Strukturprinzip der piezoelektrischen Ventile und ihre Anwendung in intelligenten Ventilpositionierern

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Die pneumatischen Komponenten eines intelligenten Ventilpositioniers bestehen in der Regel aus einem elektropneumatischen Wandler und einem pneumatischen Verstärker. Elektro-pneumatische Umwandler nutzen hauptsächlich zwei Arten von Technologien: Die Piezoventiltechnologie, die auf dem piezoelektrischen Effekt von Kristallen mit asymmetrischer Struktur beruht, und diese nimmt in der Regel digitale Signale (Elektrimpulse) entgegen, um eine zweistufige pneumatische Ausgabe zu erzeugen ； Die I/P-Wandlertechnologie, die auf elektromagnetischen Prinzipien sowie pneumatischen Düsen/Steuerklappen beruht, wandelt in der Regel analoge elektrische Signale in kontinuierliche pneumatische Ausgänge um. Die intelligenten Ventilpositionierer SIPARTPS SP2 von Siemens in Deutschland sowie ND9000 von NelesMetso in den USA verwenden Elektro-pneumatische Wandler mit piezoelektrischen Ventilen ； Valvetrimmer wie der Fisher DVC6000 aus den USA, der SAM-SON373X aus Deutschland sowie der SVP3000 von ABB in Japan verwenden hingegen Elektro-pneumatische Wandler mit einer Düsenklappenkonstruktion. Die elektrisch-elektronischen Wandler dieser beiden Strukturen stellen den derzeitigen Standard für intelligente Positionierer auf internationaler Ebene dar. Der piezoelektrische Ventil ist eine neue Art von Steuerventil, das den Piezoeffekt von piezoelektrischen Materialien zur Steuerung der Ventilfunktion nutzt. Es weist Vorteile wie hohe Präzision, schnelle Reaktionszeit, geringen Energieverbrauch, lange Lebensdauer sowie eine kompakte Bauweise auf. Es werden die Struktur und der Funktionsablauf einiger gängiger piezoelektrischer Ventile vorgestellt, sowie die Luftleitungskonstruktion intelligenter Ventilpositionierer mit piezoelektrischen Ventilen. Anhand des intelligenten Ventilpositionierers SIPART SP2 von Siemens wird das Funktionsprinzip solcher Positionierer, die Piezoelektrik-Technologie nutzen, erläutert. 1. Struktur und Funktionsprinzip der piezoelektrischen Ventile yunrun.com.cn/tech/2210.html Piezoelektrische Ventile arbeiten nach dem Prinzip des inversen piezoelektrischen Effekts. Sie weisen die Vorteile geringer Energieverbrauch und niedriger Leistungsaufnahme auf (die Antriebsstromstärke beträgt lediglich 10 MA). Zudem sind sie präzise, kompakt, haben eine schnelle Reaktionszeit sowie eine hohe Langlebigkeit. Außerdem lässt sich ihre Steuerung leicht vollständig digitalisieren. Derzeit werden die piezoelektrischen Ventilkomponenten in den pneumatischen Teilen intelligenter Ventilpositionierer größtenteils von dem deutschen Unternehmen Hoerbiger hergestellt. Dabei werden hauptsächlich Piezoelektrikventile der P9-Serie sowie Piezoelektrikventilkomponenten der P20-Serie verwendet. Auch die Piezoelektrikventilkomponenten, die bei den PS2-Produkten von Siemens zum Einsatz kommen, werden bei Hoerbiger speziell angefertigt. Am Beispiel der piezoelektrischen Ventile von der Firma Holbig wird ihre Struktur und Funktionsweise erläutert. ①Direktaktionspiezoelektrischer Ventil: Das Prinzip des piezoelektrischen Ventils beruht auf der Deformation von piezoelektrischem Material unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes, wodurch die Öffnung und Schließung des Eingangs des pneumatischen Ventils erreicht wird. Die Struktur der mikrogrößen-aktiven Umrichterventile ist in Abbildung 1 dargestellt: http://yunrun.com.cn/upload/201810/16/201810160037223794.png