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(dòng)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(shí)代。現(xiàn)實(shí)的工業(yè)儀表現(xiàn)場卻有一個(gè)特例，作為控制環(huán)節(jié)的后一部分——執(zhí)行調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)卻仍然停留在落后的氣動(dòng)儀表時(shí)代。雖然越來越多的電動(dòng)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(dòng)調(diào)節(jié)閥為主。
電氣轉(zhuǎn)換器的作用
氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥是一種氣動(dòng)儀表，這種儀表接收氣動(dòng)信號進(jìn)行動(dòng)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(gè)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(dòng)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(biāo)準(zhǔn)氣動(dòng)信號，在進(jìn)入調(diào)節(jié)閥作為調(diào)節(jié)閥能夠動(dòng)作的氣動(dòng)能源。
現(xiàn)場使用帶有電氣轉(zhuǎn)換器的氣動(dòng)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(gè)能把控制室來的電信號轉(zhuǎn)換為氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥所需氣動(dòng)能源的轉(zhuǎn)換儀表，根據(jù)性能的不同可分為機(jī)械式、電氣式、智能式等多種型號，在氣動(dòng)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(zhǔn)確的電氣轉(zhuǎn)換儀表設(shè)備，在上世紀(jì)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(yùn)轉(zhuǎn)的老舊裝置中仍有它的身影。
原理及構(gòu)成
氣動(dòng)儀表對于現(xiàn)在高度集成的電子時(shí)代很多人比較陌生，感覺無從學(xué)起，不知如何分析，實(shí)質(zhì)上氣動(dòng)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(qiáng)，用微弱的小氣動(dòng)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(dòng)儀表原理研發(fā)出來的，其核心部件是噴嘴擋板機(jī)構(gòu)和氣動(dòng)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(gè)機(jī)械部件的物理位移。這個(gè)機(jī)械部件同時(shí)也是噴嘴擋板機(jī)構(gòu)中的擋板部件。 擋板是一個(gè)中間實(shí)心的薄金屬圓盤，圓盤的另一面設(shè)計(jì)成一個(gè)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(gè)強(qiáng)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(qiáng)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(gè)物理位移。
磁缸與線圈擋板機(jī)構(gòu)如同：
噴嘴擋板機(jī)構(gòu)
噴嘴擋板機(jī)構(gòu)相當(dāng)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(fēng)量發(fā)生變化，造成噴嘴后方氣路中的儀表風(fēng)壓力發(fā)生變化，這個(gè)儀表風(fēng)壓即是噴嘴擋板機(jī)構(gòu)的背壓，其通過精密的氣路輸入到氣動(dòng)功率放大器的控制端，作為放大器的控制信號使用，從而實(shí)現(xiàn)了以小控大的目的。
噴嘴擋板機(jī)構(gòu)如下圖所示：
氣動(dòng)功率放大器
氣動(dòng)功率放大器相當(dāng)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(jī)構(gòu)中的背壓儀表風(fēng)如同微弱的音頻輸入信號，氣動(dòng)功率放大器的儀表動(dòng)力風(fēng)進(jìn)口如同音頻功放的電源，氣動(dòng)功率放大器的輸出就是音頻放大器的喇叭。
氣動(dòng)功率放大器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)精密的氣動(dòng)膜盒調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，通過變化壓力的儀表風(fēng)進(jìn)入一個(gè)膜片形成的氣室內(nèi)，儀表風(fēng)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(fēng)的壓力和流量，使其輸出一定壓力值的大流量儀表風(fēng)，從而實(shí)現(xiàn)了以弱控強(qiáng)的目的。
氣動(dòng)功率放大器結(jié)構(gòu)如圖所示：
調(diào)節(jié)修正機(jī)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(jī)構(gòu)，只不過這個(gè)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)目的是讓轉(zhuǎn)換器輸出的氣動(dòng)信號為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的氣動(dòng)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(shí)現(xiàn)了電氣信號的轉(zhuǎn)換。這個(gè)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由節(jié)流孔、零點(diǎn)、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(diǎn)、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(gè)小部件，其運(yùn)行的好壞直接關(guān)系到電氣轉(zhuǎn)換器是否可以運(yùn)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(dāng)于一個(gè)阻尼，限制氣路中的空氣流量。
節(jié)流孔是一個(gè)如同一字螺絲的金屬體，其通過精密的機(jī)械氣路設(shè)置實(shí)現(xiàn)儀表風(fēng)的節(jié)流措施。節(jié)流孔內(nèi)有一進(jìn)一出兩個(gè)氣孔，進(jìn)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(shí)現(xiàn)噴嘴擋板機(jī)構(gòu)中儀表風(fēng)的恒流效果。
零點(diǎn)調(diào)節(jié)旋鈕
零點(diǎn)即電氣轉(zhuǎn)換器在輸入信號為4mA時(shí)所對應(yīng)輸出的氣動(dòng)信號風(fēng)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(diǎn)的分壓電阻，轉(zhuǎn)換器的零點(diǎn)旋鈕也是調(diào)整噴嘴與擋板之間的空間距離，來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換器零點(diǎn)時(shí)輸出的氣動(dòng)信號恒定在20KPa，此時(shí)擋板沒有空間位移變化，因此通過調(diào)整噴嘴的位移來實(shí)現(xiàn)噴嘴擋板間距離的改變保證輸出的準(zhǔn)確性。
