博益气动---高精度压力流量控制

1、一种精密电-空比例阀的研制石晓明 王志 喻坚 韩荣伟（博益（天津）气动技术研究所有限公司，天津 300457）摘 要：文章介绍了一种可用于燃气配气的低压大流量精密电-空比例阀的研制过程，对其原理，结构设计及控制系统设计进行了详细介绍，最后对样机进行了性能试验，验证了设计的正确性。关键词：燃气配气、精密电-空比例阀Development Of A Exactitude Electro-pneumatic Proportion ValveShi Xiaoming Wang Zhi Yu Jian Han Rongwei（BOYI (Tianjin) Pneumatic Technology Ins

2、titute Co., Ltd. , Tianjin, 300457 ）Abstract: The development of an exactitude Electro-pneumatic proportion valve which can be used for combustible gas distribution was introduced in this paper. The theory, structure design and control system design were introduced in detail. Finally the experiment

3、of a sample was carried out in order to validate the accuracy of the design.Key Words: Combustible Gas Distribution; Electro-pneumatic Proportion Valve1 前言在燃气及很多气动领域内压力和流量的控制非常重要13，应用也很多，比如在为了获得不同的华白数和燃烧势而进行的配气过程中就需要对流量进行精确的控制。由于在燃气行业中常常是低压大流量的场合，并且对精度、稳定性的要求都比较高，市场上常见的压力流量控制器很难满足其压力及流量的性能要求，所以开发一种新

4、型用于低压大流量的压力流量控制器有很高的应用价值。2. 工作原理系统分为控制系统与执行机构两部分，控制系统可以与工作现场分离，主要是防止用于燃气行业时控制部分的电路对可燃气体可能造成危险，同时也可以防止控制系统受环境的干扰，如图1。工作原理如下，当检测到出口的压力或流量比预定值小的时候则供气电磁阀占空比变大排气电磁阀的占空比变小，先导气源向背压腔充压，使得背压腔的压力升高，波纹管组件向下移动带动主阀芯开口变大，使得排出腔的压力和流量增大，从而保持出口的压力或流量的稳定；同样当检测到出口的压力比预定值大的时候则供气电磁阀占空比变小排气电磁阀的占空比变大，背压腔的排气量大于进气量，使得背压腔的压力

5、降低，波纹管组件向上移动带动主阀芯的开口变小，使得出口处的压力和流量减小，从而保持出口的压力或流量的稳定。图 1 原理示意图3. 设计计算首先根据要求对主阀进行计算46，选取满足要求的弹簧和波纹管：主阀芯处的流速始终为亚音速，流量公式： (1)其中： 阀门流量值 阀芯通流面积 气体流量系数 气体比热比 阀门进口侧压力 阀门出口侧压力根据产品的流量要求，可以算出阀芯的有效面积，进而求得阀芯的通流直径： (2)此电-空比例阀主要靠主阀部分的背压腔与排出腔力平衡方程来调节出口的压力。 4. 结构设计根据不同的流量选择不同的参数，然后可以进行结构设计如图2所示，产品分为两部分：控制部分和主阀部分，二者

6、既可以分开又可以连接成一体使用。由于控制系统中含有控制电路等，故用在有含可燃气体的环境中时便可以分开使用，将控制器放在安全地带，通过气路与主阀体相连，从而保证使用的安全。主阀结构中只涉及到不锈钢和铝合金，耐腐蚀性良好。 图2 结构图5. 控制器设计控制系统原理如图3所示：图3 控制系统图控制系统采用双闭环控制，即在反馈流量计流量的同时对背压腔的压力也进行控制，以保证最终流量控制的稳定性，使得控制的精度与稳定性大大提高，控制原理采用的是双闭环数字PID控制方法，控制算法采用增量式的数字PID控制方法，如下所示： (3) 其中 为给定值，为反馈值 为采样周期6. 研究结果与分析设计完产品样机后，进

7、行了大量试验，主要是流量控制方面的实验，验证了产品的基本性能如图所示，入口25kPa下给定流量为50500L/min时的响应曲线：图4 给定不同流量下的性能曲线由图4可以看出各种工况下不同流量值的响应时间最大不会超过5s；流量具有较好的稳定性，通过对各种工况下不同流量值数据分析后，可以得出流量值的稳定性可以在1L/min到2L/min的范围内变化。7. 结论：本文详细介绍了一种可用于燃气配气的精密电空比例阀的研制过程，详细介绍了其工作原理，结构设计及控制系统设计过程，主体结构与控制系统的分体设计，并且敏感元件采用了不锈钢波纹管，所以此阀的主体耐腐蚀性良好，且没有任何电气部分，可以安全用于燃气环

8、境；控制系统采用了双闭环控制，使控制的稳定性和精度都大大提高。最后试制样机进行性能试验，通过试验验证了设计的正确性。参考文献：1 李雪梅 顶峰 气控流量调节阀的设计与应用. 流体传动与控制. 2006.12 王文霞 刘金美 燃气阀门应用现状及选型初探. 城市燃气. 2008.113 郭全 史永征 燃气/空气比例调节装置的结构及原理分析. 北京建筑工程学报. 第19卷 第3期4 Naike CHEN and Kenji ARAKI. Pressure versus Flow-rate Characteristics of a Diaphragm Type Pneumatic Pressure Control Proportional Valve.1996 ASME Inte