摘要：科技的进步，促进工程建设事业得到快速发展。现在的阀门大多为智能一体化设计，通过电路系统对阀门进行自动化控制。电路系统实现对阀门开度的控制、反馈与调节，并做到精确无误定位，其重点在于阀门位置的精确反馈。为了使电动执行器在运行过程中对阀门的行程位置进行实时检测并反馈，以确保阀门的开度在指定的位置，位置传感器就变得十分重要。本文就电动执行器的行程位置检测展开探讨。
关键词：电动执行器；位置传感器；霍尔传感器
引言
电动执行器是以电动机为动力装置的位置式执行机构，是自动化控制系统的重要组成部分，通过调节介质流量实现工艺过程参数的控制，影响控制系统的安全平稳运行和品质的优劣。电动执行器安装在生产现场，使用环境中的高压差、腐蚀性及振动容易导致执行部件的损耗，引发安全生产事故等，对电动执行器的控制系统的稳定性意义重大。
1电动执行器的原理
电动执行器是一种智能型电子式变频电动调节阀，也是一种新型的执行机构，对执行器的要求能够自动调节。在调节过程中，变频电动调节阀的阀芯的运行速度在阀位反馈信号和输入信号偏差较大时，阀芯的运行速度是不断变化的，且比普通的电动执行器要快。反之，反馈信号和输入信号之间的偏差较小时，阀芯运行速度减低，电机速度变慢，到最后阀电机速度会越来越慢，并逐渐接近平衡点。而阀门在打开或关闭状态会逐渐被调节，且可以进行微调功能，这有助于提高阀门的控制精度。在变速的调节过程中，动态振荡与过调量都会逐渐减小。在电动调节阀的稳定度和灵敏度之间的矛盾都会因为此电动执行器的智能型设计而得到解决。另外，由于电动执行器的传感元件的特性（高精度、导电塑料电位器）及限位装置，阀电机的寿命会大大延长，同时也提高了电动执行器的可靠性和安全性，减少在调节阀在关闭或开关出现的故障损坏，比如阀杆被顶弯的之类的现象。在变频调速状态的电动执行器伺服电动机工作中，可以改变电动执行器运行速度等相关工艺需求。变频器的软起动方式，通过电流表可以看出，伺服电动机的电流会降低6倍，使得机械减速器本身的机械结构与电网减少了冲击，达到每小时1000次以上的带载启动。通过电制动方式产生能耗制动，省掉机械制动装置。
2电动执行器的行程位置检测
（1）绝对编码器检测。为了克服脉冲编码器固有的问题，保证在执行器断电之后的阀门位置信息检测无需电池支持，做到这点则需要一套完整的绝对位置编码器。绝对位置编码器通常有光电式、电磁式或两者结合的形式。光电式绝对位置编码器是采用定位精度更高的光栅码盘信号，码盘上精确地印制上二进制编码，码盘上各圈圆环分别代表一位二进制的数字码道，在同一个码道上印制黑白等间隔图案，形成一套编码。图1是光电式绝对编码器的原理示意图，黑色不透光区和白色透光区分别代表二进制的“0”和“1”。在一个四位光电码盘上，有四圈数字码道，每一个码道表示二进制的一位，里侧是高位，外侧是低位，在360°范围内可编数码数为16个。工作时，码盘的一侧放置电源，另一边放置光电接收装置，每个码道都对应有一个光电管及放大、整形电路。码盘转到不同位置，光电元件接收光信号，并转成相应的电信号，经放大整形后，成为相应数码电信号。为了克服非单值性误差，实际使用中采用循环码，习惯上又称格雷码。绝对编码器光码盘上有许多道光通道刻线，每道刻线依次以2线、4线、8线、16线…编排，这样，在编码器的每一个位置，通过读取每道刻线的通、暗，获得一组从2的零次方到2的n－1次方的唯一的二进制编码(格雷码)，这就称为n位绝对编码器。这样的编码器是由光电码盘的机械位置决定的，它不受停电、干扰的影响。绝对编码器由机械位置决定的每个位置是唯一的，它无需记忆，无需找参考点，而且不用一直计数，什么时候需要知道位置，什么时候就去读取它的位置。这样，编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大提高了。
