1、電氣閥門定位器及調節閥馮志強一、電氣閥門定位器閥門定位器伴隨著控制閥的應用已有幾十年的歷史了，由于閥門定位器的出現，使控制閥的 控制精度、抗干擾能力、響應時間、流量特性等得到了大大地改善，現在幾乎所有的控制閥都使 用了閥門定位器，它已經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。電 氣閥門定位器是按力平衡原理設計工作的，其工作原理是在氣動閥門定位器的基礎上開發而成的 電流信號控制閥門定位器。當從電動調節器來的電流信號，輸入到力矩馬達組件的線圈時，在力矩馬達的氣隙中產生一 個磁場，它與永久磁鐵產生的磁場共同作用，使銜鐵產生一個向左的力，主杠桿(銜鐵)繞支點 (15)轉動，檔板靠近

2、噴嘴，噴嘴背壓經放大器放大后，送入薄膜執行機構氣室，使閥桿向下移動， 并帶動反饋桿繞支點轉動，連接在同一軸上的反饋凸輪作逆時針主向轉動，通過滾輪使付杠桿繞 支點轉動，并將反饋彈簧(11)拉伸、彈簧對主杠桿的拉力與力矩馬達作用在主杠桿上的力矩相等時， 械桿系統達到平衡狀態。此時，一定的信號電流就與一定的閥門位置相對應。彈簧是作調整零位 用的。以上作用方式為正作用，若要改變作用方式，只要將凸輪翻轉，A向變成B向等，即可。所謂正作用定位器，就是信號電流增加，輸出壓力亦增加；所謂反作用定位器，就是信號電 流增加，輸出壓力則減少。一臺正作用執行機構只要裝上反作用定位器，就能實現反作用執行機構的動作；相反

3、，一臺 反作用執行機構只要裝上反作用定位器，就能實現正作用執行機構的動作。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，其目的寧為了我們更好地理解和應用閥門定位器。雖然閥門定位器由最初的氣 /氣閥門定位器、電/氣閥門定位器發展到現在的數字閥門定位器、 區域總線閥門定位器，但它們的基本原理和主要功能都沒有大的改變。SAMSON的閥門定位器也跟隨著控制技術的發展，經歷了由氣動、電動、數字、發展到現在的 區域總線閥門定位器。 在世界同類產品中，SAMSON 的閥門定位器以它的結構緊湊、耗氣量低、工作可靠、定位器中可選附加功能

4、多等優勢得到了大家廣泛的好評。為了便于大家討論，我們首先復習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紹 -電/氣轉換器原理隨著儀表技術的發展，氣動儀表領域已逐步被電動儀表和計算機控制所占領，現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 電信號是如何轉換成氣信號的呢？我們以 SAMSON 6111 型電/氣轉換器為例介紹一下它的工作原理（見圖1）:曲局x I24a.2包 OUTPUT%® SUPPLY 9飾1口0工 beanod|us1rwT

5、lt 蠶嗎“ 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胡訕(not in ver sianD to 20 mAjf kjp*r ploJeNozlsVuluilielj<JU&lt7Offset springDiApra-gnvIRe dri-cioinPlug dwr詈34- SPAN03方:-1aE圖 1 Fu nction Diagram of 6111圖 1A Type

6、4763氣動功率放大器（8 ）在設計時；選用合適的彈簧力（8.2 ），使當輸入信號為 0 mA 時保持輸出PA在100mbar ，樣輸出的壓力通過恒節流孔（8.4 ）使噴嘴（7 ）內有一定的背壓。當輸入的信號增加時；通電的線圈（2 ）切割永久磁鐵（3）的磁力線，產生向上的力t擋板（6 ）靠近噴嘴（7 ）使背壓（PK）增加t膜片（8.3打開閥芯（8.5 ）宀輸出PA f。當輸入信號減少時；擋板（6）離開噴嘴（7 ）t背壓（PK）減少t輸出壓力（PA ）作用下膜 片（8.3 ）?t閥芯（8.5 ）關死t輸出壓力通過閥芯（8.5 ）釋放。當PA同PK平衡時輸出壓力保持不變；這時電信號在線圈（2 ）中

