精密微型比例阀的设计与应用

鲍 春

(上海仪电分析仪器有限公司，上海 201199)

仪器研制与改进

精密微型比例阀的设计与应用

鲍 春

(上海仪电分析仪器有限公司，上海 201199)

介绍了自行研制的常闭型微型比例阀，概述了比例阀的工作原理，详细介绍了其材料选用，结构设计、性能测试和应用方案。其特点是体积小，低功耗，精度高。为了满足高频精密控制，定铁芯和动铁芯材料选用上采用电磁纯铁DT4E；结构设计可以根据使用压力和流量不同，选用不同流通能力Kv值和流通孔径；同时动铁芯采用嵌套式弹性机构，配合电路PWM(Pulse Width Modulation)脉宽调制闭环控制，可以实现精密电子流量/压力控制EPC(Electronic Pneumatic/Pressure Control)，流量精度达0.001mL/min，压力精度达0.001psi。

微型比例阀 动铁芯 定铁芯 流通能力 流通孔径

1 引言

阀门是管路流体输送系统中控制部件，用来改变通路断面和介质流动方向，具有导流、截止、节流、止回、分流或溢流卸压等功能。从结构形式有最简单的截止阀到极为复杂的自控系统中所用的各种阀门，其品种和规格繁多。公称通径有从极微小的仪表阀∅0.1mm大至通径达10m的工业管路用阀，工作压力可以从0.0013MPa到1000MPa 的超高压，工作温度可以-270℃的超低温到1430℃的高温。

阀门按照对载体的控制方式分为两种，一种是开关控制，即ON/OFF, 要么全开、要么全关，流量要么有、要么无，没有中间状态，如普通的电磁开关阀、电磁换向阀、电液换向阀。另一种是连续控制，阀口可以根据需要打开任意一个开度，由此控制通过流量的大小，这类阀有手动控制的，如节流阀；也有电控的，如比例阀、伺服阀。

国内研发和生产阀的厂家很多，但大多是小规模、低层次阀门的企业，产品也以中低端为主，目前用于分析仪器、医疗设备和生命科学仪器等领域精密微型比例阀全以进口为主，其主要生产厂家有美国的Parker公司和日本的KOFLOC公司，国内的部分厂家也一直在研究，至今市面上还没有成熟产品可见；此种微型比例阀用于气体压力和流量控制，特别是在流量小于1L/min,压力小于0.7MPa的流量或压力控制，具有显著优势，其特点体积小，低功耗，控制精度高，配合流量传感器或压力传感器，结合电路PWM(Pulse Width Modulation)脉宽调制控制，可以实现精密电子流量/压力控制(EPC：Electronic Pneumatic/Pressure Control)控制，流量精度达0.001mL/min，压力精度达0.001psi。

本项目研制的微型比例阀采用VSO(Voltage Sensitive Orifice),即电压敏感性通径技术，可以根据输入电流的大小，精确的控制气体流量比例，可采用直流电流驱动或脉宽调制驱动，并使用闭环反馈控制，以获得优化的系统性能。广泛应用于分析仪器，航空航天，医疗设备等领域中气体流量和压力控制，与国外同类产品相比，精度和使用寿命在同一水平线上，其市场和存在意义但是具有高性价比，打破了国外垄断，进一步拉低了国外同类产品的价格。

2 工作原理

为了实现精密控制，微型比例电磁阀相对开关电磁阀的作了一些改动：首先结构上动铁芯采用嵌套式弹性机构，即铁芯内部采用压簧单向阻风阀芯，外部采用异形碟簧结构，内外嵌套，从而消除气体流量带来的波动。其次控制上采用直流电流或PWM(Pulse Width Modulation)脉宽调制驱动，并使用闭环反馈控制。

微型比例阀工作原理是基于开关电磁阀的基础：断电时，异形碟簧将动铁心直接压在阀座上，由动铁芯内部压簧单向阻风阀芯使阀门关闭。线圈通电时，所产生电磁力克服弹簧力和气体的压力将动铁心组提起，从而打开阀门。在线圈电流下，使电磁力与弹簧力和气体压力之间产生平衡，线圈电流的大小或电磁力的大小将影响动铁芯的行程和阀门开度，而阀门开度与线圈电流(控制信号)之间为理想的线性关系。又因为微型比例电磁阀的流向为阀座上，介质从阀座上方流入，其作用力的方向与电磁力相同，而与弹簧力相反。因此，需要设置工作状态下对应于工作范围(线圈电流)的最大和最小流量值，比例电磁阀在断电时都是关闭的(NC，常闭型)。

3 微型比例阀硬件设计

微型比例电磁阀主要由底座、动铁芯组、定铁芯组、电磁线圈和连接附件组成。整体结构装配如1所示。

图1 整体装配结构示意图1.阀座；2.密封圈；3.固定帽 4. 精密压簧；5. 动铁芯；6. 定铁芯；7.线圈衬套；8. 线圈；9. 垫片；10 .固定螺母；11 .外罩 12. 线圈骨架；13. 线圈座；14. 导柱；15. 异形碟簧； 16. 阀芯；17 .过滤网；18. 压圈

