智能閥門定位器中壓電閥工作原理

1、0引言閥門定位器是氣動調(diào)節(jié)閥的配套產(chǎn)品，長期以來國產(chǎn)的閥門定位器是使用模 擬信號和力平衡原理方法實現(xiàn)的。 近年來，由于電子技術(shù)的發(fā)展，國外多家公司 推出了智能閥門定位器，因為其控制精度高、可靠性好、抗振性好、調(diào)試方便、 流量特性可在線修改、可遠程通訊等優(yōu)越性能，深受用戶的青睞。我公司經(jīng)過多 年攻關(guān)，研制出HV國智能閥門定位器，該產(chǎn)品由CPU真板、閥門電流反饋模板、 HARTffi訊模板、報警模板、顯示卞g板、精密位置傳感器和I/P轉(zhuǎn)換單元組成。I/P轉(zhuǎn)換單元是閥門定位器重要的關(guān)鍵部件之一，其可控性、抗振動性、耗電量、耗氣量指標都將直接影響整機性能，設(shè)計出優(yōu)良的I/P轉(zhuǎn)換單元是實現(xiàn)閥門定位器智能

2、化的重要步驟之一。1 I/P轉(zhuǎn)換單元的類型I /P轉(zhuǎn)換單元主要作用是把電信號變換成氣動信號，通過放大噴嘴的背壓 和流量控制，使其具有足夠的功率去操作氣動調(diào)節(jié)閥。I/P轉(zhuǎn)換單元的種類可按空氣消耗量分為：耗氣式和不耗氣式兩種結(jié)構(gòu)。其中由于不耗氣式I/P轉(zhuǎn)換單元的耗氣量小，氣源壓力易于穩(wěn)定，壓力放大倍數(shù)小，改善振蕩現(xiàn)象，因此，不耗氣式的I/P轉(zhuǎn)換單元常常用于閥門定位器設(shè)計中。I/P轉(zhuǎn)換單元按結(jié)構(gòu)形式可分為：線圈噴嘴擋板式、線圈滑閥式和壓電閥 式三種結(jié)構(gòu)。由于線圈噴嘴擋板式I /P轉(zhuǎn)換單元的結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、成本 低，因此，傳統(tǒng)閥門定位器中的I/P轉(zhuǎn)換單元絕大多數(shù)采用這種結(jié)構(gòu)方式。線圈滑閥式主要在電

3、磁閥中采用，壓電閥式的I/P轉(zhuǎn)換單元，最早出現(xiàn)是在二十世紀90年代西門子公司推出的SIPARTPS?能閥門定位器中，因其具有高抗振動性、高可靠性、低功耗、低耗氣量和能夠接受較高頻率的控制信號等特點，非常適合智能閥門定位器對I/P轉(zhuǎn)換單元的性能要求。2壓電閥工作原理和技術(shù)指標（1）工作原理壓電閥實際是利用功能陶瓷片在電壓作用下產(chǎn)生彎曲變形原理制成的一種兩位式（或比例式）控制閥。控制壓電閥動作只需提供足夠的電壓，電功耗幾乎為零。其動作原理：壓電閥的初始狀態(tài)（不通電，如圖 1所示），功能陶瓷片作用在噴嘴口 1上，這時，口 2與噴嘴口 3與先導(dǎo)腔連通，形成為一個整體。當(dāng)壓電閥接通電源時（如圖2所示），

4、功能陶瓷片變形向上翹，把噴嘴口 3壓住，使得口 2與噴嘴口 1連通。（2）技術(shù)指標1）操作電壓：24VDC2）額定工作壓力：120KPa3）額定空氣流量：1. 5L/min4）泄漏：0. 10L/ min5）電容： 100nF6）能量消耗：0W7）工作溫度：30+ 80C8）交換時間： 2ms9）介質(zhì)：空氣10）重量：6g3結(jié)構(gòu)原理壓電K在I/P轉(zhuǎn)換單元中起先導(dǎo)閥的作用，每個I/P轉(zhuǎn)換單元同時應(yīng)用兩 個壓電閥，壓電閥I控制I/P轉(zhuǎn)換單元的輸出（也稱進氣閥），壓電閥II控制I/P轉(zhuǎn)換單元排氣（也稱排氣閥），其工作原理如圖3所示。對于壓電閥由于導(dǎo)壓（即先導(dǎo)腔室中的氣壓力）太小，不具有產(chǎn)生氣流的能

