风门挡板型电-气阀门定位器的智能化设计

　　1 概述

　　随着工业仪表技术的发展，智能化仪表得到了越来越多的应用。智能化电-气阀门定位器就是其中的一种。

　　本文介绍一种由 4-20mA电流控制的风门档板形智能阀门定位器的设计，此定位器控制精度为 1%。

　　风门挡板型电-气阀门定位器是根据力矩平衡原理，通过一定电流控制线圈经永久磁钢作用后产生一个力矩，调整风门挡板与产生备压的出气喷嘴间的距离，使之与反向作用的弹片产生力矩平衡。挡板的偏移经气动放大器转换为压力信号引入到气动执行机构以控制阀门开度。经计算可知，流经线圈的电流与进入阀内气室的气压成正比，即与阀位成线性关系。

　　普通的电-气阀门定位器，是基于控制线圈电流与阀位成线性关系的原理通过 0-20mA 或 4-20mA 电流利用机械反馈控制阀位的。而智能电-气阀门定位器是将接收到的 4-20mA 信号经一定的电路通过微处理器转变为控制信号并控制阀门开度。

　　与普通的电-气阀门定位器比较，智能阀门定位器控制精度高，还可通过显示屏及按键直观显示阀位信息，方便地进行阀门控制参数的修改，更具有故障诊断和监测及易于功能扩展等诸多优点，安装调试也非常简便。

　　2 硬件设计概述

　　2.1 硬件框图(见图 1)

　　智能电气阀门定位器CPU部分采用 430 系列单片机 MSP430F149。它是美国德州仪器公司生产的 16 位单片机，其内置 8 路 12 位 AD 等模块，并有 60kFlash存贮器，掉电数据不丢失，非常适合工业仪器仪表的设计。

　　由于整个仪器要在 4mA 状态才能工作，所以 430系列单片机特有的低功耗特性可满足此要求。整个电路由 CPU 控制部分、4-20mA电流检测及电源电路、线圈控制电路、位置反馈、按键及显示等部分组成。

　　2.2 电流采集及电源部分电路(见图 2)

　　4-20mA 电流不仅作为阀门开度的定位控制信号，而且还为整个电路提供电源，因此 4-20mA 电流检测及供电电路是本硬件电路设计的关键之一。具体电路分析如下：

　　测量取样电阻 R1两端电压并分别等比例分压，可得两分压电压 V1、V0，两运放组成一个减法电路，其输出电压正比于电阻 R1两端电压，如果忽略通过电阻R2、R3的电流，即 Ia≈Ib，此电压差也正比于输入电流Ia。图中 Z1为 5V/1W 稳压管，Vb=5V。

　　当 Ia输入电流为最大值 20mA 时，可得忽略通过R2、R3电流产生最大线性误差：

　　流经 R2、R3电流为：

　　对应最大电流差 (20mA-4mA=16mA) 误差为：

　　实际应用时对 4mA、8mA、12mA、16mA、20mA做 5 点标定，可大大降低其线性误差。