前言
隨著科技的發(fā)展越來越多的新技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)中,工業(yè)自動化設(shè)備趨向于高集成的集散控制技術(shù),工業(yè)現(xiàn)場儀表也已趨向于多功能的智能化發(fā)展,這些高精度檢測控制必然需要可靠的電信號傳輸,因此現(xiàn)在的工業(yè)現(xiàn)場已經(jīng)是電氣化儀表時代?,F(xiàn)實的工業(yè)儀表現(xiàn)場卻有一個特例,作為控制環(huán)節(jié)的后一部分——執(zhí)行調(diào)節(jié)機構(gòu)卻仍然停留在落后的氣動儀表時代。雖然越來越多的電動執(zhí)行器得到使用,但處于成本和安全防爆考慮,我國現(xiàn)階段的工業(yè)現(xiàn)場執(zhí)行調(diào)節(jié)儀表仍以氣動調(diào)節(jié)閥為主。
電氣轉(zhuǎn)換器的作用
氣動調(diào)節(jié)閥是一種氣動儀表,這種儀表接收氣動信號進行動作,與我們工業(yè)控制中的電信號不沾邊,因此工業(yè)現(xiàn)場的控制就需要一個轉(zhuǎn)換儀表,把控制室來的電信號轉(zhuǎn)換為調(diào)節(jié)閥能夠識別的氣信號。這種轉(zhuǎn)換儀表安裝在現(xiàn)場氣動調(diào)節(jié)閥上,接收控制室來的電信號然后轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的標準氣動信號,在進入調(diào)節(jié)閥作為調(diào)節(jié)閥能夠動作的氣動能源。
現(xiàn)場使用帶有電氣轉(zhuǎn)換器的氣動調(diào)節(jié)閥
這種安裝在調(diào)節(jié)閥上的轉(zhuǎn)換儀表,工業(yè)控制人員熟悉的就是閥門定位器。閥門定位器是一個能把控制室來的電信號轉(zhuǎn)換為氣動調(diào)節(jié)閥所需氣動能源的轉(zhuǎn)換儀表,根據(jù)性能的不同可分為機械式、電氣式、智能式等多種型號,在氣動調(diào)節(jié)閥中得到廣泛應(yīng)用。
除閥門定位器,工業(yè)現(xiàn)場還有一種信號轉(zhuǎn)換儀表得到使用,那就是電氣轉(zhuǎn)換器。電氣轉(zhuǎn)換器是一種結(jié)構(gòu)簡單,轉(zhuǎn)換準確的電氣轉(zhuǎn)換儀表設(shè)備,在上世紀的工業(yè)控制中得到大量的應(yīng)用,只是近年來才逐漸被閥門定位器所取代,但許多仍在運轉(zhuǎn)的老舊裝置中仍有它的身影。
原理及構(gòu)成
氣動儀表對于現(xiàn)在高度集成的電子時代很多人比較陌生,感覺無從學(xué)起,不知如何分析,實質(zhì)上氣動儀表的原理就如同電子電路原理一樣也是以小控大、以弱調(diào)強,用微弱的小氣動信號控制調(diào)節(jié)大功率的壓縮空氣流量。
電氣轉(zhuǎn)換器是依照經(jīng)典的氣動儀表原理研發(fā)出來的,其核心部件是噴嘴擋板機構(gòu)和氣動功率放大器。
電磁變?yōu)榭臻g改變
電氣轉(zhuǎn)換的方法是通過電磁轉(zhuǎn)換,把電信號轉(zhuǎn)換為一個機械部件的物理位移。這個機械部件同時也是噴嘴擋板機構(gòu)中的擋板部件。 擋板是一個中間實心的薄金屬圓盤,圓盤的另一面設(shè)計成一個外凸內(nèi)空的稀薄金屬線圈結(jié)構(gòu),金屬線圈正好通過一個強磁的磁缸。
線圈里的電流為控制室來的4-20nA的電流控制信號,隨著不同的電流值通電線圈所受到的強磁鐵的吸力不同,引起與金屬線圈一體的圓盤擋板產(chǎn)生一個物理位移。
磁缸與線圈擋板機構(gòu)如同:
噴嘴擋板機構(gòu)
噴嘴擋板機構(gòu)相當于電子電路中的三極管放大器,擋板是三極管中的基極,噴嘴是三極管中的發(fā)射極,噴嘴后方的氣路背壓是三極管中的集電極。
