f f 总线 等现场总线接口的智能电气阀门定位器( 即带有微处理器的定位器) 。代表产品有西门 子公司的s i p a r tp s 智能阀门定位器；费希尔一罗斯蒙特的f i e l d v u e 智能阀门定位器； 日本y a m a t a k e 公司的s v p 3 0 0 智能定位器；日本山武公司的s v p 3 0 0 0 数字式阀门定 位器；美国a b b 公司的智能阀门定位器：美国霍尼威尔( h o n e y w e l l ) 公司的s t 3 0 0 0 系 列；日本富士电机的f c x 系列和德国h & b 公司的a s 系列等等都是以微处理器为核心的 智能化产品【2 1 1 【2 8 1 1 2 9 1 。图1 - 7 是d v c 5 0 0 0 智能阀门定位器中电一气转换装置照片，当有 电流通过线圈时，磁化线圈铁心，吸引上端盖产生微小位移，与上端盖一体化的u 型弹 性梁起到位移放大作用，喷嘴可前后移动，和传统的喷嘴挡板结构相比较，气压初始值 调整更加方便灵活。电一气转换性能稳定，结构制作精良，体现了精美的设计思想。 图1 78 d v c 5 0 0 0 定位器中电一气转换装置 f i g 1 - 7e l e c t r o - p n e u m a t i cc o n v e r t e rd e v i c eo f 8 d v c 5 0 0 0p o s i t i o n e r 国内在这一领域起步较晚，相关的研究处在起步阶段。一些厂家和研究机构在消化 理解国外公司同类产品的基础上，对智能型转换器、定位器进行着研究和探索。北京化 工大学对基于f f 协议的智能阀门定位器进行了开发研究，提出了f f 智能气动阀门定位 器的硬件设计、软件设计以及f f 通信实现的方案【3 0 l 。四川大学把模糊控制引入智能阀 门定位器控制系统p ”。清华大学m o t o r o l a 单片机应用开发研究中心正在开发支持h a r t 协议的智能低功耗二线制电气阀门定位器【j ”。重庆川仪十一厂有限公司开发的具有自主 6 薄膜电子式电一气转换器转换模块尚控制系统研究 知识产权的h v p 智能型电气阀门定位器，其控制思想和结构设计达到同类产品的先进 强1 - 8f i e l d v t i ed ￥c 缔褥 f i g 1 - 8f r a m e w o r ko ff i e l d v u ed v c 承乎，茭气渤执行器蓉筢稼产菇走囱实臻露下了蘩嶷靛基磊褰。 在同类产品中，f i s h e r r o s e m o u n t 公司的f i e l d v u ed v c 系列智能型电气阀门控制 器具毒很强的典型性和实用性，在国起碍n t 比较广泛的波翅。图卜8 示出了该控划系 统的构成淤 t 3 s 。 f i e l d v u e 系列数字式阀门控制器有一个独立的模块熬座，它可以很方便地在现场 受抉覆不努据现场瓣导线袋导管。这个模臻藿痉毯缮一些子模块：髀转换嚣；p w b ( 露 h a r t 协议变遴器调节器 闰1 - 9 控制回路图 f i g 。i - 9f i g u r eo f c o n t r o lc i r c u r t 7 蘧璇遣予投篷一气转换器转换攮涣每陵裁系绫骚究 刷电路板) 缎伴；气动中继器；指示表。模块基座可以通避换予模块丙重额组合。 f i e l d v u e 系猁数字式阀门控翩器通过进入端子盒的一对双绞线接受输入信母和电能， 输入信号同时列p w b 组件子模块，在那里它被附加许多参数，例如多段折线性化中的 节点壁橱，掇羧篷窝英缝数慧。然螽p w b 维棒子搂浚送信号绘资转换器予模块。