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1、电仪作业部仪表一部 仪表维护一班 李会军 定位器原理及故障处理 在生产过程中 控制系统对阀门提出各种各样的特 殊要求 因此 调节阀必须配用各种附属装置 简称附 件 来满足生产过程的需要 例如 l为了改善调节阀的静态特性 线性度 和动态特性 响应 要配用阀门定位器 l为了转换电 气信号 要配用电 气转换器 l为了使工作动力气源保持干净和保持一定的压力 要 配用空气过滤减压器 l当气源中断时 为了使调节阀仍能保持一定压力信号 需要使用气动保位阀实现对调节阀行程的自锁 总之 附件的作用就在于使调节阀的功能更完 善 更合理 更齐全 阀门定位器的分类 按输入信号分为气动阀门定位器和电 气阀门定位器 按动
2、作的方向可分为单向阀门定位器和双向阀门定 位器 按阀门定位器输出和输人信号的增益符号分为正作 用阀门定位器和反作用阀门定位器 按阀门定位器输入信号是模拟信号或数字信号 是 否带CPU和通讯功能 可分为普通阀门定位器和智能 电气阀门定位器 其中包括现场总线阀门定位器 阀门定位器的反馈信号的检测方法也有多种 无定位器的调节阀 首先看一下没有加装阀门定位器的情况 在没有加装阀门定位器的情况下 系统处于开环状态 如下图所示 Y K Z 根据方框图可知输入与输出的关系为 Y ZK 上式表明了调节阀输入与输出的关系 很明显调节阀 输入与输出之间没有约束关系 输出只取决于调节阀 的放大倍数 带定位器的调节阀
3、 阀门定位器的用途 l用于高压介质 当调节阀用于高压介质时 为了防止流体从阀杆 填料处泄漏 经常把填料压盖压得比较紧 因此 在阀 杆产生很大的静摩擦力 使阀杆行程产生误差 配用定 位器之后 能够克服这些摩擦力的作用 也能克服流体 不平衡力的作用 明显地改善了基本特性 l用于高压差 当调节阀两端的压差大于1 MPa时 介质对阀芯 产生较大的不平衡力 此力将破坏原来的工作位置 使 控制系统产生扰动作用 尤其是对单座调节阀 使用 定位器 可以提高输出压力 增大执行机构的输出力 克服不平衡力的作用 阀门定位器的用途 l用于高温或低温 当温度过高或过低时 由于阀杆与填料之间 的摩擦力增大 使调节信号与阀
4、门的行程之间产生 较大的误差 配用定位器之后 可以克服摩擦力的 影响 l用于介质中含有固体悬浮物 粘性流体 含纤维 易结焦的场合 可以克服这些介质对阀杆移动所产 生的较大阻力 阀门定位器的用途 l增加执行机构的动作速度 当调节器与调节阀相距较远时 气动信号管比较 长 为了克服信号的传递滞后 可使用阀门定位器 让 调节器输出的信号直接转换成气压信号去操作调节阀 在调节器与调节阀的距离超过60m时 效果比采用继动器 要好得多 l用于调节阀口径较大的场合 当调节阀口径DN大于100mm 蝶阀口径大于250mm时 由于阀芯重 阀芯截面大及执行机构气室容积增大 响应特性变差 改善特性的方法之一就是配用阀
5、门定位 器 阀门定位器的用途 l用于活塞式执行机构的比例动作 可以用单向定位器 也可以用双向定位器 阀门定位器的用途 l实现调节阀反向动作 相当把气关改成气开 阀门定位器的用途 l改善调节阀的流量特性 调节阀的流量特性可以通过改变反馈凸轮的几何 形状来改变 因为反馈凸轮的几何形状不一样 能改 变调节阀对定位器的反馈量 使定位器的输出特性变 化 从而改变调节器的输出信号与调节阀位移之间的 关系 即修正了流量特性 l操作非标准信号的执行机构 当以气动调节器的标准信号20 l00kPa去操作非 标准信号40 200kPa 的气动薄膜执行机构时 可以有 两种方法 一种是在调节器与执行机构之间配用一个1
