精密微型比例閥的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

鮑 春

(上海儀電分析儀器有限公司，上海 201199)

儀器研制與改進(jìn)

精密微型比例閥的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

鮑 春

(上海儀電分析儀器有限公司，上海 201199)

介紹了自行研制的常閉型微型比例閥，概述了比例閥的工作原理，詳細(xì)介紹了其材料選用，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能測(cè)試和應(yīng)用方案。其特點(diǎn)是體積小，低功耗，精度高。為了滿(mǎn)足高頻精密控制，定鐵芯和動(dòng)鐵芯材料選用上采用電磁純鐵DT4E；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以根據(jù)使用壓力和流量不同，選用不同流通能力Kv值和流通孔徑；同時(shí)動(dòng)鐵芯采用嵌套式彈性機(jī)構(gòu)，配合電路PWM(Pulse Width Modulation)脈寬調(diào)制閉環(huán)控制，可以實(shí)現(xiàn)精密電子流量/壓力控制EPC(Electronic Pneumatic/Pressure Control)，流量精度達(dá)0.001mL/min，壓力精度達(dá)0.001psi。

微型比例閥 動(dòng)鐵芯 定鐵芯 流通能力 流通孔徑

1 引言

閥門(mén)是管路流體輸送系統(tǒng)中控制部件，用來(lái)改變通路斷面和介質(zhì)流動(dòng)方向，具有導(dǎo)流、截止、節(jié)流、止回、分流或溢流卸壓等功能。從結(jié)構(gòu)形式有最簡(jiǎn)單的截止閥到極為復(fù)雜的自控系統(tǒng)中所用的各種閥門(mén)，其品種和規(guī)格繁多。公稱(chēng)通徑有從極微小的儀表閥?0.1mm大至通徑達(dá)10m的工業(yè)管路用閥，工作壓力可以從0.0013MPa到1000MPa 的超高壓，工作溫度可以-270℃的超低溫到1430℃的高溫。

閥門(mén)按照對(duì)載體的控制方式分為兩種，一種是開(kāi)關(guān)控制，即ON/OFF, 要么全開(kāi)、要么全關(guān)，流量要么有、要么無(wú)，沒(méi)有中間狀態(tài)，如普通的電磁開(kāi)關(guān)閥、電磁換向閥、電液換向閥。另一種是連續(xù)控制，閥口可以根據(jù)需要打開(kāi)任意一個(gè)開(kāi)度，由此控制通過(guò)流量的大小，這類(lèi)閥有手動(dòng)控制的，如節(jié)流閥；也有電控的，如比例閥、伺服閥。

國(guó)內(nèi)研發(fā)和生產(chǎn)閥的廠(chǎng)家很多，但大多是小規(guī)模、低層次閥門(mén)的企業(yè)，產(chǎn)品也以中低端為主，目前用于分析儀器、醫(yī)療設(shè)備和生命科學(xué)儀器等領(lǐng)域精密微型比例閥全以進(jìn)口為主，其主要生產(chǎn)廠(chǎng)家有美國(guó)的Parker公司和日本的KOFLOC公司，國(guó)內(nèi)的部分廠(chǎng)家也一直在研究，至今市面上還沒(méi)有成熟產(chǎn)品可見(jiàn)；此種微型比例閥用于氣體壓力和流量控制，特別是在流量小于1L/min,壓力小于0.7MPa的流量或壓力控制，具有顯著優(yōu)勢(shì)，其特點(diǎn)體積小，低功耗，控制精度高，配合流量傳感器或壓力傳感器，結(jié)合電路PWM(Pulse Width Modulation)脈寬調(diào)制控制，可以實(shí)現(xiàn)精密電子流量/壓力控制(EPC：Electronic Pneumatic/Pressure Control)控制，流量精度達(dá)0.001mL/min，壓力精度達(dá)0.001psi。

