智能阀门定位器的设计.pdf

上海理工大学工程硕士学位论文 二线制智能定位器的设计 - 1 - 目 录 中文摘要中文摘要 ABSTRACT 第一章第一章 绪绪 论论1 1.1 问题的提出 1 1.2 开发智能定位器的目的及意义2 1.3 智能定位器的市场前景4 1.4 国内外发展水平概述4 1.5论文主要内容4 1.5.1智能定位器的工作原理和功能设计5 1.5.2智能定位器控制单元硬件电路设计5 1.5.3智能定位器喷嘴挡板组件及继动器模块的控制过程5 1.5.4智能定位器控制软件设计5 1.5.5智能定位器产品试制与试验5 第二章智能定位器的工作原理和功能设计 第二章智能定位器的工作原理和功能设计 7 2.1智能定位器的结构和工作原理 2.1.1智能定位器的结构 2.1.1智能定位器的工作原理 2.2喷嘴挡板组件的结构和工作原理 2.3继动器的结构和工作原理 2.3.1单作用继动器的结构和工作原理 2.3.2双作用继动器的结构和工作原理 2.4智能定位器的功能设计 2.4.1 智能定位器的整机功能设计8 2.4.2智能定位器的控制参数设计8 第三章智能定位器控制单元硬件电路设计第三章智能定位器控制单元硬件电路设计17 3.1 电源模块电路的设计 17 上海理工大学工程硕士学位论文 二线制智能定位器的设计 - 2 - 3.2 单片机控制模块的电路设计 17 3.3 位置反馈模块的电路设计 17 3.4 阀位变送模块的电路设计 17 3.5 信号处理及输出模块的电路设计17 第四章 涡轮流量计的检验第四章 涡轮流量计的检验32 4.1 检验装置 32 4.1.1 工作原理 32 4.1.2 检定装置的误差分析 33 4.1.3 主要技术指标 38 4.2 检定标准或方法 39 4.2.1 检定前的准备 39 4.2.2 仪表系数的计算 39 4.2.3 流量计的基本误差 40 4.2.4 流量计的重复性 41 4.2.5 轴承部件强度实验 41 4.2.6 流量计泄露试验 41 4.2.7 过载 41 4.2.8 干扰试验 41 4.2.9 润滑系统加油量的测试 43 4.2.10 压损的测试43 第五章 数据分析及论证第五章 数据分析及论证44 5.1 基本性能测试 44 5.2 高水平干扰测试 45 5.3 C 型表试验测试 47 5.4 A 型表试验测试 48 5.5 过载测试 49 5.6 总 结52 第六章 整机特性第六章 整机特性53 6.1 主要性能指标 53 6.1.1 主要特征 53 6.1.2 技术性能指标 53 6.1.3 流量计的压力损失 54 6.1.4 外形尺寸 55 上海理工大学工程硕士学位论文 二线制智能定位器的设计 - 3 - 6.1.5 安装 56 6.2 FC-I智能流量积算仪 56 6.2.1 工作原理 56 6.2.2 电气性能指标 57 6.3 系统接线 58 第七章 涡轮流量计的使用第七章 涡轮流量计的使用61 7.1 影响涡轮流量计特性的几个因素 61 7.1.1 流量 61 7.1.2 介质特性 62 7.1.3 安装 63 7.1.4 时间特性 64 7.2 使用中几个问题的解答 67 7.2.1 涡轮流量计主要零部件的互换性 67 7.2.2“压力增大时流量范围增大”的应用69 第八章 存在的问题与解决的方法第八章 存在的问题与解决的方法72 8.1 污垢附着对气体涡轮流量计的影响 72 8.2 运输与存放等对气体涡轮流量计的影响 73 8.3 自校正涡轮流量计 74 第九章 结论第九章 结论76 主要参考文献 主要参考文献 附录 附录 附录1 附录2 附录3 附录4 附录5 附录6 上海理工大学工程硕士学位论文 二线制智能定位器的设计 - 4 - 第一章 绪 论 1.1 问题的提出 第一章 绪 论 1.1 问题的提出 气动调节阀是工业过程控制中的一种重要的执行部件，智能阀门定位器作为 其主要控制附件，能够显著改善阀门的特性，提高控制精度、速度和灵活性。