6、 2的气动继动器 把信号压力放大一倍 另一种方法 就是采用阀门定位器 阀门定位器的用途 l用于分程控制 气动 两台定位器由一台气动调节器来操纵 一台定 位器的输人为20 60kPa 另一台定位器为60 l00kPa 控制调节阀的阀位均为0 l00 行程 阀门定位器的用途 l用于分程控制 电 气 两台定位器由一台电动调节器来操纵 一台定 位器的输人为4 12mA 另一台定位器为12 20mA 控制 调节阀的阀位均为0 l00 行程 分程调节特性曲线图 喷嘴挡板机构 间隙 和节流通室压力PB的关系见下图 当 O时 喷嘴背压PB 接近于气源压力 但 又达不到气源压力 因为挡板不能堵死喷嘴 总有漏气的
7、现象 当 值超过一定数值后 不管挡板离得多远 背压变化都不大 因 为挡板已不能影响喷嘴的排气 但喷嘴本身 仍有一定的阻力 产生残余背压 若喷嘴直 径D比恒节流孔直径d大得多 就可使残余背 压降低到相当小 从特性曲线可以看出 曲线不够陡 也不直 即喷嘴挡板机构的 灵敏度与线性均不好 在喷嘴挡板的加工精度不高 挡板与喷嘴 的轴线不垂直时 特性曲线a以上这段性能不好 常常只用中间a b段 在此段 挡板位移与PB的变化比较符合线性规律 并且 斜率也较陡 在此段内各点均有较大及较稳定的放大倍数 机构 工作既灵敏又稳定 与曲线a至b这一段相应的位移 b一 a 一 般只有百分之几毫米 气动喷嘴挡板放大机构的
8、优点是 尺寸小 结构 简单 紧凑 没有运动的摩擦零件 工作可靠 牢固耐用 成本低廉 缺点是容易被空气中的夹 杂物堵塞 如果连续不断地工作 气源经过净化 并且压缩空气不断地由里往外吹 一般是不会 堵死的 但要特别注意防止气源中含油 由于恒节流孔流通截面很小 喷嘴挡板机构的功 率就很小 压力的变化也不够 而执行机构膜片 上部的气室容积很大 工作时就必须要有很大的 气量流入执行机构 因此 这种机构是不能单独 用以输出的 一般喷嘴挡板放大器的输出压力 要先经过一个功率放大器 然后再送到执行机构 中去 功率放大器 l现在广泛采用耗气式放大器 它是由放大器阀体 膜 片 恒节流孔 阀杆 钢球 簧片 喷嘴挡板
9、 密封橡 皮垫片 盖板等组成的 1一膜片 2一阀杆 3一恒节流孔 4一钢球 5一簧片 6一上盘 7一壳体 气动阀门定位器 气路切换开关 切换气路组件用于定位器发生故障时 将输 入信号直接切换到气动薄膜执行机构的膜头 气室 使控制阀仍可运行 切换气路组件由 切换开关和外部气路板组成 切换开关分平 板式 锥体式两种 外部气路板用于气路连 接 并提供三个压力表 分别显示定位器的 输人信号 输出信号和气源压力 平板式 锥体式 凸轮组件 凸轮组件包括反馈凸轮 转轴和反馈杆 它 将执行机构阀杆位移的变化L转换为凸轮的转 角变化 并将转角变化转换为滚轮的升量 P 输入和输出是非线性关系 为此 在定位器 中
10、通常采用偏心凸轮进行非线性补偿 使 输人位移信号L与滚轮的升量P成线性关系 电 气阀门定位器与气动阀门定位器的区别 将气动阀门定位器的波纹组件改为力矩马达 实现正反作用的方式不同 电气阀门定位器改变 正反作用方式只需要将输入电流的方向改变 没有能量限制电路可以 不需要象气动阀门定位 器那样 要将波纹管安装在相反的方向 为实现力矩平衡 电气阀门定位器杠杆上各受力 点的位置有所改动 例如图中电磁力矩与反馈力 矩有相等的力臂 由于采用电流输入 因此 带来防爆问题 在有 些场合 电气阀门定位器要采用防爆措施 而气 动阀门定位器是本质安全型仪表 电 气阀门定位器原理图 电 气阀门定位器的防爆措施 电 气
11、定位器中力矩马达的线圈匝数一般都在数 千圈以上 故线圈是一个高能元件 当定位器引接 线或线圈开路 断路的瞬间 产生反电动势 在断 开处放电 可引燃爆炸物而发生爆炸或火灾 为了 保证电 气阀门定位器的防暴性能 要有一定的保护 措施 1 定位器必须与输出式安全栅串联使用 组成安全 火化回路 2 定位器输入信号4 20mA是由输出式安全栅供给的 最大输出电压 30V 最大输出电流30mA 因此限 制了能量 3 定位器限能回路见后图 安全火花型电路原理 角行程定位器 安装 阀门定位器的规范安装方式 阀门定位器的规范安装示意图 通过求解得到上述曲线 通过对这条曲线的分析可知 这是一 条标准的反三角函数的
