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節(jié)閥的配套產品， 長期以來國產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。 我公司經過多 年攻關，研制出HVP型智能閥門定位器，該產品由CPU莫板、閥門電流反饋模板、 HARTS訊模板、報警模板、顯示模板、精密位置傳感器和I / P轉換單元組成。I /P轉換單元是閥門定位器重要的關鍵部件之一，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，設計出優(yōu)良的I/P轉換單元是實

2、現(xiàn)閥門定位器智能化的重要步驟之一。1 I P 轉換單元的類型I /P轉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節(jié)閥。I /P轉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構。其中由于不耗氣式I P 轉換單元的耗氣量小，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轉換單元常常用于閥門定位器設計中。I /P轉換單元按結構形式可分為：線圈噴嘴擋板式、線圈滑閥式和壓電閥 式三種結構。由于線圈噴嘴擋板式I /P轉換單元的結構簡單、制造方便、成本 低，因此，傳統(tǒng)閥門定位器中的I /P轉換單元絕大多數(shù)采用這種

3、結構方式。線圈滑閥式主要在電磁閥中采用，壓電閥式的I/P轉換單元，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轉換單元的性能要求。2 壓電閥工作原理和技術指標（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與先導腔連通，形成

4、為一個整體。當壓 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）技術指標1）操作電壓： 24VDC2）額定工作壓力： 120KPa3）額定空氣流量： 15Lmin4）泄漏： 010L min5）電容：V 100 nF6）能量消耗： 0W7）工作溫度：30+ 80C8）交換時間：v 2ms9）介質：空氣10）重量： 6g3 結構原理壓電閥在I/P轉換單元中起先導閥的作用，每個I/P轉換單元同時應用兩個壓電閥，壓電閥I控制I /P轉換單元的輸出（也稱進氣閥），壓電閥U控制I /P轉換單元排氣（也稱排氣閥），其工作原理如圖 3所示。

5、對于壓電閥由于導壓 （即先導腔室中的氣壓力） 太小， 不具有產生氣流的能 力，所以必須增壓。增壓是在伺服部分完成，它的作用猶如氣動繼電器。伺服部 分在先導腔室一側有一個面積較大膜片， 在輸出及排氣腔室一側有一個面積較小 的面。當導壓達到120kPa時，施加在先導腔室一側膜片上的力，大于作用在輸 出及排氣腔室另一側面上的力， 這將迫使移動閥芯與排氣閥芯移動， 當兩側面的 力達到平衡時， 這樣作用在輸出及排氣腔室一側面上的氣壓將大于導壓， 從而達 到增壓的目的。當控制電路接通電源后，壓電閥I上無電壓，壓電閥U加電壓控制，氣源P2進入壓電閥U的先導腔室中，形成120kPa左右的氣壓力，導壓推動排氣閥

6、芯向下移動，把排氣口關閉。這時如果控制電路發(fā)出輸出氣壓力的脈沖， 壓電閥U則保持上電狀態(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節(jié)閥的膜室中，驅動氣動調節(jié)閥進行位置調節(jié)，當?shù)竭_設定位置時，壓電閥I的電壓變?yōu)榱?，其導壓腔室氣壓變?yōu)?KPa復位彈簧推動移動閥芯關閉輸出口，氣動調節(jié)閥膜室中的氣壓力就會保持在相對恒定壓力下。 當要減小氣動調節(jié)閥膜室中的氣壓力時，壓電閥I控制電壓為零，壓電閥U控制電壓也為零，其導壓腔室的氣壓也變?yōu)?kPa,排氣閥芯

7、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、U的控制，I /P轉換單元不斷地輸出氣壓力和排氣，從而驅動氣動調節(jié)閥對流過閥體的介質進行流量調節(jié)。4 電路控制原理壓電閥可采用 onoff 位式控制方法，控制電路較簡單， 采用電子開關就可 實現(xiàn)?；驹韴D見圖4?？刂崎_關K1、K2、K3采用單刀雙投開關，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生反向電壓，使壓電 閥非通電狀態(tài)下關閉更可靠?？刂茽顟B(tài)有三種： a 保持狀態(tài)，此時可維持氣動執(zhí) 行器的當前閥位；b進氣狀態(tài)，改變當前閥位；c排氣狀態(tài)，閥位復位。5 調壓裝置由于標準電閥的額定壓力為

8、120kPa,而使閥門定位器正常工作的氣源壓力 一般在140500kPa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構體積大、 重量也不輕， 若把此結構用來調節(jié)壓電閥的工作壓力，勢必使I/P轉換單元體積和重量都增加，不利于實際應用。在壓電閥式I /P轉換單元中采用了如圖5所示的調壓結 構，其主要特點：體積小（只有常規(guī)減壓器的十分之一），調節(jié)范圍廣（0800kPa）， 輸出穩(wěn)定等。壓縮空氣Ps經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。當順時針方向旋轉調節(jié)螺釘，出口壓力P增加

9、，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 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，調壓特性與膜片有效受壓面積A1，和閥通口有效面積A2有關：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

10、140800kPa之間變化時可使出口壓力變化小于 5kPa。6 壓電閥式 I P 轉換單元的優(yōu)點(1)大大提高了 I /P轉換單元的抗振動性 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 轉換單元的抗振動性。( 2

11、)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 號能量有限，它既要滿足電路中各種元器件正常工作，又要能夠驅動I/P轉換單元，所以設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轉換單元控制元件，降低了整機的功耗。當調節(jié)閥處于相對穩(wěn)定的調控位置時， 進氣閥的進氣口是關閉的， 排氣閥的 排氣口也是關閉， 使得氣動調節(jié)閥膜室的氣體容量在一段時間內是靜態(tài)的， 沒有 空氣消耗。 傳統(tǒng)閥門定位器在氣動調節(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)結構精巧采用了壓電控制技術的I/P轉換單元，體積大大縮小，I/P轉換外形尺寸 只有 30mrK 45mrK 63mn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， 且動作壽命高達數(shù)十億次， 在產品使 用中不會因為壓電閥的損壞， 導致產品出現(xiàn)故障。 在使用了壓電閥的智能閥門定 位