本項(xiàng)目研制的微型比例閥采用VSO(Voltage Sensitive Orifice),即電壓敏感性通徑技術(shù)，可以根據(jù)輸入電流的大小，精確的控制氣體流量比例，可采用直流電流驅(qū)動(dòng)或脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)，并使用閉環(huán)反饋控制，以獲得優(yōu)化的系統(tǒng)性能。廣泛應(yīng)用于分析儀器，航空航天，醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域中氣體流量和壓力控制，與國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品相比，精度和使用壽命在同一水平線(xiàn)上，其市場(chǎng)和存在意義但是具有高性?xún)r(jià)比，打破了國(guó)外壟斷，進(jìn)一步拉低了國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品的價(jià)格。

2 工作原理

為了實(shí)現(xiàn)精密控制，微型比例電磁閥相對(duì)開(kāi)關(guān)電磁閥的作了一些改動(dòng)：首先結(jié)構(gòu)上動(dòng)鐵芯采用嵌套式彈性機(jī)構(gòu)，即鐵芯內(nèi)部采用壓簧單向阻風(fēng)閥芯，外部采用異形碟簧結(jié)構(gòu)，內(nèi)外嵌套，從而消除氣體流量帶來(lái)的波動(dòng)。其次控制上采用直流電流或PWM(Pulse Width Modulation)脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)，并使用閉環(huán)反饋控制。

微型比例閥工作原理是基于開(kāi)關(guān)電磁閥的基礎(chǔ)：斷電時(shí)，異形碟簧將動(dòng)鐵心直接壓在閥座上，由動(dòng)鐵芯內(nèi)部壓簧單向阻風(fēng)閥芯使閥門(mén)關(guān)閉。線(xiàn)圈通電時(shí)，所產(chǎn)生電磁力克服彈簧力和氣體的壓力將動(dòng)鐵心組提起，從而打開(kāi)閥門(mén)。在線(xiàn)圈電流下，使電磁力與彈簧力和氣體壓力之間產(chǎn)生平衡，線(xiàn)圈電流的大小或電磁力的大小將影響動(dòng)鐵芯的行程和閥門(mén)開(kāi)度，而閥門(mén)開(kāi)度與線(xiàn)圈電流(控制信號(hào))之間為理想的線(xiàn)性關(guān)系。又因?yàn)槲⑿捅壤姶砰y的流向?yàn)殚y座上，介質(zhì)從閥座上方流入，其作用力的方向與電磁力相同，而與彈簧力相反。因此，需要設(shè)置工作狀態(tài)下對(duì)應(yīng)于工作范圍(線(xiàn)圈電流)的最大和最小流量值，比例電磁閥在斷電時(shí)都是關(guān)閉的(NC，常閉型)。

3 微型比例閥硬件設(shè)計(jì)

微型比例電磁閥主要由底座、動(dòng)鐵芯組、定鐵芯組、電磁線(xiàn)圈和連接附件組成。整體結(jié)構(gòu)裝配如1所示。

圖1 整體裝配結(jié)構(gòu)示意圖1.閥座；2.密封圈；3.固定帽 4. 精密壓簧；5. 動(dòng)鐵芯；6. 定鐵芯；7.線(xiàn)圈襯套；8. 線(xiàn)圈；9. 墊片；10 .固定螺母；11 .外罩 12. 線(xiàn)圈骨架；13. 線(xiàn)圈座；14. 導(dǎo)柱；15. 異形碟簧； 16. 閥芯；17 .過(guò)濾網(wǎng)；18. 壓圈

3.1 閥座設(shè)計(jì)

閥座是氣體流入流出的基體，其加工精度直接影響到閥的精度，特別是是流通孔徑的設(shè)計(jì)，直接關(guān)系到流通能力Kv值的大小和控制精度。本設(shè)計(jì)中的微型比例閥主要應(yīng)用于分析儀器、醫(yī)療設(shè)備和生命科學(xué)儀器等領(lǐng)域氣體壓力和流量控制，其特點(diǎn)體積小，低功耗，精度高；應(yīng)用條件范圍在流量小于1L/min,壓力小于0.7MPa的流量或壓力控制，輸入壓力P1大于2倍輸出壓力P2。

