閥門知識

SAMSON電氣閥門定位器改善控制閥性能

時間：2009/7/10來源：myni.com.cn作者：三精閥門

閥門定位器伴隨著控制閥的應(yīng)用已有幾十年的歷史了，由于閥門定位器的出現(xiàn)，使控制閥的控制精度、抗干擾能力、響應(yīng)時間、流量特性等得到了大大地改善，現(xiàn)在幾乎所有的控制閥都使用了閥門定位器，它已經(jīng)成為控制閥不可缺少的搭檔，在自控元件中起著越來越重要的角色。本文主要介紹SAMSON 閥門定位器的工作原理和功能，通過列舉模擬和數(shù)字閥門定位器，使大家能夠比較全面地掌握閥門定位器，其目的是為了我們更好地理解和應(yīng)用閥門定位器。

雖然閥門定位器由最初的氣/氣閥門定位器、電/氣閥門定位器發(fā)展到現(xiàn)在的數(shù)字閥門定位器、區(qū)域總線閥門定位器，但它們的基本原理和主要功能都沒有大的改變。

閥門控制器一

SAMSON的閥門定位器也跟隨著控制技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)歷了由氣動、電動、數(shù)字、發(fā)展到現(xiàn)在的區(qū)域總線閥門定位器。在世界同類產(chǎn)品中，SAMSON 的閥門定位器以它的結(jié)構(gòu)緊湊、耗氣量低、工作可靠、定位器中可選附加功能多等優(yōu)勢得到了大家廣泛的好評。

為了便于大家討論，我們首先復(fù)習(xí)一下定位器中的基本自控元件。

定位器中基本自控元件介紹——電/氣轉(zhuǎn)換器原理

隨著儀表技術(shù)的發(fā)展，氣動儀表領(lǐng)域已逐步被電動儀表和計算機控制所占領(lǐng)，現(xiàn)在只有在一些特殊的場合還在使用氣動儀表，作為儀表中的閥門附件“定位器”也由原來的氣動閥門（P/P）定位器逐步由電/氣（E/P）閥門定位器所代替。

那么在電/氣閥門定位器中輸入的電信號是如何轉(zhuǎn)換成氣信號的呢？我們以SAMSON 6111 型電/氣轉(zhuǎn)換器為例介紹一下它的工作原理(見圖1)：

閥門定位器二

圖1 Function Diagram of 6111

閥門定位器三

圖1A Type 4763

氣動功率放大器（8）在設(shè)計時；選用合適的彈簧力（8.2），使當(dāng)輸入信號為0 mA 時保持輸出PA 在100mbar ，這樣輸出的壓力通過恒節(jié)流孔（8.4）使噴嘴（7）內(nèi)有一定的背壓。

當(dāng)輸入的信號增加時；通電的線圈（2）切割永久磁鐵（3）的磁力線，產(chǎn)生向上的力→擋板（6）靠近噴嘴（7）使背壓（PK）增加→膜片（8.3）↓→打開閥芯（8.5）→輸出PA↑。

當(dāng)輸入信號減少時；擋板（6）離開噴嘴（7）→背壓（PK）減少→輸出壓力（PA）作用下膜片（8.3）↑→閥芯（8.5）關(guān)死→輸出壓力通過閥芯（8.5）釋放。

當(dāng)PA 同PK 平衡時輸出壓力保持不變；這時電信號在線圈（2）中產(chǎn)生的力也同背壓（PK）取得平衡。

這樣輸入的電信號就轉(zhuǎn)換成氣信號了。

定位器的組成

以SAMSON 的4763 電/氣閥門定位器（圖1A）為例，定位器主要組成部分見圖2。

閥門定位器四

圖2

1.反饋桿（1）
    2.反饋彈簧（6）
    3.反饋風(fēng)箱（7）
    4. 氣動功率放大器（7下部）
    5. 電/氣轉(zhuǎn)換器（21）

