智能閥門定位器中的壓電閥門式I/P轉(zhuǎn)換單元 

      引言

     閥門定位器是氣動調(diào)節(jié)閥來配套產(chǎn)品，長期以來歷產(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、可遠程通迅等優(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HVP型智能閥門定位器，該產(chǎn)品由CPU模板、閥門電流反饋模板、HART通迅模板、報警模板、顯示模板、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(biāo)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)閥門定位器智能化的很重要步驟之一。

      1 I/P轉(zhuǎn)換單元的類型

     I/P轉(zhuǎn)換單元主要作用是電信號變成氣動信號，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)換單元的耗氣時小，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)換單元掃結(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)換單元絕大爽數(shù)采用這種結(jié)構(gòu)方式。線圈滑閥式主要在電磁閥中采用，壓電閥式的I/P轉(zhuǎn)換單元，早出現(xiàn)是在二十世紀(jì)90年代西門子公司推出的SIPARTPS智能閥門定位器中，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(biāo)

     （1）工作原理

     壓電閥實際是利用功能陶瓷片奄壓作用下產(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），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(biāo)

     1）操作電壓：240V DC
     2）額定工作壓力：120Kpa
     3）額定空氣流量：1.5L/min
     4）泄漏：0.10 L/min
     5）電容：<100nF
     6）能量消耗：0W
     7）工作溫度：—30~+80℃
     8）交換時間：<2ms
     9）介質(zhì)：空氣
    10）重量：6g

      3 結(jié)構(gòu)原理

     壓電閥在I/P轉(zhuǎn)換單元中起先導(dǎo)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，它的作用猶如氣動斷電器。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Ⅱ加電壓控制,氣源KPa進入壓電閥Ⅱ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Ⅱ則保持上電狀態(tài)，壓電閥Ⅰ加控制電壓，功能陶瓷片彎曲，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?，其?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?yōu)?KPa，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on/off位式控制方法，控制電路較簡，采用電子開關(guān)就可實現(xiàn)?；驹韴D見圖4?？刂崎_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配合可使壓電含辛茹苦兩端產(chǎn)生反向電壓，使壓電閥非通電狀態(tài)下關(guān)閉更可靠。控制狀態(tài)有三種：a保持狀態(tài)，些時可維持氣動執(zhí)行呂的當(dāng)前閥位；b進氣狀態(tài)，改變當(dāng)關(guān)閥位；c排氣狀態(tài)，閥位復(fù)位。

      5 調(diào)壓裝置

      由于標(biāo)準(zhǔn)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140～500KPa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，空氣過濾減奪主器的減壓結(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：體積小（只有常規(guī)減壓器的十分之一），調(diào)節(jié)范圍廣（0～800KPa），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**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．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)節(jié)特性與膜片有效受壓面積A1，和閥通口有效面積A2有關(guān)：

      △P2/△P1＝1/（A1/A2-1）

      P1：進口壓力變化，△P２出口壓力變化；

     如果進口壓力在140～800KPa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、A2的比值。

      A1/A2＝△P1/△P2+1＝660／5+1＝133

     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140～800KPa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)換單元的優(yōu)點

     (１)大大提高了I/JP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4～20mA閥位信號能量有限，它既工滿足電路中各種元器件正常工作，又要能驅(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(yán)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。

      (３)結(jié)構(gòu)精巧

     采用了壓電控制技術(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３０mmX45mmX63mm大小。

      (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，且動作壽命高尚風(fēng)格達數(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，小節(jié)流孔徑都在0.6mm以上，且壓縮空氣在通過節(jié)流孔這前，先經(jīng)過微型過渡器過渡，從結(jié)構(gòu)上就決定了整機產(chǎn)品不會堵塞（傳統(tǒng)產(chǎn)品的氣阻節(jié)流孔徑只有0.3mm，該孔經(jīng)常被雜質(zhì)堵塞）。

     總之，在智能閥門定位器中應(yīng)用壓電控制技術(shù)，克服了傳統(tǒng)閥門定位器無法克服的問題，也使閥門定位器產(chǎn)品上了一個新臺階，為成套控制系統(tǒng)中的氣動調(diào)節(jié)閥提供了一項新的控制選擇。