定位器和转换器的工作原理详解

电/气阀门定位器系工业自动化仪表品种之一，是气动执行器（气动调节阀）主要的配套仪表，用以克服调节阀受压差影响而产生的不平衡力，提高阀门位置变换的线性度，从而使调节阀的行程（阀门开度）按调节仪表输出的4～20mA或0～10mA直流电流信号成对应的比例关系，实现正确定位。

气动执行机构（大多为调节阀）在工业自动化生产中占有极其重要的地位，定位器、转换器是调节阀上的主要附件，其性能的优劣直接决定了调节阀的控制准确度。电/气转换器是电动单元组合仪表中的一个转换单元。它能将电动控制系统的标准信号（DC 0～10mA或DC4～20mA）转换为标准气压信号（0.2×10⁵～1.0×10⁵Pa或0.4×10⁵～2.0×10⁵Pa）。通过它可以组成电/气混合系统以便发挥各自的优点，扩大其使用范围。如它可用来把电动调节器输出信号经转换后用以驱动气动执行机构，或将来自各种电动变送器的输出信号经转换后送往气动调节器。

定位器和转换器都是调节阀的主要附件，与气动调节阀配套使用，保证调节阀按设定的要求正确定位。带气动定位器的自动控制系统如图6-4-1所示。电/气阀门转换器是把电信号转换成气压信号，通过气动定位器或直接与执行机构相连接。电/气阀门定位器是把电信号直接转换成执行机构位移信号，其实质是电/气转换器与气动定位器的组合仪表。图中i是被调量的设定值，电/气转换器把输出气压反馈值与调节器初始设定值进行比较，根据比较后的偏差值，调整气压输出，从而保证执行机构准确定位。转换器也可以直接与执行机构相连，由于转换器反馈信息是输出气压值，不是阀门实际位移值，单独使用时，当阀杆摩擦力等不平衡力发生变化，就会影响阀门正确定位。电/气阀门定位器反馈的是阀门实际位置信号，对执行机构控制更加精确。无论是电/气阀门转换器还是电/气阀门定位器，电/气转换装置都是相同的。

图6-4-1 电/气阀门定位器自动调节系统

1.定位器、转换器的种类

（1）机械式电/气阀门定位器

传统的电/气阀门定位器工作原理如图6-4-2所示，当线圈里输入电流时，铁心被磁化，在永久磁场作用下，铁心以O为轴转动，杠杆1上的平衡弹簧用来调整挡板与喷嘴的初始距离，保证线圈内无电流时，挡板与喷嘴间隔处于最佳距离，当输入电流使杠杆2反时针转动微小的角度，挡板靠近喷嘴，被压室气压升高，推动阀杆下移，带动偏心凸轮反时针旋转，把滚子向左推，经过杠杆2上的弹簧把杠杆2向左拉，挡板远离喷嘴，则被压室压力降低，这就是负反馈作用，保证调节阀开度与输入信号成比例关系，也就是定位作用。机械力平衡结构缺点是耐环境性差，易受温度、外界振动影响，易磨损，手动调整费时且需要中断控制回路。但由于其价格低廉，在传统企业里仍在使用。

图6-4-3是美国SAMSON公司根据机械力平衡原理生产的电/气转换装置，用于电/气转换器，控制原理与上述基本相同。

图6-4-2 机械式电/气阀门定位器原理

1—平衡弹簧 2—磁铁 3—杠杆1 4—恒节留口 5—气动放大器 6—喷嘴 7—挡板 8—杠杆2 9—偏心凸轮 10—滚轮 11—调节阀 12—平板

（2）电子式电/气阀门定位器

图6-4-4是日本Honeywell公司的EP2300/2400电子式电/气阀门定位器工作原理图，线性反馈电位器把调节阀的阀杆位置转换成电信号并和初始设定值比较，经过PI控制器调整和信号放大输出至压电微型阀，控制输出气压，经气动放大器输出。当输入信号与反馈信号平衡时，气动放大器输出稳定的压力信号，保证调节阀精确定位。不同于机械式力平衡原理，给定值与实际反馈值的比较完全是电信号，不再是力平衡，减少了中间传递环节，消除了力传递和转换过程中一些问题，提高了抗干扰能力。其中电/气转换元件采用压电微型阀，具有动作速度快、质量小、寿命长等优点，能够在实现气路平衡的同时，完成电信号到气信号的精确转换。

