CN1144329A

CN1144329A - 电-气动的定位器

Info

Publication number: CN1144329A
Application number: CN95107656A
Authority: CN
Inventors: 黑田正人
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 1994-06-24
Filing date: 1995-06-23
Publication date: 1997-03-05
Also published as: US5590677A; KR0155085B1; JPH0816248A; JP3015995B2

Abstract

一种电-气动定位器，包括电-气动转换器，放大装置，空气-机械转换装置，传感器装置。接收负载信号的电-气动转换器有轭铁、永久磁铁、一对线圈、喷嘴、挡块和挡板。挡板可改变喷嘴背压力。挡板在偏差为零时与轭铁平行。

Description

电—气动的定位器

本发明涉及一种用于控制在各种工厂(例如石油化工厂和化工厂)中所用的控制阀的操纵轴的电—气动定位器，此定位器用由输入信号转换而成的空气压力将操纵轴控制在一与输入信号相对应的位置上。

通常，在例如石油化工厂这样的工厂中，用于调节易爆气体的流量的自动调节阀不能由电信号直接驱动。为此，要将电信号转换成气动信号，并用此气动信号操纵自动调节阀。

如图2所示，用作一个用于控制自动调节阀的操纵轴的阀定位器的这类电—气动定位器要设计成使电信号I₀(例如4mA至20mA)与反馈信号之间的偏差e转换成负载，以得到一负载信号(脉冲信号)，并将该负载信号转换成一气动信号，以最终得到一预定的输出空气压力Pn。

图2示出了阀定位器的工作原理。参考标号1代表一由一CPU(中央处理单元)组成的运算单元，电信号I₀通过一输入部分6向其输入；标号2代表数字或电—气动转换器，它有一个喷嘴/挡板机构并用由脉冲弦和来自运算单元1的输出组成的负载信号驱动；标号3代表一用于将喷嘴/挡板机构的喷嘴背压力PN放大并将合成值作为输出空气压力Pn输出至一自动调节阀4的操纵装置4A的高增益控制继电器；而标号5代表一用于检测实际操作量X并将其作为一个电信号回授至运算单元1的传感器。运算单元1得到电信号I₀与来自传感器5的检测信号之间的偏差e，并将负载信号(脉冲信号)输给电—气动转换器2，而该负载信号是通过将偏差e转换成负载从而使挡板机构的喷嘴和挡板平衡以电信号I₀为依据的力而得到的。图3示出了信号的偏差e和信号的负载之间的关系。当信号的偏差e为零(0％的信号)时，信号的负载为50％。

图4示出了传统的阀定位器的详细布置。参看图4，参考标号10代表自动调节阀4的操纵轴；而标号11代表一具有固定在轭铁(未示出)一侧的箱体12的电—气动定位器，该轭铁用螺钉通过支架及其类似物装在自动调节阀4上。用于将操纵轴10的运动反馈给电—气动转换器2的反馈机构13布置在具有一防爆结构的箱体12中。反馈机构13的反馈杠杆14有一位于箱体12中的内端，它由轴15摆动地支承，并从箱体12可摆动地延伸主操纵轴10处。反馈杠杆14的从箱体12伸出的外端用一长孔16和一销钉17与操纵轴结合。反馈机构13包括一其一端由一枢轴18摆动地支承并通过一反馈弹簧19与挡板20结合的横向臂21，一装在框臂21上的框臂调节螺丝22，一装在反馈杠杆14的轴15上的反馈板23，一装在框臂调节螺丝22上、能垂直移动并具有与反馈板23接触的末端的板接触构件24，等等。当转动框臂调节螺丝22，使板接触构件24沿框臂调节螺丝22垂直移动时，反馈弹簧9的力就改变，实行跨度调节(将在以后描述)。

箱体12装有图2所示的并由一喷嘴/挡板机构27和一磁铁组件28组成的电—气动转换器2。电—气动转换器2的磁铁组件28由从运算装置1输入的负载信号驱动，使挡板20在支点30上摆动。当档板20摆动时，挡板20和布置得与之相邻并相对的喷嘴31之间的距离改变。换言之，喷嘴的背压PN改变。此喷嘴背压PN由控制继电器3放大，作为阀的驱动力被输出。当从控制继电器3输出的空气压力Pn作用在操纵装置4A上时，操纵装置4A沿垂直方向移动自动调节阀4的操纵轴10。其结果是，自动调节阀4的阀开度得到控制。操纵轴10的运动被反馈杠杆14接收，反馈给喷嘴/挡板机构27，从而使挡板的运动稳定。

