智能閥門定位器的氣動部件一般由電-氣轉(zhuǎn)換器和氣動放大器組成。電-氣轉(zhuǎn)換器主要使用兩類技術：基于非對稱構造晶體的壓電效應材料的壓電閥技術，通常接受數(shù)字信號(電脈沖)產(chǎn)生兩位動作氣動輸出；基于電磁原理和氣動噴嘴/擋板機構的I/P轉(zhuǎn)換器技術，通常接受模擬電信號產(chǎn)生連續(xù)動作氣動輸出。德國Siemens的SIPARTPS SP2和美國NelesMetso的ND9000的智能閥門定位器，采用的是壓電閥結構的電-氣轉(zhuǎn)換器；而美國Fisher的DVC6000、德國SAM-SON373X、日本阿自倍爾SVP3000等閥門定位器，采用的是噴嘴擋板結構的電-氣轉(zhuǎn)換器。這兩種結構的電-氣轉(zhuǎn)換器，代表了目前國際上智能定位器的主流。壓電閥是利用壓電材料的壓電效應來實現(xiàn)閥的動作的一種新型控制閥，它具有精度高、相應快、功耗小、壽命長、結構緊湊等優(yōu)點。

介紹常用的幾種壓電閥的結構和工作過程，以及帶壓電閥的智能閥門定位器的氣路結構，并以Siemens的SIPART SP2智能閥門定位器為例，闡述采用壓電閥技術的智能閥門定位器的工作原理。

1、壓電閥的結構及工作原理
壓電閥基于逆壓電效應原理工作，具有節(jié)能低功率(驅(qū)動電流僅10MA)、精密微型化、高速響應和耐用性好的顯著特點，也易于閥門定位器全數(shù)字化。目前，智能閥門定位器氣動部件中的壓電閥組件，大都由德國賀爾碧格(hoerbiger)公司生產(chǎn)，主要采用P9系列壓電閥片和P20系列壓電閥組件，Siemens公司的PS2使用的壓電閥組件也是向賀爾碧格定制的。以賀爾碧格公司的壓電閥為例，介紹其結構和工作原理。

①直動式壓電閥
壓電閥的原理是利用壓電材料在電場作用下的變形，來實現(xiàn)氣動閥的進氣口的開啟和關閉。微型直動式換向閥結構如圖1所示:



圖1 直動式壓電閥的結構及工作原理

壓電閥中間的彎曲部件為壓電材料組成的壓電片。壓電片的結構為極薄的彈性金屬片兩面粘結而成的壓電晶體，在壓電片的兩個工作面上真空鍍膜形成兩個電極，利用壓電片在電場作用下的變形，來實現(xiàn)微型氣路兩位式開關換向。

當壓電晶體不通電時，壓縮空氣的輸入孔1被封閉，輸出孔2和通大氣孔3相通，輸出氣壓為大氣壓，相當于閥關；當壓電晶體通電時，上層晶體收縮，下層晶體伸長，上翹的機械變形有幾十微米，通大氣孔3封閉，壓縮空氣由孔1流向孔2，輸出氣壓信號，相當于閥開。壓電片彎曲度與輸入電壓有關，響應時間小于2ms，兩位開關動作的滯環(huán)電壓約為4V。壓電閥也可制成比例輸出型，但因其上下行存在較大滯環(huán)(動作電壓相差約2V)，故在智能閥門定位器氣動部件中很少使用。

②功率放大型壓電閥
直動式壓電閥實現(xiàn)了電信號到氣信號的控制轉(zhuǎn)換，但是在閥門定位器中，還需要把氣信號放大來驅(qū)動調(diào)節(jié)閥的執(zhí)行機構動作，為了解決氣信號放大的問題，生產(chǎn)廠家研制了功率放大型壓電閥。P20系列壓電閥的內(nèi)部結構和工作原理如圖2所示：



圖2直動式壓電閥的結構及工作原理

P20由P9直動式壓電閥片、氣動放大器(由氣室、膜片、閥芯組成)、微減壓器和過濾器等部件組成。氣路結構類似于兩位三通的電磁閥，有氣源口、進氣口(連接執(zhí)行機構)和排氣口(連接大氣)。工作電壓為24VDC，響應時間小于20ms，氣源壓力120-800kPa，最大氣量7.8Nm3/h。圖2中，左側為斷電狀態(tài)下的氣路狀態(tài)，右側為通電狀態(tài)下的氣路狀態(tài)。當壓電閥通電時，壓電片動作使經(jīng)過減壓、過濾后的氣源接通直動式壓電閥的輸出氣孔，氣信號作用在氣動放大器的膜片上驅(qū)動主閥打開，使氣源信號通過主閥的閥芯連接到進氣口2，然后再輸出到執(zhí)行機構，驅(qū)動閥門動作，同時關閉排氣口。當壓電閥失電時，壓電片動作封住空氣輸入孔，同時輸出氣孔和排氣孔連通，氣動放大器的氣室內(nèi)的氣體通過排氣孔放空，氣功放膜片在主閥彈簧的作用下復位，主閥的閥芯關閉，P20的進氣口和排氣口連通，執(zhí)行機構內(nèi)的氣體通過排氣口排出，閥門因失風在彈簧作用下向相反的方向動作。
 