随 着计算机在工业生产领域应用的深入，对于现场控制仪表的要求也在不断提高。 智能化、模块化设计已成为发展方向，并随各种现场总线技术的兴起，带有现场 通信技术的产品已经在工业生产领域中得到应用。智能阀门定位器就是这样一种 取代传统定位器，能够更广泛的应用于生产领域的产品。 SEP2000系列智能定位器自2002年投入市场以来销售额逐年扩大，取得了良好 的业绩。当然随着工业现场对现场控制仪表要求的不断提高以及市场反馈我们需 要对产品进行不断的完善和提高以更好的满足市场。用户为了确保系统的可靠运 行不仅需要阀门定位器能够可靠定位而且需要对阀门的位置进行监视来组成一个 闭环系统，传统的解决方案是在气动执行机构上安装一台定位器，控制系统输出4 －20mA的电流信号给定位器对调节阀进行定位，另外在安装一台阀位变送器对阀 门位置进行监测，根据阀门位置信号转换为4－20mA的电流信号传回控制室以便对 阀门进行监测。一些国际上知名的阀门定位器生产商如美国Fisher-Rosemount公 司、德国Siemens公司、日本Yamatake公司在近几年来也相继推出了带阀位反馈功 能的定位器，并且得到了用户的认可。我公司根据市场需求也研制附带阀位反馈 的智能定位器。 我公司SEP2000系列智能定位器经过市场三年多的市场检验也反映出了一些 问题，我们需要对定位器的机械结构、定位器的软硬件进行优化设计使产品在加 工工艺、一次装配合格率、可维护性及控制电路与软件的可靠性方面有一个新的 提高，以降低产品的故障率力求使产品的故障率有7％降低到2％。 根据以上两种情况，以开发附带阀位反馈功能定位器产品为契机，以SEP2000 型定位器为基础扩展产品功能和提高产品可靠性。 1.2 目的及意义 1.2 目的及意义 我公司是国内最大的调节阀生产商之一，产品种类多、质量可靠、配套能力 强，在市场具有很强的市场竞争力。在控制附件领域始终保持着国内领先水平， 为了继续提升我公司的竞争力，缩小与发达国家调节阀生产商的技术水平，完善 产品种类，我们需要在提升原有智能定位器产品质量的基础上开发附带阀位反馈 的智能定位器，它是一种高度集成的产品，具有安装方便、结构紧凑、调试简单、 易于维护、现场布线简单、整机成本低的种种优点。它可以为制造商节约制造成 本获取更大的利润空间。同时它与传统阀门定位器相比具有许多优点。传统式阀 门定位器是利用力平衡原理，通过改变喷嘴与挡板的距离而改变背压达到控制进 排气量，最终控制执行器行程的目的。应此在灵活性、抗震性等方面较差。智能 定位器是利用变化的电磁场产生不同的力，控制喷嘴与挡板的距离来改变背压从 而达到控制进排气量，同时它利用一个无磨损，高精度的磁位移传感器组成一个 闭环反馈系统，用一个高速MCU进行数据采集、分析和输出，应此具有具有以下 优点 上海理工大学工程硕士学位论文 二线制智能定位器的设计 - 5 - 1、耗气量小 2、能够按照偏差大小进行自适应调节控制，确定响应速度和控制精度。 3、有多种流量特性可供选择。 4、具有自诊断自密封功能，自适应死区。 5、超低功耗，同时为与FF总线通讯留有接口。 1.3 市场前景 1.3 市场前景 近年来，随着改革开放的深入发展，市政府提出的大力发展第三产业方针以 及浦东新区的开发，上海市国民经济始终保持高速持续发展，居民生活水平和生 活大气环境不断恶化，而与煤炭相比，作为清洁燃料的天然气可减少二氧化硫、 及粉尘排放量近 100 1.4 国内外技术发展水平概述 1.4 国内外技术发展水平概述 国际上知名的阀门定位器生产商如美国 Fisher-Rosemount 公司、德国 Siemens 公司、日本 Yamatake 公司生产的带阀位反馈功能的定位器具有许多相同的特点 1、 可靠性高，产品能够适应各种复杂环境，运行可靠、整机防护等级达到 IP65。 