电气阀门定位器及调节阀

1、电气阀门定位器及调节阀冯志强一、电气阀门定位器阀门定位器伴随着控制阀的应用已有几十年的历史了，由于阀门定位器的出现，使控制阀的 控制精度、抗干扰能力、响应时间、流量特性等得到了大大地改善，现在几乎所有的控制阀都使 用了阀门定位器，它已经成为控制阀不可缺少的搭档，在自控元件中起着越来越重要的角色。电 气阀门定位器是按力平衡原理设计工作的，其工作原理是在气动阀门定位器的基础上开发而成的 电流信号控制阀门定位器。当从电动调节器来的电流信号，输入到力矩马达组件的线圈时，在力矩马达的气隙中产生一 个磁场，它与永久磁铁产生的磁场共同作用，使衔铁产生一个向左的力，主杠杆(衔铁)绕支点 (15)转动，档板靠近

2、喷嘴，喷嘴背压经放大器放大后，送入薄膜执行机构气室，使阀杆向下移动， 并带动反馈杆绕支点转动，连接在同一轴上的反馈凸轮作逆时针主向转动，通过滚轮使付杠杆绕 支点转动，并将反馈弹簧(11)拉伸、弹簧对主杠杆的拉力与力矩马达作用在主杠杆上的力矩相等时， 械杆系统达到平衡状态。此时，一定的信号电流就与一定的阀门位置相对应。弹簧是作调整零位 用的。以上作用方式为正作用，若要改变作用方式，只要将凸轮翻转，A向变成B向等，即可。所谓正作用定位器，就是信号电流增加，输出压力亦增加；所谓反作用定位器，就是信号电 流增加，输出压力则减少。一台正作用执行机构只要装上反作用定位器，就能实现反作用执行机构的动作；相反

3、，一台 反作用执行机构只要装上反作用定位器，就能实现正作用执行机构的动作。本文主要介绍SAMSON 阀门定位器的工作原理和功能，通过列举模拟和数字阀门定位器， 使大家能够比较全面地掌握阀门定位器，其目的宁为了我们更好地理解和应用阀门定位器。虽然阀门定位器由最初的气 /气阀门定位器、电/气阀门定位器发展到现在的数字阀门定位器、 区域总线阀门定位器，但它们的基本原理和主要功能都没有大的改变。SAMSON的阀门定位器也跟随着控制技术的发展，经历了由气动、电动、数字、发展到现在的 区域总线阀门定位器。 在世界同类产品中，SAMSON 的阀门定位器以它的结构紧凑、耗气量低、工作可靠、定位器中可选附加功能

4、多等优势得到了大家广泛的好评。为了便于大家讨论，我们首先复习一下定位器中的基本自控元件。1 定位器中基本自控元件介绍 -电/气转换器原理随着仪表技术的发展，气动仪表领域已逐步被电动仪表和计算机控制所占领，现在只有在一些特殊的场合还在使用气动仪表，作为仪表中的阀门附件定位器”也由原来的气动阀门（P/P）定位器逐步由电/气（E/P ）阀门定位器所代替。那么在电/气阀门定位器中输入的 电信号是如何转换成气信号的呢？我们以 SAMSON 6111 型电/气转换器为例介绍一下它的工作原理（见图1）:曲局x I24a.2包 OUTPUT%® SUPPLY 9飾1口0工 beanod|us1rwT

5、lt 蠶吗“ ir破choni匚di0 Io 20 mA only) j _；Plurger* coilLFcrrnancnl ma-gntJ 5rZfpd cindl EDan cidlu寸曰 (net in er-sionO to 20 mAJ Side胡讪(not in ver sianD to 20 mAjf kjp*r ploJeNozlsVuluilielj<JU&lt7Offset springDiApra-gnvIRe dri-cioinPlug dwr詈34- SPAN03方:-1aE图 1 Fu nction Diagram of 6111图 1A Type

6、4763气动功率放大器（8 ）在设计时；选用合适的弹簧力（8.2 ），使当输入信号为 0 mA 时保持输出PA在100mbar ，样输出的压力通过恒节流孔（8.4 ）使喷嘴（7 ）内有一定的背压。当输入的信号增加时；通电的线圈（2 ）切割永久磁铁（3）的磁力线，产生向上的力t挡板（6 ）靠近喷嘴（7 ）使背压（PK）增加t膜片（8.3打开阀芯（8.5 ）宀输出PA f。当输入信号减少时；挡板（6）离开喷嘴（7 ）t背压（PK）减少t输出压力（PA ）作用下膜 片（8.3 ）?t阀芯（8.5 ）关死t输出压力通过阀芯（8.5 ）释放。当PA同PK平衡时输出压力保持不变；这时电信号在线圈（2 ）中

