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电气转换器的构造及常见故障
发布时间:2019-04-01   点击次数:278次
  • 摘要:随着科技的发展越来越多的新技术应用到工业中,工业自动化设备趋向于高集成的集散控制技术,工业现场仪表也已趋向于多功能的智能化发展,这些高精度检测控制必然需要高速可靠的电信号传输,因此现在的工业现场已经是电气化仪表时代。

 

  前言

  随着科技的发展越来越多的新技术应用到工业中,工业自动化设备趋向于高集成的集散控制技术,工业现场仪表也已趋向于多功能的智能化发展,这些高精度检测控制必然需要可靠的电信号传输,因此现在的工业现场已经是电气化仪表时代。现实的工业仪表现场却有一个特例,作为控制环节的最后一部分——执行调节机构却仍然停留在落后的气动仪表时代。虽然越来越多的电动执行器得到使用,但处于成本和安全防爆考虑,我国现阶段的工业现场执行调节仪表仍以气动调节阀为主。

  电气转换器的作用

  气动调节阀是一种气动仪表,这种仪表接收气动信号进行动作,与我们工业控制中的电信号不沾边,因此工业现场的控制就需要一个转换仪表,把控制室来的电信号转换为调节阀能够识别的气信号。这种转换仪表安装在现场气动调节阀上,接收控制室来的电信号然后转换为对应的标准气动信号,在进入调节阀作为调节阀能够动作的气动能源。

  现场使用带有电气转换器的气动调节阀

  这种安装在调节阀上的转换仪表,工业控制人员最熟悉的就是阀门定位器。阀门定位器是一个能把控制室来的电信号转换为气动调节阀所需气动能源的转换仪表,根据性能的不同可分为机械式、电气式、智能式等多种型号,在气动调节阀中得到广泛应用。

  除阀门定位器,工业现场还有一种信号转换仪表得到使用,那就是电气转换器。电气转换器是一种结构简单,转换准确的电气转换仪表设备,在上世纪的工业控制中得到大量的应用,只是近年来才逐渐被阀门定位器所取代,但许多仍在运转的老旧装置中仍有它的身影。

  原理及构成

  气动仪表对于现在高度集成的电子时代很多人比较陌生,感觉无从学起,不知如何分析,实质上气动仪表的原理就如同电子电路原理一样也是以小控大、以弱调强,用微弱的小气动信号控制调节大功率的压缩空气流量。

  电气转换器是依照经典的气动仪表原理研发出来的,其核心部件是喷嘴挡板机构和气动功率放大器。

  电磁变为空间改变

  电气转换的方法是通过电磁转换,把电信号转换为一个机械部件的物理位移。这个机械部件同时也是喷嘴挡板机构中的挡板部件。 挡板是一个中间实心的薄金属圆盘,圆盘的另一面设计成一个外凸内空的稀薄金属线圈结构,金属线圈正好通过一个强磁的磁缸。

  线圈里的电流为控制室来的4-20nA的电流控制信号,随着不同的电流值通电线圈所受到的强磁铁的吸力不同,引起与金属线圈一体的圆盘挡板产生一个物理位移。

  磁缸与线圈挡板机构如同:

  喷嘴挡板机构

  喷嘴挡板机构相当于电子电路中的三极管放大器,挡板是三极管中的基极,喷嘴是三极管中的发射极,喷嘴后方的气路背压是三极管中的集电极。

  线圈电流的改变导致电磁力的改变,引发圆盘挡板位置改变,使圆盘与喷嘴之间的距离发生变化。而造成喷嘴排放到大气环境中的仪表风量发生变化,造成喷嘴后方气路中的仪表风压力发生变化,这个仪表风压即是喷嘴挡板机构的背压,其通过精密的气路输入到气动功率放大器的控制端,作为放大器的控制信号使用,从而实现了以小控大的目的。

  喷嘴挡板机构如下图所示:

  气动功率放大器

  气动功率放大器相当于电子电路中的功率放大器,如同电子电路中的音频功放,喷嘴挡板机构中的背压仪表风如同微弱的音频输入信号,气动功率放大器的仪表动力风进口如同音频功放的电源,气动功率放大器的输出就是音频放大器的喇叭。

  气动功率放大器实质上是一个精密的气动膜盒调节机构,通过变化压力的仪表风进入一个膜片形成的气室内,仪表风压作用膜片使其膨胀变形,膜片的另一面设有金属调节阀芯来调节下方气阀的开度,从而控制气阀内仪表风的压力和流量,使其输出一定压力值的大流量仪表风,从而实现了以弱控强的目的。