線圈電流的改變導(dǎo)致電磁力的改變,引發(fā)圓盤擋板位置改變,使圓盤與噴嘴之間的距離發(fā)生變化。而造成噴嘴排放到大氣環(huán)境中的儀表風量發(fā)生變化,造成噴嘴后方氣路中的儀表風壓力發(fā)生變化,這個儀表風壓即是噴嘴擋板機構(gòu)的背壓,其通過精密的氣路輸入到氣動功率放大器的控制端,作為放大器的控制信號使用,從而實現(xiàn)了以小控大的目的。
噴嘴擋板機構(gòu)如下圖所示:
氣動功率放大器
氣動功率放大器相當于電子電路中的功率放大器,如同電子電路中的音頻功放,噴嘴擋板機構(gòu)中的背壓儀表風如同微弱的音頻輸入信號,氣動功率放大器的儀表動力風進口如同音頻功放的電源,氣動功率放大器的輸出就是音頻放大器的喇叭。
氣動功率放大器實質(zhì)上是一個精密的氣動膜盒調(diào)節(jié)機構(gòu),通過變化壓力的儀表風進入一個膜片形成的氣室內(nèi),儀表風壓作用膜片使其膨脹變形,膜片的另一面設(shè)有金屬調(diào)節(jié)閥芯來調(diào)節(jié)下方氣閥的開度,從而控制氣閥內(nèi)儀表風的壓力和流量,使其輸出一定壓力值的大流量儀表風,從而實現(xiàn)了以弱控強的目的。
氣動功率放大器結(jié)構(gòu)如圖所示:
調(diào)節(jié)修正機構(gòu)
如同音頻功放有音量調(diào)節(jié)旋鈕一樣,電氣轉(zhuǎn)換器也有調(diào)節(jié)機構(gòu),只不過這個調(diào)節(jié)機構(gòu)目的是讓轉(zhuǎn)換器輸出的氣動信號為一個標準的氣動信號模式20—100KPa,這樣電信號的4-20mA就轉(zhuǎn)換為氣信號的20—100KPa,實現(xiàn)了電氣信號的轉(zhuǎn)換。這個調(diào)節(jié)機構(gòu)由節(jié)流孔、零點、滿度調(diào)節(jié)旋鈕和電路板組成。
電氣轉(zhuǎn)換器外表體分布有零點、滿度、節(jié)流孔如圖:
節(jié)流孔
節(jié)流孔也叫恒節(jié)流孔,是電氣轉(zhuǎn)換器中重要的一個小部件,其運行的好壞直接關(guān)系到電氣轉(zhuǎn)換器是否可以運行的關(guān)鍵。如同電子電路中的固定電阻一樣,在氣路系統(tǒng)中相當于一個阻尼,限制氣路中的空氣流量。
節(jié)流孔是一個如同一字螺絲的金屬體,其通過精密的機械氣路設(shè)置實現(xiàn)儀表風的節(jié)流措施。節(jié)流孔內(nèi)有一進一出兩個氣孔,進氣口在節(jié)流孔部件的頂部氣孔較大,出氣孔在節(jié)流孔部件頂端的1/3處,氣孔非常微小如同針尖一樣,兩氣孔之間通過密封墊片保證空間無空氣泄露。節(jié)流孔通過這微小的氣路來實現(xiàn)噴嘴擋板機構(gòu)中儀表風的恒流效果。
零點調(diào)節(jié)旋鈕
零點即電氣轉(zhuǎn)換器在輸入信號為4mA時所對應(yīng)輸出的氣動信號風壓為20KPa,也就是電氣轉(zhuǎn)換器的初態(tài)。
如同三極管放大電路中穩(wěn)定靜態(tài)工作點的分壓電阻,轉(zhuǎn)換器的零點旋鈕也是調(diào)整噴嘴與擋板之間的空間距離,來實現(xiàn)轉(zhuǎn)換器零點時輸出的氣動信號恒定在20KPa,此時擋板沒有空間位移變化,因此通過調(diào)整噴嘴的位移來實現(xiàn)噴嘴擋板間距離的改變保證輸出的準確性。
零點旋鈕為一個與噴嘴下部齒輪嚙合的螺旋柱,通過旋轉(zhuǎn)螺旋柱能夠?qū)崿F(xiàn)噴嘴高度的變化,改變噴嘴與擋板之間的初始距離,穩(wěn)定20KPa氣動信號的輸出。
滿度調(diào)整旋鈕
滿度即量程調(diào)整,通過電路板上一個可調(diào)電阻器來實現(xiàn)。當輸入信號為20mA時,通過改變可調(diào)電阻的電阻值,使線圈里的電流發(fā)生變化,讓擋板所受的電磁吸力發(fā)生改變,使擋板與噴嘴的空間距離發(fā)生變化,使其輸出的氣動信號恒定在100KPa。
電路板
在電氣轉(zhuǎn)換器中間位置,線圈擋板之下有一個小型的簡單電路板,上面除設(shè)置有滿度調(diào)整電阻器外還有一個濾波電路,用來消除遠距離從控制室傳輸來的直流毫安信號,可能夾雜的交流電磁干擾信號,以確保磁缸內(nèi)線圈電流的準確,保證電氣轉(zhuǎn)換器的可靠穩(wěn)定性。
