博益氣動---高精度壓力流量控制

1、一種精密電-空比例閥的研制石曉明 王志 喻堅 韓榮偉（博益（天津）氣動技術(shù)研究所有限公司，天津 300457）摘 要：文章介紹了一種可用于燃氣配氣的低壓大流量精密電-空比例閥的研制過程，對其原理，結(jié)構(gòu)設(shè)計及控制系統(tǒng)設(shè)計進行了詳細介紹，最后對樣機進行了性能試驗，驗證了設(shè)計的正確性。關(guān)鍵詞：燃氣配氣、精密電-空比例閥Development Of A Exactitude Electro-pneumatic Proportion ValveShi Xiaoming Wang Zhi Yu Jian Han Rongwei（BOYI (Tianjin) Pneumatic Technology Ins

2、titute Co., Ltd. , Tianjin, 300457 ）Abstract: The development of an exactitude Electro-pneumatic proportion valve which can be used for combustible gas distribution was introduced in this paper. The theory, structure design and control system design were introduced in detail. Finally the experiment

3、of a sample was carried out in order to validate the accuracy of the design.Key Words: Combustible Gas Distribution; Electro-pneumatic Proportion Valve1 前言在燃氣及很多氣動領(lǐng)域內(nèi)壓力和流量的控制非常重要13，應(yīng)用也很多，比如在為了獲得不同的華白數(shù)和燃燒勢而進行的配氣過程中就需要對流量進行精確的控制。由于在燃氣行業(yè)中常常是低壓大流量的場合，并且對精度、穩(wěn)定性的要求都比較高，市場上常見的壓力流量控制器很難滿足其壓力及流量的性能要求，所以開發(fā)一種新

4、型用于低壓大流量的壓力流量控制器有很高的應(yīng)用價值。2. 工作原理系統(tǒng)分為控制系統(tǒng)與執(zhí)行機構(gòu)兩部分，控制系統(tǒng)可以與工作現(xiàn)場分離，主要是防止用于燃氣行業(yè)時控制部分的電路對可燃氣體可能造成危險，同時也可以防止控制系統(tǒng)受環(huán)境的干擾，如圖1。工作原理如下，當檢測到出口的壓力或流量比預(yù)定值小的時候則供氣電磁閥占空比變大排氣電磁閥的占空比變小，先導(dǎo)氣源向背壓腔充壓，使得背壓腔的壓力升高，波紋管組件向下移動帶動主閥芯開口變大，使得排出腔的壓力和流量增大，從而保持出口的壓力或流量的穩(wěn)定；同樣當檢測到出口的壓力比預(yù)定值大的時候則供氣電磁閥占空比變小排氣電磁閥的占空比變大，背壓腔的排氣量大于進氣量，使得背壓腔的壓力

5、降低，波紋管組件向上移動帶動主閥芯的開口變小，使得出口處的壓力和流量減小，從而保持出口的壓力或流量的穩(wěn)定。圖 1 原理示意圖3. 設(shè)計計算首先根據(jù)要求對主閥進行計算46，選取滿足要求的彈簧和波紋管：主閥芯處的流速始終為亞音速，流量公式： (1)其中： 閥門流量值 閥芯通流面積 氣體流量系數(shù) 氣體比熱比 閥門進口側(cè)壓力 閥門出口側(cè)壓力根據(jù)產(chǎn)品的流量要求，可以算出閥芯的有效面積，進而求得閥芯的通流直徑： (2)此電-空比例閥主要靠主閥部分的背壓腔與排出腔力平衡方程來調(diào)節(jié)出口的壓力。 4. 結(jié)構(gòu)設(shè)計根據(jù)不同的流量選擇不同的參數(shù)，然后可以進行結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示，產(chǎn)品分為兩部分：控制部分和主閥部分，二者

6、既可以分開又可以連接成一體使用。由于控制系統(tǒng)中含有控制電路等，故用在有含可燃氣體的環(huán)境中時便可以分開使用，將控制器放在安全地帶，通過氣路與主閥體相連，從而保證使用的安全。主閥結(jié)構(gòu)中只涉及到不銹鋼和鋁合金，耐腐蝕性良好。 圖2 結(jié)構(gòu)圖5. 控制器設(shè)計控制系統(tǒng)原理如圖3所示：圖3 控制系統(tǒng)圖控制系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制，即在反饋流量計流量的同時對背壓腔的壓力也進行控制，以保證最終流量控制的穩(wěn)定性，使得控制的精度與穩(wěn)定性大大提高，控制原理采用的是雙閉環(huán)數(shù)字PID控制方法，控制算法采用增量式的數(shù)字PID控制方法，如下所示： (3) 其中 為給定值，為反饋值 為采樣周期6. 研究結(jié)果與分析設(shè)計完產(chǎn)品樣機后，進

7、行了大量試驗，主要是流量控制方面的實驗，驗證了產(chǎn)品的基本性能如圖所示，入口25kPa下給定流量為50500L/min時的響應(yīng)曲線：圖4 給定不同流量下的性能曲線由圖4可以看出各種工況下不同流量值的響應(yīng)時間最大不會超過5s；流量具有較好的穩(wěn)定性，通過對各種工況下不同流量值數(shù)據(jù)分析后，可以得出流量值的穩(wěn)定性可以在1L/min到2L/min的范圍內(nèi)變化。7. 結(jié)論：本文詳細介紹了一種可用于燃氣配氣的精密電空比例閥的研制過程，詳細介紹了其工作原理，結(jié)構(gòu)設(shè)計及控制系統(tǒng)設(shè)計過程，主體結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)的分體設(shè)計，并且敏感元件采用了不銹鋼波紋管，所以此閥的主體耐腐蝕性良好，且沒有任何電氣部分，可以安全用于燃氣環(huán)

8、境；控制系統(tǒng)采用了雙閉環(huán)控制，使控制的穩(wěn)定性和精度都大大提高。最后試制樣機進行性能試驗，通過試驗驗證了設(shè)計的正確性。參考文獻：1 李雪梅 頂峰 氣控流量調(diào)節(jié)閥的設(shè)計與應(yīng)用. 流體傳動與控制. 2006.12 王文霞 劉金美 燃氣閥門應(yīng)用現(xiàn)狀及選型初探. 城市燃氣. 2008.113 郭全 史永征 燃氣/空氣比例調(diào)節(jié)裝置的結(jié)構(gòu)及原理分析. 北京建筑工程學(xué)報. 第19卷 第3期4 Naike CHEN and Kenji ARAKI. Pressure versus Flow-rate Characteristics of a Diaphragm Type Pneumatic Pressure Control Proportional Valve.1996 ASME Inte