7、产生的力也同背压 （PK）取得平衡。这样输入的电信号就转换成气信号了。2 定位器的组成以SAMSON 的4763 电/气阀门定位器（图 1A）为例，定位器主要组成部分见图2。45 6.16321 U 13 10.2 1图21.反馈杆（1） 2.反馈弹簧（6） 3.反馈风箱（7） 4.气动功率放大器（7下部）5.电/气换器（21 ）3 .定位器工作原理1 ） 模拟定位器我们还是以SAMSON的4763定位器为例（参考图3 ）。我们设：调节阀为FC （气开）；定位器为正作用。A）阀位根据输入信号成比例动作输入信号Pe点气压反馈风箱中连杆（9 ）向左动作t压紧弹簧（6 ），挡板（10.2 ）靠近喷嘴

8、（10.1输出风压阀杆（对于气开阀）压紧弹簧（6 反馈风箱中连杆 （9 ）向右动作t挡板（10.2 ）离开喷嘴（10.1输出气压（Pst ）J。当反馈弹簧的力与反馈风箱的力平衡时，阀位保持与输入信号对应的位置。B）定位当输入信号不变时：由于 工艺条件变化导致阀杆fT压紧执行器弹簧T压紧弹簧（6）7反馈风箱中连杆（9 ）向右动作T挡板（10.2 ）离开喷嘴（10.1）7输出气压由执行器向下的 弹簧力使阀位回到原来的地方。由于工艺条件变化导致阀杆放松执行器弹簧T放松弹簧（6）T反馈风箱中连杆（9 ）向左动作T挡板（10.2 ）靠近喷嘴（10.1）7输出气压fT使执行器向上运动使阀位回到原来的 地方

9、。2）.数字阀门定位器数字阀门定位器与模拟阀门定位器的主要区别是：偏差计算、反馈信号处理、输入/输出信号处理等采用了数字集成电路和微处理器进行处理。以SAMSON TYPE 3780 为例，参考图 4和图5。定位器的输入模拟信号经A/D转换后至微处理器（2 ）;阀门的变化信号经过位置感应传感器（5）和A/D转换也同时到达微处理器。微处理器根据输入信号和阀位信号的偏差经过计算和 输出控制信号使供气电磁阀3和排气电磁阀4工作，使阀位与输入信号相对应。通信用的HART信号是经过解调器（1 ）后至微处理器。-3 -9 0 10F：hH- ”1才Tree ITFVCXipjil362pp>lyfi

10、99 10 210. 110Leg«rvd far 种审.2 and 34 vol 吨 I rowel.I SxaliP'<i-1 ZsZE F?O ed j-j inherit scre Msrt l ml in« * tsw*Rangr仰斶1122346ArroTgcmcrit <3 r ftir rn=! wirw! -<> npiRnnli rwr 臼1帕甘卄片A.I创町p urry ki11Cover 0ka牙MQVlPHlugi x12Ar_i|j1 i :irS.MLaasurin dnaphrracmWXni gfsiri)

11、nd j«M¥Hi口p卜ym pk；l«U论luf亡 川dl亡心y.iealw piiri2HqG fo" inouiilvn w_ne*10bbcl-20Hah«10.71i /rinihrrtw i.nil10.2图 4 3780 Positinoer-5 -ventingMringSupply-# -图 5 Function Diagram of 37803）.HART 定位器HART定位器同模拟定位器的主要区别是:a）定位器在接收 420mA模拟信号的同时，还可接收到在420mA模拟信号上叠加的一个带有HART传输协议的交流信号。b ）

12、模拟的420mA 信号用于控制阀位，定位器可以用模拟信号发生器进行阀位调校。c）HART信号主要用于定位器的设定和组态以及阀门的故障诊断（取决于定位器功能）。4）.PROFIBUS 和 Fieldbus 定位器主要特点是：a）信号的传输是通过 PROFIBUS 或Fieldbus 协议的区域总线进行的。b ）定位器不能直接接受 420mA的模拟信号。c）定位器中含有符合相关协议的输入，输出及PID控制模块。d ）检查和调校定位器；必须用能与定位器进行通讯和含有应用软件的设备进行。4 .定位器的基本功能1 ） 比例动作和定位作用比例动作：根据输入的信号，使阀门的阀位与输入信号相对应。定位作用：当