p 转换器转变输入信号成为气压信号。该气压信号送到气动中继器加以放大并作为输出信 号送刘执行机构。该输出信号也可蚨被安置戎p w b 缀馋子模块上的压力敏感元传爨感 受，嗣予阀门鸯l i i 行机构的诊断信怠。阅f - | 乖t l 执行机构的阀秆位鬻当作输入信号引入p w b 子模块，用作数字式阀门控制器的反馈信号，数字式阀门控制器上也可以配备指示表， 撑示气漯压力霉霸浚出歪力。 f i e l d v u e 数字式阀门定位器和变送器的智能特性体现谯：实时信息控制、提高安 全性和减少开支；结构可靠稠h a r t 傣息；爨诊叛与控制能力。它应用h a r t 逶讯耱 汉可隘方便绝选取现场信息。如实地褥到控制过程酌基础控制阀本身一在阀门或现场 接线盒上借助予手持通讯器，在d c s 控制室借助于个人计算机或操作员的控制台。系 统凰鼹如图1 - 9 爨示。 随着我国工业生产规模的扩大，自动控制水平的掇高，对气动执行器控制精度，远 行可靠性的要求也越来越高，转换器、定位器瑟经从簸甥的缝气动、橼壤力乎餐式的笈 震赛聪柬的绩丽电磁转换的窀 辟溷门定位器巍到今天的智能擞和使用现场总线技术的 定位器，其总的趋势是电气化、智能化、节能化、模块化、集成化，并且必定要与将来 懿全数字毯工烂整翱穰逶应i 弱l 1 3 7 1 。 3 本课题戆研究爨义及童要硒窕内容 l 。3 。1 本潆鼹麴来源及磷究意爻 当兹石油、氆王、毫力、蓼傈等王娃逐猛发震，综合窝动纯程度麓来怒赢，这种状 况促进了对自动化技术装备，特别是其有高技术含量、适应未朱自动化技术发展方向的 技术装备的市场需求。因此电予化、镪能纯燕警今奄气痿号转换仪袋发漫魏必然要躐 鞋及主要方向。然丽，我们国内大多数相关生产厂家襁新技术新产品的研制与开发方丽 比较薄弱，现在大多停留在对原有产品进行细枝末节的改进，并没有突破传统产品的设 诗黎理耪方法，只藐峦一定覆浚主提鬻箕注能，产晶凳新换 弋漫，技术含量低，成本掰 高不下，在市场上缺乏竞争力。而国外的电子化和智能化电气转换器产品已经大量涌入 国内市场，极大影响饕国内相关损域豹发展。 为了彻底改变国海转换器技术的落后局面，我们得到了国家科技部中小企业创新熬 金( o o c 2 6 2 2 2 1 2 1 1 6 3 ) 的无偿资助，同时也是鞍山市科蚕立项的科技攻关项目。应鞍山 热工仪震集霭及鞍壹秘蚕翡委耗，我铜缝合警漆技术魏状，跟踪国际先进技术，开发了 新型高性能的电一气转换器，切合当前该领域的技术发展方向和市场需求，对于提高我 因在电气信号转换仪表硬制开发方露黪理论研究及技术农乎，撵裹产菇麓索场竞争力方 面有很大的现实意义。 薄膜电子式电一气转换器转换模块妈控制系统研究 1 ，3 2 薄膜电子式电一气转换器的总体设计方案 传统的机械式电气转换器虽然在国内仍有一嫩厂家在使用，但它所面临的问题和 袋鹣注定了它必将隧若技零麴不叛避步瑟逐滚被海汰。电子式、餐缝式电一气转换嚣镪 底取代机械式转换嚣是大势所趋。当前，电子式、智能式电一气转换器已缀开始得到广 泛的应用。 在对萄肉并电一气转换仪表相关领域鞠深入了解与研究镌基础上，提出了新型电一气 转换器的实现方案。在电一气转换执行器件上，以喷嘴一挡板机构实现气压的可控连续输 出。在慈 誊设计上，本潆题镶立了魏图l 1 0 豹方繁。 输入信号经输入保护电路和输入检测放大电路后，进入调节控制放大f 甑路，调节控 制放大电路提供电气转换模块( i pc o n v e r t e r ) 相应的直流电流，i pc o n v e r t e r 将壹瀛电 信号转换为气压倍每，并输出至气韵功率放大器，气动功率放大器的输出就是转换器整 机的压力输出，为o 0 2 m p a - o 1 m p a 。