流通能力Kv計(jì)算公式：

Qg：標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體流量，m3/h；

P1：輸入壓力，KPa；

G：氣體比重；

t：氣體溫度，℃；

以空氣為載體，標(biāo)況20℃下，設(shè)計(jì)在不同流通孔徑對(duì)應(yīng)的流通能力下壓力與流量的關(guān)系如圖2所示。

圖2 壓力/流量關(guān)系圖

3.2 動(dòng)鐵芯組設(shè)計(jì)

圖3 異形碟簧 放大圖

在電氣特性穩(wěn)定的情況下，微型比例閥的控制精度直接取決于動(dòng)鐵芯組，是比例閥的核心部件。傳統(tǒng)的動(dòng)鐵芯組一般采用動(dòng)鐵芯外套壓簧實(shí)現(xiàn)，這種結(jié)構(gòu)在開(kāi)關(guān)電磁閥或精度要求不要的閥中應(yīng)用問(wèn)題不大，但是要實(shí)現(xiàn)高精密控制，例如：流量精度達(dá)0.001mL/min，壓力精度達(dá)0.001psi，是不可能的。必須要采用嵌套式彈性機(jī)構(gòu)，即動(dòng)鐵芯內(nèi)部采用壓簧單向阻風(fēng)閥芯，并通過(guò)固定帽固定，外部采用異形碟簧結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖3異形碟簧放大圖)，內(nèi)外嵌套，并在動(dòng)鐵芯內(nèi)部增加平衡氣孔，同時(shí)在動(dòng)鐵芯材料選擇上，必須考慮使用頻率范圍、磁導(dǎo)率(起始磁導(dǎo)率、振幅磁導(dǎo)率、增量磁導(dǎo)率)、飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度、溫度系數(shù)、材料損耗、電阻率、磁滯伸縮系數(shù)、居里溫度、使用溫度范圍等影響因素，才能確保實(shí)現(xiàn)高頻、精密流量或壓力控制。本設(shè)計(jì)中動(dòng)鐵芯選用材料為：DT4E。見(jiàn)圖4動(dòng)鐵芯裝配結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4 動(dòng)鐵芯裝配結(jié)構(gòu)示意圖1.固定帽； 2.閥芯；3.異形碟簧； 4.精密壓簧；5. 動(dòng)鐵芯

3.3 定鐵芯組設(shè)計(jì)

當(dāng)線(xiàn)圈通電時(shí)，定鐵芯組產(chǎn)生的磁極性與動(dòng)鐵芯組產(chǎn)生的磁極性為異性，從而產(chǎn)生電磁吸力，實(shí)現(xiàn)閥的控制，是電磁閥的關(guān)鍵部件。為了實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊，微型化設(shè)計(jì)，此定鐵芯組由定鐵芯與導(dǎo)柱通過(guò)焊接組成，同樣定鐵芯材料選擇上，也必須考慮使用頻率范圍、磁導(dǎo)率(起始磁導(dǎo)率、振幅磁導(dǎo)率、增量磁導(dǎo)率)、飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度、溫度系數(shù)、材料損耗、電阻率、磁滯伸縮系數(shù)、居里溫度、使用溫度范圍等影響因素，才能確保實(shí)現(xiàn)高頻、精密流量或壓力控制。本設(shè)計(jì)中動(dòng)鐵芯選用材料為：DT4E。見(jiàn)圖5定鐵芯裝配結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5 定鐵芯裝配結(jié)構(gòu)示意圖1.導(dǎo)柱； 2 .定鐵芯

3.4 電磁線(xiàn)圈和連接附件設(shè)計(jì)

