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• 摘要：隨著科技的發(fā)展越來越多的新技術應用到工業(yè)中，工業(yè)自動化設備趨向于高集成的集散控制技術，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高速可靠的電信號傳輸，因此現(xiàn)在的工業(yè)現(xiàn)場已經(jīng)是電氣化儀表時代。

　　前言

　　隨著科技的發(fā)展越來越多的新技術應用到工業(yè)中，工業(yè)自動化設備趨向于高集成的集散控制技術，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)是電氣化儀表時代。現(xiàn)實的工業(yè)儀表現(xiàn)場卻有一個特例，作為控制環(huán)節(jié)的后一部分——執(zhí)行調(diào)節(jié)機構卻仍然停留在落后的氣動儀表時代。雖然越來越多的電動執(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)儀表仍以氣動調(diào)節(jié)閥為主。

　　電氣轉換器的作用

　　氣動調(diào)節(jié)閥是一種氣動儀表，這種儀表接收氣動信號進行動作，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轉換儀表，把控制室來的電信號轉換為調(diào)節(jié)閥能夠識別的氣信號。這種轉換儀表安裝在現(xiàn)場氣動調(diào)節(jié)閥上，接收控制室來的電信號然后轉換為對應的標準氣動信號，在進入調(diào)節(jié)閥作為調(diào)節(jié)閥能夠動作的氣動能源。

　　現(xiàn)場使用帶有電氣轉換器的氣動調(diào)節(jié)閥

　　這種安裝在調(diào)節(jié)閥上的轉換儀表，工業(yè)控制人員熟悉的就是閥門定位器。閥門定位器是一個能把控制室來的電信號轉換為氣動調(diào)節(jié)閥所需氣動能源的轉換儀表，根據(jù)性能的不同可分為機械式、電氣式、智能式等多種型號，在氣動調(diào)節(jié)閥中得到廣泛應用。

　　除閥門定位器，工業(yè)現(xiàn)場還有一種信號轉換儀表得到使用，那就是電氣轉換器。電氣轉換器是一種結構簡單，轉換準確的電氣轉換儀表設備，在上世紀的工業(yè)控制中得到大量的應用，只是近年來才逐漸被閥門定位器所取代，但許多仍在運轉的老舊裝置中仍有它的身影。

　　原理及構成

　　氣動儀表對于現(xiàn)在高度集成的電子時代很多人比較陌生，感覺無從學起，不知如何分析，實質(zhì)上氣動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，用微弱的小氣動信號控制調(diào)節(jié)大功率的壓縮空氣流量。

　　電氣轉換器是依照經(jīng)典的氣動儀表原理研發(fā)出來的，其核心部件是噴嘴擋板機構和氣動功率放大器。

　　電磁變?yōu)榭臻g改變

　　電氣轉換的方法是通過電磁轉換，把電信號轉換為一個機械部件的物理位移。這個機械部件同時也是噴嘴擋板機構中的擋板部件。 擋板是一個中間實心的薄金屬圓盤，圓盤的另一面設計成一個外凸內(nèi)空的稀薄金屬線圈結構，金屬線圈正好通過一個強磁的磁缸。

　　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)生一個物理位移。

　　磁缸與線圈擋板機構如同：

　　噴嘴擋板機構

　　噴嘴擋板機構相當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)境中的儀表風量發(fā)生變化，造成噴嘴后方氣路中的儀表風壓力發(fā)生變化，這個儀表風壓即是噴嘴擋板機構的背壓，其通過精密的氣路輸入到氣動功率放大器的控制端，作為放大器的控制信號使用，從而實現(xiàn)了以小控大的目的。

　　噴嘴擋板機構如下圖所示：

　　氣動功率放大器

　　氣動功率放大器相當于電子電路中的功率放大器，如同電子電路中的音頻功放，噴嘴擋板機構中的背壓儀表風如同微弱的音頻輸入信號，氣動功率放大器的儀表動力風進口如同音頻功放的電源，氣動功率放大器的輸出就是音頻放大器的喇叭。

　　氣動功率放大器實質(zhì)上是一個精密的氣動膜盒調(diào)節(jié)機構，通過變化壓力的儀表風進入一個膜片形成的氣室內(nèi)，儀表風壓作用膜片使其膨脹變形，膜片的另一面設有金屬調(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)儀表風的壓力和流量，使其輸出一定壓力值的大流量儀表風，從而實現(xiàn)了以弱控強的目的。