精密固态压力传感器测量输出压力，其输出电信 号爱竣绘调繁控铡魄爨，调节控裁邀路将羧入售号与反馈德号遂嚣院较，瓣提供绘宅 气转换模块的电流进行纠正。压力传感器的工作电流由恒流源供给。 输入僚峙 鼍滚 强卜1 0 蠢子式电一气转换簸疆框图 f i g | - 1 0s e h e m a lo f e l e c t r o * p n e u m a t i cc o n v e r t e rw i t he l e c t r i cc o n t r o l 这种设计思想的特点夜于： 用电予电路取代弹簧、枉孝子及波纹蛰组成的凝槭式按铡方式，以壳照极城式零零 件茹磨损、抗振动冲击性藏的弊病，延长使用寿命，提高了压力转换的精度。 用精密固态膳力传感器代替反馈气路，以克服气压信号传输延迟的缺陷，并提高 整翻系统鹣响应速魔。 采用适合于电子控制的能耗小、动态特性好的模块化电气转换部件，解挟传统的 磁力马达糕缝太，溅以实瑰邀子控制数缺羧。 采用国际流行的模块拼装式结构，调节环节少，故障率低，便于组城、调试和功 能扩展，便于现场维护。 9 簿簇电子式宅一气转按嚣转羧模块每黢裁系统骈究 1 。3 3 本文麓主要硪究蠹容 本途文驻体酶主婺工作如下： ( 1 ) 转换模块中转换特性分析、膜片特性分析、气路及磁路特性分析，研究挡板与喷 嘴静闻骧和竣蹬压力之闽豹关系，以及转换模块敦竣入羧出姆性，并避嚣试骏验谖； ( 2 ) 产品结构参数优化设计、制定合理工艺规程，优化工艺参数，研制和改进工艺装 备，提高产品的模块化程度，使产品更加便于控制、嶷装与维护； ( 3 ) 通过振动时效、老化与疲劳试验研究，进一步提高产品的稳定性、可靠性与耐久 性； “) 分析系统各部分的结构和功能，建立系统的数学模型，求出传递函数，利用成熟 的控制理论来分析系统性能，进而寻找对系统性能影响较大的几个参数和因素： 固建立系统的仿真模型。 i o 薄膜电子式电一气转换器转按模块与控制系统研究 第2 章薄膜电子式电一气转换器转换模块的研究 薄膜电子式电一气转换器的核心部件是电一气转换模块( i ：pc o n v e r t e r ) 。它的作用 是把簸入熬邀流信号 笮戈控裁信号，姆气灏稔入兹憾定气压转换为出邀滚绩号控毒4 戆连 续变化的气压输出信号。它的性能优劣在很大程度上决定着电一气转换器产晶的性能。 因而该模块的研制是整个系统研制过程中的麓点，也是难点。 2 + 1 基本绒构及其转换原理 在对多种电气转换器的电气转换部件进行综合研究和比较的綦础上，在研制电子 式毫。气转换嚣这一部分王佟中，确立了基予潼貘冀结掏、喷蠼，拦投转换原疆豹独特熬 电气转换部件1 3 “。其结构如图2 一l 所示。其转换原瑕是：整个壳体( 包括上盖、下壳 以及套在线嬲中的芯柱) 作为磁体 句成磁路，直流线圈作为脯磁线圈，输入魄流对构成 磁路酌磁性毒芎科产生磁亿，熬个磁路中的磁场发生变住。固定在弹往薄膜片上的挡板( 膜 片的硬芯) 在气隙磁场的作用下被吸向喷嘴，使气室的压力升高，输出压力增加。同时 接援豹童移缓弹蛙骥片发生形变，形交产囊懿弹力与摆扳聚受毫磁力荚嚣佟弼搜挡投达 到个平衡位置。在磁性材料和结构参数确定的情况下，线圈电流的大小决定气隙磁场 挡扳 挫 下壳 电流输 锻阀 圈 气服输入 口o 气服输出 闰2 - 1电气转换部件基本结构 f i 9 2 - 1 s m a c t u r eo f e l e c t r o - p n e u m a t i c c o n v e r t i n g u n i t 的强弱，因而也就决定了挡板与喷嘴的间隙和输出艨力的大小。锥阀可以进行微量调节， 以改变进入气室的气篷。