功率放大型壓電閥，在結構上相當于一個直動式壓電閥和一個氣動信號放大器的組合體，在實現(xiàn)電信號到氣信號的控制轉(zhuǎn)換的同時，也實現(xiàn)了氣動信號的功率放大，為智能閥門定位器的設計、制造提供了便利，因此功率放大型壓電閥也廣泛地應用在智能閥門定位器的氣路控制中。

2、帶壓電閥的智能閥門定位器
①氣路結構采用壓電閥結構的智能定位器，其氣路結構通常由兩個功率放大型壓電閥組件(PV1、PV2)和兩個單向閥(RV1、RV2)組成，如圖3所示。



圖3 帶壓電閥的智能閥門定位器的氣路結構

氣動組件可有三種氣路邏輯狀態(tài)：
a、狀態(tài)一：PV1通電、PV2通電、RV1打開、RV2關閉；定位器輸出氣壓信號到控制閥氣動執(zhí)行機構的膜室，調(diào)節(jié)閥的閥桿朝著一個方向運動。
b、狀態(tài)二：PV1斷電、PV2通電、RV1關閉、RV2關閉；定位器的氣路處于封閉狀態(tài)，封住通到氣動執(zhí)行機構的氣路氣壓，整個定位器及調(diào)節(jié)閥的氣路處于保持狀態(tài)，調(diào)節(jié)閥的閥位保持不變化。
c、狀態(tài)三：PV1斷電、PV2斷電、RV1關閉、RV2打開；定位器的氣路處于排氣狀態(tài)，氣動執(zhí)行機構的膜室經(jīng)壓電閥氣路通大氣，把執(zhí)行機構膜室內(nèi)的氣體排掉，調(diào)節(jié)閥的閥桿朝著相反的方向(與狀態(tài)一相比較）運動。智能閥門定位器通過上述三種氣路狀態(tài)來實現(xiàn)調(diào)節(jié)閥的氣路調(diào)節(jié)，進而控制調(diào)節(jié)閥動作。

②智能閥門定位器工作原理
智能閥門定位器與傳統(tǒng)定位器相對比，在控制原理上基本相同，均是將輸入信號與位置反饋進行比較后對輸出壓力信號進行調(diào)節(jié)。但在執(zhí)行元件上智能定位器和傳統(tǒng)定位器完全不同，即工作方式不同：智能閥門定位器采用微處理器為核心，并采用新型電-氣轉(zhuǎn)換器件。

西門子SIPARTPS2系列智能電氣閥門定位器就是以微處理器為核心，利用新型的壓電閥代替?zhèn)鹘y(tǒng)定位器中的噴嘴、擋板調(diào)壓系統(tǒng)來實現(xiàn)對輸出壓力的調(diào)節(jié)控制，從而實現(xiàn)閥門位置的精確定位。SIPART PS2系列定位器結構如圖4所示，主要包括壓電閥單元組件、壓電驅(qū)動電路單元、微處理器單元、液晶顯示操作面板、閥位傳感器、輸入電路等部分。

SIPART PS2的工作原理：閥桿位置傳感器檢測閥門的實際開度信號，通過A/D轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號，與定位器外部設定(輸入）的數(shù)字信號在CPU中進行對比，計算二者偏差值，如偏差值超出定位精度，則CPU輸出控制信號使兩個壓電閥動作。當外部設定信號大于閥位反饋時，壓電閥V1打開，輸出氣源壓力P1增大，執(zhí)行機構膜室內(nèi)的壓力增加使閥門開度增加，閥位反饋信號和輸入信號之間的偏差減小；外部設定信號小于閥位反饋信號時，壓電閥V2打開，通過排氣孔排氣從而減小輸出氣源壓力P1，執(zhí)行機構膜室內(nèi)的壓力減小使閥門開度減小，二者偏差減小。

SIPART PS2智能定位器的特點：輸出壓力調(diào)節(jié)采用PID脈寬調(diào)制(PWM)技術，迅速準確；采用新型壓電閥器件，保證控制高精度；定位器的耗氣量極小。

采用壓電閥技術的智能定位器具有控制精度高、調(diào)節(jié)速度快、耗氣量小等優(yōu)點，代表了智能定位器未來的發(fā)展方向，隨著時間的推移和技術的進步，壓電閥應用將更加廣泛。

猜您喜歡
壓電閥組件常見故障及處理