7、產生的力也同背壓 （PK）取得平衡。這樣輸入的電信號就轉換成氣信號了。2 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。45 6.16321 U 13 10.2 1圖21.反饋桿（1） 2.反饋彈簧（6） 3.反饋風箱（7） 4.氣動功率放大器（7下部）5.電/氣換器（21 ）3 .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：調節閥為FC （氣開）；定位器為正作用。A）閥位根據輸入信號成比例動作輸入信號Pe點氣壓反饋風箱中連桿（9 ）向左動作t壓緊彈簧（6 ），擋板（10.2 ）靠近噴嘴

8、（10.1輸出風壓閥桿（對于氣開閥）壓緊彈簧（6 反饋風箱中連桿 （9 ）向右動作t擋板（10.2 ）離開噴嘴（10.1輸出氣壓（Pst ）J。當反饋彈簧的力與反饋風箱的力平衡時，閥位保持與輸入信號對應的位置。B）定位當輸入信號不變時：由于 工藝條件變化導致閥桿fT壓緊執行器彈簧T壓緊彈簧（6）7反饋風箱中連桿（9 ）向右動作T擋板（10.2 ）離開噴嘴（10.1）7輸出氣壓由執行器向下的 彈簧力使閥位回到原來的地方。由于工藝條件變化導致閥桿放松執行器彈簧T放松彈簧（6）T反饋風箱中連桿（9 ）向左動作T擋板（10.2 ）靠近噴嘴（10.1）7輸出氣壓fT使執行器向上運動使閥位回到原來的 地方

9、。2）.數字閥門定位器數字閥門定位器與模擬閥門定位器的主要區別是：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。定位器的輸入模擬信號經A/D轉換后至微處理器（2 ）;閥門的變化信號經過位置感應傳感器（5）和A/D轉換也同時到達微處理器。微處理器根據輸入信號和閥位信號的偏差經過計算和 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。通信用的HART信號是經過解調器（1 ）后至微處理器。-3 -9 0 10F：hH- ”1才Tree ITFVCXipjil362pp>lyfi

10、99 10 210. 110Leg«rvd far 種審.2 and 34 vol 噸 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創町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論luf亡 川dl亡心y.iealw piiri2HqG fo" inouiilvn w_ne*10bbcl-20Hah«10.71i /rinihrrtw i.nil10.2圖 4 3780 Positinoer-5 -ventingMringSupply-# -圖 5 Function Diagram of 37803）.HART 定位器HART定位器同模擬定位器的主要區別是:a）定位器在接收 420mA模擬信號的同時，還可接收到在420mA模擬信號上疊加的一個帶有HART傳輸協議的交流信號。b ）

12、模擬的420mA 信號用于控制閥位，定位器可以用模擬信號發生器進行閥位調校。c）HART信號主要用于定位器的設定和組態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：a）信號的傳輸是通過 PROFIBUS 或Fieldbus 協議的區域總線進行的。b ）定位器不能直接接受 420mA的模擬信號。c）定位器中含有符合相關協議的輸入，輸出及PID控制模塊。d ）檢查和調校定位器；必須用能與定位器進行通訊和含有應用軟件的設備進行。4 .定位器的基本功能1 ） 比例動作和定位作用比例動作：根據輸入的信號，使閥門的閥位與輸入信號相對應。定位作用：當

13、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輸入信號與閥門位置的偏差對輸出信號進行調整的，一旦輸入信號與閥門位置有偏差，定位器將自動調整輸出信號以改變閥位，直到閥位與輸入信號相對應為止，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控制，當摩擦力變化時（指閥桿的填料、執行器的密封等部分的摩擦力）；定位器可以根據由摩擦力造成的位置偏差，自動增加或減少輸出到執行器的壓力，以克 服摩擦力對閥門開