2、 结构合理，产品都具有安装方便，隔爆型与本安型定位器结构相同，降低了加工费用。 3、自动设定，对执行机构规格能进行自动识别，并根据规格自动进行最适 宜的调整。 4、简单的零位、量程调整，零位、量程调整，两者互不干扰。改变其他设 定也不会影响零位、量程的变化。 5、同一种机种能与各种规格执行机构进行配套，常规定位器是通过硬件来 实现对性能及特性作改变的，然而智能阀门定位器是通过软件设定来实现的。 〈例〉能设定的规格 输入量程（分程） 流量特性（线性、等百分比、快开及用户自定义） 可对阀位信号输出形式（模拟、DE）进行设定（仅限带有阀位信号输 出的产品） 6、阀门强制切断特性，可任意设定阀门切断时的输入信号。 7、易于维修，，由于电气部件与空气回路部分的完全隔离，从而在现场可易于 对空气回路实施维修。由于 A/M 开关均为标准配置，可以很方便地确认阀门动作。 8、 能够附加阀位输出信号功能， 可以在仪表室里对带有阀位开度信号 （420mA DC 或者 DE）输出的调节阀动作进行监视， （除调节阀的输入信号线路以外还需阀 位开度信号用的电源回路，故必须采用 4 线制连接。） 由于国内对智能定位器开发起步较晚，目前还没有类似附带阀位反馈功能的智能阀门定位 器，虽然一些阀门定位器生产厂家已经着手开发这样的产品，但还没有推向市场。 1.5 论文主要内容 1.5 论文主要内容 我公司开发的智能定位器以AD公司AduC812单片机作为主控制单元，对信号 上海理工大学工程硕士学位论文 二线制智能定位器的设计 - 6 - 进行采样，对数据进行分析并输出。它主要是针对单、双作用气动调节阀，用力 平衡原理控制气路通断，用一个无接触的磁位移传感器对阀位进行反馈，定位器 的设计实现了二线制供电，能够满足FF总线功耗要求并为扩展总线留有接口。智 能定位器相对于传统定位器，它具有控制精度高，适用性强，调校方便，控制灵 活等特点。在系统硬件设计上，二线制供电对功耗提出了苛刻的要求，是设计的 难点。为此，选用AD公司的超低功耗单片机，它内部集成有多种功能，这就大大 减少了单片机外围电路的数量；对单片及机外围控制器件尽量选用高效率、低功 耗的芯片，这样就大大降低了功耗，满足了要求。定位器是一个闭环控制系统反 馈单元是整机组成的一个重要部分，定位器对阀门的控制精度为1％，这就要求反 馈电位器的精度优于0.5％，同时定位器要求反馈装置的体积不能够过大，最终我 们自制了一个高精度、小体积、长寿命的电位器，从而满足了定位器的整体设计 要求。为了降低系统的功耗和提高定位器的可靠性，设计制造出一个功耗低、稳 定性好的力矩马达也是本次设计的工作重点，经过反复实验选用了一种在弱磁场 下具有最高的磁导率、低的轿顽力和磁性温度稳定性较好的软磁合金解决了这一 难题。 在软件设计上，定位器自动测试执行机构的大小和阻力自动分析计算整定P、 I、D参数和控制死区以克服振荡使阀门快速可靠定位是软件设计的难点。经过了 大量的理论分析和实验室的反复测试最终确定了一些重要的参数，最终很好的解 决了这一难题。 1.5.1智能定位器的原理和功能设计1.5.1智能定位器的原理和功能设计 为了充分发挥智能定位器的优势，通过对实际应用的分析和调研，以及参考 国外同类型产品的特点和功能，可以总结出一个智能定位器应具备以下特点和功 能 a、定位器应能以两线制方式工作，即输入信号范围为4～20mA，此信号既作 为阀位控制信号，又提供定位器控制系统运行所必需的全部功率，因此整个设备 要求在低功耗下运行。 b、应能够与直行程或角行程、正作用或反作用等不同类型的气动执行机构配 套使用。 