節(jié)流孔的結(jié)構(gòu)如圖所示:
電氣轉(zhuǎn)換器使用要求
電氣轉(zhuǎn)換器是一個能夠把4-20mA轉(zhuǎn)換為20—100KPa氣動信號的轉(zhuǎn)換儀表,其要根據(jù)現(xiàn)場的條件來使用,即電氣轉(zhuǎn)換器所接的氣動調(diào)節(jié)閥的彈簧壓縮系數(shù)為20—100KPa,,如果超出這個范圍使用則無法實現(xiàn)調(diào)節(jié)閥的全開全關(guān)動作,這一點不同于閥門定位器,選用電氣轉(zhuǎn)換器是一定要細心。
電氣轉(zhuǎn)換器氣路預(yù)處理,如同音頻放大器對電源電壓有要求一樣,電氣轉(zhuǎn)換器對于所需要的儀表動力風能源的壓力也有要求,要求進入電氣轉(zhuǎn)換器的儀表風壓穩(wěn)定在0.14Mpa附近,因此電氣轉(zhuǎn)換器儀表進風入口要設(shè)置空氣過濾減壓裝置,使進入電氣轉(zhuǎn)換器的儀表風壓恒定無雜質(zhì)。
電氣轉(zhuǎn)換器的校準
電氣轉(zhuǎn)換器作為一個標準的儀表,其需要單獨進行精度校準,但實際使用中為減少工作量一般與所連接的調(diào)節(jié)閥一起實現(xiàn)聯(lián)校。
準備工作
校準所需儀器:一個標準電流信號發(fā)生器,一個標準氣動恒壓器,一個0.1精度的標準壓力表,一個標準的毫米尺。
校準連接:標準電流信號發(fā)生器接入電氣轉(zhuǎn)換器接線盒中;標準的氣動恒壓器一端連接儀表風一端接入電氣轉(zhuǎn)換器的儀表風進口,并調(diào)節(jié)恒壓器使其輸出為恒定的140KPa,;通過儀表風管把標準壓力表接入電氣轉(zhuǎn)換器與氣動調(diào)節(jié)閥之間的氣路中,用毫米尺測量調(diào)節(jié)閥的行程指示牌,做好初始位置標志。
電氣轉(zhuǎn)換器與調(diào)節(jié)閥聯(lián)校的連接圖:
校準
標準電流信號發(fā)生器輸出4mA,查看標準壓力表的讀數(shù)使其穩(wěn)定在20KPa,可通過電氣轉(zhuǎn)換器的零點旋鈕進行調(diào)整。記錄調(diào)節(jié)閥閥桿的位置。
標準電流信號發(fā)生器輸出20mA,查看標準壓力表的讀數(shù)使其穩(wěn)定在100KPa,可通過電氣轉(zhuǎn)換器的滿度旋鈕進行調(diào)整。記錄調(diào)節(jié)閥閥桿的位置。
重復(fù)上述兩點進行調(diào)整,直到滿足要求為止。然后在分別測試12mA、8mA、16mA三點,觀察轉(zhuǎn)換器輸出的線性度和調(diào)節(jié)閥開度所對應(yīng)的位置。
觀察調(diào)節(jié)閥的死區(qū),用標準信號發(fā)生器緩慢的從4mA開始逐漸增大電流信號,觀察調(diào)節(jié)閥的閥桿到有一個明顯的動作時記下此時的電流值和電氣轉(zhuǎn)換器輸出的氣動信號壓力值,然后在反向進行測試。
現(xiàn)場使用故障處理
電氣轉(zhuǎn)換器在使用中的故障通常時通過調(diào)節(jié)閥顯現(xiàn)出來。因為電氣轉(zhuǎn)換器為調(diào)節(jié)閥的一個附件,現(xiàn)場使用中工藝人員先發(fā)現(xiàn)的故障時調(diào)節(jié)閥的故障如:閥門突然失靈后全開或全關(guān),閥門運行時開關(guān)不能到位即不能全開全關(guān)等故障。
維修人員首先要到現(xiàn)場查看故障分析原因,首先確認是調(diào)節(jié)閥的原因還是電氣轉(zhuǎn)換器的原因。故障排除的手段就是通過觀察電氣轉(zhuǎn)換器輸出儀表風風管上壓力表的壓力值來進行判斷,因為電氣轉(zhuǎn)換器與調(diào)節(jié)閥之間沒有閥位反饋的連接,電氣轉(zhuǎn)換器的輸出風壓只與電氣轉(zhuǎn)換器接線盒內(nèi)毫安電流值有關(guān),所以通過觀察轉(zhuǎn)換器輸出的儀表風壓即可快速的分辨出是調(diào)節(jié)閥的故障還是電氣轉(zhuǎn)換器的故障,這比閥門定位器與調(diào)節(jié)閥的故障好判斷。