13、输入信号固定时, 阀位不受工艺条件的变化而变化。2）.功率放大针对气动输入信号而言， 定位器可将输入的气信号； 通过定位器中的气动功率放大器进行放大， 使微小的信号就可以控制阀门动作。3 ）.提高阀门的控制精度由于定位器是根据输入信号与阀门位置的偏差对输出信号进行调整的，一旦输入信号与阀门位置有偏差，定位器将自动调整输出信号以改变阀位，直到阀位与输入信号相对应为止，这样大大 提高了阀门的控制精度。4）.克服摩擦力由于定位器本身的定位闭环控制，当摩擦力变化时（指阀杆的填料、执行器的密封等部分的摩擦力）；定位器可以根据由摩擦力造成的位置偏差，自动增加或减少输出到执行器的压力，以克 服摩擦力对阀门开

14、度造成的影响。5 ）. 改变作用方式通过定位器我们可以改变阀门的作用方式。6 ）.改变阀门特性 曲线阀门的流量特性， 除了在阀门制造时通过改变阀芯 / 座的形状来实现外； 我们还可以在定位器 中，通过改变反馈量 （模拟定位器） 和设定参数 （数字定位器） 来改变阀门的流量特性。 SAMSON 定位器中只有数字定位器（ 3730-2/3 ，3780 ，3785 ， 3787 ）和在角行程应用时的 3767 模拟 定位器；可以通过定位器改变阀门的流量特性。用定位器改变阀门流量特性的实质是：通过改变定位器输入信号和阀位的关系来改变阀门的 开度，实现不同的阀门流量特性。我们看一下通过阀芯形状实现等百分

15、比特性和通过定位器实现等百分比特性有何不同呢？ 当利用阀芯形状改变调节阀的流量特性时， 无论线性和等百分比特性的阀门， 它们的开度 （行 程指示牌）同输入的信号是相对应的。（但实际阀门内部的开度是不同的）而通过定位器实现等 百分比特性的阀门开度；相对线性特性而言，其输入信号同阀位的关系有明显的不同，而且它们 关系与阀门的结构和类型以及阀门固有的流量特性有关。如果阀门的固有流量特性是线性特性， 我们就可以利用定位器很方便地改变它们的特性，反之我们要慎重行事。7 ） . 信号转换 / 分程控制我们可以通过定位器实现电 / 气转换，也可以利用定位器来实现阀门的分程控制。8 ） . 阀门故障诊断（数字

16、定位器）在数字定位器中，我们可以利用定位器实现对阀门的故障进行诊断。9 ） . 整合其它功能（回讯 开关，电磁 阀，位置变送器等） 利用定位器我们可以将：回讯开关，电磁阀，位置变送器等整合在一起，这样可使阀门的附件之 间的连接更加紧凑和可靠，同时也可提高定位器的 性能价格比。5 定位器分类SAMSON 阀门定位器有多种类型和功能，我们按主要类型归纳如下：1 ）. 气动阀门定位器气动阀门定位器有： Type 3760 ， 4765 ， 3766 ， 3761 。2 ） . 电 / 气阀门定位器模拟定位器有： Type 3730-1 ，3760 ，3761 ，3766 ，4763 ；数字定位器有：

17、 Type 3730-2 ， 3730-3 （HART ）， 3780 （HART ）， 3785 （ PROFIBUS ）， 3787 （Fieldbus ）。3 ）. 电动阀门定位器模拟电动阀门定位器：已经整合在 3274 ， 5824 等电动执行器中。结束语由于定位器在阀门使用中起着举足轻重的作用，如何在实际应用中选用好定位器，对阀门的 性能价格比，过程控制的稳定性有很大关系，我们只有充分理解和了解定位器，才能充分发挥它 的作用。二、 调节阀调节阀主要工作原理， 是靠改变阀门阀瓣与阀座间的流通面积， 达到调节压力、 流量等参数的目的。本节主要介绍调节阀的阀体和阀芯的主要结构，调节阀的流量

18、特性以及有关阀 芯气蚀噪音问题的解决方法。1 阀体结构a 直通单座阀 （GLOBE）阀体内只有一个阀座和密封面， 结构简单 ,密封效果好 ,是使用较多的一种阀体类 型。特点：泄漏量小，阀前后压差小。图 2-1I 图2-1直通单座阀b直通双座阀（GLOBE）图2- 2阀体内有两个阀座和密封面，流通能 力大，不平衡力小，但泄漏量大，切断效 果差，是使用较多的一种阀体类型。变正装为反装极为方便。c 套筒阀（CAGE）图2-3也叫笼式阀，阀体与一般直通单座阀 相似，内部有一个圆柱形套筒（笼子）导向套筒上开有窗口用于决定流量与流量 特性阀芯上可开有平衡孔，减小不平衡力套筒阀可调比大，振动小,不平衡力小