5、力，所以必須增壓。增壓是在伺服部分完成，它的作用猶如氣動繼電器。伺服部 分在先導(dǎo)腔室一側(cè)有一個面積較大膜片，在輸出及排氣腔室一側(cè)有一個面積較小 的面。當(dāng)導(dǎo)壓達到120kPa時，施加在先導(dǎo)腔室一側(cè)膜片上的力，大于作用在輸 出及排氣腔室另一側(cè)面上的力，這將迫使移動閥芯與排氣閥芯移動，當(dāng)兩側(cè)面的 力達到平衡時，這樣作用在輸出及排氣腔室一側(cè)面上的氣壓將大于導(dǎo)壓，從而達到增壓的目的。當(dāng)控制電路接通電源后，壓電閥I上無電壓，壓電閥R加電壓控制，氣源 P2進入壓電閥R的先導(dǎo)腔室中，形成120kPa左右的氣壓力，導(dǎo)壓推動排氣閥芯 向下移動，把排氣口關(guān)閉。這時如果控制電路發(fā)出輸出氣壓力的脈沖， 壓電閥H 則保持

6、上電狀態(tài)，壓電閥I加控制電壓，功能陶瓷片向上彎曲，陶瓷片堵住壓電 閥噴嘴口 3,氣源P2通過噴嘴口 1進入壓電閥I導(dǎo)壓腔室，形成120kPa左右的 氣壓力，推動移動閥芯向下移動，氣源 P1通過進氣口進入到氣動調(diào)節(jié)閥的膜室 中，驅(qū)動氣動調(diào)節(jié)閥進行位置調(diào)節(jié)，當(dāng)?shù)竭_設(shè)定位置時，壓電閥I的電壓變?yōu)榱悖?其導(dǎo)壓腔室氣壓變?yōu)?KPa復(fù)位彈簧推動移動閥芯關(guān)閉輸出口，氣動調(diào)節(jié)閥膜 室中的氣壓力就會保持在相對恒定壓力下。 當(dāng)要減小氣動調(diào)節(jié)閥膜室中的氣壓力 時，壓電閥I控制電壓為零，壓電閥II控制電壓也為零，其導(dǎo)壓腔室的氣壓也變 為0kPa,排氣閥芯在排氣彈簧的作用下，打開排氣口排氣，達到膜室減壓的目 的。這樣不

7、斷地對壓電閥I、II的控制，I /P轉(zhuǎn)換單元不斷地輸出氣壓力和排 氣，從而驅(qū)動氣動調(diào)節(jié)閥對流過閥體的介質(zhì)進行流量調(diào)節(jié)。4電路控制原理壓電閥可采用on/off位式控制方法，控制電路較簡單，采用電子開關(guān)就可 實現(xiàn)。基本原理圖見圖4。控制開關(guān)K1、K2、K3采用單刀雙投開關(guān)，K1控制進 氣閥，K2控制排氣閥，K3與K1、K2配合可使壓電閥兩端產(chǎn)生反向電壓，使壓電 閥非通電狀態(tài)下關(guān)閉更可靠?？刂茽顟B(tài)有三種：a保持狀態(tài)，此時可維持氣動執(zhí)行器的當(dāng)前閥位；b進氣狀態(tài)，改變當(dāng)前閥位；c排氣狀態(tài)，閥位復(fù)位。5調(diào)壓裝置由于標準電閥的額定壓力為120kPa,而使閥門定位器正常工作的氣源壓力 一般在140500kPa

