精密微型比例閥的設計與應用

鮑 春

(上海儀電分析儀器有限公司，上海 201199)

儀器研制與改進

精密微型比例閥的設計與應用

鮑 春

(上海儀電分析儀器有限公司，上海 201199)

介紹了自行研制的常閉型微型比例閥，概述了比例閥的工作原理，詳細介紹了其材料選用，結構設計、性能測試和應用方案。其特點是體積小，低功耗，精度高。為了滿足高頻精密控制，定鐵芯和動鐵芯材料選用上采用電磁純鐵DT4E；結構設計可以根據使用壓力和流量不同，選用不同流通能力Kv值和流通孔徑；同時動鐵芯采用嵌套式彈性機構，配合電路PWM(Pulse Width Modulation)脈寬調制閉環控制，可以實現精密電子流量/壓力控制EPC(Electronic Pneumatic/Pressure Control)，流量精度達0.001mL/min，壓力精度達0.001psi。

微型比例閥 動鐵芯 定鐵芯 流通能力 流通孔徑

1 引言

閥門是管路流體輸送系統中控制部件，用來改變通路斷面和介質流動方向，具有導流、截止、節流、止回、分流或溢流卸壓等功能。從結構形式有最簡單的截止閥到極為復雜的自控系統中所用的各種閥門，其品種和規格繁多。公稱通徑有從極微小的儀表閥?0.1mm大至通徑達10m的工業管路用閥，工作壓力可以從0.0013MPa到1000MPa 的超高壓，工作溫度可以-270℃的超低溫到1430℃的高溫。

閥門按照對載體的控制方式分為兩種，一種是開關控制，即ON/OFF, 要么全開、要么全關，流量要么有、要么無，沒有中間狀態，如普通的電磁開關閥、電磁換向閥、電液換向閥。另一種是連續控制，閥口可以根據需要打開任意一個開度，由此控制通過流量的大小，這類閥有手動控制的，如節流閥；也有電控的，如比例閥、伺服閥。

國內研發和生產閥的廠家很多，但大多是小規模、低層次閥門的企業，產品也以中低端為主，目前用于分析儀器、醫療設備和生命科學儀器等領域精密微型比例閥全以進口為主，其主要生產廠家有美國的Parker公司和日本的KOFLOC公司，國內的部分廠家也一直在研究，至今市面上還沒有成熟產品可見；此種微型比例閥用于氣體壓力和流量控制，特別是在流量小于1L/min,壓力小于0.7MPa的流量或壓力控制，具有顯著優勢，其特點體積小，低功耗，控制精度高，配合流量傳感器或壓力傳感器，結合電路PWM(Pulse Width Modulation)脈寬調制控制，可以實現精密電子流量/壓力控制(EPC：Electronic Pneumatic/Pressure Control)控制，流量精度達0.001mL/min，壓力精度達0.001psi。

本項目研制的微型比例閥采用VSO(Voltage Sensitive Orifice),即電壓敏感性通徑技術，可以根據輸入電流的大小，精確的控制氣體流量比例，可采用直流電流驅動或脈寬調制驅動，并使用閉環反饋控制，以獲得優化的系統性能。廣泛應用于分析儀器，航空航天，醫療設備等領域中氣體流量和壓力控制，與國外同類產品相比，精度和使用壽命在同一水平線上，其市場和存在意義但是具有高性價比，打破了國外壟斷，進一步拉低了國外同類產品的價格。

2 工作原理

為了實現精密控制，微型比例電磁閥相對開關電磁閥的作了一些改動：首先結構上動鐵芯采用嵌套式彈性機構，即鐵芯內部采用壓簧單向阻風閥芯，外部采用異形碟簧結構，內外嵌套，從而消除氣體流量帶來的波動。其次控制上采用直流電流或PWM(Pulse Width Modulation)脈寬調制驅動，并使用閉環反饋控制。