電磁線(xiàn)圈部件由漆包圓銅線(xiàn)環(huán)繞在線(xiàn)圈骨架上，將漆包圓銅線(xiàn)兩端通過(guò)引線(xiàn)引出，外層通過(guò)絕緣層絕緣，再由線(xiàn)圈座，外罩，墊片和固定螺母將其固定。為了增加定鐵芯的電磁吸力和提高閥的控制精度，特在線(xiàn)圈骨架靠近動(dòng)鐵芯端內(nèi)嵌套線(xiàn)圈襯套，為了確保實(shí)現(xiàn)高頻、精密流量或壓力控制，在選材上，也的綜合考慮。本設(shè)計(jì)線(xiàn)圈襯套選用材料為：DT4E。

4 GC128 EPC 中微型比例閥的應(yīng)用

精密微型比例閥應(yīng)用范圍很廣，典型應(yīng)用有氣相色譜分析、質(zhì)譜分析、呼吸機(jī)、壓力及流量控制等方面。電路采用PWM(Pulse Width Modulation)0～24VDC ，信號(hào)頻率在5～12kHz之間脈寬調(diào)制閉環(huán)控制，其原理見(jiàn)圖6。

圖6 電路控制原理圖

本設(shè)計(jì)選用參數(shù)：流量能力Kv值為0.027，流通孔徑為：?0.2mm 。安裝于公司的GC128 EPC氣相色譜儀中，配合流量傳感器或壓力傳感器，結(jié)合PID(Proportion Integration Differentiation)算法,從而實(shí)現(xiàn)精密電子流量/壓力控制(EPC：Electronic Pneumatic/Pressure Control)控制，見(jiàn)圖7EPC分流控制原理圖、圖8 EPC總流量控制原理圖和圖9 實(shí)物圖。圖10為一路測(cè)試界面。

圖7 EPC分流控制原理圖

圖8 EPC總流量控制原理圖

圖9 實(shí)物圖

圖10 測(cè)試界面

表1為本設(shè)計(jì)研發(fā)的微型比例閥與美國(guó)Parker公司的VSO微型比例閥，應(yīng)用于GC128 EPC中的精度測(cè)試對(duì)比數(shù)據(jù)。

表1 本閥與VSO微型比例閥在GC128 EPC中測(cè)試比對(duì)

5 結(jié)語(yǔ)

本文所述的微型比例閥設(shè)具有體積小、低功耗、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，且使用精度和可靠性已經(jīng)達(dá)到國(guó)外公司同類(lèi)產(chǎn)品水平，完全可以應(yīng)用于氣相色譜分析、質(zhì)譜分析、呼吸機(jī)、壓力及流量控制等方面；由于零部件為國(guó)內(nèi)加工制造，未來(lái)就能以高性?xún)r(jià)比、快速服務(wù)響應(yīng)吸引用戶(hù)，迅速占領(lǐng)市場(chǎng)，具有廣泛應(yīng)用前景，同時(shí)可以帶動(dòng)國(guó)內(nèi)精密微型比例閥整體技術(shù)水平。

[1]GB/T 2624-81《流量測(cè)量節(jié)流裝置的設(shè)計(jì)安裝和使用》.

[2]美國(guó)派克漢尼汾公司(Parker)VSO微型比例閥產(chǎn)品說(shuō)明書(shū).

Design and application of a precision miniature proportional valve.

Bao Chun

( Shanghai Inesa Analytical Instrumwent Co., Ltd., Shanghai 201199,China)

This paper introduces the working principle, material selection, structure design, performance test and application scheme of the proportional valve. In order to meet the high precision control, the fixed iron core and the moving iron core are made of magnetic iron DT4E. Different flow capacities and flow apertures can be selected. The precision electronic pneumatic / pressure control can be realized by a nested elastic mechanism in the moving iron core with circuit pulse width modulation closed-loop control. The flow accuracy is up to 0.001ml/min and the pressure can reache 0.001psi.

miniature proportional valve; moving iron core; fixed iron core; flow capacity; flow aperture

國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專(zhuān)項(xiàng)，課題編號(hào)：2016YFF0101105。

10.3969/j.issn.1001-232x.2017.04.003

2017-03-18

鮑春,男,1982年出生,工程師,主要從事于分析儀器研究及成果轉(zhuǎn)化,E-mail:xinhen5212003@126.com。