图6-4-3 机械力平衡原理电气转换装置图

1—挡板 2—喷嘴 3—平衡梁 4—弹簧 5—机械调零 6—柱塞线圈 7—永久磁铁

图6-4-4 电子式电/气阀门定位器原理图

图6-4-5是美国Fisher-Rosemount公司生产的电子式电/气转换器控制原理图，其电/气转换装置如图6-4-6所示，线圈通入直流电流，中间铁心被磁化，吸引质量很轻的带硬心的平模片产生位移，从而改变被压室压力。平膜片质量轻、惯性小。这种全封闭软磁包容结构，使电/气转换装置具有变换准确度高、效率高、能耗小和响应快的特点。

2.定位器的主要作用

阀门定位器是气动执行机构的主要附件。它与气动执行机构配套使用，接受调节器的输出信号，然后产生和调节器输出信号成比例的输出信号控制气动执行机构。阀门定位器主要有以下几种功能：

图6-4-5 电子式电/气转换器原理图(www.xing528.com)

图6-4-6 电/气转换装置结构图

1—平膜片 2—挡板 3—喷嘴 4—线圈 5—磁路

（1）改善阀的静态特性

用阀门定位器后，只要调节器输出气压略有改变，经过喷嘴—挡板系统及放大器的作用，可使通往调节阀膜头的气压有大的变动，以克服阀杆的摩擦和消除调节阀不平衡力的影响，保证阀门位置按调节器发出的信号正确定位。

（2）改善阀的动态特性

定位器改变了原来阀的一阶滞后特性，减小时间常数，使之成为比例特性。

（3）改变阀的流量特性

通过改变定位器反馈凸轮的形状，可使调节阀的线性、快开等百分比流量特性互换。

（4）用于分程控制

一般的过程控制系统是一个控制器的输出信号驱动一个控制阀作全行程的动作，而分程控制系统具有控制多阀的功能，每个控制阀只能在控制器输出信号的某一区段范围内作全行程的动作，控制器输出信号区段的划分根据生产工艺要求来确定。分程控制的目的有两种：一种是扩大控制阀的可调比，提高系统的控制品质，增加系统的稳定性；另一种是满足工艺操作的某些特殊要求。例如：使两个调节阀分别在（20～60kPa）及（60～100kPa）的信号范围内完成全行程移动。

（5）用于阀门的反向动作

采用反作用式定位器可使气开阀变为气关阀，气关阀变为气开阀。

如上所述，阀门定位器的使用可以扩大调节阀的适应范围，满足于不同的工艺流程要求。阀门定位器是很重要的辅助执行机构。

3.阀门定位器发展历程

阀门定位器的发展如表6-4-1所示。

表6-4-1 阀门定位器发展历程

①1psi=6.89kPa

早期的控制回路都是气体驱动的，变送器、控制器和最后的控制单元被连接在一起并通过一个3～15psi的气动信号相互通信，该信号作为一个动力源来驱动最后控制单元的执行机构。

电子技术和自动化技术的迅速发展，使得控制系统技术中的先进性已经超过了调节阀和定位器的发展，在今天的自动调节系统中，大多数变送器是带有数字或模拟输出的电子装置，并且调节器的输出也几乎都是电子信号，但大多数的最后控制单元包括调节阀都是气动的。然而要把4～20mA的模拟信号和3～15psi的气压信号联系在一起需要一个电流/气压（I/P）转换装置，随着电气阀门定位器的广泛应用，已不需要再单独设置电流/气压转换器。

随着多种微处理器及微型计算机的应用，智能技术已广泛应用于各种测量控制仪表。为适应现代化工业生产对过程控制的要求，便于同DCS和计算机接口，定位器也必然要向智能化方向发展，并且必定要与新一代全数字化的现场总线控制系统（FCS）相适应。目前，国外一些在工业自动化领域有着多年经验和雄厚技术优势的大公司，如Siemens、Fisher-Rosemount、Smar等，相继研制成功了智能型电—气阀门定位器，而国内这方面起步比较晚。