c、相对于传统的机械力平衡式定位器，智能定位器应具有灵活性优势；可以 选择线性、等百分比等不同的流量特性，可以定义分程控制，死区自适应或人为 设定死区，设定自动密闭功能以及行程限制等。 d、安装、调校要方便灵活，充分发挥使用微控制器的优势，做到大部分调校 工作可以自动完成。 e、应具有手动工作方式，以及可以输入参数为此必须有适当的人机接口如键 盘、显示等。 f、阀位控制应具有较高的分辨率和精度，例如0.3或更高。 g、在目前能源紧缺的情况下，应考虑在控制制动过程中，尽量节省压缩空气 消耗量。 1.5.2控制单元的硬件电路设计1.5.2控制单元的硬件电路设计 定位器的智能控制单元核心是一个超低功耗，超强功能的单片机。自身带有 AD和DA转换模块， 在定位器的控制系统中这是必需的。 系统对4～20mA电流信号 上海理工大学工程硕士学位论文 二线制智能定位器的设计 - 7 - 和反馈电位器的输出模拟电压信号用AD转换模块转换成单片机能够处理的数字 信号；系统通过DA转换模块将数字信号转换成模拟电压信号，对电磁线圈进行控 制。同时在单片机内部集成了8K的ROM和单片机自身可擦写的640Bite的E2 PROM，它能够存储程序源代码和定位器的大量数据，从而保证定位器在掉电时不 会丢失一些重要的信息。此外它自身还带有算术和逻辑运算单元等，这就为编程 和算法的实现提供了极大的方便。还有一些单片机所必需的外围电路，所有这些 就构成了定位器的智能控制单元。它是智能定位器控制环路中最重要的一环。 由反馈杠杆和反馈电位器组成的反馈模块，构成了智能定位器的闭环系统。 如何选择一个高精度，耐磨损，体积小的反馈电位器是定位器开发过程中的一个 难点。 通过一种可自动消除间隙的结构将刚性的、不震荡的连杆与执行机构推杆的 进行连接，从而把执行机构的位移转化为反馈电位器的角位移，电位器将角位移 信号转化为模拟的电压信号，智能控制模块将模拟信号通过AD转换模块转化为单 片机能够处理的数字信号。 在智能定位器的气路控制过程中采用了桥式的力平衡原理结构。由电压信号 控制执行机构进气、排气和保压。它们的原理如图2所示。 定位器在正常工作时，由智能控制单元向电磁线圈中输出电压信号，当电压 增大时，电磁线圈的电磁力增大，电磁感应力增强，喷嘴挡板与喷嘴间的距离X减 小，气源压力Ps一定的情况下继动器背压Pb增大，推动阀芯向下运动，继动器输 入Ps与继动器输出Pout气路导通，执行机构气室进气；反之当电压减小时，电磁线 圈的电磁力减小，电磁感应力减弱，喷嘴挡板与喷嘴间的距离X增大，气源压力Ps 一定的情况下继动器背压Pb减小，阀芯不动，阀座向上运动，继动器输出Pout气路 与继动器排空口导通，执行机构气室放气；当执行机构平衡时，电磁线圈中的电 压保持不便，这时继动器既不进气也不排气。 1.5.3智能定位器的控制软件设计1.5.3智能定位器的控制软件设计 智能定位器的整个控制过程如下 （1）给定一个4～20mA电流信号，假设值为A，这个值经过AD转换后送给单 片机。 （2） 单片机根据预先设定的参数以及在系统自整定过程中得到的参数对A值进 行处理，如正、反作用转换，流量特性等。 （3）阀位信号B经反馈机构并经AD转换模块转化为数字信号后送给单片机。 （4）在单片机中，将阀位信号B经过必要的修正后，与设定值A进行比较，得 到误差信号E。 （5）根据E的正负决定动作方向是进气还是排气；根据E的绝对值大小决定动 作类型。当E的值小于死区的设定值时，输出信号不变，既不进气也不排气。 1.5.4产品试制与试验1.5.4产品试制与试验 由于智能定位器的结构较复杂，零件比较多装配起来比较复杂，如果出现问 题将很难发现问题出现在那里，所以在定位器的机械系统试制过程中我们采用了 分模块试制和检测，最后在保证各模块合格的情况下再进行整机组装和测试。