3.1 阀座设计

阀座是气体流入流出的基体，其加工精度直接影响到阀的精度，特别是是流通孔径的设计，直接关系到流通能力Kv值的大小和控制精度。本设计中的微型比例阀主要应用于分析仪器、医疗设备和生命科学仪器等领域气体压力和流量控制，其特点体积小，低功耗，精度高；应用条件范围在流量小于1L/min,压力小于0.7MPa的流量或压力控制，输入压力P1大于2倍输出压力P2。

流通能力Kv计算公式：

Qg：标准状态下气体流量，m3/h；

P1：输入压力，KPa；

G：气体比重；

t：气体温度，℃；

以空气为载体，标况20℃下，设计在不同流通孔径对应的流通能力下压力与流量的关系如图2所示。

图2 压力/流量关系图

3.2 动铁芯组设计

图3 异形碟簧 放大图

在电气特性稳定的情况下，微型比例阀的控制精度直接取决于动铁芯组，是比例阀的核心部件。传统的动铁芯组一般采用动铁芯外套压簧实现，这种结构在开关电磁阀或精度要求不要的阀中应用问题不大，但是要实现高精密控制，例如：流量精度达0.001mL/min，压力精度达0.001psi，是不可能的。必须要采用嵌套式弹性机构，即动铁芯内部采用压簧单向阻风阀芯，并通过固定帽固定，外部采用异形碟簧结构(见图3异形碟簧放大图)，内外嵌套，并在动铁芯内部增加平衡气孔，同时在动铁芯材料选择上，必须考虑使用频率范围、磁导率(起始磁导率、振幅磁导率、增量磁导率)、饱和磁感应强度、剩余磁感应强度、温度系数、材料损耗、电阻率、磁滞伸缩系数、居里温度、使用温度范围等影响因素，才能确保实现高频、精密流量或压力控制。本设计中动铁芯选用材料为：DT4E。见图4动铁芯装配结构示意图。

图4 动铁芯装配结构示意图1.固定帽； 2.阀芯；3.异形碟簧； 4.精密压簧；5. 动铁芯

3.3 定铁芯组设计

当线圈通电时，定铁芯组产生的磁极性与动铁芯组产生的磁极性为异性，从而产生电磁吸力，实现阀的控制，是电磁阀的关键部件。为了实现结构紧凑，微型化设计，此定铁芯组由定铁芯与导柱通过焊接组成，同样定铁芯材料选择上，也必须考虑使用频率范围、磁导率(起始磁导率、振幅磁导率、增量磁导率)、饱和磁感应强度、剩余磁感应强度、温度系数、材料损耗、电阻率、磁滞伸缩系数、居里温度、使用温度范围等影响因素，才能确保实现高频、精密流量或压力控制。本设计中动铁芯选用材料为：DT4E。见图5定铁芯装配结构示意图。

图5 定铁芯装配结构示意图1.导柱； 2 .定铁芯

3.4 电磁线圈和连接附件设计

电磁线圈部件由漆包圆铜线环绕在线圈骨架上，将漆包圆铜线两端通过引线引出，外层通过绝缘层绝缘，再由线圈座，外罩，垫片和固定螺母将其固定。为了增加定铁芯的电磁吸力和提高阀的控制精度，特在线圈骨架靠近动铁芯端内嵌套线圈衬套，为了确保实现高频、精密流量或压力控制，在选材上，也的综合考虑。本设计线圈衬套选用材料为：DT4E。

4 GC128 EPC 中微型比例阀的应用

精密微型比例阀应用范围很广，典型应用有气相色谱分析、质谱分析、呼吸机、压力及流量控制等方面。电路采用PWM(Pulse Width Modulation)0～24VDC ，信号频率在5～12kHz之间脉宽调制闭环控制，其原理见图6。

图6 电路控制原理图

本设计选用参数：流量能力Kv值为0.027，流通孔径为：∅0.2mm 。安装于公司的GC128 EPC气相色谱仪中，配合流量传感器或压力传感器，结合PID(Proportion Integration Differentiation)算法,从而实现精密电子流量/压力控制(EPC：Electronic Pneumatic/Pressure Control)控制，见图7EPC分流控制原理图、图8 EPC总流量控制原理图和图9 实物图。图10为一路测试界面。

图7 EPC分流控制原理图

图8 EPC总流量控制原理图

图9 实物图

图10 测试界面

表1为本设计研发的微型比例阀与美国Parker公司的VSO微型比例阀，应用于GC128 EPC中的精度测试对比数据。

表1 本阀与VSO微型比例阀在GC128 EPC中测试比对

5 结语

本文所述的微型比例阀设具有体积小、低功耗、低噪声等优点，且使用精度和可靠性已经达到国外公司同类产品水平，完全可以应用于气相色谱分析、质谱分析、呼吸机、压力及流量控制等方面；由于零部件为国内加工制造，未来就能以高性价比、快速服务响应吸引用户，迅速占领市场，具有广泛应用前景，同时可以带动国内精密微型比例阀整体技术水平。

[1]GB/T 2624-81《流量测量节流装置的设计安装和使用》.

[2]美国派克汉尼汾公司(Parker)VSO微型比例阀产品说明书.

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

国家重大科学仪器设备开发专项，课题编号：2016YFF0101105。

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

2017-03-18

鲍春,男,1982年出生,工程师,主要从事于分析仪器研究及成果转化,E-mail:xinhen5212003@126.com。