8、之間，因此，進入壓電閥的操作壓力必須通過減壓達到其額 定壓力，才能正常工作。目前，空氣過濾減壓器的減壓結(jié)構(gòu)體積大、 重量也不輕， 若把此結(jié)構(gòu)用來調(diào)節(jié)壓電閥的工作壓力，勢必使I/P轉(zhuǎn)換單元體積和重量都增加，不利于實際應(yīng)用。在壓電閥式I/P轉(zhuǎn)換單元中采用了如圖5所示的調(diào)壓結(jié) 構(gòu)，其主要特點：體積?。ㄖ挥谐Ｒ?guī)減壓器的十分之一），調(diào)節(jié)范圍廣（0800kPa）, 輸出穩(wěn)定等。壓縮空氣Ps經(jīng)入口通過鋼球與閥座盤之間的間隙流入膜片下方與給定彈簧片的力相平衡，使出口壓力P保持在所需值而穩(wěn)定不變。當(dāng)順時針方向旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺釘，出口壓力P增加，反之，出口壓力P下降。在工作中輸入壓力Ps發(fā)生變化，出口壓力P幾乎不受影響

9、，這是因為：當(dāng) Ps增加，作用在膜片下方的壓力增加，推動過渡盤向上移動，復(fù)位彈簧推動鋼球向上移動，使其與閥座盤之間的間隙減小，輸出口的壓力P將保持不變。根據(jù)減壓閥理論，調(diào)壓特Tt與膜片有效受壓面積A1,和閥通口有效面積A2有關(guān)：P1:進口壓力變化， P2:出口壓力變化如果進口壓力在140800kPa之間變化，壓力變化量： P1= 800 140= 660kPa,若出口壓力變化值為： P2= 5kPa則根據(jù)上述公式可計算出 A1和A2的比值：如果膜片有效受壓面積A1和閥通口有效面積A2比較值大于133,進口壓力 在140800kPa之間變化時可使出口壓力變化小于 5kPa。6壓電閥式I/P轉(zhuǎn)換單

10、元的優(yōu)點(1)大大提高了 I/P轉(zhuǎn)換單元的抗振動性傳統(tǒng)力平衡式閥門定位器在工作中，擋板與噴嘴間始終保持一段微小的距離，當(dāng)閥門定位器安裝在振動較大的環(huán)境， 擋板位置就易左右擺動，導(dǎo)致閥門定 位器輸出不穩(wěn)定。從圖1、2中可看出，雙陶瓷片在壓電閥先導(dǎo)腔中，只有兩個 固定位置，一種是作用在口 1表面上，另一種是作用在口 3表面上，這就從原理 上消除了因外界振動而引起雙陶瓷擺動；另外，也省掉了采用機械力平衡式時的 許多零件，其可動零件數(shù)就大大減少，從而提高了 I/P轉(zhuǎn)換單元的抗振動性。(2)低功耗、低耗氣量，使定位器運行成本降低智能定位器采用兩線制工作方式，控制室送給閥門定位器的420mA閥位信 號能量

11、有限，它既要滿足電路中各種元器件正常工作，又要能夠驅(qū)動I/P轉(zhuǎn)換單元，所以設(shè)計中各個部件電功耗都必須嚴格控制。壓電閥是功能陶瓷片制成， 供給一定的電壓就能工作，幾乎不消耗電流。選用壓電閥作為 I/P轉(zhuǎn)換單元控 制元件，降低了整機的功耗。當(dāng)調(diào)節(jié)閥處于相對穩(wěn)定的調(diào)控位置時， 進氣閥的進氣口是關(guān)閉的，排氣閥的 排氣口也是關(guān)閉，使得氣動調(diào)節(jié)閥膜室的氣體容量在一段時間內(nèi)是靜態(tài)的，沒有空氣消耗。傳統(tǒng)閥門定位器在氣動調(diào)節(jié)閥達到某一穩(wěn)定值時，進氣口始終有空氣供給，排氣口始終有空氣排出，只是供氣量與排氣量相等而已。通過分析，不難 看出哪種閥門定位器的運行成本低。(3)結(jié)構(gòu)精巧采用了壓電才$制技術(shù)的I/P轉(zhuǎn)換單元，體積大大縮小，I/P轉(zhuǎn)換外形尺寸 只有 30mrK 45mrK 63mm 小。(4)使整機可靠性更高由于功能陶瓷片在使用中幾乎不磨損， 且動作壽命高達數(shù)十億次，在產(chǎn)品使 用中不會因為壓電閥的損壞，導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)故障。在使用了壓電閥的智能閥門定 位器中，最小