主 要有以下几个模块控制电路板模块、喷嘴挡板模块、继动器模块、反馈机构模 上海理工大学工程硕士学位论文 二线制智能定位器的设计 - 8 - 块和主壳体气路几个部分。由于整体模块外协较多，通过图纸向外协厂家清楚的 表达设计的主要思想和难点，并提出正确、完善的技术条件和验收条件是试制过 程中的一个重要任务。在试制过程中我们对每一模块都提出了相对独立的输入和 输出参数，这样有助于分析问题和寻找原因。对于喷嘴挡板模块它的输入主要参 数就是01.2V电压，最终输出参数是背压；继动器的输入参数就是背压腔的压力 大小，即喷嘴挡板模块的输出背压，它的输出参数就是继动器的阀芯的位移，通 过改变阀芯位移就可以控制执行机构的进气和排气；反馈机构的输入参数是执行 机构的位移信号，输出参数是一个能够被单片机采样的电压范围信号。在试制过 程中为了检验每一模块是否满足技术要求，我们自制了许多工装，这样有助于对 任务进行分解和完成。当所有模块都能够满足自身的输入和输出参数后，我们将 它们有机的装配在一起后再进行整机测试。实践证明这样的新产品试制过程是切 实可行的，不失为新产品试制的一个好方法。 在智能定位器的电气控制系统设计过程中由于控制程序较复杂，许多控制参 数需要在试验过程中通过反复测试来确定，为了解决这一问题我们把电气系统试 制过程分为两个阶段。第一阶段，实验阶段，在这个阶段，制作了一块较大的目 标板，在目标板上焊接一块是FLASH型的能够被反复擦写的主CPU，并在目标板 上设计了一个能够下载程序的串口，通过仿真电缆将这个串口和仿真机及计算机 相连接，就可以进行在线仿真了。在仿真过程中将计算机中写好的汇编程序调试 通过后，通过编译器生成机器代码，下载到目标板的CPU中，然后断开串口，就 可以进行实验了。在实验过程中应将所有的外围电路和机械系统相连接，进行整 机调试。第二阶段，成品阶段，在这个阶段，制作一块符合图纸要求大小的电路 板，如果程序和电路完全定型后，电路板上就不需要串口，同时单片机也选用普 通型的，用编程器将编译好的机器码下载到单片机中，将单片机直接焊接到电路 板中就可以了。 第二章 智能定位器的原理和功能设计 第二章 智能定位器的原理和功能设计 气动调节阀是工业过程控制中的一种重要的执行部件，智能阀门定位器作为 其主要控制附件，能够显著改善阀门的特性，提高控制精度、速度和灵活性。随 着计算机在工业生产领域应用的深入，对于控制仪表的要求也在不断提高。智能 上海理工大学工程硕士学位论文 二线制智能定位器的设计 - 9 - 化、模块化、可靠性设计已成为发展方向，并随各种现场总线技术的兴起，带有 现场通信技术的产品已经在工业生产领域中得到应用。智能阀门定位器就是这样 一种取代传统定位器，能够更广泛的应用于生产领域的产品。 在国外，一些在工业自动化领域有实力的公司，都相继推出各自的智能定位 器，如西门子、费希尔罗斯蒙特、山武。它们的共同特点都是模块式结构，数 字式控制，自诊断及自动校验功能，与气动执行器容易配接，现场使用调试方便、 运行可靠。我公司充分借鉴国外产品的特点并结合国内外市场及我厂的实际，对 定位器进行自主开发，性能完全达到国外先进水平。 2.1 智能定位器的工作原理 2.1 智能定位器的工作原理 智能定位器是一个基于二线制的机电一体化产品,它综合了机械、电子、电磁技术、气动技术 等学科内容是一个比较典型的化工仪表。 智能定位器的工作过程如下定位器上位控制系统输出给定位器一个4－20mA 的电流信号（一些特殊的工艺或控制要求输出给定位器4－12mA或12－20mA等其他 其他信号） ，定位器的控制电路从电流信号中获取一定的功率，并对电流信号进行 采样，得到一个输入电压信号，这作为控制阀门位移的基准信号。同时定位器通 过电位器对执行机构的推杆位移进行检测得到一个反馈电压信号，单片机对这两 个信号进行处理，同时根据定位器在自动测试过程中测得气动调节阀（气动薄膜 执行机构与调节阀和称气动调节阀）的正反作用形式、行程大小等一些数据自动 分析计算后输出一个电压信号给喷嘴挡板组件。