  气动功率放大器结构如图所示:

  调节修正机构

  如同音频功放有音量调节旋钮一样,电气转换器也有调节机构,只不过这个调节机构目的是让转换器输出的气动信号为一个标准的气动信号模式20—100KPa,这样电信号的4-20mA就转换为气信号的20—100KPa,实现了电气信号的转换。这个调节机构由节流孔、零点、满度调节旋钮和电路板组成。

  电气转换器外表体分布有零点、满度、节流孔如图:

  节流孔

  节流孔也叫恒节流孔,是电气转换器中最重要的一个小部件,其运行的好坏直接关系到电气转换器是否可以运行的关键。如同电子电路中的固定电阻一样,在气路系统中相当于一个阻尼,限制气路中的空气流量。

  节流孔是一个如同一字螺丝的金属体,其通过精密的机械气路设置实现仪表风的节流措施。节流孔内有一进一出两个气孔,进气口在节流孔部件的顶部气孔较大,出气孔在节流孔部件顶端的1/3处,气孔非常微小如同针尖一样,两气孔之间通过密封垫片保证空间无空气泄露。节流孔通过这微小的气路来实现喷嘴挡板机构中仪表风的恒流效果。

  零点调节旋钮

  零点即电气转换器在输入信号为4mA时所对应输出的气动信号风压为20KPa,也就是电气转换器的初态。

  如同三极管放大电路中稳定静态工作点的分压电阻,转换器的零点旋钮也是调整喷嘴与挡板之间的空间距离,来实现转换器零点时输出的气动信号恒定在20KPa,此时挡板没有空间位移变化,因此通过调整喷嘴的位移来实现喷嘴挡板间距离的改变保证输出的准确性。

  零点旋钮为一个与喷嘴下部齿轮啮合的螺旋柱,通过旋转螺旋柱能够实现喷嘴高度的变化,改变喷嘴与挡板之间的初始距离,稳定20KPa气动信号的输出。

  满度调整旋钮

  满度即量程调整,通过电路板上一个可调电阻器来实现。当输入信号为20mA时,通过改变可调电阻的电阻值,使线圈里的电流发生变化,让挡板所受的电磁吸力发生改变,使挡板与喷嘴的空间距离发生变化,使其输出的气动信号恒定在100KPa。

  电路板

  在电气转换器中间位置,线圈挡板之下有一个小型的简单电路板,上面除设置有满度调整电阻器外还有一个滤波电路,用来消除远距离从控制室传输来的直流毫安信号,可能夹杂的交流电磁干扰信号,以确保磁缸内线圈电流的准确,保证电气转换器的可靠稳定性。

  节流孔的结构如图所示:

  电气转换器使用要求

  电气转换器是一个能够把4-20mA转换为20—100KPa气动信号的转换仪表,其要根据现场的条件来使用,即电气转换器所接的气动调节阀的弹簧压缩系数为20—100KPa,,如果超出这个范围使用则无法实现调节阀的全开全关动作,这一点不同于阀门定位器,选用电气转换器是一定要细心。

  电气转换器气路预处理,如同音频放大器对电源电压有要求一样,电气转换器对于所需要的仪表动力风能源的压力也有要求,要求进入电气转换器的仪表风压稳定在0.14Mpa附近,因此电气转换器仪表进风入口要设置空气过滤减压装置,使进入电气转换器的仪表风压恒定无杂质。

  电气转换器的校准

  电气转换器作为一个标准的仪表,其需要单独进行精度校准,但实际使用中为减少工作量一般与所连接的调节阀一起实现联校。

  准备工作

  校准所需仪器:一个标准电流信号发生器,一个标准气动恒压器,一个0.1精度的标准压力表,一个标准的毫米尺。

  校准连接:标准电流信号发生器接入电气转换器接线盒中;标准的气动恒压器一端连接仪表风一端接入电气转换器的仪表风进口,并调节恒压器使其输出为恒定的140KPa,;通过仪表风管把标准压力表接入电气转换器与气动调节阀之间的气路中,用毫米尺测量调节阀的行程指示牌,做好初始位置标志。

  电气转换器与调节阀联校的连接图:

  校准

  标准电流信号发生器输出4mA,查看标准压力表的读数使其稳定在20KPa,可通过电气转换器的零点旋钮进行调整。记录调节阀阀杆的位置。

  标准电流信号发生器输出20mA,查看标准压力表的读数使其稳定在100KPa,可通过电气转换器的满度旋钮进行调整。记录调节阀阀杆的位置。

  重复上述两点进行调整,直到满足要求为止。然后在分别测试12mA、8mA、16mA三点,观察转换器输出的线性度和调节阀开度所对应的位置。

  观察调节阀的死区,用标准信号发生器缓慢的从4mA开始逐渐增大电流信号,观察调节阀的阀杆到有一个明显的动作时记下此时的电流值和电气转换器输出的气动信号压力值,然后在反向进行测试。