微型比例閥工作原理是基于開關電磁閥的基礎：斷電時，異形碟簧將動鐵心直接壓在閥座上，由動鐵芯內部壓簧單向阻風閥芯使閥門關閉。線圈通電時，所產生電磁力克服彈簧力和氣體的壓力將動鐵心組提起，從而打開閥門。在線圈電流下，使電磁力與彈簧力和氣體壓力之間產生平衡，線圈電流的大小或電磁力的大小將影響動鐵芯的行程和閥門開度，而閥門開度與線圈電流(控制信號)之間為理想的線性關系。又因為微型比例電磁閥的流向為閥座上，介質從閥座上方流入，其作用力的方向與電磁力相同，而與彈簧力相反。因此，需要設置工作狀態下對應于工作范圍(線圈電流)的最大和最小流量值，比例電磁閥在斷電時都是關閉的(NC，常閉型)。

3 微型比例閥硬件設計

微型比例電磁閥主要由底座、動鐵芯組、定鐵芯組、電磁線圈和連接附件組成。整體結構裝配如1所示。

圖1 整體裝配結構示意圖1.閥座；2.密封圈；3.固定帽 4. 精密壓簧；5. 動鐵芯；6. 定鐵芯；7.線圈襯套；8. 線圈；9. 墊片；10 .固定螺母；11 .外罩 12. 線圈骨架；13. 線圈座；14. 導柱；15. 異形碟簧； 16. 閥芯；17 .過濾網；18. 壓圈

3.1 閥座設計

閥座是氣體流入流出的基體，其加工精度直接影響到閥的精度，特別是是流通孔徑的設計，直接關系到流通能力Kv值的大小和控制精度。本設計中的微型比例閥主要應用于分析儀器、醫療設備和生命科學儀器等領域氣體壓力和流量控制，其特點體積小，低功耗，精度高；應用條件范圍在流量小于1L/min,壓力小于0.7MPa的流量或壓力控制，輸入壓力P1大于2倍輸出壓力P2。

流通能力Kv計算公式：

Qg：標準狀態下氣體流量，m3/h；

P1：輸入壓力，KPa；

G：氣體比重；

t：氣體溫度，℃；

以空氣為載體，標況20℃下，設計在不同流通孔徑對應的流通能力下壓力與流量的關系如圖2所示。

圖2 壓力/流量關系圖

3.2 動鐵芯組設計

圖3 異形碟簧 放大圖

在電氣特性穩定的情況下，微型比例閥的控制精度直接取決于動鐵芯組，是比例閥的核心部件。傳統的動鐵芯組一般采用動鐵芯外套壓簧實現，這種結構在開關電磁閥或精度要求不要的閥中應用問題不大，但是要實現高精密控制，例如：流量精度達0.001mL/min，壓力精度達0.001psi，是不可能的。必須要采用嵌套式彈性機構，即動鐵芯內部采用壓簧單向阻風閥芯，并通過固定帽固定，外部采用異形碟簧結構(見圖3異形碟簧放大圖)，內外嵌套，并在動鐵芯內部增加平衡氣孔，同時在動鐵芯材料選擇上，必須考慮使用頻率范圍、磁導率(起始磁導率、振幅磁導率、增量磁導率)、飽和磁感應強度、剩余磁感應強度、溫度系數、材料損耗、電阻率、磁滯伸縮系數、居里溫度、使用溫度范圍等影響因素，才能確保實現高頻、精密流量或壓力控制。本設計中動鐵芯選用材料為：DT4E。見圖4動鐵芯裝配結構示意圖。

圖4 動鐵芯裝配結構示意圖1.固定帽； 2.閥芯；3.異形碟簧； 4.精密壓簧；5. 動鐵芯

3.3 定鐵芯組設計

當線圈通電時，定鐵芯組產生的磁極性與動鐵芯組產生的磁極性為異性，從而產生電磁吸力，實現閥的控制，是電磁閥的關鍵部件。為了實現結構緊湊，微型化設計，此定鐵芯組由定鐵芯與導柱通過焊接組成，同樣定鐵芯材料選擇上，也必須考慮使用頻率范圍、磁導率(起始磁導率、振幅磁導率、增量磁導率)、飽和磁感應強度、剩余磁感應強度、溫度系數、材料損耗、電阻率、磁滯伸縮系數、居里溫度、使用溫度范圍等影響因素，才能確保實現高頻、精密流量或壓力控制。本設計中動鐵芯選用材料為：DT4E。見圖5定鐵芯裝配結構示意圖。