Abbildung 1: Struktur und Funktionsprinzip der aktiven piezoelektrischen Ventile. Das gebogene Element in der Mitte des piezoelektrischen Ventils besteht aus einem aus piezoelektrischem Material gefertigten Piezoelement. Die Struktur der piezoelektrischen Platte besteht aus einem extrem dünnen, elastischen Metallblatt, das auf beiden Seiten mit piezoelektrischem Kristall verklebt ist. Auf den beiden Arbeitsflächen der Piezoelektrikplatte werden durch Vakuumbeschichtung zwei Elektroden erzeugt. Durch die Deformation der Piezoelektrikplatte unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes wird eine Umschaltung des Mikroluftwegs ermöglicht. Wenn der piezoelektrische Kristall nicht mit Strom versorgt wird, ist das Eingangstor für komprimierte Luft 1 verschlossen. Das Ausgangstor 2 ist mit dem Anschluss an die Umgebungsluft verbunden. Der Druck im Ausgang beträgt den Atmosphärendruck – das entspricht dem Zustand, in dem die Ventile geschlossen sind ； Wenn der piezoelektrische Kristall mit Strom versorgt wird, zieht sich der obere Kristall zusammen, während der untere Kristall sich dehnt. Die mechanische Verformung beträgt mehrere Dutzend Mikrometer. Dadurch wird das Loch 3 verschlossen, und komprimierte Luft fließt von Loch 1 zu Loch 2. Dadurch entsteht ein Drucksignal – das entspricht dem Öffnen einer Ventil. Die Biegung der piezoelektrischen Platte hängt von der Eingangsspannung ab. Die Reaktionszeit beträgt weniger als 2 ms. Die Hysteresiespannung für die Betätigung des zweistelligen Schalters liegt bei etwa 4 V. Piezoelektrische Ventile können auch als proportional steuerbare Varianten hergestellt werden. Aufgrund des großen Hystereseeffekts bei der Bewegung in die eine oder andere Richtung (der Unterschied zwischen den Betriebsspannungen beträgt etwa 2 V) werden sie jedoch selten in den pneumatischen Komponenten intelligenter Ventilsteuerer verwendet. ②Leistungsverstärkende piezoelektrische Ventile – Direktantriebs-Piezoelektrikventile ermöglichen die Umwandlung von elektrischen Signalen in Gassignale. In Ventilpositionierern ist es jedoch notwendig, die Gassignale zu verstärken, um den Antrieb des Regelventils in Gang zu setzen. Um dieses Problem der Gassignalverstärkung zu lösen, haben die Hersteller leistungsverstärkende piezoelektrische Ventile entwickelt. Die interne Struktur sowie der Funktionsmechanismus der piezoelektrischen Ventile der P20-Serie sind in Abbildung 2 dargestellt: http://yunrun.com.cn/upload/201810/16/201810160050443785.png Abbildung 2 zeigt die Struktur sowie den Funktionsmechanismus der direkt wirkenden piezoelektrischen Ventile. Die P20 setzt sich aus einem direkt wirkenden piezoelektrischen Ventilteil vom Typ P9, einem pneumatischen Verstärker (bestehend aus einer Luftkammer, einer Membran sowie einem Ventilkern), einem Mikrodruckreduzierer sowie einem Filter zusammen. Die Ventilstruktur ähnelt der eines elektromagnetischen Zweistromventils und weist eine Gaszufuhröffnung, eine Einlassöffnung (für die Verbindung mit dem Aktor) sowie eine Auslassöffnung (für die Verbindung mit der Umgebungsluft) auf. Die Betriebsspannung beträgt 24 VDC, die Reaktionszeit ist unter 20 ms. Der Druck der Gasquelle liegt bei 120–800 kPa, die maximale Gasmenge beträgt 7,8 Nm³/h. In Abbildung 2 zeigt die linke Seite den Zustand der Gasleitung im Ausgeschaltzustand, die rechte Seite den Zustand der Gasleitung im Eingeschaltzustand. Wenn die piezoelektrische Ventilsteuerung mit Strom versorgt wird, bewirkt das Piezoelement, dass die bereits