喷嘴/挡板机构27包括具有其中心部分可摆动地支承在支点30上的挡板20，和与挡板20的一端相邻并相对的喷嘴31。在喷嘴31的对面侧形成零点调整机构32的零点调整弹簧33的一端与喷嘴/挡板机构27结合。喷嘴31通过一空气供应管34与空气源(未示出)相连。恒定的供气压力Psup(通常为1.4kgf/cm²)即由此空气源供往喷嘴31。控制继电器3、节流器35、减压阀36、空气压力表(未示出)等则沿供气管34布置在中途。

磁铁组件28包括一固定在其板37上的轭铁38，一对靠近并对着挡板20的两端布置的线圈39a和39b，和一对着挡板20的中心部分布置的永久磁铁40。轭铁38具有E形截面，并包括三个腿状部分38a、38b和38c。喷嘴31在一个位于侧面的腿状部分38a的末端上形成，与挡板20相邻并相对。在另一个位于侧面的腿状部分38c的末端上设有一挡块41。永久磁铁40设置在位于中间的腿状部分38b的末端上。例如如图5所示，永久磁铁40要设计成使其与挡板20相对的一侧磁化成N极，而相反的一侧磁化成S极。参看图5，每个实线箭头b指出了由永久磁铁40a产生的磁场的方向；而每个虚线箭头a指出了由线圈39a和39b产生的磁场的方向，磁场具有如图5所示的N极和S极，并沿由轭铁38和挡板20组成的磁路流动。要注意将两个线圈39a和39b调整成具有相反的极性。

图5是图4所示电-气动转换器的截面图。

参考图5，当恒压(例如1.2至1.4kgf/cm²)的供气压力Psup从空气源供往喷嘴31，并且将通过把偏差e转换成负载而得到的负载信号D从运算装置1输往线圈39a和39b时，在轭铁38的左侧的腿状部分38a上就产生磁场，其方向与由永久磁铁40产生的磁场的相同。与之相反，在轭铁38右侧的腿状部分38c上所产生的磁场的方向则抵消了由永久磁铁40产生的磁场的强度。因此，用于吸引挡板20的力F在左侧增大，而在右侧减少。结果在挡板20上，绕着支点30，产生一与负载信号成正比的逆时针转矩T。于是挡板20就在支点30上沿逆时针方向摆动/移动，以减小喷嘴31和挡板20之间的间隙。这就是说，加大了喷嘴31的喷射阻力。因此，喷嘴的背压PN加大。此喷嘴的背压PN由控制继电器3放大，以产生一与负载信号成正比的气动信号，并将此信号作为输出空气压力Pn的信号作用在自动调节阀4的操纵装置4A上。

图6示出了负载信号的负载和喷嘴背压PN之间的关系。由图6可明显地看出，喷嘴背压PN的增加与负载成正比。电—气动转换器2由以脉冲信号为依据的线圈电流开/关动作驱动。由于挡板20和弹簧支承结构的质量、摩擦、等等，由这个脉冲信号磁力地驱动的挡板20并不完全与该信号一致，因此，不会按100％的幅度动作。当信号的偏差为0时，亦即信号的负载为50％时，挡板20按线圈电流的整数值的约50％摆动。

再回过来参看图4，挡板20具有几乎与轭铁38相同的长度，并且支点30设置在轭铁38的腿状部分38b的附近。参考标号43代表用于将挡板20朝着喷嘴31偏压的偏压弹簧装置；标号44代表用于形成支点30的十字形弹簧；标号45代表支架。

控制继电器3是属于放气型的，因为部分供气压力Psup在正常操作时总是向大气释放。继电控制器3包括一由两个隔膜47a和47b分割成五个室。也就是供气室49、输出室50、大气释放室51、偏压室52和喷嘴背压室53的箱体54，一间壁48及其类似物，一由提升阀55和隔膜47a和47b夹持并能垂直移动的活塞56，等等。供气室49通过供气管34与空气源(未示出)相连并与喷嘴31相连。输出室50通过形成于间壁48上的连通孔58与供气室49连通，并能通过一形成于活塞56上的孔59与大气释放室51连通。大气释放室51形成一排气室并与箱体54的外部连通。供气压力Psup通过管道62供往偏压室52。喷嘴背压力PN通过管道63供往喷嘴背压室53。提升阀55经过连通孔58可伸缩地延伸，以打开/关闭连通孔58和活塞的孔59。提升阀55由弹簧64沿关闭方向，亦即沿提升阀55的上阀体与下阀体关闭连通孔58和孔59的方向偏压。要注意，弹簧64的偏压力与喷嘴背压力PN平衡。