12、曲线 它是以输入 输出点均为50 为中 点向两侧对称展开的曲线 它的特点是对称性极强 所以很容 易补偿 一般制造者多采用反馈补偿板或反馈凸轮 也有叫反 馈曲线板 补偿成一条与输入相对应的一条直线 从而保证了 反馈的精度 保证了阀门开度与输入信号的 一种不规范的安装方式 这种安装方式带来的现场实际现象是 阀门的始端和 终端无法与信号对应 其范围基本与水平线和行程中 点的偏差相等 也就是说水平线和行程中点的偏差越 大 阀门行程的始端和终端的死区和非线性区就越大 同时调节阀的线性也越差 就此而论反馈杆的水平 中心线是否与行程的50 点重合 关系到调节阀的线性 及行程的始端和终端的死区影响 结论 l反
13、馈补偿板或反馈凸轮 也有叫反馈曲线板 在设计时 已经被设计成以反馈行程的50 为中点 向两侧对称展开的反馈曲线板并被定型安装于阀 门定位器内 中点时反馈杆正处于水平位置 l所以 在安装时一定要认真将阀门定位器反馈杆 处于水平位置且与阀门开度的50 点重合 在现场 出现不规范安装时一般的现象表现为 线性度差 调整过程中始端或终端出现死区 反馈连杆的有效长度 系统放大倍数的大小确定了系统的灵敏度 那反馈系 统的灵敏度当然也与其系统的放大倍数关系密切如图 阀门定位器使用及调校中的误区 有人认为 调节阀不好用均可以通过对定位器内件 的调整来解决 其实不然 首先要保证调节阀性能 和质量没问题及阀门定位器
14、正确安装 只对阀门定 位器的零点及量程稍做调整 即可完成对整个执行 机构的校验 阀门定位器使用及调校中的误区 有人说 定位器的输入与输出及阀门的开度应 一致 这有些不妥 一般情况下不应考虑定位器的 输出是否与输入信号或阀门的开度相一致 应考虑 定位器的输入是否与阀门的开度相一致 定位器的 输入与输出及阀门的开度应一致在现场运行状态下 是不可能的 因为在现场运行状态下条件工况很复 杂 各种阻碍阀门运行的附加力都需要克服 例如 不同流量下流体对阀芯的不平衡力 不同密度的 介质对阀芯的冲击力 不同安装方式对阀芯的作用 力等 这些力在调节阀的制造中是无法考虑的十分 周全的 都要靠定位器来逐一克服 这样
15、一来就需 要定位器的输出超出其正常的需要 所以应考虑输 入信号与被控调节阀的实际开度是否对应 不必苛 求中间环节 阀门定位器使用及调校中的误区 阀门定位器内部有零点和量程调整机构 在使 用时要注意 要尽量使其在中点位置左右 可以通 过对反馈杆长度的调整来达到 不然长期运行会 对阀门定位器内部的弹性元件造成一定的损坏 缩 短阀门的使用寿命 建议在使用零点和量程调整机 构时 其调整幅度应在以中点位置为基准的 20 也就是最好在可调范围的30 70 之间 阀门定位器使用及调校中的误区 阀门定位器安装是否规范 是发挥其应有作用 的重要一环 安装时应使阀门开度置于50 阀门 定位器反馈杆处于水平位置且与
16、阀门开度的50 点 重合并与运行直线相垂直 这样就能提高反馈的精 度 并保证执行机构的线性度 调整反馈杆的长度 合理的选择反馈放大倍数 可以使执行机构的静 特性得到提高 阀门定位器使用及调校中的误区 执行机构的综合性能得到保证对整个过程控制 系统的实际使用具有十分重要的意义 在自动过程 控制系统中 设备附件的安装与使用是一个关键环 节 是不容忽视的 电 气阀门定位器的安装调校 按执行机构正反作用方式 确定反馈部件的安装方向 校正比例臂位置 使反馈比例臂处于调节阀行程的50 使 比例臂处于水平位置 这一点十分重要 否则将出现线性不 好 甚至产生故障 上下调整 校正比例臂刻度 将反馈连接点按执行机构行程数值固定于 比例臂相对应的刻度上 左右调整 确定弹簧范围 向调节阀送工作气源 零位调整 给定信号电流4mA 通过顺时针 输出增大 或反 时针 输出减小 旋动调零螺钉 使阀杆有微小的位移即可 量程调整 给定信号电流8 12 16 20mA 使阀杆行程对 应值为25 50 75 100 若量程偏大或偏小 可 进行量程调整 每调整一次行程 零位需重新调整 通过几次零位和量程的反复调整合格后 给定信