14、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。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） 和設定參數 （數字定位器） 來改變閥門的流量特性。 SAMSON 定位器中只有數字定位器（ 3730-2/3 ，3780 ，3785 ， 3787 ）和在角行程應用時的 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是：通過改變定位器輸入信號和閥位的關系來改變閥門的 開度，實現不同的閥門流量特性。我們看一下通過閥芯形狀實現等百分

15、比特性和通過定位器實現等百分比特性有何不同呢？ 當利用閥芯形狀改變調節閥的流量特性時， 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的。（但實際閥門內部的開度是不同的）而通過定位器實現等 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系有明顯的不同，而且它們 關系與閥門的結構和類型以及閥門固有的流量特性有關。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 ） . 信號轉換 / 分程控制我們可以通過定位器實現電 / 氣轉換，也可以利用定位器來實現閥門的分程控制。8 ） . 閥門故障診斷（數字

16、定位器）在數字定位器中，我們可以利用定位器實現對閥門的故障進行診斷。9 ） . 整合其它功能（回訊 開關，電磁 閥，位置變送器等） 利用定位器我們可以將：回訊開關，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。5 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 ；數字定位器有：

17、 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：已經整合在 3274 ， 5824 等電動執行器中。結束語由于定位器在閥門使用中起著舉足輕重的作用，如何在實際應用中選用好定位器，對閥門的 性能價格比，過程控制的穩定性有很大關系，我們只有充分理解和了解定位器，才能充分發揮它 的作用。二、 調節閥調節閥主要工作原理， 是靠改變閥門閥瓣與閥座間的流通面積， 達到調節壓力、 流量等參數的目的。本節主要介紹調節閥的閥體和閥芯的主要結構，調節閥的流量

18、特性以及有關閥 芯氣蝕噪音問題的解決方法。1 閥體結構a 直通單座閥 （GLOBE）閥體內只有一個閥座和密封面， 結構簡單 ,密封效果好 ,是使用較多的一種閥體類 型。特點：泄漏量小，閥前后壓差小。圖 2-1I 圖2-1直通單座閥b直通雙座閥（GLOBE）圖2- 2閥體內有兩個閥座和密封面，流通能 力大，不平衡力小，但泄漏量大，切斷效 果差，是使用較多的一種閥體類型。變正裝為反裝極為方便。c 套筒閥（CAGE）圖2-3也叫籠式閥，閥體與一般直通單座閥 相似，內部有一個圓柱形套筒（籠子）導向套筒上開有窗口用于決定流量與流量 特性閥芯上可開有平衡孔，減小不平衡力套筒閥可調比大，振動小,不平衡力小

19、互換性好，可適用于大部分單雙座閥的應用場合圖2-2直通雙座閥圖不適用于有顆粒及較臟污介質 是使用最為廣泛的一種閥體類型 球閥、蝶閥、隔膜閥等都可以作為調 節閥-9 -# -2-3套筒閥-# -1HHMI快開等百分比圖2-4套筒閥閥芯圖2-5球閥2 調節閥流量特性 直線流量特性 等百分比流量特性 快開流量特性 拋物線流量特性圖2-7特性曲線-11 -直線流量特性相對流量與相對開度成直線關系，即單位行程引起的流量變化是常數等百分比流量特性單位行程變化引起相對流量變化與該點的相對流量成正比，即放大系數是變化的， 但是相對流量的變化是常數。快開流量特性相對行程變化引起相對流量的變化與該點相對流量成反比