假设将此控制继电器3用作其输出随输入的加大而加大的直接作用式继电器。在此情况下，由于通过管道63作用在喷嘴背压室53上的喷嘴背压力PN加大，隔膜47a和47b便向下移。因为此，活塞56抵抗偏压弹簧64向下移动，并且提升阀55也抵抗弹簧64向下移动。其结果是，提升阀的下阀体与间壁48的连通孔58分开，使供气室49与输出室50连通。因此，通过供气管34供往供气室49的供气压力Psup通过连通孔58进入输出室50，而输出室50中的压力作为驱动压力Pout通过管道60供往操纵装置4A。与之相反，当喷嘴背压力PN减小时，提升阀55由于弹簧64的偏压力而向上移动。此时，由于提升阀55的上阀体离开活塞56的孔59的下端的开口部分，使输出室50与大气释放室51连通，输出室50中的压力通过大气释放室51释放到箱体54的外部。

图7示出了喷嘴背压力PN与输出空气压力Pn之间的关系。从图7可明显地看出，由于供往控制继电器3的喷嘴背压力PN的变动范围非常小，高增益控制继电器3输出一能使喷嘴背压力PN在一约为PN50的狭窄范围内覆盖整个阀开度范围的气动信号(输出空气压力Pn)。如参考图6所示的那样，作为喷哟背压力的与约为PN50的狭窄范围对应的信号的负载是一个约为50％的狭窄范围。这就是说，与模拟定位器不同，数字式定位器必须在自动调节阀的整个阀开度内将驱动信号的负载精密地控制在50％左右。为此，如上所述，挡板20只在线圈电流的整数值的狭窄范围内动作约50％。如上所述，控制继电器3需要有高的增益。

在具有图4和5所示结构的传统电—气动转换器2中，通过用运算装置1精密地将偏差e转换成约50％的负载而得到的负载信号被供往线圈39a和39b，使挡板20在支点30上沿预定的方向从挡板20与挡块41接触的位置摆动，并固定在一个不工作的状态，这样，就使挡板20移动至与0％、50％和100％FS(全开度)对应的各个位置。这就是说，电—气动转换器要如下设计：在操作中，挡块41从喷嘴31的位置向后移动，而挡板20在其于图8中向右倾斜(0％偏差)时保持移动。当喷嘴31完全关闭时，挡板20就与轭铁38平行。

在电—气动转换器2中，研究得自磁通密度、磁场强度、剩余磁通密度、矫磁力、磁滞等的磁滞曲线时性后发现，当挡板20与轭铁38平行时，以挡板20、线圈39a和39b以及永久磁铁40为基础的各个移动位置的磁平衡都是稳定的。也就是说，当由挡板20和磁铁组件28组成的磁路的左右间隙彼此相等时，就得到磁平衡状态。

但是，在图8所示的传统电—气动转换器中，挡板20等处的磁平衡在操作过程中变坏，磁滞加大。为此，如果电—气动转换器在这种状态下使用一个长时期，就会发生零点漂移。

如果发生这种零点漂移，必须再次进行零点调整。此外，在进行这种零点调整时，操作人员必须打开箱体12，并用调整装置70调整零点调整弹簧33的偏压力，同时注视输出压力表。还有，在零点调整中，要向线圈39a和39b提供一任意的负载信号(例如0％、50％或100％)，并将对应于位置的输出压力调整至标准数值。这种方法需要进行繁重而复杂的操作。因此，为了省去这种零点调整。需要有某些用于防止零点漂移的措施。

