閥門響應(yīng)時間

對于許多過程的優(yōu)化控制，重要的是閥門快速地到達(dá)一個指定的位置。對于小信號改變(1%或更小)作出快速的響應(yīng)是在提供優(yōu)化過程控制方面的其中一個最重要的因素。在自動的、調(diào)節(jié)式控制場合，從控制器接受的大量信號改變都是為了取得小的閥門改變。如果一個調(diào)節(jié)閥(控制閥)組件能夠快速地對這些小信號改變作出響應(yīng)，過程偏差度將會得到改善。

閥門響應(yīng)時間是通過一個稱為T63 的參數(shù)來測量的。(見第1 章里的定義)。T63 是從輸入信號改變開始起到輸出達(dá)到63%的相應(yīng)改變時測量所得到的時間。它包括閥門組件的時滯時間(一個靜態(tài)時間)和閥門組件的動態(tài)時間。這個動態(tài)時間是對于執(zhí)行機(jī)構(gòu)從一旦開始移動至達(dá)到63%的點所需要的時間的一種度量。

死區(qū)，不管是源自閥體和執(zhí)行機(jī)構(gòu)里的摩擦力，還是來自定位器的，都能在很大程度上影響閥門組件的時滯時間。重要的是使得時滯時間盡可能地小。總的來說，時滯時間應(yīng)該不超過閥門總體響應(yīng)時間的三分之一。然而，時滯時間與過程時間常數(shù)之間的相對關(guān)系是關(guān)鍵的。如果閥門組件置于一個過程時間常數(shù)接近時滯時間的快速回路里，時滯時間會嚴(yán)重地影響回路的性能。在這些快速回路里，關(guān)鍵是要選擇時滯時間盡可能小的控制設(shè)備。
 

從回路整定的角度看，時滯時間在閥門的兩個行程動作方向保持相對恒定也是很重要的。有些閥門組件結(jié)構(gòu)在一個行程動作方向比在另一個有3 至5倍長的時滯時間。這種特性典型地是由定位器設(shè)計的不對稱特性引起的。它會嚴(yán)重地限制把回路整定到最佳總體性能的能力。

 

一旦時滯時間已經(jīng)過去，且閥門開始響應(yīng)，閥門響應(yīng)時間的剩余部分來自閥門組件的動態(tài)時間。這個動態(tài)時間主要是由定位器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組合的動態(tài)特性決定的。這兩個部件必須很好地匹配以減少閥門的總的響應(yīng)時間。例如，在一個氣動閥門組件里，定位器必須有一個高動態(tài)增益以減小閥門組件的動態(tài)時間。這個動態(tài)增益主要由定位器里的動力放大器提供。換言之，定位器放大器或滑閥能夠越快地提供大量的壓縮空氣給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，閥門的響應(yīng)時間也將越快。然而，這種高動態(tài)增益動力放大器對時滯時間有很小的影響，除非它有一些故意設(shè)計在其中的死區(qū)以減少靜態(tài)耗氣量。當(dāng)然，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計對動態(tài)時間有很大的影響。例如，需要充填的執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣室的容積越大，閥門的響應(yīng)時間就越慢。-三精技術(shù)部提供

 

首先，可能看起來解決方案應(yīng)該是把執(zhí)行機(jī)構(gòu)容積減至最小，并把定位器的動態(tài)動力增益提高至最大，但是事實并非如此簡單。從穩(wěn)定性角度看，這可能是多個因素的危險組合。要知道定位器/ 執(zhí)行機(jī)構(gòu)組合組成了它自己的反饋回路。對于正在使用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)型式，使得定位器/ 執(zhí)行機(jī)構(gòu)回路的增益太高可能會引導(dǎo)閥門組件進(jìn)入一個不穩(wěn)定的振蕩狀態(tài)。另外，減小執(zhí)行機(jī)構(gòu)容積對于推力/摩擦力比例有負(fù)面影響。這會增加閥門組件的死區(qū)，從而導(dǎo)致時滯時間的增加。

 

對于一個給定的應(yīng)用場合，如果沒有足夠的總體推力/摩擦力比例，一個選擇就是通過使用下一個較大尺寸的執(zhí)行機(jī)構(gòu)來增加執(zhí)行機(jī)構(gòu)的推動力、或增加給執(zhí)行機(jī)構(gòu)的壓力。這個較高的推力/摩擦力比例會減小死區(qū)。這有助于減少閥門組件的時滯時間。然而，這兩個選擇都意味著需要較大的壓縮空氣量供應(yīng)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。作為交換的是通過增加動態(tài)時間而對閥門響應(yīng)時間產(chǎn)生一個可能的破壞性影響。

 

