浅谈电磁感应技术在隔爆型智能阀门定位器中的应用

蹇开任

（重庆川仪调节阀有限公司，重庆 400700）

0 引言

改革开放四十多年以来，国内防爆电气设备制造行业得到了迅猛发展，产品防爆技术水平更是取得了飞速的进步。防爆电气设备主要指在危险场所、易燃易爆场所使用的电气设备，主要用于冶金、电力、石油、化工和煤炭等含有易燃易爆气体或粉尘的场所。在易燃易爆环境中使用的电气设备，结构上应能防止使用中产生火花、电弧或危险温度成为安装地点爆炸性混合物的引燃源[1]。基于此，人们在实践中总结出许多有效的工业防爆技术和方法，主要包含本质安全型防爆（Ex i）、隔爆型防爆（Ex d）、正压型防爆（Ex p）、充砂型防爆（Ex q）、浇封型防爆（Ex m）、增安型防爆（Ex e）和油浸型防爆（Ex o）等。其中，隔爆型防爆型式是防爆电气设备最常采用的一种防爆技术，分3种保护等级：“da”（EPL“Ma”或“Ga”）的防护形式，只是适用于便携式可燃气体监测器的催化式传感器，用于0区防爆；“db”（EPL“Mb”或“Gb”）的防护形式，是传统意义上的隔爆防护，用于1区防爆；“dc”（EPL“Mc”或“Gc”）的防护形式，适用于带有电子开关接触器的电气设备和部件，用于2区防爆。

图1 隔爆型电气设备防爆原理示意图Fig.1 Schematic diagram of flameproof electrical equipment

隔爆型防爆的原理是利用带有一定强度的隔爆外壳（铝合金或不锈钢等）将设备内部空间与周围的环境隔开，将可能产生火花、电弧和危险温度的零部件放入隔爆外壳内[2]，其防爆原理示意图如图1所示。隔爆外壳的防爆接合面通常采用平面、圆筒、螺纹和胶粘等方式，每种方式在不同防爆等级下均有不同的要求，目的均是在隔爆外壳内部发生爆炸时，外壳可以承受产生的爆炸压力而不损坏，同时防爆接合面又可以冷却火焰，降低火焰的传播速度，使火焰或危险的火焰生成物不能穿越隔爆接合面而点燃外部爆炸性环境，从而达到隔爆目的。

隔爆型防爆等防爆技术的运用，使智能阀门定位器被广泛应用于石油、化工、冶金等领域危险场所的自动控制系统中，是阀门智能控制不可或缺的关键组成部分。

1 隔爆型智能阀门定位器的工作原理及过程

隔爆型智能阀门定位器（以HVP30智能阀门定位器为例）通常采用铝合金或不锈钢外壳，圆筒接合面、螺纹接合面和胶粘接合面等多种密封形式相结合，以适应不同零部件的特殊性能要求。定位器控制分为自动模式和手动模式，自动模式是通过DCS系统、上位机等输出的控制信号进行远程控制，手动模式是通过磁按键现场输出控制信号，自动模式和手动模式均是通过将控制信号和从执行机构采集的反馈信号在CPU中做对比，然后根据两者的偏差值（有正负之分）输出电信号驱动I/P转换单元，接着由I/P转换单元输出对应电信号的气压信号，由气压信号控制阀门到达指定位置，达到控制的效果；HVP30智能阀门定位器的工作流程如图2所示。

HVP30智能阀门定位器的工作过程如下：

1）HVP30智能阀门定位器的整个控制回路采用两线制（即电源、4mA～20mA模拟信号、双向数字通讯信号同在两根线上传输），当DCS给出的4mA～20mA信号传给CPU，与阀位传感器从执行机构采集的反馈信号的反馈值进行比较，CPU根据偏差的大小和方向进行控制计算。

2）CUP根据计算结果，向I/P单元中的压电阀发出控制指令使其进行开、闭动作。压电阀依据控制CPU给出的不同长度的脉冲，输出相应的压力增量；同时，阀位传感器又从执行机构采集最近的反馈信号，再次与CPU的运算结果进行比较运算；多次重复此步骤，直到系统控制指令和采集阀位差值（取绝对值）在产品允许范围内（死区值）时结束。

