阀门定位器、电气转换器概述及工作原理.doc

阀门定位器、电气转换器概述及工作原理阀门定位器是调节阀的主要附件，它将阀杆位移信号作为输入的反馈测量信号，以控制器输出信号作为设定信号，进行比较，当两者有偏差时，改变其到执行机构的输出信号，使执行机构动作，建立了阀杆位移信号与控制器输出信号的一一对应关系。因此，阀门定位器组成一阀杆位移为测量信号，以控制器输出为设定信号的反馈控制系统。阀门定位器按输入信号分为气动阀门定位器和电气阀门定位器。气动阀门定位器的输入信号是标准气信号，如20100kpa气信号，而电气定位器的输入信号是标准电流或电压信号，如420mA或15V，在定位器内部将电信号转换为电磁力，然后输出气信号到气动调节阀。气动阀门定位器可与气动薄膜调节阀、气动活塞调节阀配套使用，它接受气动调节仪表给出的20100kPa 信号来控制调节阀的行程，又经过反馈系统的作用，确保阀芯位置按调节仪表来的气动信号，准确执行，从而实现阀芯的正确定位。电气阀门定位器与气动调节阀配套使用，构成闭环控制回路。把控制系统给出的直流电流信号转换成驱动调节阀的气信号，控制调节阀的动作。同时 根据调节阀的开度进行反馈，使阀门位置能够按系统输出的控制信号进行正确定位。加入阀门定位器后，组成以阀杆位移量为副被控变量的副回路，它与原有单回路控制系统组成串级控制系统，原控制系统的被控变量成为串级控制系统的主被控变量，因此，添加阀门定位器可改善控制系统功能。由于采用凸轮作为反馈环节，因此，改变凸轮形状能有效地改变副回路的增益，补偿被控对象的非线性特性。对于只有固定流量特性的阀门如蝶阀，定位器可使用一个特性化的凸轮去提高修正后的流量特性。电气转换器是电动单元组合仪表转换单元中一个品种，接受的电动调节仪表给出的直流信号，按比例地转换输出20100Kpa气动信号，作为气动薄膜调节阀、气动阀门定位器的气动控制信号，也可作为气动仪表的气源，实质上它起到电动仪表与气动仪表之间的信号转换作用。现在有人将它安装在气动阀门上来代替电气电位器使用，认为它使用起来更方便，因为不需要安装反馈杆。这值得探讨，但从理论上来说，是不可取的，正因为没有反馈环节，不能成为一个闭环控制系统，所以控制精度肯定大有问题。一般来说，电气转换器要与气动定位器配套使用，才能实现对阀门的准确定位。至于阀位变送器，是提供连续反馈信号以指示阀或执行机构位置的一种设施，用于信号指示、监视执行机构性能等，其实质就是将位移量转换成标准的420mA电信号，输出供控制系统检测，一般安装于气缸上，机械反馈杆与阀杆或执行机构输出杆相连。当然，现在已经有带反馈的电气阀门定位器，来代替它，但在某些地方，它仍有自己的用途。阀门定位器的用途阀门定位器是与气动执行器配套使用的。它接受控制器的输出信号，它的输出信号去控制控制阀运动。顾名思义，阀门定位器的功能就是使控制阀按控制器的输出信号实现正确的定位作用。阀门定位器是气动执行器的主附件，它与气动执行器配套使用，阀门定位器具有以下用途：（1）提高阀杆位置的线性度，克服阀杆的摩擦力，消除被控介质压力变化与高压差对阀位的影响，使阀门位置能按控制信号实现正确定位。（2）增加执行机构的动作速度，改善控制系统的动态特性。（3）可以20100kPa的标准信号压力去操作40200kPa的非标准信号压力的气动执行机构。（4）可实现分程控制，用一台控制仪表去操作两台控制阀，第一台控制阀上定位器通入2060kPa的信号压力后阀门走全行程，第二台控制阀上定位器通入60100kPa的信号压力后阀门走全行程。（5）可实现反作用动作。（6）可修正控制阀的流量特性。（7）可使活塞执行机构和长行程执行机构的两位式动作变为比例式动作。（8）采用电/气阀门定位器后，可用420mA DC电流信号去操作气动执行机构，一台电/气阀门定位器具有电/气转换器和气动阀门定位器的双重作用SAMSON电气阀门定位器改善控制阀性能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。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，其目的是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。 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)：图1 Function Diagram of 6111图1A Type 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 ，这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，产生向上的力挡板（6）靠近喷嘴（7）使背压（PK）增加膜片（8.3）打开阀芯（8.5）输出PA。 当输入信号减少时；挡板（6）离开喷嘴（7）背压（PK）减少输出压力（PA）作用下膜片（8.3）阀芯（8.5）关死输出压力通过阀芯（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。 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。图2 1.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/气转换器（21） 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）；定位器为正作用图3A）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）向左动作压紧弹簧（6），挡板（10.2）靠近喷嘴（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）向右动作挡板（10.2）离开喷嘴（10.1）输出气压（Pst）。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压紧执行器弹簧压紧弹簧（6）反馈风箱中连杆（9）向右动作挡板（10.2）离开喷嘴（10.1）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放松弹簧（6）反馈风箱中连杆（9）向左动作挡板（10.2）靠近喷嘴（10.1）输出气压使执行器向上运动使阀位回到原来的地方。 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：图4 3780 Positinoer图5 Function Diagram of 3780 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.HART 定位器 HART定位器同模拟定位器的主要区别是： 1）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。 2）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。 3）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： 1）信号的传输是通过PROFIBUS 或Fieldbus 协议的区域总线进行的。 2）定位器不能直接接受420mA 的模拟信号。 3）定位器中含有符合相关协议的输入，输出及PID 控制模块。 4）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。 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。 根据阀门的作用方式我们可按表1来设定定位器的正、反作用。 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。我们通过表2看一下通过阀芯形状实现等百分比特性和通过定位器实现等百分比特性有何不同呢？从表2我们可以发现：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。 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。