圖5 定鐵芯裝配結構示意圖1.導柱； 2 .定鐵芯

3.4 電磁線圈和連接附件設計

電磁線圈部件由漆包圓銅線環繞在線圈骨架上，將漆包圓銅線兩端通過引線引出，外層通過絕緣層絕緣，再由線圈座，外罩，墊片和固定螺母將其固定。為了增加定鐵芯的電磁吸力和提高閥的控制精度，特在線圈骨架靠近動鐵芯端內嵌套線圈襯套，為了確保實現高頻、精密流量或壓力控制，在選材上，也的綜合考慮。本設計線圈襯套選用材料為：DT4E。

4 GC128 EPC 中微型比例閥的應用

精密微型比例閥應用范圍很廣，典型應用有氣相色譜分析、質譜分析、呼吸機、壓力及流量控制等方面。電路采用PWM(Pulse Width Modulation)0～24VDC ，信號頻率在5～12kHz之間脈寬調制閉環控制，其原理見圖6。

圖6 電路控制原理圖

本設計選用參數：流量能力Kv值為0.027，流通孔徑為：?0.2mm 。安裝于公司的GC128 EPC氣相色譜儀中，配合流量傳感器或壓力傳感器，結合PID(Proportion Integration Differentiation)算法,從而實現精密電子流量/壓力控制(EPC：Electronic Pneumatic/Pressure Control)控制，見圖7EPC分流控制原理圖、圖8 EPC總流量控制原理圖和圖9 實物圖。圖10為一路測試界面。

圖7 EPC分流控制原理圖

圖8 EPC總流量控制原理圖

圖9 實物圖

圖10 測試界面

表1為本設計研發的微型比例閥與美國Parker公司的VSO微型比例閥，應用于GC128 EPC中的精度測試對比數據。

表1 本閥與VSO微型比例閥在GC128 EPC中測試比對

5 結語

本文所述的微型比例閥設具有體積小、低功耗、低噪聲等優點，且使用精度和可靠性已經達到國外公司同類產品水平，完全可以應用于氣相色譜分析、質譜分析、呼吸機、壓力及流量控制等方面；由于零部件為國內加工制造，未來就能以高性價比、快速服務響應吸引用戶，迅速占領市場，具有廣泛應用前景，同時可以帶動國內精密微型比例閥整體技術水平。

[1]GB/T 2624-81《流量測量節流裝置的設計安裝和使用》.

[2]美國派克漢尼汾公司(Parker)VSO微型比例閥產品說明書.

Design and application of a precision miniature proportional valve.

Bao Chun

( Shanghai Inesa Analytical Instrumwent Co., Ltd., Shanghai 201199,China)

This paper introduces the working principle, material selection, structure design, performance test and application scheme of the proportional valve. In order to meet the high precision control, the fixed iron core and the moving iron core are made of magnetic iron DT4E. Different flow capacities and flow apertures can be selected. The precision electronic pneumatic / pressure control can be realized by a nested elastic mechanism in the moving iron core with circuit pulse width modulation closed-loop control. The flow accuracy is up to 0.001ml/min and the pressure can reache 0.001psi.

miniature proportional valve; moving iron core; fixed iron core; flow capacity; flow aperture

國家重大科學儀器設備開發專項，課題編號：2016YFF0101105。

10.3969/j.issn.1001-232x.2017.04.003

2017-03-18

鮑春,男,1982年出生,工程師,主要從事于分析儀器研究及成果轉化,E-mail:xinhen5212003@126.com。