压电阀结构原理及其在智能阀门定位器中的应用

智能阀门定位器的气动部件一般由电-气转换器和气动放大器组成。电-气转换器主要使用两类技术：基于非对称构造晶体的压电效应材料的压电阀技术，通常接受数字信号(电脉冲)产生两位动作气动输出；基于电磁原理和气动喷嘴/挡板机构的I/P转换器技术，通常接受模拟电信号产生连续动作气动输出。德国Siemens的SIPARTPS SP2和美国NelesMetso的ND9000的智能阀门定位器，采用的是压电阀结构的电-气转换器；而美国Fisher的DVC6000、德国SAM-SON373X、日本阿自倍尔SVP3000等阀门定位器，采用的是喷嘴挡板结构的电-气转换器。这两种结构的电-气转换器，代表了目前国际上智能定位器的主流。压电阀是利用压电材料的压电效应来实现阀的动作的一种新型控制阀，它具有精度高、相应快、功耗小、寿命长、结构紧凑等优点。

介绍常用的几种压电阀的结构和工作过程，以及带压电阀的智能阀门定位器的气路结构，并以Siemens的SIPART SP2智能阀门定位器为例，阐述采用压电阀技术的智能阀门定位器的工作原理。

1、压电阀的结构及工作原理

压电阀基于逆压电效应原理工作，具有节能低功率(驱动电流仅10MA)、精密微型化、高速响应和耐用性好的显著特点，也易于阀门定位器全数字化。目前，智能阀门定位器气动部件中的压电阀组件，大都由德国贺尔碧格(hoerbiger)公司生产，主要采用P9系列压电阀片和P20系列压电阀组件，Siemens公司的PS2使用的压电阀组件也是向贺尔碧格定制的。以贺尔碧格公司的压电阀为例，介绍其结构和工作原理。

①直动式压电阀

压电阀的原理是利用压电材料在电场作用下的变形，来实现气动阀的进气口的开启和关闭。微型直动式换向阀结构如图1所示:

压电阀中间的弯曲部件为压电材料组成的压电片。压电片的结构为极薄的弹性金属片两面粘结而成的压电晶体，在压电片的两个工作面上真空镀膜形成两个电极，利用压电片在电场作用下的变形，来实现微型气路两位式开关换向。

当压电晶体不通电时，压缩空气的输入孔1被封闭，输出孔2和通大气孔3相通，输出气压为大气压，相当于阀关；当压电晶体通电时，上层晶体收缩，下层晶体伸长，上翘的机械变形有几十微米，通大气孔3封闭，压缩空气由孔1流向孔2，输出气压信号，相当于阀开。压电片弯曲度与输入电压有关，响应时间小于2ms，两位开关动作的滞环电压约为4V。压电阀也可制成比例输出型，但因其上下行存在较大滞环(动作电压相差约2V），故在智能阀门定位器气动部件中很少使用。

②功率放大型压电阀

图2 直动式压电阀的结构及工作原理

P20由P9直动式压电阀片、气动放大器(由气室、膜片、阀芯组成)、微减压器和过滤器等部件组成。气路结构类似于两位三通的电磁阀，有气源口、进气口(连接执行机构)和排气口(连接大气)。工作电压为24VDC，响应时间小于20ms，气源压力120-800kPa，最大气量7.8Nm3/h。图2中，左侧为断电状态下的气路状态，右侧为通电状态下的气路状态。当压电阀通电时，压电片动作使经过减压、过滤后的气源接通直动式压电阀的输出气孔，气信号作用在气动放大器的膜片上驱动主阀打开，使气源信号通过主阀的阀芯连接到进气口2，然后再输出到执行机构，驱动阀门动作，同时关闭排气口。当压电阀失电时，压电片动作封住空气输入孔，同时输出气孔和排气孔连通，气动放大器的

气室内的气体通过排气孔放空，气功放膜片在主阀弹簧的作用下复位，主阀的阀芯关闭，P20的进气口和排气口连通，执行机构内的气体通过排气口排出，阀门因失风在弹簧作用下向相反的方向动作。

功率放大型压电阀，在结构上相当于一个直动式压电阀和一个气动信号放大器的组合体，在实现电信号到气信号的控制转换的同时，也实现了气动信号的功率放大，为智能阀门定位器的设计、制造提供了便利，因此功率放大型

压电阀也广泛地应用在智能阀门定位器的气路控制中。

2、带压电阀的智能阀门定位器

①气路结构采用压电阀结构的智能定位器，其气路结构通常由两个功率放大型压电阀组件(PV1、PV2)和两个单向阀(RV1、RV2)组成，如图3所示。

图3 带压电阀的智能阀门定位器的气路结构

气动组件可有三种气路逻辑状态：

a、状态一：PV1通电、PV2通电、RV1打开、RV2关闭；定位器输出气压信号到控制阀气动执行机构的膜室，调节阀的阀杆朝着一个方向运动。

b、状态二：PV1断电、PV2通电、RV1关闭、RV2关闭；定位器的气路处于封闭状态，封住通到气动执行机构的气路气压，整个定位器及调节阀的气路处于保持状态，调节阀的阀位保持不变化。

c、状态三：PV1断电、PV2断电、RV1关闭、RV2打开；定位器的气路处于排气状态，气动执行机构的膜室经压电阀气路通大气，把执行机构膜室内的气体排掉，调节阀的阀杆朝着相反的方向(与状态一相比较）运动。智能阀门定位器通过上述三种气路状态来实现调节阀的气路调节，进而控制调节阀动作。

②智能阀门定位器工作原理

智能阀门定位器与传统定位器相对比，在控制原理上基本相同，均是将输入信号与位置反馈进行比较后对输出压力信号进行调节。但在执行元件上智能定位器和传统定位器完全不同，即工作方式不同：智能阀门定位器采用微处理器为核心，并采用新型电-气转换器件。

西门子SIPARTPS2系列智能电气阀门定位器就是以微处理器为核心，利用新型的压电阀代替传统定位器中的喷嘴、挡板调压系统来实现对输出压力的调节控制，从而实现阀门位置的精确定位。SIPART PS2系列定位器结构如图4所示，主要包括压电阀单元组件、压电驱动电路单元、微处理器单元、液晶显示操作面板、阀位传感器、输入电路等部分。

SIPART PS2的工作原理：阀杆位置传感器检测阀门的实际开度信号，通过A/D转换变为数字信号，与定位器外部设定(输入）的数字信号在CPU中进行对比，计算二者偏差值，如偏差值超出定位精度，则CPU输出控制信号使两个压电阀动作。当外部设定信号大于阀位反馈时，压电阀V1打开，输出气源压力P1增大，执行机构膜室内的压力增加使阀门开度增加，阀位反馈信号和输入信号之间的偏差减小；外部设定信号小于阀位反馈信号时，压电阀V2打开，通过排气孔排气从而减小输出气源压力P1，执行机构膜室内的压力减小使阀门开度减小，二者偏差减小。

SIPART PS2智能定位器的特点：输出压力调节采用PID脉宽调制(PWM)技术，迅速准确；采用新型压电阀器件，保证控制高精度；定位器的耗气量极小。

采用压电阀技术的智能定位器具有控制精度高、调节速度快、耗气量小等优点，代表了智能定位器未来的发展方向，随着时间的推移和技术的进步，压电阀应用将更加广泛。