19、互换性好，可适用于大部分单双座阀的应用场合图2-2直通双座阀图不适用于有颗粒及较脏污介质 是使用最为广泛的一种阀体类型 球阀、蝶阀、隔膜阀等都可以作为调 节阀-9 -# -2-3套筒阀-# -1HHMI快开等百分比图2-4套筒阀阀芯图2-5球阀2 调节阀流量特性 直线流量特性 等百分比流量特性 快开流量特性 抛物线流量特性图2-7特性曲线-11 -直线流量特性相对流量与相对开度成直线关系，即单位行程引起的流量变化是常数等百分比流量特性单位行程变化引起相对流量变化与该点的相对流量成正比，即放大系数是变化的， 但是相对流量的变化是常数。快开流量特性相对行程变化引起相对流量的变化与该点相对流量成反比

20、，其作用与等百分比相反抛物线流量特性相对行程的变化引起相对流量的变化与该点相对流量的平方根成正比。 介于直线与等百分比之间弥补了直线特性小开度调节性能差的缺点流量特性与阀芯的关系柱塞式阀芯（顶部导向）图&Y形口册芯顶部和窿部导向）斌予流特性亦套简（拄基式阀芯可与耒st于谖責特性的尊閒一盘使用1絃予養量特性的阅芯和套筒的张状不同的阀芯形状决定不同的流量特性蝶阀、球阀、隔膜阀、偏心旋转阀固有特性不能修改套筒阀、柱塞阀、v形开口阀，可修改阀芯形状改变流量特性 固有流量特性（压差不变）工作流量特性（压差变化）见下表：z<o.«««onfits询it3执行机构

21、1）气动执行机构阀门气动驱动装置安全、可靠、成本低，使用维修方便，是阀门驱动机构中的一大分支。气动装置在具有防爆要求的场合应用较多。阀门气动驱动装置采用气源的工作压较低， -般为0.31.0MPa ;结构尺寸不大，阀门气动驱动装置的总推力也不很大。气动执行机构有气动薄膜执行机构、气动活塞式执行机构、长行程执行机构、侧装式气动薄膜执行机构A气动薄膜执行机构弹簧，正作用多弹簧，反作用气动薄膜执行机构是一种应用最广泛的执行机构，它通常接受0.020.1MPa 或 0.040.2MPa的气动信号。分正作用和反作用两种形式，如下图:-13 -# -（a） 正作用（b）反作用当信号压力增加时推杆向下移动的

22、叫正作用执行机构；信号压力增加时推杆向上移动的叫反 作用执行机构。较大口径的调节阀都采用正作用式执行机构。工作原理：信号压力通过波纹膜片的上方（正作用式）或下方（反作用式）进入气室，在波 纹膜片上产生一定的作用力，使推杆移动并压缩或拉伸弹簧，当弹簧的反作用力与膜片上的作用 力相平衡时，推杆就稳定在一个新的位置。信号压力越大，作用在波纹膜片上的作用力越大，弹 簧的反作用力越大，即推杆的位移越大。正作用和反作用形式的执行机构一般从型号上可以分别，如国产正作用式执行机构的型号为 ZMA型，反作用式的为 ZMB型。-# -气缸横式执行机构PlL -一1-# -A BV B单作用（弹簧返回）指示器电容器

23、接线端子限位开关/力矩开机体底座涡轮、蜗杆动力转动轴套手柄双作用（无弹簧）2）电动执行机构电动执行机构一般由电机、减速箱、手操机构、机械位置指示机构等一些部件组成。与其他阀门驱动装置相比，电动驱动装置具有动力源广泛，操作迅速、方便等特点，并且容易满足各种控制要求。所以，在阀门驱动装置中，电动装置占主导地位。电动执行机构的构造4 执行机构的调试1） 气动头调试气动执行机构的调试，主要是对定位器进行调试。首先将阀门放至全关位置，为保证阀门关闭严 密，拧阀杆上连接螺母至拧不动为止，阀芯和阀座肯定接触紧密了，此时调整阀杆行程刻度牌至零位，然后接通气源，用减压阀将气源压力调至所需压力，然后用信号发生器给