20、，其作用與等百分比相反拋物線流量特性相對行程的變化引起相對流量的變化與該點相對流量的平方根成正比。 介于直線與等百分比之間彌補了直線特性小開度調節性能差的缺點流量特性與閥芯的關系柱塞式閥芯（頂部導向）圖&Y形口冊芯頂部和窿部導向）斌予流特性亦套簡（拄基式閥芯可與耒st于諼責特性的尊閒一盤使用1絃予養量特性的閱芯和套筒的張狀不同的閥芯形狀決定不同的流量特性蝶閥、球閥、隔膜閥、偏心旋轉閥固有特性不能修改套筒閥、柱塞閥、v形開口閥，可修改閥芯形狀改變流量特性 固有流量特性（壓差不變）工作流量特性（壓差變化）見下表：z<o.«««onfits詢it3執行機構

21、1）氣動執行機構閥門氣動驅動裝置安全、可靠、成本低，使用維修方便，是閥門驅動機構中的一大分支。氣動裝置在具有防爆要求的場合應用較多。閥門氣動驅動裝置采用氣源的工作壓較低， -般為0.31.0MPa ;結構尺寸不大，閥門氣動驅動裝置的總推力也不很大。氣動執行機構有氣動薄膜執行機構、氣動活塞式執行機構、長行程執行機構、側裝式氣動薄膜執行機構A氣動薄膜執行機構彈簧，正作用多彈簧，反作用氣動薄膜執行機構是一種應用最廣泛的執行機構，它通常接受0.020.1MPa 或 0.040.2MPa的氣動信號。分正作用和反作用兩種形式，如下圖:-13 -# -（a） 正作用（b）反作用當信號壓力增加時推桿向下移動的

22、叫正作用執行機構；信號壓力增加時推桿向上移動的叫反 作用執行機構。較大口徑的調節閥都采用正作用式執行機構。工作原理：信號壓力通過波紋膜片的上方（正作用式）或下方（反作用式）進入氣室，在波 紋膜片上產生一定的作用力，使推桿移動并壓縮或拉伸彈簧，當彈簧的反作用力與膜片上的作用 力相平衡時，推桿就穩定在一個新的位置。信號壓力越大，作用在波紋膜片上的作用力越大，彈 簧的反作用力越大，即推桿的位移越大。正作用和反作用形式的執行機構一般從型號上可以分別，如國產正作用式執行機構的型號為 ZMA型，反作用式的為 ZMB型。-# -氣缸橫式執行機構PlL -一1-# -A BV B單作用（彈簧返回）指示器電容器

23、接線端子限位開關/力矩開機體底座渦輪、蝸桿動力轉動軸套手柄雙作用（無彈簧）2）電動執行機構電動執行機構一般由電機、減速箱、手操機構、機械位置指示機構等一些部件組成。與其他閥門驅動裝置相比，電動驅動裝置具有動力源廣泛，操作迅速、方便等特點，并且容易滿足各種控制要求。所以，在閥門驅動裝置中，電動裝置占主導地位。電動執行機構的構造4 執行機構的調試1） 氣動頭調試氣動執行機構的調試，主要是對定位器進行調試。首先將閥門放至全關位置，為保證閥門關閉嚴 密，擰閥桿上連接螺母至擰不動為止，閥芯和閥座肯定接觸緊密了，此時調整閥桿行程刻度牌至零位，然后接通氣源，用減壓閥將氣源壓力調至所需壓力，然后用信號發生器給

24、定位器輸入4mA電流，調整定位器上的零點調整手輪至閥門剛剛開始動作為止，接著再輸入20mA電流，根據行程刻度，調整零點調整手輪和量程調整裝置使閥桿行程為全開，然后重復輸入4mA和20mA的步驟，直至閥門滿足 4mA全關和20mA全開的要求。為了保證閥門在4mA的時候關緊，在調試時可以輸入4.104.15mA電流作為全關的信號，這樣在實際工作狀態下4mA電流肯定能將閥門關緊。反諭打.桿幣岀壓力阻吐組件口 丘摘楓電動頭調試2)-15 -電動執行機構調試時，用手輪將閥門開至中間位置，然后給開或關的信號，看閥門是否向正確方向動作，如果相反，則電機反轉，只需將電機三相電源的兩相調換即可。力矩開關 出廠后