本发明的一个目的是提供一种电—气动转换器，它能保证挡板在靠近50％的负载的位置上得到磁平衡，以避免产生磁滞和由于长期工作而引起的零点漂移，从而实现稳定的操作。

本发明的另一个目的是提供一种不需要繁重的零点调整的电—气动转换器。

为了达到上述目的，按照本发明，提供了一种包括一电—气动转换器、一放大装置、一空气—机械转换装置和传感器装置的电—气动定位器。电—气动转换器包括一轭铁、一永久磁铁、一喷嘴、一挡块和一挡板。轭铁具有一中间腿状部分和一对布置在中间腿状部分两侧的位于侧面的腿状部分，该轭铁具有E形的截面；永久磁铁设置在轭铁的中间腿状部分上；线圈对用于使轭铁的侧腿状部分励磁，以使之具有相反的极性；喷嘴埋在轭铁的一个侧腿状部分中，用于喷射具有预定压力的空气；挡块设置在轭铁的另一个侧腿状部分中；而挡板布置成能在靠近轭铁的中间腿状部分的支点上摆动，朝着喷嘴和挡块，用于通过根据摆动控制从喷嘴中喷射出的空气量，来改变喷嘴的背压力。电—气动转换器接收作为线圈通过的驱动信号的负载信号，而该负载信号则通过将输入信号与反馈信号之间的偏差转换为负载而获得；且挡板要在输入信号与反馈信号之间的偏差为零时调整成平行于轭铁。放大装置用于接收喷嘴的喷嘴背压力并将空气压力放大；空气—机械转换装置用于将来自放大装置的输出空气压力转换成机械位移量；而传感器装置用于检测得自空气—机械转换装置的位移量，并产生由电信号组成的反馈信号。

下面参照附图，进一步描述本发明的优选实施例，以揭示本发明的结构、特征及优点，图中：

图1A是一剖视图，它示出了按照本发明的用于电—气动定位器的电—气动转换器的一个实施例的主要部分；

图1B是表示电—气动转换器在图1A的所示的操作过程中的状态的视图；

图1C是表示本发明的电—气动定位器的总体布置的视图；

图2是表示与现有技术和本发明通用的电—气动定位器布置框图。

图3是表示偏差与信号的负载之间的关系的曲线图；

图4是表示与现有技术和本发明通用的电—气动定位器的总体布置的剖视图；

图6是表示信号的负载与喷嘴背压力之间的关系的曲线图；

图7是表示喷嘴背压与输出空气压力之间的关系的曲线图；

图8是表示传统电—气动转换器在工作过程中的状态的视图。

下面将参考在附图中所示的优选实施例详细描述本发明。图1A和1B分别示出了用于按照本发明的电—气动定位器的电—气动转换器的布置和电—气动转换器在工作时的状态。

图1C示出了本发明的电—气动定位器的总体布置。由于该电—气动定位器的布置与图4所示的相同，只是电—气动转换器不同，图1中的相同参考标号代表图4中相同零件，因此除了电—气动转换器以外，略去了对其的描述。此外，本发明的电—气动定位器的布置与图4所示的相同。为此，略去对运算单元1、控制继电器3、自动调节阀4、操纵装置4A、传感器5和输入部分6的描述，并在下面描述与本发明的特征有关的电—气动转换器102。

参看图1A至1C所示的电—气动转换器，E形轭铁138具有三个腿状部分138a至138c，线圈139a和139b分别绕两个侧腿状部分138a和138c设置。此外，两者都对着挡板120的喷嘴131和挡块141分别设置在两个侧腿状部分138a和138c的末端面上。永久磁铁140设置在中间腿状部分138b的末端面上，挡板120的支点130则布置在永久磁铁140附近。两个侧腿状部分138a和138b做成具有同样的长度，以使喷嘴131和挡块141在标高上相等。还有，弹簧133和143中的一个或两者要调节成使挡板120平行于轭铁138的上表面，也就是，使支承在支点130上的挡板120几乎为水平。经过这种调整，挡板120的下表面与喷嘴131之间的距离d1要调成等于挡板120的下表面与挡块141之间的距离d2。在从支点130看去时，喷嘴131和挡块141是等距离的。为此，如图1B所示，挡板120沿左方向和右方向的最大转角是相等的(θ₃＝θ₂)，并且使挡板120与挡块141接触。要注意，挡板120最好具有几乎与轭铁138相等的长度。

如上所述，在本发明中，由于挡板120是在信号的偏差e为零时调整/保持与于轭铁138平行的。弹簧143在0％FS时的伸长量很小，因此，可以减少作用在相应的钩形部分上的应力。

用于将操纵轴10的运动反馈给电—气动转换器102的反馈机构113设置在具有防爆结构的箱体112中。反馈机构113包括一反馈杠杆114，一其一端摆动地由枢轴118支承并通过一反馈弹簧119与挡板120结合的横向臂121，一装在框臂121上的框臂调节螺丝122，一装在反馈杠杆114的轴115上的反馈板123，一装在框臂调节螺丝122上、能垂直移动并具有与反馈板123接触的末端的板接触构件124，等等。当转动框臂调节螺丝122，使板接触构件124沿框臂调节螺丝122垂直移动时，反馈弹簧119的力就改变，以实行框臂调节。参考标号112代表箱体；标号127代表一挡板机构，标号128代表一磁铁组件；标号132代表一零点调整机构；标号144代表一十字形弹簧，145代表支架，而170代表偏压力调节装置。

