定位器原理及故障处理

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 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 为了转换电 气信号 要配用电 气转换器 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 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 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 阀门定位器的用途 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 用于高压差当调节阀两端的压差大于1MPa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 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 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 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 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门定位器 阀门定位器的用途 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 反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 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 给定信号 观察其稳定性和重复性 然后即可投入运行 阀门定位器故障 普通定位器采用机械式力平衡原理工作 即喷嘴挡板技术 主要存在以下故障类型 因采用机械式力平衡原理工作 其可动部件较多 容易受温度 振动的影响 造