通過觀察電氣轉(zhuǎn)換器輸出儀表風壓力表的壓力值可以判斷出故障,日常使用主要包括四個方面:壓力值大與控制信號無關(guān),故障原因限流孔堵塞;壓力值不準確4毫安時不是20KPa,零點漂移;壓力值不準確20毫安時不是100KPa,量程不準確;壓力值始終處于0,接線故障可能為松動脫落短路,儀表風故障,前方過濾減壓閥堵塞、沒有儀表風等。
限流孔堵塞處理
限流孔堵塞是電氣轉(zhuǎn)換器使用中主要的故障,原因就是電氣轉(zhuǎn)換器前方的空氣過濾減壓閥的效果不好,致使進入轉(zhuǎn)換器的儀表風中含有鐵銹雜質(zhì)水分等,流經(jīng)限流孔的時候堵塞細小的氣路。如果限流孔堵塞,那么其電氣轉(zhuǎn)換器就會因為噴嘴無儀表風流出,致使噴嘴后背壓達到大,使電氣轉(zhuǎn)換器的輸出為大。
如此細小的氣眼一旦堵塞很難找到合適的工具進行疏通,現(xiàn)場排除故障時可擰下限流孔用頭發(fā)絲進行疏通,然后用嘴吹氣的方法來確認限流孔雜質(zhì)是否除掉,當然這對于維修人員來說不衛(wèi)生,甚至有可能引發(fā)疾病,但現(xiàn)場排除故障沒有更好的方法,使用此法簡潔快速實在是無奈之舉。
零點、滿度的調(diào)整
如果故障是因為零點、滿度不準確引起的,那么可用螺絲刀在相應(yīng)的電流值的情況下調(diào)節(jié)零點或滿度旋鈕直到正確為止。調(diào)整方法很簡單,不在詳述。
電源信號、儀表風源故障
只要分析出故障原因可以針對性的快速排除。
使用心得及改進
電氣轉(zhuǎn)換器的校準雖然要求嚴格,但實際使用中的故障維修可粗略的進行調(diào)整排除。因為電氣轉(zhuǎn)換器是一個開路的轉(zhuǎn)換儀表,沒有信號的反饋以提高自身的精度,所以安裝在現(xiàn)場調(diào)節(jié)閥的電氣轉(zhuǎn)換器的控制精度和效果都遠不如閥門定位器。特別是在一些大容量膜頭或使用長久的調(diào)節(jié)閥中,電氣轉(zhuǎn)換器對于調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)控制緩慢滯后,誤差較大,很難克服調(diào)節(jié)閥閥桿與盤根摩擦而引起的滯后死區(qū)。
為提高現(xiàn)場安裝電氣轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)閥的靈敏性使其能夠全關(guān)和全開,在實際的使用中可以把電氣轉(zhuǎn)換器輸出的氣動信號進行小幅度的擴容,調(diào)整零點旋鈕使其4mA時輸出低于20KPa可以保證調(diào)節(jié)閥初始狀態(tài)下的開度和減少調(diào)節(jié)閥的泄漏量。調(diào)整滿度旋鈕使其20mA時輸出大于100KPa,可以保證調(diào)節(jié)閥全開或全關(guān)下的精度,保證調(diào)節(jié)閥閥桿到位。
空氣過濾減壓閥的調(diào)整,空氣過濾減壓閥雖是氣動調(diào)節(jié)閥關(guān)鍵的一個附屬部件,但現(xiàn)場使用人員常常忽略漠視這一部件,安裝后幾年甚至終生就沒有維護過,造成其長期的使用雜質(zhì)沉積,濾芯臟污堵死,減壓閥后儀表風量減少壓力降低,因此除日常巡檢盡可能的加強過濾減壓閥的維護外,可把減壓閥后的壓力調(diào)到比140KPa略高一些,保證電氣轉(zhuǎn)換器進口的儀表風滿足使用要求。
總結(jié)
電氣轉(zhuǎn)換器是一個結(jié)構(gòu)緊湊功能單一的氣動調(diào)節(jié)閥的附件,其控制精度和使用效果遠不如閥門定位器準確,已逐漸被閥門定位器所淘汰,但電氣轉(zhuǎn)換器的工作原理及各部件是典型的氣動儀表結(jié)構(gòu),與閥門定位器核心器件基本一致,所以熟悉電氣轉(zhuǎn)換器并不是無用之舉,掌握了電氣轉(zhuǎn)換器的原理對于現(xiàn)場繁雜的閥門定位的維護同樣有用。
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