Пьезопневматические клапаны: точность, мощность и ограничения конструкции
Пьезопневматические клапаны обеспечивают небольшое усилие удержания и точное пропорциональное управление, но не являются универсальной заменой соленоидных клапанов. В этом руководстве рассматривают...
Пьезоэлектрические пневматические клапаны переходят из специализированного оборудования для работы с газами в компактные узлы регулирования давления и расхода. Их преимущества очевидны: компактные приводы, очень низкая мощность удержания, ограниченное тепловыделение и точное пропорциональное перемещение. Ошибка — считать эти преимущества доказательством того, что пьезоклапан способен заменить любой соленоид на 24 В постоянного тока.
На практике клапан, электронный драйвер, газовый тракт, датчик и контур управления образуют единый спроектированный компонент. Выбор следует начинать с требуемой функции и поведения при отказе, а не с обозначения типа привода.
Как пьезобиморф перемещает седло клапана
Пьезоэлектрическая керамика деформируется при воздействии электрического поля. В пневматическом биморфе керамика соединена с несущим элементом, благодаря чему небольшая деформация преобразуется в полезное перемещение наконечника. Это перемещение может приподнимать уплотняющий элемент над седлом или регулировать проходное отверстие. В пределах рабочего диапазона большее напряжение обычно обеспечивает большее отклонение и расход.
Управляемый напряжением биморф обеспечивает небольшое повторяемое перемещение в области седла клапана. Материалы предоставлены компанией Festo и сохранены на CDN PLC ProTech.
Festo описывает привод как ёмкостную нагрузку: энергия в основном требуется для его заряда или разряда, тогда как для поддержания заряженного состояния практически или полностью не требуется удерживающий ток. Внутреннее напряжение пьезоэлемента может быть значительно выше, чем напряжение питания панели 24 В постоянного тока, поэтому необходима специально разработанная электроника.
Электрический интерфейс — это не обычная катушка соленоида
Многие серийные изделия скрывают высоковольтный каскад внутри контроллера, который принимает питание 24 В постоянного тока и аналоговую, цифровую или коммуникационную команду. Инженерам не следует управлять необработанным пьезоэлементом непосредственно с выхода ПЛК. Проверьте входной импеданс, масштабирование команды, гальваническую развязку, характеристики ЭМС, время разряда и состояние, устанавливаемое при потере питания.
Поведение при отказе зависит от конкретного устройства. Некоторые заряженные приводы могут временно удерживать смещение; встроенная электроника может активно разряжать их, а пружинные или пневматические силы могут устанавливать другое состояние. Никогда не делайте вывод о состоянии «при отказе открыт», «при отказе закрыт» или «последнее положение» только на основании пьезоэлектрической технологии.
Где пьезоклапаны превосходят обычные приводы
Точная дозировка газа, компактное пропорциональное регулирование давления, пилотное управление и коллекторы с высокой плотностью монтажа выигрывают благодаря низкому тепловыделению и низкому установившемуся энергопотреблению. Медицинское и лабораторное оборудование — распространённые примеры, однако промышленные применения также включают работу с электроникой, испытания на утечки, регулирование натяжения и плавное пневматическое позиционирование.
Замкнутое регулирование объединяет дозирующий элемент с датчиком давления или расхода. Выбор устройства обратной связи и обработка сигнала так же важны, как и сам клапан; в руководстве PLC ProTech по измерительным сигнальным цепям объясняются источники погрешности между преобразователем и контроллером. Подходящее оборудование для замены также можно найти в категории преобразователей при определении контура обратной связи для модернизации.
Пределы расхода и давления определяют масштабируемость концепции
Небольшой биморф обеспечивает ограниченные ход и усилие. Производители могут объединять элементы, использовать пилотные каскады или оптимизировать геометрию седла, однако любая конструкция всё равно имеет номинальный диапазон давления, номинальный расход, спецификацию по утечкам и требования к рабочей среде. Пьезоклапан, рассчитанный на точный пилотный расход, не обязательно подходит для выпуска воздуха из большого цилиндра.
Сравнивайте весь рабочий диапазон: изменения питающего давления, объём downstream-участка, требуемое время отклика, рабочий цикл, допустимую утечку и давление, доступное при минимальном давлении в пневмосети. Для замкнутого контура учитывайте диапазон датчика и частоту обновления контроллера.
Чистая рабочая среда и стабильная механика имеют большое значение
Малые дозирующие зазоры чувствительны к частицам, конденсату, маслу и отложениям. Проверьте фильтрацию, точку росы, совместимость со средой и ориентацию при монтаже. Клапан, хорошо работающий на чистом сухом воздухе, может демонстрировать дрейф или утечки после установки за плохо обслуживаемым магистральным воздуховодом.
Пьезоматериалы также характеризуются гистерезисом, ползучестью и зависимостью характеристик от температуры. Встроенные изделия компенсируют эти эффекты в разной степени. Инженерам следует проверять повторяемость после прогрева, при различных температурах окружающей среды и после ожидаемого числа циклов, а не только в одном лабораторном режиме.
Вводите регулятор в эксплуатацию как контур
Начните с обесточенного клапана и проверьте фактическое пневматическое состояние. Подавайте команды измеренными ступенями, одновременно регистрируя давление питания, давление или расход на выходе, электрические входные параметры и время отклика. Проверьте потерю команды, потерю питания 24 В постоянного тока, заблокированный выход, падение давления питания, отказ датчика и резервный режим при потере связи.
Если устройство является пропорциональным, настраивайте внешний контур только после проверки любого внутреннего контура управления. Два агрессивно настроенных контроллера, работающих с одним и тем же давлением, могут вызвать колебания. Сделайте диагностические переменные и пределы аварийных сигналов производителя доступными для ПЛК или системы верхнего уровня.
Редакционный взгляд: покупайте управляемую функцию, а не привод
PLC ProTech считает пьезоклапаны сильным вариантом там, где решающими факторами являются тепловыделение, энергопотребление, габариты и пропорциональная точность. Обычные соленоиды и механические регуляторы по-прежнему лучше подходят для многих задач с большим расходом, тяжёлыми условиями эксплуатации или простой функцией включения и выключения.
Лучше всего сравнивать законченные функциональные решения для требуемого расхода и состояния при отказе. Сравнение одного пьезобиморфа с одной катушкой соленоида игнорирует электронику, измерение, фильтрацию и техническое обслуживание, которые определяют реальную стоимость владения.
Часто задаваемые вопросы
Может ли выход ПЛК напрямую управлять пьезоклапаном?
Обычно — нет, если речь идёт о необработанном пьезоэлементе. Используйте драйвер производителя или встроенный контроллер клапана, поддерживающий указанное интерфейсное питание 24 В постоянного тока, аналоговый или коммуникационный интерфейс.
Потребляют ли пьезоклапаны нулевую мощность в открытом состоянии?
Приводу может требоваться почти нулевой удерживающий ток, однако встроенная электроника, датчики и средства связи всё равно потребляют энергию. Для расчёта шкафа используйте спецификацию всего изделия.
Являются ли пьезоклапаны всегда пропорциональными?
Нет. Пьезопривод поддерживает пропорциональное перемещение, но изделия могут проектироваться для функций переключения, пилотного управления, регулирования давления или расхода. Проверьте указанную передаточную характеристику.
Каков основной риск при установке?
Использование технологии за пределами её номинальных требований к расходу, давлению, чистоте рабочей среды или состоянию при отказе. Небольшое загрязнение или неподходящий драйвер могут иметь большее значение, чем теоретическая эффективность привода.