定位器原理及故障处理

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
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。
气动 20 电气 4
60 12
气动 20 电气 4
60 12
气闭
1闭1开
分程调节特性曲线图
喷嘴挡板机构
恒节流孔 节流通室 喷咀
p2 pB
D
气源
d
输出
δ
间隙
► 间隙δ和节流通室压力PB的关系见下图。当
δ≈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δ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。
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。
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Φ ，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。
正作用执行机构
波纹管安装在右侧，凸轮正装
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。
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
ΔZ
K
ΔY
根据方框图可知输入与输出的关系为 ： ΔY = ΔZK 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Ｋ。
带定位器的调节阀
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。
一种不规范的安装方式
A 定位器 100%
水平中心线 O C
50%
反馈连杆
B
0%
角度 100%
40%
开度 40% 100%
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。
气源
输出
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
反作用执行机构
波纹管安装在右侧，凸轮反装
正 作 用 定 位 器
气源 输出
正作用执行机构
波纹管安装在左侧，凸轮正装
气源 输出
反作用执行机构
波纹管安装在左侧，凸轮反装
反 作 用 定 位 器
气源 输出 输出
气源
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
输入信号
电
磁力线圈
力矩
+
喷嘴挡板
背压
功率放大器
气压
执行机构
位移
-
力矩
反馈弹簧 电/气阀门定位器工作原理方框图
行程调整杠杆
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。
► 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。
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

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
A
O
C
D
E
B
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。
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。
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
4——20mA
4——20mA
输出式 安全栅
+
D3
+
D1 D2
接线盒
-
D1、D2保护性元件
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
A 定位器 100%
水平中心线
O
α
M
C
50%
反馈连杆 B
0%
阀门定位器的规范安装示意图
Y(S) 角度
100%
AC BC Arctg OC OC
气源 气源
I/P +
-
I/P +
-
+ 调节器
-
阀开度 100%
阀开度
A
B
100 KPa 20 mA
Biblioteka Baidu100%
A
B
100 KPa 20 mA
气动 20 电气 4
60 12
气动 20 电气 4
60 12
气开
1开1闭
阀开度 100%
阀开度
A
B
100 KPa 20 mA
100%
A
B
100 KPa 20 mA
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 B 2 5 6
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
D
至喷咀挡板
3 A 7
通大气 输出
气源
4
气动阀门定位器
迁移弹簧
P信号压力
反馈弹簧 调零弹簧
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。
50%
50%
100%
X(S) 开度
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
阀门定位器使用及调校中的误区
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：
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。
PB PB` Pa
a
b
Pb
0
δa
δb
δ
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δb一δa，一 般只有百分之几毫米。