智能閥門定位器中的壓電閥門式I/P轉換單元 

      引言

     閥門定位器是氣動調節閥來配套產品，長期以來歷產的閥門定位器是使用模擬信號和力平衡原理方法實現的。近年來，由于電子技術的發展，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、調試方便、流量特性可在線修改、可遠程通迅等優越性能，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，設計出優良的I/P轉換單元是實現閥門定位器智能化的很重要步驟之一。

      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節閥。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轉換單元的耗氣時小，氣源壓力易于穩定，壓力放大倍數小，改善振蕩現象，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轉換單元掃結構簡單、制造方便、成本低，因此，傳統閥門定位器中的I/P轉換單元絕大爽數采用這種結構方式。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，早出現是在二十世紀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奄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（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與先導腔連通，形成為一個整體。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：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：空氣
    10）重量：6g

      3 結構原理

     壓電閥在I/P轉換單元中起先導的作用，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Ⅱ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。

     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，它的作用猶如氣動斷電器。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Ⅱ加電壓控制,氣源KPa進入壓電閥Ⅱ的先導腔室中,形成120KPa左右的氣壓力，導壓推動排氣閥芯向下移動，把排氣口關閉。這時如果控制電路發出輸出氣壓力的脈沖，壓電閥Ⅱ則保持上電狀態，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閥的膜室中，驅動氣動調節閥進行位置調節，當到達設定位置時，壓電閥Ⅰ的電壓變為零，其導壓腔室氣壓變為0KPa，復位彈簧推動移動閥芯關閉輸出口，氣動調節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。這樣不斷地對壓電閥Ⅰ、Ⅱ的控制，I/P轉換單元不斷地輸出氣壓力和排氣，從而驅動氣動調節閥對流過閥體的介質進行流量調節。

      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，采用電子開關就可實現。基本原理圖見圖4。控制開關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配合可使壓電含辛茹苦兩端產生反向電壓，使壓電閥非通電狀態下關閉更可靠。控制狀態有三種：a保持狀態，些時可維持氣動執行呂的當前閥位；b進氣狀態，改變當關閥位；c排氣狀態，閥位復位。

      5 調壓裝置

      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構體積大、重量也不輕，若把此結構用來調節壓電閥的工作壓力，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（只有常規減壓器的十分之一），調節范圍廣（0～800KPa），輸出穩定等。

     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**的力相平衡，使出口壓力P保持在所需值而穩定不變。當順時針方向旋轉調節螺釘，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。
根據減壓閥理論，調節特性與膜片有效受壓面積A1，和閥通口有效面積A2有關：

      △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轉換單元的優點

     (１)大大提高了I/JP轉換單元的抗振動性

     傳統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境，擋板位置就易左右擺動，導致閥門定位器輸出不穩定。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的許多零件，其可動零件數就大大減少，從而提高了I/P轉換單元的抗振動性。

     (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。

  　當調節閥處于相對穩定的調控位置時，進氣閥的進氣口是關閉的，排氣閥的排氣口也是關閉，使得氣動調節閥膜室的氣體容量在一段時間內是靜態的，沒有空氣消耗。傳統閥門定位器在氣動調節閥達到某一穩定值時，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，且動作壽命高尚風格達數十億次，在產品使用中不會因為壓電閥的損壞，導致產品出現故障。在使用了壓電閥的智能閥門定位器中，小節流孔徑都在0.6mm以上，且壓縮空氣在通過節流孔這前，先經過微型過渡器過渡，從結構上就決定了整機產品不會堵塞（傳統產品的氣阻節流孔徑只有0.3mm，該孔經常被雜質堵塞）。

     總之，在智能閥門定位器中應用壓電控制技術，克服了傳統閥門定位器無法克服的問題，也使閥門定位器產品上了一個新臺階，為成套控制系統中的氣動調節閥提供了一項新的控制選擇。