圧電バルブの構造原理とスマートバルブポジショナーでの応用

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スマートバルブポジショナーの空気圧式部品は、一般的に電気－空気変換器と空気圧アンプで構成されています。電気－空気変換器は主に2つの技術が用いられている。1つは、非対称構造の結晶を利用した圧電効果材料を用いた圧電バルブ技術で、通常はデジタル信号（電気パルス）を受け取って2段階の動作による空気圧出力を生成する；電磁原理と空気圧ノズル/ダンパ機構に基づくI/Pコンバータ技術は、通常、アナログ電気信号を受け取って連続的な動作の空気圧出力を生成する。ドイツのSiemens社のSIPARTPS SP2およびアメリカのNelesMetso社のND9000といったスマートバルブポジショナーは、圧電弁構造を採用した電気－空気変換器を使用しています；一方、アメリカのFisher社のDVC6000、ドイツのSAM-SON373X、日本のアズベル社のSVP3000などのバルブポジショナーは、ノズル・ダンパー構造を持つ電気－空気変換器を採用している。これら2種類の構造を持つ電気－空気変換器は、現在国際的に主流となっているスマートポジショナーを代表している。圧電バルブは、圧電材料の圧電効果を利用してバルブの動作を実現する新しいタイプの制御バルブであり、高精度、応答速度の速さ、消費電力の少なさ、長寿命、コンパクトな構造といった利点があります。 一般的に使用されているいくつかの圧電バルブの構造と動作原理、および圧電バルブを備えたスマートバルブポジショナーの空気回路構造について解説し、SiemensのSIPART SP2スマートバルブポジショナーを例に挙げて、圧電バルブ技術を用いたスマートバルブポジショナーの動作原理を説明する。 1、圧電バルブの構造と動作原理yunrun.com.cn/tech/2210.html 圧電バルブは逆圧電効果の原理に基づいて動作し、省エネで低消費電力（駆動電流はわずか10MA）、高精度な小型化、高速応答、そして優れた耐久性という顕著な特長を持っています。また、バルブポジショナーの完全なデジタル化も容易です。現在、スマートバルブポジショナーの空気圧駆動部品における圧電バルブコンポーネントは、ほとんどがドイツのホーエビガー社によって製造されており、主にP9シリーズの圧電バルブチップやP20シリーズの圧電バルブコンポーネントが使用されています。シーメンス社のPS2で使用される圧電バルブコンポーネントも、ホーエビガー社に発注して作られたものです。ヘルビーグ社の圧電バルブを例に、その構造と動作原理について解説する。 ①直動式圧電バルブ 圧電バルブの原理は、電界の作用によって圧電材料が変形することを利用し、空気圧バルブの吸気口の開閉を実現するものです。マイクロ直動式切替弁の構造は図1の通りです：http://yunrun.com.cn/upload/201810/16/201810160037223794.png 図1 直動式圧電弁の構造および動作原理 圧電弁の中央にある曲がった部品は、圧電材料でできた圧電素子です。圧電片の構造は、極めて薄い弾性金属片を両面から接着して作られた圧電結晶であり、その2つの作動面には真空蒸着によって2つの電極が形成されている。電場の作用による圧電片の変形を利用して、微小な気路用の2位置スイッチの切り替えを実現する。 圧電結晶に電力が供給されていないとき、圧縮空気の入力孔1は閉じられ、出力孔2と大気接続孔3が連通し、出力圧力は大気圧となり、バルブが閉じているのに相当する；圧電結晶に電流が流れると、上層の結晶は収縮し、下層の結晶は伸長する。そのため生じる機械的変形は数十マイクロメートルであり、大気孔3が閉じられることで圧縮空気が孔1から孔2へ流れ、圧力信号が出力される。これはバルブが開いたのに相当する。圧電素子の曲がり具合は入力電圧に依存し、応答時間は2ms未満で、2ビットスイッチの動作ヒステリシス電圧は約4Vである。圧電バルブも比例出力型に作ることができるが、上下動時に大きなヒステリシス（動作電圧の差が約2V）があるため、インテリジェントバルブポジショナーの空気圧式部品ではほとんど使用されない。 ②出力増幅型圧電バルブ　直動式圧電バルブは電気信号を空気信号に変換して制御する機能を実現しているが、バルブポジショナーでは調節バルブのアクチュエータを駆動させるために空気信号をさらに増幅する必要がある。この空気信号の増幅問題を解決するため、メーカーは出力増幅型圧電バルブを開発した。P20シリーズの圧電バルブの内部構造と動作原理は図2に示されている：http://yunrun.com.cn/upload/201810/16/201810160050443785.png 図2 直動式圧電バルブの構造および動作原理 P20は、P9直動式圧電バルブチップ、空気駆動アンプ（気室、ダイヤフラム、バルブコアで構成）、微減圧器、フィルターなどの部品で構成されている。気路構造は2ウェイ3ウェイの電磁弁に似ており、エアソースポート、吸気口（アクチュエーターに接続）、および排気口（大気に接続）がある。動作電圧は24VDC、応答時間は20ms未満、ガス供給圧力は120～800kPa、最大ガス流量は7.8Nm3/hです。図2では、左側が電源オフ時の気路状態で、右側が電源オン時の気路状態です。