25、已經整定好，一般不需調整，如需調整，則查找說明書對應力矩開關上的刻度值調整。行程開關的調整分關向和開向，關向調整時，將閥門手動致全關”用起子壓下頂軸，并旋轉90°可卡住為止，按關向箭頭旋轉關向調整螺母，直到關向轉動柱動作，使轉動柱上的凸 臺與兩旁箭頭方向基本一致為止（非動作狀態，凸臺方向與箭頭方向垂直），旋回頂軸復位,開向調整時，手動將閥門致 全開”用起子壓下頂軸，并旋轉 90°可卡住為止，按開向箭頭 旋轉開向調整螺母，直到開向轉動柱動作，使轉動柱上的凸臺與兩旁箭頭方向基本一致為止， 旋回頂軸復位。之后給出開、關信號，看閥門是否達到要求。5調節閥的選型1）型號編制說明1表示

26、溫度整機作用方式表示公稱壓力。分別以16、 40、 64表示調節閥的結構形式。直通雙座以“N ”表示，直通單座以“ P'表示執行機構結構特征，有彈簧直程正作用為“A ”，有彈簧直程反作用為“B ”氣動薄膜執行機構以“ M ”表示。該字母不變第一部分第二部分尾注執行器大類，以“ Z”表示，該字母不變型式氣開氣關代號KB尾注對照表12）調節閥氣開、氣關的選擇和正反作名稱普誦型長頸型散（吸）熱型波紋管密封代號(-20 C 200 C)D(-60 C 250 C)G (-60 C 450 C)V尾注對照表2-17 -用的確定調節閥氣開、氣關的選擇主要從工藝生產需要和安全要求考慮。原則時：當信號

27、壓力中斷時， 應保證工藝設備和生產的安全。如閥門處于全開位置時危險性小，則應選擇氣關式，反之應選氣 開式。由于執行機構有正作用和反作用兩種，閥也有正裝和反裝兩種，因此，實現調節閥的氣開、氣關有4種組合方式，在確定了調節閥的氣開、氣關形式后，必須根據閥的這一形式來確定調節器的正作用和反作用。6. PID參數的整定現場調試整定PID參數的原則：要使控制系統的過渡過程盡量短。最大偏差和超調量要小。擾動作用后，減幅振蕩的次數盡可能少。 恒溫曲線要求盡可能平直。靜差要小。整定PID參數的經驗口訣：序號執行 機構閥調節閥a正正氣關b正反氣開c反正氣開d反反氣關整定參數尋最佳，從小到大順次查。先是比例后積分

28、，最后再把微分加。曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大。曲線漂浮繞大彎，比例度盤往下減。曲線偏離回復慢，積分時間降下來。曲線波動周期長，積分時間再加長。曲線振動頻率快，先把微分降下來。動差大而波動慢，微分時間應加大。理想曲線兩個波，調節過程質量高。對于PID控制的場合，如果PID參數不確定需要采用自己編寫程序或人工方式調整，可以按照F面的步驟進行:1）.啟動裝置，觀察裝置運行情況，按下表逐步調整（表中數據為舉例）:調整順序12- 3調整順序比例帶P寬（20%）中（ 10%窄（5%n積分時間1（弱作用）200秒（中度作用）100秒（強作用）50秒微分時間D（強作用）40秒（中度作用）20秒（弱作用）10秒注：®比例帶過窄（P值過小）容易產生振蕩動作。.一般情況下微分時間與積分時間的關系：D=I *（ 46 ）。 在電機、調節閥的控制場合，為了延長電機壽命，通常把 D值設為0秒，即取消微分動作。 成品儀表默認的PID參數一般為：5%, 120s , 30s。設定值2）.裝置啟動后根據PV （測量值，即控制對象實際值）調整參數的方法：-# -# -超程大（超調、過沖大）：見圖1。方法：先把P值調小（比例帶變窄）如果還產