　　氣動功率放大器結構如圖所示：

　　調(diào)節(jié)修正機構

　　如同音頻功放有音量調(diào)節(jié)旋鈕一樣，電氣轉換器也有調(diào)節(jié)機構，只不過這個調(diào)節(jié)機構目的是讓轉換器輸出的氣動信號為一個標準的氣動信號模式20—100KPa，這樣電信號的4-20mA就轉換為氣信號的20—100KPa,實現(xiàn)了電氣信號的轉換。這個調(diào)節(jié)機構由節(jié)流孔、零點、滿度調(diào)節(jié)旋鈕和電路板組成。

　　電氣轉換器外表體分布有零點、滿度、節(jié)流孔如圖：

　　節(jié)流孔

　　節(jié)流孔也叫恒節(jié)流孔，是電氣轉換器中重要的一個小部件，其運行的好壞直接關系到電氣轉換器是否可以運行的關鍵。如同電子電路中的固定電阻一樣，在氣路系統(tǒng)中相當于一個阻尼，限制氣路中的空氣流量。

　　節(jié)流孔是一個如同一字螺絲的金屬體，其通過精密的機械氣路設置實現(xiàn)儀表風的節(jié)流措施。節(jié)流孔內(nèi)有一進一出兩個氣孔，進氣口在節(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現(xiàn)噴嘴擋板機構中儀表風的恒流效果。

　　零點調(diào)節(jié)旋鈕

　　零點即電氣轉換器在輸入信號為4mA時所對應輸出的氣動信號風壓為20KPa，也就是電氣轉換器的初態(tài)。

　　如同三極管放大電路中穩(wěn)定靜態(tài)工作點的分壓電阻，轉換器的零點旋鈕也是調(diào)整噴嘴與擋板之間的空間距離，來實現(xiàn)轉換器零點時輸出的氣動信號恒定在20KPa，此時擋板沒有空間位移變化，因此通過調(diào)整噴嘴的位移來實現(xiàn)噴嘴擋板間距離的改變保證輸出的準確性。

　　零點旋鈕為一個與噴嘴下部齒輪嚙合的螺旋柱，通過旋轉螺旋柱能夠實現(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，通過電路板上一個可調(diào)電阻器來實現(xiàn)。當輸入信號為20mA時，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，使其輸出的氣動信號恒定在100KPa。

　　電路板

　　在電氣轉換器中間位置，線圈擋板之下有一個小型的簡單電路板，上面除設置有滿度調(diào)整電阻器外還有一個濾波電路，用來消除遠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)線圈電流的準確，保證電氣轉換器的可靠穩(wěn)定性。

　　節(jié)流孔的結構如圖所示：

　　電氣轉換器使用要求

　　電氣轉換器是一個能夠把4-20mA轉換為20—100KPa氣動信號的轉換儀表，其要根據(jù)現(xiàn)場的條件來使用，即電氣轉換器所接的氣動調(diào)節(jié)閥的彈簧壓縮系數(shù)為20—100KPa,，如果超出這個范圍使用則無法實現(xiàn)調(diào)節(jié)閥的全開全關動作，這一點不同于閥門定位器，選用電氣轉換器是一定要細心。

　　電氣轉換器氣路預處理，如同音頻放大器對電源電壓有要求一樣，電氣轉換器對于所需要的儀表動力風能源的壓力也有要求，要求進入電氣轉換器的儀表風壓穩(wěn)定在0.14Mpa附近，因此電氣轉換器儀表進風入口要設置空氣過濾減壓裝置，使進入電氣轉換器的儀表風壓恒定無雜質(zhì)。

　　電氣轉換器的校準

　　電氣轉換器作為一個標準的儀表，其需要單獨進行精度校準，但實際使用中為減少工作量一般與所連接的調(diào)節(jié)閥一起實現(xiàn)聯(lián)校。

　　準備工作

　　校準所需儀器：一個標準電流信號發(fā)生器，一個標準氣動恒壓器，一個0.1精度的標準壓力表，一個標準的毫米尺。

　　校準連接：標準電流信號發(fā)生器接入電氣轉換器接線盒中；標準的氣動恒壓器一端連接儀表風一端接入電氣轉換器的儀表風進口，并調(diào)節(jié)恒壓器使其輸出為恒定的140KPa,；通過儀表風管把標準壓力表接入電氣轉換器與氣動調(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，做好初始位置標志。

　　電氣轉換器與調(diào)節(jié)閥聯(lián)校的連接圖：

　　校準

　　標準電流信號發(fā)生器輸出4mA，查看標準壓力表的讀數(shù)使其穩(wěn)定在20KPa，可通過電氣轉換器的零點旋鈕進行調(diào)整。記錄調(diào)節(jié)閥閥桿的位置。

　　標準電流信號發(fā)生器輸出20mA，查看標準壓力表的讀數(shù)使其穩(wěn)定在100KPa，可通過電氣轉換器的滿度旋鈕進行調(diào)整。記錄調(diào)節(jié)閥閥桿的位置。