定位器工作原理

1. 模擬定位器我們還是以SAMSON的4763定位器為例（參考圖3）。我們設(shè)：調(diào)節(jié)閥為FC（氣開）；定位器為正作用

閥門定位器五

圖3

A）閥位根據(jù)輸入信號成比例動作

輸入信號↑→Pe 點氣壓↑→反饋風(fēng)箱中連桿（9）向左動作→壓緊彈簧（6），擋板（10.2）靠近噴嘴（10.1）→輸出風(fēng)壓↑→閥桿（對于氣開閥）↑→壓緊彈簧（6）→反饋風(fēng)箱中連桿（9）向右動作→擋板（10.2）離開噴嘴（10.1）→輸出氣壓（Pst）↓。當(dāng)反饋彈簧的力與反饋風(fēng)箱的力平衡時，閥位保持與輸入信號對應(yīng)的位置。

B）定位

當(dāng)輸入信號不變時：由于工藝條件變化導(dǎo)致閥桿↑→壓緊執(zhí)行器彈簧→壓緊彈簧（6）→反饋風(fēng)箱中連桿（9）向右動作→擋板（10.2）離開噴嘴（10.1）→輸出氣壓↓→由執(zhí)行器向下的彈簧力使閥位回到原來的地方。

由于工藝條件變化導(dǎo)致閥桿↓→放松執(zhí)行器彈簧→放松彈簧（6）→反饋風(fēng)箱中連桿（9）向左動作→擋板（10.2）靠近噴嘴（10.1）→輸出氣壓↑→使執(zhí)行器向上運動使閥位回到原來的地方。

2.數(shù)字閥門定位器

數(shù)字閥門定位器與模擬閥門定位器的主要區(qū)別是：偏差計算、反饋信號處理、輸入/輸出信號處理等采用了數(shù)字集成電路和微處理器進行處理。

以SAMSON TYPE 3780為例，參考圖4和圖5：

閥門定位器六

圖4 3780 Positinoer

閥門定位器七

圖5 Function Diagram of 3780

定位器的輸入模擬信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后至微處理器（2）；閥門的變化信號經(jīng)過位置感應(yīng)傳感器（5）和A/D轉(zhuǎn)換也同時到達微處理器。微處理器根據(jù)輸入信號和閥位信號的偏差經(jīng)過計算和輸出控制信號使供氣電磁閥3和排氣電磁閥4工作，使閥位與輸入信號相對應(yīng)。通信用的HART信號是經(jīng)過解調(diào)器（1）后至微處理器。

3.HART 定位器

HART定位器同模擬定位器的主要區(qū)別是：

1）定位器在接收4~20mA 模擬信號的同時，還可接收到在4~20mA 模擬信號上疊加的一個帶有HART 傳輸協(xié)議的交流信號。

2）模擬的4~20mA 信號用于控制閥位，定位器可以用模擬信號發(fā)生器進行閥位調(diào)校。

3）HART 信號主要用于定位器的設(shè)定和組態(tài)以及閥門的故障診斷（取決于定位器功能）。

4.PROFIBUS 和Fieldbus 定位器

主要特點是：

1）信號的傳輸是通過PROFIBUS 或Fieldbus 協(xié)議的區(qū)域總線進行的。

2）定位器不能直接接受4~20mA 的模擬信號。

3）定位器中含有符合相關(guān)協(xié)議的輸入，輸出及PID 控制模塊。

4）檢查和調(diào)校定位器；必須用能與定位器進行通訊和含有應(yīng)用軟件的設(shè)備進行。

定位器的基本功能

1. 比例動作和定位作用

比例動作：根據(jù)輸入的信號，使閥門的閥位與輸入信號相對應(yīng)。定位作用：當(dāng)輸入信號固定時，閥位不受工藝條件的變化而變化。

2. 功率放大

針對氣動輸入信號而言，定位器可將輸入的氣信號；通過定位器中的氣動功率放大器進行放大，使微小的信號就可以控制閥門動作。

3. 提高閥門的控制精度

由于定位器是根據(jù)輸入信號與閥門位置的偏差對輸出信號進行調(diào)整的，一旦輸入信號與閥門位置有偏差，定位器將自動調(diào)整輸出信號以改變閥位，直到閥位與輸入信號相對應(yīng)為止，這樣大大提高了閥門的控制精度。