图2 定位器工作流程示意图Fig.2 Schematic diagram of working flow of valve positioner

3）通过多次控制输出信号到执行机构，通过执行机构腔内压力的变化控制阀门的行程[4]，具体如下：

◇ 当控制偏差很大时，控制电路对压电阀输出宽幅脉冲信号，大幅度地改变执行机构的信号压力，驱动阀门快速移向目标阀位值。

◇ 随着阀位接近要求的位置，目标位置与采集反馈位置的差值变小，控制电路对压电阀输出一个小脉宽的脉冲信号，断续、小幅度地改变执行机构的信号压力，使执行机构平缓地接近目标位置。

◇ 当阀门到达目标位置时（死区范围），控制电路对压电阀无脉冲信号输出，定位器输出保持为零，使阀门稳定在目标位置。

HVP30智能阀门定位器的主要功能特点：

◇ 快速安装和初始化。

◇ 防雷击保护功能。

◇ 免开盖按键操作。

◇ 可动零件少，抗振性能好，防护能力强，能适应恶劣的使用环境。

◇ 具有HART通信和电流反馈功能。

◇ 自诊断功能：自动诊断信号超量程、输入信号中断、阀位信号中断等功能。

◇ 组态功能：输出行程特性、动作方式、死区、行程范围、报警限设定。

◇ 行程运行范围分布统计功能。

◇ 环境温度分布统计及极限温度显示、报警功能。

2 基于电磁感应技术的磁按键结构及控制原理

图3 磁按键结构示意图Fig.3 Schematic diagram of electromagnetic induction of magnetic key

防爆型阀门定位器使用场合为可能发生爆炸的环境（如：可燃性气体、粉尘环境，炼油、石化等行业），产品不允许在带电状态下打开隔爆接合面进行调试，需要在安全区域调试完成后转移到非安全区的工作环境中，给现场调试带来了很大的困扰，而采用电磁感应的方式则可以实现不影响防爆接合面的情况下在危险场合对阀门定位器进行调试，其具体结构如图3所示。

该部件主要由一个磁按键和带有干簧管和电路板构成，磁按键和干簧管分别位于隔爆外壳的外侧和内侧。磁按键上面是一块圆柱体形的永磁合金，干簧管（Reed Switch）也称舌簧管或磁簧开关，是一种磁敏的特殊开关，具有体积小、响应速度快、稳定性高等特点。当磁按键靠近干簧管时，簧片的触点部分就会被磁力吸引，当吸引力大于簧片的弹力（吸合值PI）时，常开接点就会吸合，形成通路；当磁按键松开，磁力减小到一定程度（小于断开值DO）时，接点被簧片的弹力打开，形成断路；通过磁按键触发或断开干簧管的触点，起到控制后端电路的作用。

磁按键的电磁感应原理如图4所示。

图4中开关打开与闭合范围是表示为x轴和y轴。这些范围代表磁按键在干簧管附近沿着Y轴运动的物理位置，打开点与关闭点都与磁铁沿着Y轴的运动有关，磁铁垂直于开关平面，在x,y轴展示了相应的开合点和维持点。磁铁的平移沿着Y轴进行，但与x轴的距离是变化的，展示了沿x轴不同距离的闭合点的变化，通过限制磁按键的移动范围，使感应产生1个闭合点和打开点[5]。而图中的保持范围说明了干簧管的磁滞现象，这种现象会因为开关种类的不同而存在相当大的差异。因此，设计合适的控制距离范围和选择合适参数的干簧管是控制阀门定位器性能的关键。

3 结束语

图4 磁按键电磁感应示意图Fig.4 Schematic diagram of electromagnetic induction of magnetic key

隔爆型智能阀门定位器在可能发生爆炸的环境中是不允许打开盖操作，传统操作模式为在安全区域将产品调试完成后，再转移到工作环境中，或者直接选择带通讯模块的产品型号进行上位操作，这样做不仅增加了工作量，还提高了设备成本，将电磁感应技术应用在隔爆型智能阀门定位器中，使产品具有在危险环境中进行调试和故障检测的能力，不仅提高了生产效率，还大大减少了企业的安装维修成本。