喷嘴挡板组件将电压信号转换为 电流，根据电流大小不同，喷嘴挡板组件中的电磁线圈输出不同的力，来控制喷 嘴与挡板的位移，通过不同的位移喷嘴挡板组件就会输出一个不同的背压Pb，继 上海理工大学工程硕士学位论文 二线制智能定位器的设计 - 10 - 动器组件根据背压Pb的大小控制继动器向气动执行机构充气或排气，气动执行机 构根据继动器输入的气压大小来推动调节阀向上或向下移动。电位器将推杆的位 移信号转化为电压信号，定位器控制板通过反馈电压信号的大小来控制调节阀的 下一步动作，这样就组成了一个闭环反馈系统。 2.2 智能定位器的结构2.2 智能定位器的结构 2.3 喷嘴挡板组件的结构和工作原理 2.3 喷嘴挡板组件的结构和工作原理 定位器中的喷嘴挡板机构是有恒节流孔（气阻） 、喷嘴、挡板、气室和电磁线 圈等几部分组成，我们用试验来说明它的工作原理。设Ps-气源压力；P-气室压 力，又称背压；D-喷嘴直径，一般取D0.8-2mm；d-恒节流孔直径，一般取 d0.2-0.5mm；X-喷嘴与挡板间的位移。 气体由恒节流孔进入气室，在经过喷嘴流出，若通人恒节流孔的气源压力保 持不便，逐渐减小挡板与喷嘴的位移X，当位移X开始从远离喷嘴位置逐渐缩小时， 并不引起背压P的变化，继续减小X，则P迅速上升，一旦喷嘴与挡板靠上时，这时 P值为最大，PPs。 根据分析和推导可得出下式 上海理工大学工程硕士学位论文 二线制智能定位器的设计 - 11 - 式中 1f C是节流孔的流量系数 2f C是喷嘴挡板处的流量系数 当气源压力Ps、恒节流孔的直径d、喷嘴直径D及其流量系数 1f C、 2f C已知时， 上式便给出了气室压力p与喷嘴－挡板距离X之间的关系，P/Ps与x/D之间关系如图 中右方曲线所示，这称为喷嘴－挡板的特性曲线。右图可见 （1）当喷嘴被挡板盖住时（即X0）,PPs达最大值。随着X的增大，P/Ps逐 步下降，当x到一定值，即流体流经喷嘴和挡板环状间隙的流通截面积等于喷嘴内 径面积时，再增大X值对P影响不大，这时的位移X可按如下方法求出 所以 2当D/d 较大时，特性曲线较陡，灵敏度较高，而D/d 较小时，特性曲线较 平坦，灵敏度降低，同时当挡板全开时，即xD/4 时，P值不到零值，这时因为直 径较下时，喷嘴对气流右一定阻力的缘故。一般气动仪表中，当XD/4时， P0.2kg/cm,当x0时，P1.0kg/cm. 从上面分析得知，喷嘴挡板机构实际上是位移压力转换装置，当改变喷嘴与 2 1 2 4 2 16 1 1 X C C d DPs P f f DxDπ π 2 4 4 D X 上海理工大学工程硕士学位论文 二线制智能定位器的设计 - 12 - 挡板之间的微小位移x后，便可使输出压力P从最小值增大到最大值。在决定具体 尺寸时，应根据灵敏度要求、耗气量大小，信号压力大小等因素适当加以选择 2.4 继动器的结构和工作原理 2.4 继动器的结构和工作原理 在气动自动控制中，信号感受部分（各种气动传感器） 、控制部分、执行部分 的气体压力和流量不可能也不必要一致。例如气动传感器感受压力一般为几毫米 水柱至几百毫米水柱， 控制射流回路的压力一般为0.015-0.2kg/cm 2,气动控制回路 一般为1-3kg/cm 2。这样，他们之间也需要有辅助元件来进行协调。 继动器就是这种辅件，它实际上就是微压控制元件，用压力很低流量很小的 气体作为输入的控制信号，以获得压力较高、流量较大的气体输出。 放大器，按其结构形式，可分成膜片式，膜片截至式、膜片滑块式、膜片滑 柱式。按其结构内部的气阻形式，可分为可调式放大器和不可调式放大器。按其 动作，可分成单控单向式、单孔双向式和双控双向式。