　　重復上述兩點進行調(diào)整，直到滿足要求為止。然后在分別測試12mA、8mA、16mA三點，觀察轉換器輸出的線性度和調(diào)節(jié)閥開度所對應的位置。

　　觀察調(diào)節(jié)閥的死區(qū)，用標準信號發(fā)生器緩慢的從4mA開始逐漸增大電流信號，觀察調(diào)節(jié)閥的閥桿到有一個明顯的動作時記下此時的電流值和電氣轉換器輸出的氣動信號壓力值，然后在反向進行測試。

　　現(xiàn)場使用故障處理

　　電氣轉換器在使用中的故障通常時通過調(diào)節(jié)閥顯現(xiàn)出來。因為電氣轉換器為調(diào)節(jié)閥的一個附件，現(xiàn)場使用中工藝人員先發(fā)現(xiàn)的故障時調(diào)節(jié)閥的故障如：閥門突然失靈后全開或全關，閥門運行時開關不能到位即不能全開全關等故障。

　　維修人員首先要到現(xiàn)場查看故障分析原因，首先確認是調(diào)節(jié)閥的原因還是電氣轉換器的原因。故障排除的手段就是通過觀察電氣轉換器輸出儀表風風管上壓力表的壓力值來進行判斷，因為電氣轉換器與調(diào)節(jié)閥之間沒有閥位反饋的連接，電氣轉換器的輸出風壓只與電氣轉換器接線盒內(nèi)毫安電流值有關，所以通過觀察轉換器輸出的儀表風壓即可快速的分辨出是調(diào)節(jié)閥的故障還是電氣轉換器的故障，這比閥門定位器與調(diào)節(jié)閥的故障好判斷。

　　通過觀察電氣轉換器輸出儀表風壓力表的壓力值可以判斷出故障，日常使用主要包括四個方面：壓力值大與控制信號無關，故障原因限流孔堵塞；壓力值不準確4毫安時不是20KPa，零點漂移；壓力值不準確20毫安時不是100KPa，量程不準確；壓力值始終處于0，接線故障可能為松動脫落短路，儀表風故障，前方過濾減壓閥堵塞、沒有儀表風等。

　　限流孔堵塞處理

　　限流孔堵塞是電氣轉換器使用中主要的故障，原因就是電氣轉換器前方的空氣過濾減壓閥的效果不好，致使進入轉換器的儀表風中含有鐵銹雜質(zhì)水分等，流經(jīng)限流孔的時候堵塞細小的氣路。如果限流孔堵塞，那么其電氣轉換器就會因為噴嘴無儀表風流出，致使噴嘴后背壓達到大，使電氣轉換器的輸出為大。

　　如此細小的氣眼一旦堵塞很難找到合適的工具進行疏通，現(xiàn)場排除故障時可擰下限流孔用頭發(fā)絲進行疏通，然后用嘴吹氣的方法來確認限流孔雜質(zhì)是否除掉，當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在是無奈之舉。

　　零點、滿度的調(diào)整

　　如果故障是因為零點、滿度不準確引起的，那么可用螺絲刀在相應的電流值的情況下調(diào)節(jié)零點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

　　電氣轉換器的校準雖然要求嚴格，但實際使用中的故障維修可粗略的進行調(diào)整排除。因為電氣轉換器是一個開路的轉換儀表，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)閥的電氣轉換器的控制精度和效果都遠不如閥門定位器。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)場安裝電氣轉換器調(diào)節(jié)閥的靈敏性使其能夠全關和全開，在實際的使用中可以把電氣轉換器輸出的氣動信號進行小幅度的擴容，調(diào)整零點旋鈕使其4mA時輸出低于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時輸出大于100KPa，可以保證調(diào)節(jié)閥全開或全關下的精度，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調(diào)節(jié)閥關鍵的一個附屬部件，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，減壓閥后儀表風量減少壓力降低，因此除日常巡檢盡可能的加強過濾減壓閥的維護外，可把減壓閥后的壓力調(diào)到比140KPa略高一些，保證電氣轉換器進口的儀表風滿足使用要求。

　　總結

　　電氣轉換器是一個結構緊湊功能單一的氣動調(diào)節(jié)閥的附件，其控制精度和使用效果遠不如閥門定位器準確，已逐漸被閥門定位器所淘汰，但電氣轉換器的工作原理及各部件是典型的氣動儀表結構，與閥門定位器核心器件基本一致，所以熟悉電氣轉換器并不是無用之舉，掌握了電氣轉換器的原理對于現(xiàn)場繁雜的閥門定位的維護同樣有用。

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