entlastete und gefilterte Luftquelle mit dem Ausgangsloch des direktdruckgesteuerten piezoelektrischen Ventils verbunden wird. Das Luftsignal wirkt auf die Membran des pneumatischen Verstärkers ein, wodurch das Hauptventil geöffnet wird. Dadurch kann das Luftsignal über den Ventilkern des Hauptventils zum Eingang 2 geleitet werden. Von dort aus wird es weiter an den Aktuator weitergeleitet, der wiederum das Ventil in Bewegung setzt – gleichzeitig wird der Austrittsanschluss geschlossen. Wenn die piezoelektrischen Ventile keinen Strom mehr erhalten, bewirkt das Piezoelement, dass die Luftzufuhröffnung verschlossen wird. Gleichzeitig werden die Auslassöffnungen miteinander verbunden. Das Gas im Druckkammer des pneumatischen Verstärkers entweicht über die Auslassöffnungen. Die Membran des Verstärkers kehrt unter dem Einfluss der Feder des Hauptventils in ihre ursprüngliche Position zurück. Dadurch schließt sich die Ventilklappe. Die Eingangs- und Auslassöffnungen von P20 werden miteinander verbunden. Das Gas im Aktuator entweicht ebenfalls über die Auslassöffnungen. Aufgrund des fehlenden Drucks bewegt sich das Ventil unter dem Einfluss der Feder in die entgegengesetzte Richtung. Der leistungsstärkende piezoelektrische Ventil ist strukturell einer Kombination aus einem direkt wirkenden piezoelektrischen Ventil und einem pneumatischen Signalverstärker gleich. Er ermöglicht nicht nur die Umwandlung von elektrischen Signalen in pneumatische Signale, sondern auch die Leistungsverstärkung der pneumatischen Signale. Dadurch wird die Entwicklung und Herstellung intelligenter Ventilpositionierer erleichtert. Deshalb wird der leistungsstärkende piezoelektrische Ventil auch häufig in der Steuerung der Luftwege in intelligenten Ventilpositionierern eingesetzt. 2. Intelligenter Ventilpositionierer mit piezoelektrischem Ventil ① Der intelligente Positionierer mit piezoelektrischem Ventil weist eine solche Ventilstruktur auf. Die Ventilstruktur besteht in der Regel aus zwei piezoelektrischen Ventilelementen zur Verstärkung des Signals (PV1, PV2) sowie zwei Einwegventilen (RV1, RV2), wie in Abbildung 3 dargestellt. http://yunrun.com.cn/upload/201810/16/201810160102257019.png Abbildung 3: Luftstromstruktur des intelligenten Ventilpositioniers mit piezoelektrischem Ventil. Die pneumatischen Komponenten können drei verschiedene Logikzustände im Hinblick auf den Luftstrom haben: a) Zustand 1: PV1 ist eingeschaltet, PV2 ist eingeschaltet, RV1 ist geöffnet, RV2 ist geschlossen ； Der Positionierer sendet ein Drucksignal an die Membrankammer des pneumatischen Aktors der Steuerventil, wodurch der Ventilstab in eine bestimmte Richtung bewegt wird. b, Zustand zwei: PV1 ist ausgeschaltet, PV2 ist eingeschaltet, RV1 ist geschlossen, RV2 ist geschlossen ； Die Luftleitung des Positioniers ist geschlossen, wodurch der Luftdruck in der Leitung zum pneumatischen Aktuator blockiert wird. Sowohl die gesamte Luftleitung des Positioniers als auch die des Regelventils bleiben in ihrem ursprünglichen Zustand – die Stellung des Regelventils ändert sich nicht. c, Zustand drei: PV1 ausgeschaltet, PV2 ausgeschaltet, RV1 geschlossen, RV2 geöffnet ； Die Gasleitung des Positioniers ist im Entlüftungsmodus. Die Membrankammer des pneumatischen Aktors wird über die Gasleitung der piezoelektrischen Ventile mit der Außenluft verbunden, wodurch das Gas in der Membrankammer des Aktors entweichen kann. Der Stab der Regelventile bewegt sich in die entgegengesetzte Richtung (im Vergleich zum Zustand 1). Der intelligente