按其性能分，可分成开关 式放大器和比例式放大器 智能定位器中的继动器就是一个膜片式的单控双向的比例式放大器，它根据 喷嘴挡板组件输出背压P的大小控制气动薄膜执行机构的进、排气，从而实现阀门 的快速定位，它的工作原理主要分为三个状态 继动器排气状态当继动器背压信号P减小时喷嘴挡板组件的输出背压,继 动器背压腔内的压力减小，密封膜片带动密封阀座向上运动，此时阀芯的上密封 面与阀座的密封面脱开，Pout口与排空口相通，阀芯在弹簧的作用下，它的下密 封面与继动器底座上的密封面接触，Ps与Pout口不通，气动薄膜执行机构通过继 动器的排空口向外排气。 继动器不进气也不排气状态当继动器背压信号P有低到高逐渐增大时喷嘴 上海理工大学工程硕士学位论文 二线制智能定位器的设计 - 13 - 挡板组件的输出背压,继动器背压腔内的压力逐渐增大，密封膜片带动密封阀座 向下运动，此时阀芯的上密封面与阀座的密封面接触，Pout口与排空口断开，阀 芯在弹簧的作用下，它的下密封面与继动器底座上的密封面接触，Ps与Pout口不 通，此时气动薄膜执行机构通过继动器既不进气也不排气。 继动器排气状态背压信号P继续增大时喷嘴挡板组件的输出背压,继动器 背压腔内的压力增大，密封膜片带动密封阀座向下运动，此时阀芯的上密封面与 密封阀座的密封面接触后，密封阀座带动阀芯继续向下运动，阀芯的下密封面与 继动器底座上的密封面脱开，Ps与Pout口接通，此时气动薄膜执行机构通过继动 器进气。 定位器在工作过程中对执行机构的控制主要是通过继动器来实现的，继动器 的工作状态除了上述三种方式外还有一些过渡状态，例如缓慢进气（主要决定于 阀芯与密封面的开度大小） 、缓慢排气，所以继动器的工作状态是一个连续过程。 2.5 反馈电位器的结构和工作原理2.5 反馈电位器的结构和工作原理 反馈电位器是定位器组成闭环控制系统不可缺少的一部分。由反馈杠杆和反 馈电位器组成的反馈模块，构成了智能定位器的闭环系统。如何选择一个高精度， 耐磨损，体积小的反馈电位器是定位器开发过程中的一个难点。 HMC1501 是由磁阻合金薄膜组成的惠斯通桥电阻电路,通电后,它将任何相关磁场 或应用磁场转化为电压输出.但当它工作在饱和方式时,它只对于磁场的方向灵敏. 饱和方式是指外界磁场值大于特定的一个值饱和值,并且,传感器的磁敏感方向 与磁场的方向相同.此时,它们的输出只反应外部磁场的方向,而不反应磁场的大 小.操作在饱和方式下,此系统可以不受温度影响,不受磁系数影响,并且对磁钢与 传感器列的距离不敏感.HMC1501的饱和磁场是80高斯,即,要想HMC1501工作在饱 和方式下,磁场强度需大于 80 高斯.这种强度的磁场,可以由任何永磁体,包括低成 本的铝镍钴或陶瓷磁钢. 饱和模式中,HMC1501的输出是一个角度θ外部 磁场和参考方向之间的角度的函数 Voutput Vo*S*Sin2θ, 其中,Vo是供电电压,S是时间常数S ≅ 12 mv/v.图2显示了一套此方案的典型结构. HMC1501安装在X-Y平面上,磁钢的形状是直角, 尺寸 为25*12.5*12.5 mm3.磁钢与传感器的间距为 12.5mm.磁钢的南北极朝向与X-Z平面平行,磁钢沿X 轴 移动.传感器的输出及和磁钢的位置曲线图见左. 其中,最小值与最大值之间的中间区域,是可利用的.据观察,此区域的线性强于标 准正弦函数,因为磁场角度与磁钢的位置不成 通过一种可自动消除间隙的结构将刚性的、不震荡的连杆与执行机构推杆的 进行连接，从而把执行机构的位移转化为反馈电位器的角位移，电位器将角位移 信号转化为模拟的电压信号，智能控制模块将模拟信号通过AD转换模块转化为单 片机能够处理的数字信号。图3是直行程反馈机构的示意图。 