如上所述，按照本发明，由于挡板120在信号的偏差e为零(50％负载)时被调整成几乎平行于轭铁138，挡板120与喷嘴131之间的距离d1可以调整成几乎等于挡板120与挡块141之间的距离d2。经过这种调整，电—气动定位器可以总是在磁平衡状态下使用。因此，即使将这种设备使用一个很长的时间，也既不会产生磁滞，又不会产生由磁滞引起的零点漂移，因而可以省去繁重的再调整。

如上所述，根据本发明的电—气动定位器，挡板可以保持在一个磁平衡状态中，此时，挡板在工作时与轭铁平行。为此，即使将这种设备使用一个很长的时期，也既不会产生磁滞，又不会产生由磁滞引起的零点漂移，而且可以实现稳定的操作，从而省去繁重的再调整。

Claims

1.一种电—气动定位器，其特征为，它包括：

一电—气动转换器(102)，它包括一轭铁(138)，该轭铁(138)具有中间腿状部分(138b)和安排在中间腿状部分两侧的一对侧腿状部分(138a，138c)，上述轭铁具有一E型截面，一设置在上述轭铁的中间腿状部分上的永久磁铁(140)，一对用于使上述轭铁的侧腿状部分励磁，使之具有相反的极性的线圈(139a、139b)，一埋在上述轭铁的一个侧腿状部分中，用于喷射具有预定压力的空气的喷嘴(131)，一设置在上述轭铁的另一个侧腿状部分上的挡块(141)，和一设置成能在靠近上述轭铁的中间腿状部分的支点上摆动，与上述喷嘴和上述挡块相对的挡板(120)，挡板用于通过根据摆动控制从上述喷嘴中喷射出的空气量来改变喷嘴背压力；上述电—气动转换器接收作为上述线圈的驱动信号的负载信号，而此负载信号是通过将输入信号与反馈信号之间的偏差转换成负载而获得的；上述挡板则在输入信号与反馈信号之间的偏差为零时被调整成平行于上述轭铁；

放大装置(3)，用于接收上述喷嘴的喷嘴背压力，并将空气压力放大；

空气—机械转换装置(4A)，用于将来自上述放大装置的输出空气压力转换成机械位移量；以及

传感器装置(5)，用于检测由上述空气—机械转换装置得到的位移量，并产生一由电信号组成的反馈信号。

2.按照权利要求1的定位器，其特征为，上述喷嘴与上述挡块都调整成同一标高。

3.按照权利要求2的定位器，其特征为，将上述挡板的支点与上述喷嘴之间的距离，调成等于上述挡板的支点与上述挡块之间的距离，并且上述挡板与其与上述喷嘴和上述挡块接触的两个方向上的最大摆动角是相等的。

4.一种电—气动转换器，其特征为，它包括：

一轭铁(138)，它具有一中间腿状部分(138b)和一对设置在中间腿状部分两侧的侧腿状部分(138a、138b)，上述轭铁具有E形截面；

一永久磁铁(140)，它设置在上述轭铁的中间腿状部分上；

一对线圈(139a、139b)，它们用于接收作为驱动信号的负载信号，并使上述轭铁的侧腿状部分励磁，使之具有相反的极性，该负载信号是通过将输入信号与反馈信号之间的偏差转换成负载而获得的；

一喷嘴(131)，它埋在上述轭铁的一个侧腿状部分中，用于喷射具有恒定压力的空气；

一挡块(141)，它设置在上述轭铁的另一个侧腿状部分上，以及

一挡板(120)，它设置成能在靠近上述轭铁的中间腿状部分的支点上摆动，与上述喷嘴和上述挡块相对，用于通过根据摆动控制从上述喷嘴中喷射出的空气量，来改变喷嘴背压力，上述挡板在输入信号与反馈信号之间的偏差为零时被调整成平行于上述轭铁。

5.如权利要求4的转换器，其特征为，上述喷嘴与上述挡块按同一标高调整。

6.如权利要求5的转换器，其特征为，上述挡板的支点与上述喷嘴之间的距离调整成等于上述挡板的支点与上述挡块之间的距离，并且使上述挡板在其与上述喷嘴和上述挡块接触的两个方向上的最大摆动角相等。