零點(diǎn)旋鈕為一個(gè)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(dòng)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(gè)可調(diào)電阻器來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)輸入信號為20mA時(shí)，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(dòng)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(gè)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(gè)濾波電路，用來消除遠(yuǎn)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(zhǔn)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(gè)能夠把4-20mA轉(zhuǎn)換為20—100KPa氣動(dòng)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(dòng)調(diào)節(jié)閥的彈簧壓縮系數(shù)為20—100KPa,，如果超出這個(gè)范圍使用則無法實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)閥的全開全關(guān)動(dòng)作，這一點(diǎn)不同于閥門定位器，選用電氣轉(zhuǎn)換器是一定要細(xì)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(dòng)力風(fēng)能源的壓力也有要求，要求進(jìn)入電氣轉(zhuǎn)換器的儀表風(fēng)壓穩(wěn)定在0.14Mpa附近，因此電氣轉(zhuǎn)換器儀表進(jìn)風(fēng)入口要設(shè)置空氣過濾減壓裝置，使進(jìn)入電氣轉(zhuǎn)換器的儀表風(fēng)壓恒定無雜質(zhì)。
電氣轉(zhuǎn)換器的校準(zhǔn)
電氣轉(zhuǎn)換器作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的儀表，其需要單獨(dú)進(jìn)行精度校準(zhǔn)，但實(shí)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(shí)現(xiàn)聯(lián)校。
準(zhǔn)備工作
校準(zhǔn)所需儀器：一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電流信號發(fā)生器，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)氣動(dòng)恒壓器，一個(gè)0.1精度的標(biāo)準(zhǔn)壓力表，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的毫米尺。
校準(zhǔn)連接：標(biāo)準(zhǔn)電流信號發(fā)生器接入電氣轉(zhuǎn)換器接線盒中；標(biāo)準(zhǔn)的氣動(dòng)恒壓器一端連接儀表風(fēng)一端接入電氣轉(zhuǎn)換器的儀表風(fēng)進(jìn)口，并調(diào)節(jié)恒壓器使其輸出為恒定的140KPa,；通過儀表風(fēng)管把標(biāo)準(zhǔn)壓力表接入電氣轉(zhuǎn)換器與氣動(dòng)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(biāo)志。
電氣轉(zhuǎn)換器與調(diào)節(jié)閥聯(lián)校的連接圖：
校準(zhǔn)
標(biāo)準(zhǔn)電流信號發(fā)生器輸出4mA，查看標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)旋鈕進(jìn)行調(diào)整。記錄調(diào)節(jié)閥閥桿的位置。
標(biāo)準(zhǔn)電流信號發(fā)生器輸出20mA，查看標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行調(diào)整。記錄調(diào)節(jié)閥閥桿的位置。
重復(fù)上述兩點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整，直到滿足要求為止。然后在分別測試12mA、8mA、16mA三點(diǎn)，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(biāo)準(zhǔn)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(gè)明顯的動(dòng)作時(shí)記下此時(shí)的電流值和電氣轉(zhuǎn)換器輸出的氣動(dòng)信號壓力值，然后在反向進(jìn)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(shí)通過調(diào)節(jié)閥顯現(xiàn)出來。因?yàn)殡姎廪D(zhuǎn)換器為調(diào)節(jié)閥的一個(gè)附件，現(xiàn)場使用中工藝人員先發(fā)現(xiàn)的故障時(shí)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(yùn)行時(shí)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(rèn)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(fēng)風(fēng)管上壓力表的壓力值來進(jìn)行判斷，因?yàn)殡姎廪D(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(fēng)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(fēng)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(fēng)壓力表的壓力值可以判斷出故障，日常使用主要包括四個(gè)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(zhǔn)確4毫安時(shí)不是20KPa，零點(diǎn)漂移；壓力值不準(zhǔn)確20毫安時(shí)不是100KPa，量程不準(zhǔn)確；壓力值始終處于0，接線故障可能為松動(dòng)脫落短路，儀表風(fēng)故障，前方過濾減壓閥堵塞、沒有儀表風(fēng)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(jìn)入轉(zhuǎn)換器的儀表風(fēng)中含有鐵銹雜質(zhì)水分等，流經(jīng)限流孔的時(shí)候堵塞細(xì)小的氣路。如果限流孔堵塞，那么其電氣轉(zhuǎn)換器就會因?yàn)閲娮鞜o儀表風(fēng)流出，致使噴嘴后背壓達(dá)到大，使電氣轉(zhuǎn)換器的輸出為大。
如此細(xì)小的氣眼一旦堵塞很難找到合適的工具進(jìn)行疏通，現(xiàn)場排除故障時(shí)可擰下限流孔用頭發(fā)絲進(jìn)行疏通，然后用嘴吹氣的方法來確認(rèn)限流孔雜質(zhì)是否除掉，當(dāng)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(shí)在是無奈之舉。
零點(diǎn)、滿度的調(diào)整
如果故障是因?yàn)榱泓c(diǎn)、滿度不準(zhǔn)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(diǎn)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(fēng)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(jìn)
電氣轉(zhuǎn)換器的校準(zhǔn)雖然要求嚴(yán)格，但實(shí)際使用中的故障維修可粗略的進(jìn)行調(diào)整排除。因?yàn)殡姎廪D(zhuǎn)換器是一個(gè)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(yuǎn)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(shí)際的使用中可以把電氣轉(zhuǎn)換器輸出的氣動(dòng)信號進(jìn)行小幅度的擴(kuò)容，調(diào)整零點(diǎn)旋鈕使其4mA時(shí)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(shí)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(dòng)調(diào)節(jié)閥關(guān)鍵的一個(gè)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(hù)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(fēng)量減少壓力降低，因此除日常巡檢盡可能的加強(qiáng)過濾減壓閥的維護(hù)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(jìn)口的儀表風(fēng)滿足使用要求。
總結(jié)
電氣轉(zhuǎn)換器是一個(gè)結(jié)構(gòu)緊湊功能單一的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的附件，其控制精度和使用效果遠(yuǎn)不如閥門定位器準(zhǔn)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(dòng)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(hù)同樣有用。
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