24、定位器输入4mA电流，调整定位器上的零点调整手轮至阀门刚刚开始动作为止，接着再输入20mA电流，根据行程刻度，调整零点调整手轮和量程调整装置使阀杆行程为全开，然后重复输入4mA和20mA的步骤，直至阀门满足 4mA全关和20mA全开的要求。为了保证阀门在4mA的时候关紧，在调试时可以输入4.104.15mA电流作为全关的信号，这样在实际工作状态下4mA电流肯定能将阀门关紧。反谕打.杆幣岀压力阻吐组件口 丘摘枫电动头调试2)-15 -电动执行机构调试时，用手轮将阀门开至中间位置，然后给开或关的信号，看阀门是否向正确方向动作，如果相反，则电机反转，只需将电机三相电源的两相调换即可。力矩开关 出厂后

25、已经整定好，一般不需调整，如需调整，则查找说明书对应力矩开关上的刻度值调整。行程开关的调整分关向和开向，关向调整时，将阀门手动致全关”用起子压下顶轴，并旋转90°可卡住为止，按关向箭头旋转关向调整螺母，直到关向转动柱动作，使转动柱上的凸 台与两旁箭头方向基本一致为止（非动作状态，凸台方向与箭头方向垂直），旋回顶轴复位,开向调整时，手动将阀门致 全开”用起子压下顶轴，并旋转 90°可卡住为止，按开向箭头 旋转开向调整螺母，直到开向转动柱动作，使转动柱上的凸台与两旁箭头方向基本一致为止， 旋回顶轴复位。之后给出开、关信号，看阀门是否达到要求。5调节阀的选型1）型号编制说明1表示

26、温度整机作用方式表示公称压力。分别以16、 40、 64表示调节阀的结构形式。直通双座以“N ”表示，直通单座以“ P'表示执行机构结构特征，有弹簧直程正作用为“A ”，有弹簧直程反作用为“B ”气动薄膜执行机构以“ M ”表示。该字母不变第一部分第二部分尾注执行器大类，以“ Z”表示，该字母不变型式气开气关代号KB尾注对照表12）调节阀气开、气关的选择和正反作名称普诵型长颈型散（吸）热型波纹管密封代号(-20 C 200 C)D(-60 C 250 C)G (-60 C 450 C)V尾注对照表2-17 -用的确定调节阀气开、气关的选择主要从工艺生产需要和安全要求考虑。原则时：当信号

27、压力中断时， 应保证工艺设备和生产的安全。如阀门处于全开位置时危险性小，则应选择气关式，反之应选气 开式。由于执行机构有正作用和反作用两种，阀也有正装和反装两种，因此，实现调节阀的气开、气关有4种组合方式，在确定了调节阀的气开、气关形式后，必须根据阀的这一形式来确定调节器的正作用和反作用。6. PID参数的整定现场调试整定PID参数的原则：要使控制系统的过渡过程尽量短。最大偏差和超调量要小。扰动作用后，减幅振荡的次数尽可能少。 恒温曲线要求尽可能平直。静差要小。整定PID参数的经验口诀：序号执行 机构阀调节阀a正正气关b正反气开c反正气开d反反气关整定参数寻最佳，从小到大顺次查。先是比例后积分

28、，最后再把微分加。曲线振荡很频繁，比例度盘要放大。曲线漂浮绕大弯，比例度盘往下减。曲线偏离回复慢，积分时间降下来。曲线波动周期长，积分时间再加长。曲线振动频率快，先把微分降下来。动差大而波动慢，微分时间应加大。理想曲线两个波，调节过程质量高。对于PID控制的场合，如果PID参数不确定需要采用自己编写程序或人工方式调整，可以按照F面的步骤进行:1）.启动装置，观察装置运行情况，按下表逐步调整（表中数据为举例）:调整顺序12- 3调整顺序比例带P宽（20%）中（ 10%窄（5%n积分时间1（弱作用）200秒（中度作用）100秒（强作用）50秒微分时间D（强作用）40秒（中度作用）20秒（弱作用）10秒注：®比例带过窄（P值过小）容易产生振荡动作。.一般情况下微分时间与积分时间的关系：D=I *（ 46 ）。 在电机、调节阀的控制场合，为了延长电机寿命，通常把 D值设为0秒，即取消微分动作。 成品仪表默认的PID参数一般为：5%, 120s , 30s。设定值2）.装置启动后根据PV （测量值，即控制对象实际值）调整参数的方法：-# -# -超程大（超调、过冲大）：见图1。方法：先把P值调小（比例带变窄）如果还产