智能阀门定位器里的压电阀:P9 先导阀、P20 开关阀与三态气路

压电晶体是一种电能与机械能可逆转换的陶瓷功能材料:受力挤压时表面产生与压力成比例的电荷(传感器应用);施加电场时外形尺寸发生微小变化(电致伸缩)。由于压电晶体内阻极大、几乎不消耗能量,它非常适合制造小型化、低功耗的气路元件——压电阀正是由此成为智能阀门定位器的核心气动部件。本文以 HOERBIGER-ORIGA 的先导压电阀 P9、压电开关阀 P20 为例,讲清压电阀的工作原理、三态气路结构、PWM 控制模式与五大优点。

图 1:P9 工作原理示意图(原文插图)

一、先导压电阀 P9

P9 通过压电薄片工作:极薄弹性金属片两面粘结压电晶体,在压电片两个工作面上真空镀膜形成两个电极。不通电时,压缩空气输入孔 1 封闭,输出孔 2 与大气孔 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,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。压电片弯曲程度随输入电压大小变化,因此 P9 可作开关阀或比例阀使用;压力-电压输出曲线见图 2,先导压电阀响应时间小于 2ms。

图 2:P9 压力-电压曲线(原文插图)

二、压电开关阀 P20

P20 由先导压电阀片 P9、开关功率放大器、微型减压阀和 30μm 过滤器组成二位三通阀。官方参数如下:

参数	数值
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% 压力)
电容	<100nF
工作气压	1.2~8.0bar
流量	130L/min(6→5bar)
工作温度	-30~+60℃

图 3:P20 工作原理示意图(原文插图)

三、压电智能定位器的三态气路

压电智能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(图 4)。气路共三种逻辑状态:

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

图 4:气路结构示意图(原文插图)

当执行机构有少量泄漏,或阀门管道压力突变引起阀位波动时,智能定位器马上由"保持"切换到"脉冲"工作状态——由于 P20 响应时间可达 20ms,进气或排气量可以被控制到最小(近似为 0),阀位扰动控制在 1% 误差范围内。

四、PWM 控制模式

压电智能定位器采用脉宽调制 PWM 方式驱动压电阀:控制偏差很大时输出连续信号;偏差不大时输出脉冲信号;偏差很小时输出更疏的脉冲;偏差进入阀门控制精度范围后无指令输出,保持定位。

五、压电定位器的五大优点

核心气动元件为压电材料结构:可动部件少、体积小、极低功耗,输出气流量可从 0 到 130L/min 连续变化。由此带来:

• 低功耗:压电阀片驱动电流 10μA、无需维持电流——这对从 4-20mA 信号或现场总线取电的仪表至关重要,才有余量支持 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;
• 维护简单:模块化结构,自动整定后阀门特性参数都保存在定位器中,可根据初始记录了解阀门使用情况,为维护提供可靠依据;
• 控制精度高、速度快:进气/排气最小流量几乎为 0,很容易把控制阀调到 1% 或更高精度;25 行程、3bar 压力的调节阀,开关速度可控制在 2 秒以内;
• 耗气量低:阀门定位时气路处于保持状态,耗气几乎忽略不计;两个压电阀均为常闭设计,停电时压缩空气不排空,降低使用成本;
• 抗震动:无喷嘴挡板活动机构,可消除外界震动对阀门的影响。

小结

• 两个元件:P9 先导阀(压电片弯曲变形,响应 <2ms,可开关可比例)+P20 开关阀(P9+功放+减压阀+过滤器=二位三通,维持电流 0);
• 一个气路:双 P20+双单向阀=进气/保持/排气三态,20ms 级响应把阀位扰动压在 1% 以内;
• 一条逻辑:PWM 按偏差疏密打脉冲——这就是智能定位器"省气、精准、抗震"的底层原因。

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