Ventilpositionierer erreicht die Regulierung der Ventilwege durch die oben genannten drei Gasstromzustände und steuert somit die Bewegung des Regulierventils. ②Arbeitsprinzip des intelligenten Ventilpositioniers: Im Vergleich zu herkömmlichen Positionierern ist das Arbeitsprinzip des intelligenten Ventilpositioniers im Grunde genommen dasselbe. Beide Arten von Positionierern vergleichen den Eingangssignal mit der Positionsfeedback-Signal und regulieren anschließend das Ausgangsdrucksignal entsprechend. Doch bei den Aktuatoren unterscheiden sich intelligente Positionierer erheblich von herkömmlichen Positionierern – das heißt, ihre Arbeitsweise ist unterschiedlich: Intelligente Ventilpositionierer nutzen einen Mikroprozessor als Kern und außerdem neue elektro-pneumatische Umwandlungsgeräte. Der intelligente Elektroventilpositionierer der Serie SIPARTPS2 von Siemens basiert auf einem Mikroprozessor und verwendet neue piezoelektrische Ventile anstelle der in herkömmlichen Positionierern verwendeten Düsen sowie Druckregelsysteme, um die Ausgangsdrücke zu steuern. Dadurch wird eine präzise Positionierung des Ventils ermöglicht. Die Konstruktion der SIPART PS2-Serie von Positionierern umfasst hauptsächlich Komponenten wie piezoelektrische Ventilmodule, piezoelektrische Antriebsschaltungen, Mikroprozessor-Einheiten, ein LCD-Bedienpanel, Sensoren zur Erfassung der Ventilposition sowie Eingangsschaltungen. Arbeitsprinzip des SIPART PS2: Der Sensor für die Position des Ventilstabs erfasst das Signal über den tatsächlichen Öffnungsgrad des Ventils. Dieses Signal wird durch eine A/D-Wandlung in ein digitales Signal umgewandelt. Anschließend wird dieses digitale Signal im CPU mit dem digitalen Signal verglichen, das von außen am Regler eingegeben wird. Dabei wird die Differenz zwischen den beiden Signalen berechnet. Wenn diese Differenz die Genauigkeit des Reglers überschreitet, gibt der CPU ein Steuersignal aus, damit die beiden piezoelektrischen Ventile arbeiten. Wenn das externe Steuersignal größer ist als die Rückmeldung über den Ventilstand, öffnet sich der piezoelektrische Ventil V1. Dadurch erhöht sich der Druck in der Gasquelle P1. Der Anstieg des Drucks im Membranraum des Aktors führt zu einer größeren Öffnungsgrad des Ventils. Dadurch verringert sich die Differenz zwischen dem Ventilstandsignal und dem Eingangssignal ； Wenn das externe Steuersignal kleiner ist als das Signal zur Rückmeldung des Ventilstandes, öffnet sich das piezoelektrische Ventil V2. Dadurch kann Luft über die Entlüftungsöffnung abgeleitet werden, wodurch der Druck in der Ausgangsluftquelle P1 sinkt. Der Druck im Membranraum des Aktors nimmt ebenfalls ab, wodurch sich der Öffnungsgrad des Ventils verringert. Dadurch wird die Differenz zwischen den beiden Signalen verringert. Eigenschaften des SIPART PS2-Intelligenzpositioniers: Die Regulierung des Auslassdrucks erfolgt mithilfe der PID-Pulsweitenmodulations-Technologie (PWM), was eine schnelle und präzise Steuerung ermöglicht ； Durch den Einsatz neuer piezoelektrischer Ventilkomponenten wird eine hohe Steuergenauigkeit gewährleistet ； Der Gasverbrauch des Positioniers ist äußerst gering. Intelligente Positionierer, die Piezoventiltechnologie nutzen, weisen Vorteile wie hohe Steuergenauigkeit, schnelle Anpassungsgeschwindigkeit sowie geringen Gasverbrauch auf. Sie stellen die zukünftige Entwicklungsrichtung der intelligenten Positionierer dar. Mit der Zeit und dem Fortschritt der Technologie wird die Anwendung von Piezoventilen immer weiter verbreitet werden.