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(shù)：基于非對稱構(gòu)造晶體的壓電效應(yīng)材料的壓電閥技術(shù)，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(gòu)的I/P轉(zhuǎn)換器技術(shù)，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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的電-氣轉(zhuǎn)換器。這兩種結(jié)構(gòu)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(yīng)來實現(xiàn)閥的動作的一種新型控制閥，它具有精度高、相應(yīng)快、功耗小、壽命長、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點。

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

1、壓電閥的結(jié)構(gòu)及工作原理
壓電閥基于逆壓電效應(yīng)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(yīng)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(jié)構(gòu)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(guān)閉。微型直動式換向閥結(jié)構(gòu)如圖1所示:



圖1 直動式壓電閥的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)為極薄的彈性金屬片兩面粘結(jié)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(guān)換向。

當(dāng)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(dāng)于閥關(guān)；當(dāng)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(dāng)于閥開。壓電片彎曲度與輸入電壓有關(guān)，響應(yīng)時間小于2ms，兩位開關(guān)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(gòu)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(jié)構(gòu)和工作原理如圖2所示：



圖2直動式壓電閥的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(gòu))和排氣口(連接大氣)。工作電壓為24VDC，響應(yīng)時間小于20ms，氣源壓力120-800kPa，最大氣量7.8Nm3/h。圖2中，左側(cè)為斷電狀態(tài)下的氣路狀態(tài)，右側(cè)為通電狀態(tài)下的氣路狀態(tài)。當(dāng)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(gòu)，驅(qū)動閥門動作，同時關(guān)閉排氣口。當(dāng)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(fù)位，主閥的閥芯關(guān)閉，P20的進氣口和排氣口連通，執(zhí)行機構(gòu)內(nèi)的氣體通過排氣口排出，閥門因失風(fēng)在彈簧作用下向相反的方向動作。
 
功率放大型壓電閥，在結(jié)構(gòu)上相當(dāng)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(shè)計、制造提供了便利，因此功率放大型壓電閥也廣泛地應(yīng)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(jié)構(gòu)采用壓電閥結(jié)構(gòu)的智能定位器，其氣路結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)

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(guān)閉；定位器輸出氣壓信號到控制閥氣動執(zhí)行機構(gòu)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(guān)閉、RV2關(guān)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(gòu)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(guān)閉、RV2打開；定位器的氣路處于排氣狀態(tài)，氣動執(zhí)行機構(gòu)的膜室經(jīng)壓電閥氣路通大氣，把執(zhí)行機構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shè)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(dāng)外部設(shè)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(gòu)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??；外部設(shè)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(gòu)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(shù)，迅速準(zhǔn)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(shù)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(shù)的進步，壓電閥應(yīng)用將更加廣泛。

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