阀门定位器E/P转换单元的工作原理介绍

1.E/P转换单元的类型

E/P转换单元是阀门定位器重要的关键部件之一，其可控性、抗振动性、耗电量、耗气量指标都将直接影响执行机构的性能。

E/P转换单元主要作用是把电信号变换成气动信号，通过放大喷嘴的背压和流量控制，使其具有足够的功率去操作气动调节阀。E/P转换单元的种类可按耗气量分为耗气式和不耗气式两种结构。由于不耗气式E/P转换单元的耗气量小，气源压力易于稳定，压力放大倍数小，可以有效抑制振荡，因此，不耗气式的E/P转换单元常常用于阀门定位器设计中。

E/P转换单元按结构形式可分为线圈喷嘴/挡板式、线圈滑阀式和压电阀式三种结构。由于线圈喷嘴/挡板式E/P转换单元的结构简单、制造方便、成本低，因此，传统阀门定位器中的E/P转换单元绝大多数采用这种结构方式；线圈滑阀式主要在电磁阀中采用；压电阀式的E/P转换单元，最早出现是在20世纪90年代Siemens公司推出的SIPART PS智能阀门定位器中，因其具有高抗振动性、高可靠性、低功耗、低耗气量和能够接受较高频率的控制信号等特点，非常适合智能阀门定位器对E/P转换单元的性能要求。

2.线圈喷嘴/挡板式E/P单元

（1）工作原理

线圈喷嘴/挡板式E/P单元的工作原理如图6-4-7所示。

当电流信号（4～20mA）通入线圈两端时，它与永久磁钢作用后，主杠杆2产生一个向左的力，使主杠杆2绕主杠杆支点15作逆时针偏转，挡板13靠近喷嘴，喷嘴背压经输出放大器16放大后，送入气室8使阀杆向下移动带动反馈杆9绕反馈凸轮支点4偏转，连在同一轴上的反馈凸轮5作逆时针方向转动，通过滚轮10使副杠杆6绕副杠杆支点7偏转将反馈弹簧11拉伸，反馈弹簧11对主杠杆2的拉力与线圈作用在主杠杆上的力矩平衡时，仪表达到平衡状态。此时，一定的电流信号就对应一定的阀门位置。调零弹簧12是调零用的。

（2）线圈喷嘴/挡板式E/P定位器的缺点

上述定位器存在以下缺点：①其可动部件较多，容易受温度、振动的影响；②装好的调节阀由于其规格、填料的摩擦情况是多变的，若将各种各样的调节阀的硬件作相应的变更来达到最佳控制状态，根本实现不了；③信号的流向是控制仪表单向流向定位器的，在出现故障时，不能自诊断故障位置或原因；④喷嘴孔很小（0.3mm），易被灰尘或不干净的气源堵住，使定位器不能正常工作；⑤定位器喷嘴需连续供给压缩空气，即使在稳定状态也需供给压缩空气，能耗大；⑥定位器行程和零点调整时，需反复调整，很费时间；⑦功能单一，可扩充性差。

图6-4-7 线圈喷嘴/挡板式E/P单元的工作原理图

1—线圈 2—主杠杆 3—平衡弹簧 4—反馈凸轮支点 5—反馈凸轮 6—副杠杆 7—副杠杆支点 8—气室 9—反馈杆 10—滚轮 11—反馈弹簧 12—调零弹簧 13—挡板 14—喷嘴 15—主杠杆支点 16—气动放大器

3.压电阀式E/P单元

（1）工作原理

压电阀是利用功能陶瓷片在电压作用下产生弯曲变形原理制成的一种两位式（或比例式）控制阀。控制压电阀动作只需提供足够的电压，电功耗几乎为零。其动作原理：压电阀的初始状态（不通电，如图6-4-8所示），功能陶瓷片作用在喷嘴口1上，这时喷嘴口2、喷嘴口3与先导腔连通，形成为一个整体。当压电阀接通电源时（如图6-4-9所示），功能陶瓷片变形向上翘，把喷嘴口3压住，使得喷嘴口2与喷嘴口1连通。

图6-4-8 压电阀初始状态(www.xing528.com)

图6-4-9 压电阀通电状态

（2）结构原理

压电阀在E/P转换单元中起先导阀的作用，每个E/P转换单元同时应用两个压电阀，压电阀Ⅰ控制E/P转换单元的输出（也称进气阀），压电阀Ⅱ控制E/P转换单元排气（也称排气阀），其工作原理如图6-4-10所示。