SN X Y Z 上海理工大学工程硕士学位论文 二线制智能定位器的设计 - 14 - 其中，销钉固定于执行器推杆上，反馈杠杆与定位器的转轴相固定，当执行 器推杆上下移动时，推杆位移D与电位器转角a有如下关系 D 2B, tg a B/A , B Atg a 所以 D 2Atg a （1） 当定位器安装好之后A的值为一常数。用于反馈的电位器不是普通的电位器，而是 一种磁感应， 无接触的高精度电位器。 它的电压输出Vout与电位器的角位移有如下 的关系 Vout Ksin2a （2） 其中K为常数。由式1和式2可推出电位器输出Vout电压与电位器转角a的关系式为 Vout （4KA/D）X（sina）2 其中4KA/D为一常数，系统在参数整定时可以确定。由于智能控制单元采样的电 位器输出电压与角度a不是线性关系，所以必需通过修正，只要有确定的函数关系 式，用单片机对信号进行修正也是很容易实现的。 2.6智能定位器的功能设计 2.6.1 智能定位器的整机功能设计 2.6智能定位器的功能设计 2.6.1 智能定位器的整机功能设计 为了充分发挥智能定位器的优势，通过对实际应用的分析和调研，以及参考 国外同类型产品的特点和功能，可以总结出一个智能定位器应具备以下特点和功 能 a、定位器应能以两线制方式工作，即输入信号范围为4～20mA，此信号既作 为阀位控制信号，又提供定位器控制系统运行所必需的全部功率，因此整个设备 要求在低功耗下运行。 b、应能够与直行程或角行程、正作用或反作用等不同类型的气动执行机构配 套使用。 c、相对于传统的机械力平衡式定位器，智能定位器应具有灵活性优势；可以 选择线性、等百分比等不同的流量特性，可以定义分程控制，死区自适应或人为 上海理工大学工程硕士学位论文 二线制智能定位器的设计 - 15 - 设定死区，设定自动密闭功能以及行程限制等。 d、安装、调校要方便灵活，充分发挥使用微控制器的优势，做到大部分调校 工作可以自动完成。 e、应具有手动工作方式，以及可以输入参数为此必须有适当的人机接口如键 盘、显示等。 f、阀位控制应具有较高的分辨率和精度，例如0.3或更高。 g、在目前能源紧缺的情况下，应考虑在控制制动过程中，尽量节省压缩空气 消耗量。 2.6.22.6.2智能定位器的控制参数设计 智能定位器的整机性能及使用要求主要依据 JB/T 7368-94工业过程控制系 统用阀门定位器而制定的。防爆型定位器的设计同时符合 GB 3836.11983 爆 炸性环境用防爆电气设备通用要求 ，GB 3836.21983 爆炸性环境用防爆电气 设备隔爆型电气设备“d” ，GB 3836.41983 爆炸性环境用防爆电气设备本质安 全型电路和电气设备“i”以及 GB 42081993 外壳防护等级（IP 代码）的要求。 主要技术参数如下 1. 供气压力0.14～0.7Mpa，定位器工作在供气压力为0.14～0.7Mpa范围 内时无需更换继动器，具有良好的高低压通用性。 2. 输入信号标准4～20 mA DC，定位器的输入信号为4～20 mA DC， 它既是定位器的控制信号又是定位器控制系统工作的电源。 3. 电源电压1836V DC，指的是阀位反馈的环路供电的电源电压。 4. 输出信号 标准4～20 mA DC， 阀位反馈模块将阀门位移信号转化为4～ 20 mA DC输出给控制室。 5. 负载能力100Ω1 KΩ，阀位反馈模块的负载能力为100Ω1 KΩ 6. 作用形式正/反作用，定位器对于正反作用的执行机构一机通用，不需 要更换零部件。 7. 输出特性线性、等百分比、快开、自定义曲线，定位器对阀门的控制输 出的位移形式有线性、等百分比、快开以及可以进行输出曲线自定义。 8. 线 性1，定位器对阀门的位移控制精度为1。 9. 死 区 自适应， 定位器在自动测试过程中根据阀门的特性自动确定控 制死区。 10. 定位器有效转角4 30，定位器反馈杆的转角应用范围为