  现场使用故障处理

  电气转换器在使用中的故障通常时通过调节阀显现出来。因为电气转换器为调节阀的一个附件,现场使用中工艺人员先发现的故障时调节阀的故障如:阀门突然失灵后全开或全关,阀门运行时开关不能到位即不能全开全关等故障。

  维修人员首先要到现场查看故障分析原因,首先确认是调节阀的原因还是电气转换器的原因。故障排除的手段就是通过观察电气转换器输出仪表风风管上压力表的压力值来进行判断,因为电气转换器与调节阀之间没有阀位反馈的连接,电气转换器的输出风压只与电气转换器接线盒内毫安电流值有关,所以通过观察转换器输出的仪表风压即可快速的分辨出是调节阀的故障还是电气转换器的故障,这比阀门定位器与调节阀的故障好判断。

  通过观察电气转换器输出仪表风压力表的压力值可以判断出故障,日常使用主要包括四个方面:压力值最大与控制信号无关,故障原因限流孔堵塞;压力值不准确4毫安时不是20KPa,零点漂移;压力值不准确20毫安时不是100KPa,量程不准确;压力值始终处于0,接线故障可能为松动脱落短路,仪表风故障,前方过滤减压阀堵塞、没有仪表风等。

  限流孔堵塞处理

  限流孔堵塞是电气转换器使用中最主要的故障,原因就是电气转换器前方的空气过滤减压阀的效果不好,致使进入转换器的仪表风中含有铁锈杂质水分等,流经限流孔的时候堵塞细小的气路。如果限流孔堵塞,那么其电气转换器就会因为喷嘴无仪表风流出,致使喷嘴后背压达到最大,使电气转换器的输出为最大。

  如此细小的气眼一旦堵塞很难找到合适的工具进行疏通,现场排除故障时可拧下限流孔用头发丝进行疏通,然后用嘴吹气的方法来确认限流孔杂质是否除掉,当然这对于维修人员来说不卫生,甚至有可能引发疾病,但现场排除故障没有更好的方法,使用此法简洁快速实在是无奈之举。

  零点、满度的调整

  如果故障是因为零点、满度不准确引起的,那么可用螺丝刀在相应的电流值的情况下调节零点或满度旋钮直到正确为止。调整方法很简单,不在详述。

  电源信号、仪表风源故障

  只要分析出故障原因可以针对性的快速排除。

  

 

  使用心得及改进

  电气转换器的校准虽然要求严格,但实际使用中的故障维修可粗略的进行调整排除。因为电气转换器是一个开路的转换仪表,没有信号的反馈以提高自身的精度,所以安装在现场调节阀的电气转换器的控制精度和效果都远不如阀门定位器。特别是在一些大容量膜头或使用长久的调节阀中,电气转换器对于调节阀的调节控制缓慢滞后,误差较大,很难克服调节阀阀杆与盘根摩擦而引起的滞后死区。

  为提高现场安装电气转换器调节阀的灵敏性使其能够全关和全开,在实际的使用中可以把电气转换器输出的气动信号进行小幅度的扩容,调整零点旋钮使其4mA时输出低于20KPa可以保证调节阀初始状态下的开度和减少调节阀的泄漏量。调整满度旋钮使其20mA时输出大于100KPa,可以保证调节阀全开或全关下的精度,保证调节阀阀杆到位。

  空气过滤减压阀的调整,空气过滤减压阀虽是气动调节阀最关键的一个附属部件,但现场使用人员常常忽略漠视这一部件,安装后几年甚至终生就没有维护过,造成其长期的使用杂质沉积,滤芯脏污堵死,减压阀后仪表风量减少压力降低,因此除日常巡检尽可能的加强过滤减压阀的维护外,可把减压阀后的压力调到比140KPa略高一些,保证电气转换器进口的仪表风满足使用要求。

  总结

  电气转换器是一个结构紧凑功能单一的气动调节阀的附件,其控制精度和使用效果远不如阀门定位器准确,已逐渐被阀门定位器所淘汰,但电气转换器的工作原理及各部件是典型的气动仪表结构,与阀门定位器核心器件基本一致,所以熟悉电气转换器并不是无用之举,掌握了电气转换器的原理对于现场繁杂的阀门定位的维护同样有用。

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