減少執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣室容積的一個方法是使用活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)而非彈簧薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)，但這不是靈丹妙藥�；钊麍�(zhí)行機(jī)構(gòu)通常比彈簧薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)有更大的推力，但是它們也有更高的摩擦力，這可能會引起與閥門響應(yīng)時間有關(guān)的問題。為了獲得需要的活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)的推力，通常有必要使用比薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)更高的氣源壓力，因為典型地活塞有更小的受壓面積。這意味著需要供應(yīng)更大量的空氣，隨之而產(chǎn)生的是對動態(tài)時間的負(fù)面影響。另外，活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)有更多的導(dǎo)向表面。它們由于配合方面的內(nèi)在困難以及與O 型圈的摩擦，趨向于有更高的摩擦力。這些摩擦力的問題也趨向于隨著時間而增加。不管最初這些O 型圈是多么好，由于磨損或其它環(huán)境條件，這些彈性材料會隨時間而降低性能。類似地，導(dǎo)向表面的磨損會增加摩擦力，潤滑程度也會降低。這些摩擦力問題會產(chǎn)生更大的活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)死區(qū)。這會通過增加時滯時間而增加閥門的響應(yīng)時間。

 

儀表供氣壓力也可能對閥門組件的動態(tài)性能產(chǎn)生很大的影響。例如，它能顯著地影響定位器的增益和總耗氣量。

 

固定增益定位器通常已經(jīng)在某一特殊供氣壓力下進(jìn)行了優(yōu)化。然而，這個增益可能會在供氣壓力的很小變化范圍內(nèi)成兩倍或更多倍地變化。例如，一個在20 Psig 的供氣壓力下進(jìn)行優(yōu)化的定位器可能會被發(fā)現(xiàn)當(dāng)供氣壓力增加到35 Psig 時，它的增益減少了一半。

 

供氣壓力也會影響供應(yīng)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)的空氣__量�？諝饬縿t決定動作速度。它也與耗氣量直接相關(guān)。高增益滑閥定位器需要消耗5 倍于在動力放大階段使用放大器的更加高效的高性能二級定位器所需的氣量。最小化閥門組件的時滯時間需要最小化閥門組件的死區(qū)，不管這個死區(qū)是由于閥門密封結(jié)構(gòu)的摩擦力引起的，還是由于填料的摩擦力、閥軸的扭轉(zhuǎn)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)或者定位器的結(jié)構(gòu)引起的。正如先前指出的，摩擦力是調(diào)節(jié)閥(控制閥)死區(qū)的主要原因。對于旋轉(zhuǎn)式閥門，閥軸扭轉(zhuǎn)(見第1 章里的定義)也是死區(qū)的重要起因。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的類型也對閥門組件的摩擦力有重要影響�？偟膩碚f，在很長一段時間內(nèi)，活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)比彈簧薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供更大的摩擦力給調(diào)節(jié)閥(控制閥)組件。如前面所提及的，這是由于活塞O形圈、配合不佳的問題、以及潤滑失效引起的不斷增加的摩擦力導(dǎo)致的。

 

帶高靜態(tài)增益前置放大器的定位器型式在減小死區(qū)方面可以產(chǎn)生很大的不同。它也會對閥門組件的分辨率(見第1 章里的定義)作出顯著的改善。死區(qū)和分辨率為1% 或更小的閥門組件對于滿足許多降低過程偏差度的需要是不夠的。許多過程要求閥門組件有低至0.25%的死區(qū)和分辨率，尤其是閥門組件安裝于一個快速過程回路的場合。

 

在對調(diào)節(jié)閥(控制閥)響應(yīng)時間的許多研究里有一件令人稱奇的事情。那就是關(guān)于彈簧薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)對活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)的觀念上的變化。過程工業(yè)里長期以來的一個誤解是活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作起來比彈簧薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)快。研究已經(jīng)表明對于小信號改變，這是不正確的。

 

這個誤解來自于測試閥門的動作時間的多年經(jīng)驗。動作時間測試通常是這樣進(jìn)行的：讓閥門組件接受一個100% 階躍改變的輸入信號，然后測量閥門組件在某一方向上完成一次全行程動作所需要的時間。

 

盡管活塞驅(qū)動的閥門通常比大部分彈簧薄膜驅(qū)動的閥門有更快的動作時間，但是這種測試并不能說明在實際的過程控制情況下的閥門的性能。在正常的過程控制應(yīng)用場合里，閥門很少需要全行程的動作。典型地，閥門只要求在一個0.25% 至2% 的閥位變化范圍內(nèi)作出響應(yīng)。廣泛的閥門測試表明彈簧薄膜閥門組件在小信號改變方面的性能總是超過活塞驅(qū)動的閥門，而小信號改變更能代表調(diào)節(jié)式過程控制應(yīng)用工況�；钊麍�(zhí)行機(jī)構(gòu)里較高的摩擦力是使得它們比彈簧薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)對于小信號的響應(yīng)更加慢的一個作用因素。

 

選擇正確的閥門、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和定位器組合不是容易的。這并不是一件簡單地找到一個在物理上匹配的組合的事情。良好的工程判斷必須融入閥門組件的計算和選型實踐，以取得回路的最佳動態(tài)性能。

 

圖2-4表示由于閥門組件結(jié)構(gòu)不同引起的時滯時間和總體T63 響應(yīng)時間方面的巨大差別。