4. 克服摩擦力

由于定位器本身的定位閉環(huán)控制，當(dāng)摩擦力變化時（指閥桿的填料、執(zhí)行器的密封等部分的摩擦力）；定位器可以根據(jù)由摩擦力造成的位置偏差，自動增加或減少輸出到執(zhí)行器的壓力，以克服摩擦力對閥門開度造成的影響。

5. 改變作用方式

通過定位器我們可以改變閥門的作用方式。

根據(jù)閥門的作用方式我們可按表1來設(shè)定定位器的正、反作用。

6.改變閥門特性曲線

閥門的流量特性，除了在閥門制造時通過改變閥芯/座的形狀來實現(xiàn)外；我們還可以在定位器中，通過改變反饋量（模擬定位器）和設(shè)定參數(shù)（數(shù)字定位器）來改變閥門的流量特性。SAMSON 定位器中只有數(shù)字定位器（3730-2/3，3780，3785，3787）和在角行程應(yīng)用時的3767模擬定位器；可以通過定位器改變閥門的流量特性。用定位器改變閥門流量特性的實質(zhì)是：通過改變定位器輸入信號和閥位的關(guān)系來改變閥門的開度，實現(xiàn)不同的閥門流量特性。我們通過表2看一下通過閥芯形狀實現(xiàn)等百分比特性和通過定位器實現(xiàn)等百分比特性有何不同呢？

從表2我們可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)利用閥芯形狀改變調(diào)節(jié)閥的流量特性時，無論線性和等百分比特性的閥門，它們的開度（行程指示牌）同輸入的信號是相對應(yīng)的。（但實際閥門內(nèi)部的開度是不同的）而通過定位器實現(xiàn)等百分比特性的閥門開度；相對線性特性而言，其輸入信號同閥位的關(guān)系有明顯的不同，而且它們關(guān)系與閥門的結(jié)構(gòu)和類型以及閥門固有的流量特性有關(guān)。如果閥門的固有流量特性是線性特性，我們就可以利用定位器很方便地改變它們的特性，反之我們要慎重行事。

7.信號轉(zhuǎn)換/分程控制

我們可以通過定位器實現(xiàn)電/氣轉(zhuǎn)換，也可以利用定位器來實現(xiàn)閥門的分程控制。

8. 閥門故障診斷（數(shù)字定位器）

在數(shù)字定位器中，我們可以利用定位器實現(xiàn)對閥門的故障進行診斷。

9. 整合其它功能（回訊開關(guān)，電磁閥，位置變送器等）

利用定位器我們可以將：回訊開關(guān)，電磁閥，位置變送器等整合在一起，這樣可使閥門的附件之間的連接更加緊湊和可靠，同時也可提高定位器的性能價格比。

定位器分類

SAMSON 閥門定位器有多種類型和功能，我們按主要類型歸納如下：

1.氣動閥門定位器

氣動閥門定位器有：Type 3760，4765，3766，3761。

2.電/氣閥門定位器

模擬定位器有：Type 3730-1，3760，3761，3766，4763；數(shù)字定位器有：Type 3730-2，3730-3（HART），3780（HART），3785（PROFIBUS），3787（Fieldbus）。

3.電動閥門定位器

模擬電動閥門定位器：已經(jīng)整合在3274，5824 等電動執(zhí)行器中。

結(jié)束語

由于定位器在閥門使用中起著舉足輕重的作用，如何在實際應(yīng)用中選用好定位器，對閥門的性能價格比，過程控制的穩(wěn)定性有很大關(guān)系，我們只有充分理解和了解定位器，才能充分發(fā)揮它的作用。