对于压电阀由于导压（即先导腔室中的气压力）太小，不具有产生气流的能力，所以必须增压。增压是在伺服部分完成，它的作用犹如气动继电器。伺服部分在先导腔室一侧有一个面积较大膜片，在输出及排气腔室一侧有一个面积较小的面。当导压达到120kPa时，施加在先导腔室一侧膜片上的力，大于作用在输出及排气腔室另一侧面上的力，这将迫使移动阀心与排气阀心移动，当两侧面的力达到平衡时，这样作用在输出及排气腔室一侧面上的气压将大于导压，从而达到增压的目的。

当控制电路接通电源后，压电阀Ⅰ上无电压，压电阀Ⅱ加电压控制，气源P₂进入压电阀Ⅱ的先导腔室中，形成120kPa左右的气压力，导压推动排气阀心向下移动，把排气口关闭。这时如果控制电路发出输出气压力的脉冲，压电阀Ⅱ则保持上电状态，压电阀Ⅰ加控制电压，功能陶瓷片向上弯曲，陶瓷片堵住压电阀喷嘴口3，气源P₂通过喷嘴口1进入压电阀Ⅰ导压腔室，形成120kPa左右的气压力，推动移动阀心向下移动，气源P₁通过进气口进入到气动调节阀的膜室中，驱动气动调节阀进行位置调节，当到达设定位置时，压电阀Ⅰ的电压变为零，其导压腔室气压变为0kPa，复位弹簧推动移动阀心关闭输出口，气动调节阀膜室中的气压力就会保持在相对恒定压力下。当要减小气动调节阀膜室中的气压力时，压电阀Ⅰ控制电压为零，压电阀Ⅱ控制电压也为零，其导压腔室的气压也变为0kPa，排气阀心在排气弹簧的作用下，打开排气口排气，达到膜室减压的目的。这样不断地对压电阀Ⅰ、Ⅱ的控制，E/P转换单元不断地输出气压力和排气，从而驱动气动调节阀对流过阀体的介质进行流量调节。

图6-4-10 E/P转换单元控制原理图

1—过滤器 2—可调节流器 3—压电阀 Ⅰ4—移动阀心 5—复位弹簧 6—压电阀Ⅱ 7—排气阀心 8—排气弹簧 9—气动调节阀

（3）压电阀式E/P转换单元的优点

1）大大提高了E/P转换单元的抗振动性。传统力平衡式阀门定位器在工作中，挡板与喷嘴间始终保持一段微小的距离，当阀门定位器安装在振动较大的环境，挡板位置就易左右摆动，导致阀门定位器输出不稳定。从图6-4-8和图6-4-9中可看出，双陶瓷片在压电阀先导腔中，只有两个固定位置，一种是作用在口1表面上，另一种是作用在口3表面上，这就从原理上消除了因外界振动而引起双陶瓷摆动。另外，也省掉了采用机械力平衡式时的许多零件，其可动零件数就大大减少，从而提高了E/P转换单元的抗振动性。

2）低功耗、低耗气量，使定位器运行成本降低。智能定位器采用两线制工作方式，控制室送给阀门定位器的4～20mA阀位信号能量有限，它既要满足电路中各种元器件正常工作，又要能够驱动E/P转换单元，所以设计中各个部件电功耗都必须严格控制。压电阀是功能陶瓷片制成，供给一定的电压就能工作，几乎不消耗电流。选用压电阀作为E/P转换单元控制元件，降低了整机的功耗。

当调节阀处于相对稳定的调控位置时，进气阀的进气口是关闭的，排气阀的排气口也是关闭的，使得气动调节阀膜室的气体容量在一段时间内是静态的，没有空气消耗。传统阀门定位器在气动调节阀达到某一稳定值时，进气口始终有空气供给，排气口始终有空气排出，只是供气量与排气量相等而已。因此，与传统阀门定位器相比，E/P转换单元采用压电阀的阀门定位器的耗气量大大减小。

3）结构精巧。采用了压电控制技术的E/P转换单元，体积大大缩小，E/P转换外形尺寸只有30mm×45mm×63mm大小。

4）整机可靠性更高。由于功能陶瓷片在使用中几乎不磨损，且动作寿命高达数十亿次，在产品使用中不会因为压电阀的损坏，导致产品出现故障。在使用了压电阀的智能阀门定位器中，最小节流孔径都在0.6mm以上，且压缩空气在通过节流孔之前，先经过微型过渡器过滤，从结构上就决定了整机产品不会堵塞（传统产品的气阻节流孔径只有0.3mm，该孔经常被杂质堵塞）。

总之，在智能阀门定位器中应用压电控制技术，克服了传统阀门定位器无法克服的问题，使阀门定位器产品上了一个新台阶，为成套控制系统中的气动调节阀提供了一项新的控制选择。