锥耀对输入气压的调节与喷嘴，挡扳机搀的转换特燃楣互配合， 一同来决定气压的输出状况。 滔这秘方式进行电。气转换的特点是： 结构上采用插头式的模块形式。采用这一形式便于用户进行现场维修，当电气 转换嚣出现敝障时，般只须拔下彀- 气转换模块，软上舞模块嚣弼，不羲簧重 瓶按线或断野管路，也无需褥次标定，维修过程不改变实际的作业流程。 薄膜电子式电一气转换器转换模块与控制系统研究 气路、磁路设计一体化，结构简单、紧凑，减小了体积、重量及结构复杂性，同 时缩短了气流传输的管路通道，减小了气路的耗气量，压力信号反应速度快、输 出滞后小。 弹性膜片是唯一的可动元件，且质量非常小( 小于1 克) ，惯性几乎可以忽略，这 样就消除了安装姿势对转换器的特性所产生的影响，并且有效地提高了转换器的 动态响应特性。 2 2 喷嘴一挡板机构及其气路特性的研究 2 2 1 喷嘴一挡板机构的工作原理 喷嘴挡板机构是气动测量和气动控制中最常见的一种长度流量或长度压力变换 器，其作用是把挡板微小的位移转换成压力的变化。喷嘴挡板机构由恒节流孔、喷嘴挡 板及背压室串联而成口叭，图2 2 示出了喷嘴挡板机构的基本结构形式。设输入气源压 缩空气的压力为p 。，背压室内空气的压力为p x ，输出的气压与背压室内的压力相同，也 是b ，另设喷嘴与挡板之间的距离为s 。喷嘴挡板机构工作原理如下：气源的压缩空气 经左侧的主节流孑l 进入背压室，并从喷嘴与挡板间隙流入大气；由喷嘴和挡板所形成的 气流通道可以看成一个可变节流口，喷嘴与挡板的间隙s 的变化将引起通过其间隙的空 气流量的变化。在工作状况下，输入主节流口的气体压力( 即气源压力r ) 是固定不变 的。在一定间隙范围内，当挡板靠近喷嘴时，流过喷嘴挡板间隙的气体流量将减小，背 压室的压力r 将随之增大；反之，当挡板离开喷嘴时，压力只将随之减小。这样，背 挡板 喷嘴 匦嚣圆1 日 气源 爹缓 喷喵 挡板 间距 图2 - 2 喷嘴，挡板机构原理图 f i g 2 - 2p r i n c i p l eo f n o z z l e f l a p p e rs t r u c t u r e p o 压b 与喷嘴挡板间隙s 有着一一对应的关系， 控制即可实现由气压p c 到只的转换。 1 2 图2 - 3 喷嘴，挡板静特性 f i g 2 - 3s t a t i cc h a r a c t e r i s t i co f n o z z l e f l a p p e r 也就是通过对喷嘴挡板间距进行精确的 簿膜电子式电一气转换器转换模块与控制系统研究 2 2 ，2 喷嘴挡板机构的静特性及其改善方法 喷嘴挡板机构背压室的服力r 与挡板位移s 之间的关系，称为喷嘴挡扳机构的静 蒋链。当接蔽盖夏臻蝶对，鹜压b 达裂最大毽，毽实嚣土遮不舅气源压力德，毽为经 板与喷嘴之间多少还有点漏气。挡板从关死到全开时，背压攻随着下降，开始比较缓 慢，中间下降很快，最后又趋于平缓。挡扳离开喷嘴一段距离后，挡板喷嘴的气阻绶与 喷嘴磨径d 裔关，丽与s 值无关。哪挡板使移s 香增大，背匿室压力只下降很缓慢， 甚至不再下降。因为喷嘴的截珏积矧2 4 与喷嘴挡扳形成龅小圆柱覆积觥楣等时， s = d 4 ，挡板位移大于此数值后，辫不影响流通面积。这时喷嘴背压有一个剩余愿力 p o ，各种气渤仪表在工作时都有一个允许的剩余压力疡，随着不同仪表的设计而各箨。 喷嘴- 挡板的静特性( 见图2 - 3 ) ，对气勘仪表的性能有关键性的影响。在设计、制 造及维擎中臻应注意骞蘩下溪求：1 窝始段o a 长瑟平壹，o a 越长，黎挡板离搂嚷 较远时就可以使b 达到最大值，喷嘴挡板之间就不必要求根密封。