图1光电式绝对编码器原理图
（2）电位器检测。早期的执行器均采用电位器来检测行程位置，电位器有三个外接电气端子，两个固定端、一个变化端，变化端与电位器内部的滑动端子的电气点相连，滑动端子的机械轴与执行器的阀位轴相连，当执行器的阀位变化时，带动滑动端子在两个固定端的内部点之间滑动，电位器的输出电压随之发生改变，从而实时反映了执行器的阀位变化。由于存在滑动端子，故易磨损、寿命短，且有固定死区，不能任意安装，难以实现免开盖调试;另外，单圈电位器与变比齿轮结合应用于多回转电动执行器时导致回差大。
3电动执行器故障诊断方法探究
3.1基于知识的故障诊断方法
基于知识的故障诊断方法通过专家知识、因果模型、故障症状举例、系统的详细描述来获得具体的诊断模型。故障诊断专家系统是专家系统的分支，是人们利用计算机技术将专家知识理论、故障信息知识、实际经验等信息知识融合，开发的智能计算机程序系统，可以根据执行器故障的描述及检测数据进行故障的诊断，常见的基于知识的诊断方法包括模糊推理法、人工神经网络法、模式识别方法等。
3.2基于数据驱动的故障诊断方法
这一诊断方法主要是直接对过程数据过程监控，对数据进行采集然后在多元的统计方法下对数据进行小波分析以及频谱分析，从中找到有深度的数据进行挖掘。这一诊断技术靠从高维数据驱动技术向低维数据转化中来获得信息优势，需要工程师能够对操作员的过程在智能系统计算下加以统计，通过多元投影方法来实现质量数据以及过程数据从高维数据空间到低维特征空间的投影。
3.3基于解析模型的故障诊断方法
基于解析模型的故障分析是通过比较被诊断对象的可测信息和由模型表达的系统先验信息得到残差，并对残差进行分析和处理实现对故障诊断的技术。根据残差的产生形式分为参数估计方法、等价空间方法和状态估计方法。参数估计方法是根据模型参数及相应的物理参数变化来分离和检测故障。电动执行器运行过程中发生故障时，参数估计故障诊断法将故障看做过程系数的变化，并导致模型参数的变化，应用合适的计算方式找出模型参数与物理参数的对应关系，且被控过程需充分激励，实现故障的检测和分离性能。等价空间方法是利用系统的输入输出的实际测量值对过程数学关系的等价性进行检验，实现故障的检测和分离，数学关系可以表示过程的输入输出间的动态关系的瞬间冗余或传感器输出之间的静态代数关系的直接冗余。状态估计方法是利用系统的可测信息和解析模型，实现被控对象的状态显示，并反应系统的运行状态，通过对系统状态的估计和适当模型的结合实现故障的诊断，选择检测滤波器，对系统中可测变量进行重建，分析处理滤波器的输出与正式系统的输出残差，从残差序列的判断中检测故障。
结语
电动执行器运行过程中需要对阀门的行程位置进行实时检测，以确保阀门的开度在指定的位置，从而实现整个流体工程系统的正常运转。所以，电动执行器中的位置传感器(也叫阀位检测装置)就显得十分重要。执行机构根据其应用环境、使用频次、精度等要求选择合适的位置检测方式。对于精度要求和频次要求低的产品可选择电位器进行检测;对于精度要求高，强磁干扰，环境温度适应性广，可靠性要求高的产品可以选择使用霍尔传感器;对于精度要求高，无需电池供电的场合可选择使用光电或磁电编码器。
参考文献：
[1]苏刚.阀门电动执行机构的数字化及智能化研究与开发[D].东北大学,2018.
[2]彭斌.电动执行机构测试系统的研制[D].西安科技大学,2017.
论文作者:魏予龙
论文发表刊物:《电力设备》2019年第16期
论文发表时间:2019/12/6
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