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关于压电阀在智能阀门定位器中的应用

    1、压电效应的应用

    压电晶体是一种电能和机械能可逆转换的陶瓷功能材料,它既可以将机械能转化为电能,也可以将电能转化为机械能。

    压电晶体受到外力挤压时,除产生机械变形外,在晶体的表面产生与挤压力成比例的电荷,通过电荷放大器可以把电荷转化为相应的电压输出,用来制造成压电力传感器、超声波接受器等。

    同样在压电晶体上施加电场,压电晶体的外型尺寸也会发生微小的变化,这种现象称为电致伸缩现象,由于其机械变形是由电场产生的,而且压电晶体的内阻非常大,几乎不消耗能量,可制造小型化、低功耗元件如蜂鸣器、超声波发生器、压电阀等。

    2、先导压电阀P9

    HOERBIGER-ORIGA先导压电阀片P9(图1)通过压电薄片工作,其结构为极薄弹性金属片两面粘结压电晶体,在压电片的两个工作面上真空镀膜形成两个电极。

图1 P9工作原理示意图

    不通电时压缩空气输入孔1封闭,输出孔2和大气孔3相通,输出气压为0;通电时上层晶体收缩,下层晶体伸长,产生杠杆效应,使机械变形可扩大到几十微米,大气孔3封闭,压缩空气由孔1流向孔2,产生输出气压信号,压电片弯曲的程度随输入电压的大小变化而变化,所以先导压电阀P9可作为开关或比例阀使用。电压压力输出曲线见图2,先导压电阀响应时间小于2mS。

图2 P9压力-电压曲线图

    3、压电开关阀P20

    HOERBIGER-ORIGA压电开关阀P20(图3)由先导压电阀片P9、开关功率放大器、微型减压阀和30μm的过滤器组成2位3通阀。

    工作电压:24VDC
    工作电流:<10μA
    维持电流:0μA
    响应时间:<20mS(达到
    10%或90%的压力)
    电   容:<100nF
    工作气压:1.2-8.0Bar
    流   量:130L/Min
    (From6to5Bar)
    工作温度:-30~+60度

图3 P20工作原理示意图

    4、压电智能调节阀定位器气路结构

    压电智能阀门定位器气路上采用两个P20压电阀(PV1、PV2)和两个单向阀(RV1、RV2)组成非常简单的控制气路,如图4。

    智能阀门定位器共有3种气路逻辑状态。

 PV1

 PV2 

 RV1

RV2 

 调节阀

 ON

 ON

 打开

 关闭

 进气

 OFF

 ON

 关闭

 关闭

 保持

 OFF

 OFF

 关闭

 打开

 排气

    当执行机构有少量泄漏或阀门管道压力突然变化引起阀位波动时,智能定位器马上由保持状态切换到脉冲工作状态,由于P20的响应时间可以到20mS,进气或排气压电阀可以将进气或排气量控制到最小(近似为0),保证阀位的扰动控制在1%误差范围内。

图4 气路结构示意图

    5、压电智能阀门定位器控制模式

    压电智能阀门定位器采用脉宽调制工作方式PWM(PulseWidthModulation)驱动压电阀。当控制偏差很大时,定位器输出连续信号;当偏差不大时,输出脉冲信号;当偏差很小时,输出更小的脉冲信号;当偏差达到阀门控制精度范围,没有控制指令输出,保持定位。

    6、压电智能阀门定位器特点

    由于核心气动元件是压电材料结构,其可活动部件少、体积小、极低功耗、输出气流量可以从0到130L/Min连续变化,压电智能阀门定位器有许多优点。

   控制精度高、速度快:进气或排气的最小流量几乎可以为0,很容易将控制阀调节到1%或更高的精度,在25行程3Bar压力的调节阀,开关速度可控制2S以内。
   耗气量低、抗震动:阀门定位时,气路处在保持状态,消耗压缩空气量几乎忽略不计。智能阀门定位器使用的是两个常闭压电阀,停电时压缩空气没有排空,降低了使用成本。无活动喷嘴挡板机构,定位器可以消除外界震动对阀门的影响。
  维护简单:模块化结构,自动整定后,阀门的特性参数都保存到定位器中,用户可根据初始的记录来了解阀门的使用情况,为阀门的维护提供可靠依据。
  低功耗:压电阀片的驱动电流为10μA,无需保持电流,对于从4-20mA信号或现场总线中取电的仪表来说是非常重要的,可以方便地使用LCD指示、任意分程、自定义流量曲线、阀位输出、限位开关、现场总线等功能。