2 a b 段应加长。 线性要好，阪度要大。a b 段长即餐易选取工作段，它蠢投影嚷仪波麴线性秘稳定性； 陡鹰犬即增加了仪表的灵敏度。 改善静特性的方法有：1 保持恒节流孔前后的恒压降，可提高工作段的陡度和线 洼，置受气源波凄影酾，l 、。2 。保持渍猎蘸麓酶潼嚣簿，霹佼趋线耪始莰显箸船长，帮 可以降低喷嘴挡板端面的密封性要求。但这种结构只能在封闭式喷嘴的情况下应用。 3 。恒节漉孔秘嵝嘴懿双恒鼹洚，曲线效初姆段搬长秘益线燮陡，接近理想烽姓。 2 。2 。3 背压式气路灼特性分析 输出压力为o o 1 和a ，辑于工作在低压区，气流通过恒节流孔和挡板缝隙时均为 耍音速，莲力变纯逶续，滚体狭态可保待屡流，基本环节稻元件酶线往较好，节流孑l 直 径可相对地选取大嫂，以改善工艺性，空气消耗量小 但低压区匏主要缺点是输爨难力低，功率，j 、，不韪 直接推动执行机构，而必须进行升聪和功率放大。 因此在本系缆的后预接有一个功率放大器。 稳定悉力为p c 瀚压缩空气经过节流孔 锥阀 节流) 流向喷嘴挡板机构，然后流入大气。工作 压力只竣小瓣，滚j 篷繁漉魏翻缕嘴魈叛穰i 稳戆气 流速度较低( 马赫数m o 3 ) 时，可以将气体看 作不可压缩性流体1 4 0 1 。流过节流孔( 锥阀) 的气 体体积流量楚 妨= c 码五s i n 扫2 9 ( 只一p , ) z o 豳2 - 4 锻阔节流结构简图 f i g 2 - 4s c h e m a t i cd i a g r a mo f c o n i c a l a n dr e s t r i c t i v ev a v l e ( 2 。1 ) 整鍪皇歪壅垒二墨建鎏望鍪熬堡茎兰篓型墨笺塑窒一一一 锥阀的锥孔直径为d ，；锥体的半锥焦为0 ，觅图2 - 4 ：当锥体与锥孑l 娟接触时，滚出灏 积为零，激既位置秀髹始位誊，当锥俸向左位移为l 时，流出褥积为从孔边淘锥体表谣 作的法线母线所形成的截锥体的面积；g 是重力加速发；只是工作压力；b 是输出气压； 7 。是压力& 下瓣空气黧凄；o ，楚濂量蓉数。 喷嘴挡板也可以麓作为一个节流孔，其流出面积为万d $ 所以具有b 压力的空气 经喷嘴挡板流入大气( 压力为p ) 的空气的体及流量为： q 2 = c 2 栅2 9 只y ， ( 2 - 2 ) d 为唆嘴直径；s 为喷嘴挡援阙藤；麓囔嘴熬叛懿浚囊系数。 由于气流压力低，不考虑其压缩憔，所以气体的熏度是不变的，即以= = ，。根 据气体流量不变方程q 。= q 2 ，即 o 蕊鼋s i n 轷0 2 9 ( 只一奠) i t 。= c 2 耥2 9 0 y x 整理纯简后哥褥置。i 乏蠡 4 0 2 。 骨 皂日0 x 2 0 卜r 茜鑫弋分袁一 s m ) * 1 0 4 图2 - 5 压力与间隙变化曲线 f i g 。2 - 5t h e d i v e r s i f i c a t i o nc h f v e o f p r e s s u r e a n dc l e a r a n c e ( 2 3 ) 由式( 2 3 ) 可知，背愿p x 是大致与瓣除s 2 嚣平方残爱毙豹。 气动系统的变换倍率为压力p x 相对于挡板与喷嘴间隙s 的变化率。由式( 2 3 ) 求 得该系统的变换倍率为： 整堕皇王塞皇：整楚塑量整塑竖垫是望型至缝翌窭 一一 耻争兹只 ( 2 4 ) 蕊是闫溅s 豹爱数，嚣戴最与s 数关系不 ( 2 ) 负号表示当阅隙s 增大时，背压是减小的，即只是s 的递减函数。 ( 3 ) 气动系统静傣率与节流强径d 或反滋，丽与喷嘴虱经d 成正魄。转换倍率至要 取决予节流孔径和喷嘴孔径的比值，当喷嘴