圧電バルブに電流が流れると、圧電素子が動作して減圧・濾過された空気源を直動式圧電バルブの出力用気孔に接続する。気圧信号が空気圧アンプのダイヤフラムに作用し、主バルブを開くことで、空気源の信号が主バルブのバルブシートを介して吸気口2に接続され、さらにアクチュエーターに送り出されてバルブを動作させる。同時に排気口は閉じられる。圧電バルブが電力を失うと、圧電素子が動作して空気の入り口を塞ぎ、同時に出力用の気孔と排気孔が接続される。空気圧アンプの気室内の空気は排気孔から放出され、空気圧アンプのダイヤフラムはメインバルブのスプリングの作用によって元の位置に戻り、メインバルブのバルブコアが閉じる。その結果、P20の吸気口と排気口が接続され、アクチュエータ内の空気が排気口から排出される。そしてバルブは空気圧がなくなったため、スプリングの作用で反対方向に動く。 出力増幅型圧電バルブは、構造的には直動式圧電バルブと空気圧信号増幅器の組み合わせに相当し、電気信号から空気圧信号への制御変換を実現すると同時に、空気圧信号の出力も増幅する。これによりスマートバルブポジショナーの設計・製造が容易になるため、出力増幅型圧電バルブはスマートバルブポジショナーの空気路制御において広く利用されている。 2、圧電バルブ付きスマートバルブポジショナー ①空気路構造として圧電バルブ構造を採用したスマートポジショナーで、その空気路構造は通常、2つのパワーアンプ型圧電バルブコンポーネント（PV1、PV2）と2つのチェックバルブ（RV1、RV2）で構成されており、図3に示す通りである。 http://yunrun.com.cn/upload/201810/16/201810160102257019.png 図3 電圧制御バルブを備えたスマートバルブポジショナーの空気回路構造 空気駆動コンポーネントには3つの空気回路論理状態がある：a、状態1：PV1が通電、PV2が通電、RV1が開放、RV2が閉鎖；位置決め装置は制御バルブの空気駆動アクチュエータの膜室に圧力信号を出力し、調節バルブのバルブステムがある方向に動くようにする。 b、状態二：PV1遮断、PV2通電、RV1停止、RV2停止；位置決め装置の空気回路は閉鎖状態にあり、空気駆動アクチュエーターへ通じる空気圧が遮断されている。位置決め装置全体および調整弁の空気回路は保持状態にあり、調整弁の開度は変わらない。 c、状態3：PV1電源オフ、PV2電源オフ、RV1停止、RV2稼働；位置決め装置の空気路は排気状態にあり、空気圧駆動アクチュエータの膜室は圧電バルブの空気路を通じて大気に接続され、アクチュエータの膜室内の空気が排出される。その結果、調節バルブのバルブステムは（状態1と比較して）反対方向に動く。スマートバルブポジショナーは、上記の3つの空気路状態を利用して調節バルブの空気路を制御し、それによって調節バルブの動作を制御する。 ②スマートバルブポジショナーの動作原理 スマートバルブポジショナーは、従来のポジショナーと比較しても制御原理は基本的に同じであり、入力信号と位置フィードバックを比較した後に出力圧力信号を調整する。しかし、アクチュエーターにおいては、スマートポジショナーと従来のポジショナーは全く異なり、つまり動作方式が違います。スマートバルブポジショナーはマイクロプロセッサを核とし、新しい電気－空気変換素子を採用しています。 シーメンスのSIPARTPS2シリーズスマート電気バルブポジショナーは、マイクロプロセッサをコアとし、従来のポジショナーにあったノズルやダンパー式の圧力調整システムの代わりに新しい圧電弁を使用することで、出力圧力を制御し、それによってバルブの位置を正確に決定するものです。SIPART PS2シリーズのポジショナーの構造は、主に圧電バルブユニット、圧電駆動回路ユニット、マイクロプロセッサーユニット、液晶表示操作パネル、バルブ位置センサー、入力回路などから構成されている。 SIPART PS2の動作原理：バルブロッド位置センサーがバルブの実際の開度信号を検出し、A/D変換によってデジタル信号に変換します。このデジタル信号は、ポジショナーの外部で設定された（入力された）デジタル信号とCPU内で比較され、両者の偏差値が計算されます。もし偏差値がポジショニング精度を超える場合、CPUは制御信号を出力して2つの圧電バルブを動作させます。外部設定信号がバルブ位置フィードバックより大きい場合、圧電バルブV1が開き、出力空気圧P1が上昇する。これによりアクチュエータの膜室内の圧力が増加し、バルブの開度が大きくなり、バルブ位置フィードバック信号と入力信号との差が縮小する；外部設定信号がバルブ位置フィードバック信号より小さい場合、圧電バルブV2が開き、排気孔から排気されることで出力空気源の圧力P1が低下する。これによりアクチュエータの膜室内の圧力が下がり、バルブの開度も減少し、両者の偏差が小さくなる。 SIPART PS2スマートポジショナーの特長：出力圧力制御にはPIDパルス幅変調（PWM）技術を採用し、迅速かつ正確です；新型圧電バルブデバイスを採用し、高精度な制御を実現；ポジショナーの消費ガス量は極めて少ない。 圧電バルブ技術を採用したスマートポジショナーは、制御精度が高く、調整速度が速く、消費ガス量が少ないといった利点があり、スマートポジショナーの今後の発展方向を示しています。時が経つにつれて技術が進歩するにつれ、圧電バルブの応用はさらに広がっていくでしょう。