控制阀执行机构的应用与选择

迄今为止，控制阀上最常采用的是气动执行机构，其优势包括：
•比电动执行机构成本更低。
•机械设计简单，便于维修与维护。
•与电动执行机构相比，响应速度更快，可在发生故障时自动关闭。
•基于所用弹簧和气压的高推力和关闭能力。

典型的气动执行机构由弹簧加载，气压被施加于执行机构，而隔膜与执行机构弹簧相对，关闭、打开或保持部分打开阀门。气动执行机构可以使用单弹簧或多弹簧的排列。虽然单弹簧执行机构具有结构简单的优势，但执行机构中的多弹簧可以增加稳定性并减少滞后。气动控制阀的滞后是由于执行机构和阀门对施加于执行机构上的同一信号的响应时差，其值有增减之分。这是对控制阀精度的度量。

根据执行机构中弹簧和隔膜的方向，当失去控制空气时，气动致动机构可设置为故障关闭型或故障开启型。对于反向作用执行机构，弹簧施加力以关闭阀门，并随着空气信号的增加而构成气开式（ATO）。当空气信号减少或失去时，执行机构将关闭阀门。对于正向作用执行机构，弹簧施加力以打开阀门，并随着空气信号的增加而构成气闭式（ATC）。执行机构将在空气信号减少或失去时打开阀门。系统要求、应用条件和客户偏好将决定是选择故障开型还是故障闭型执行机构。

无论气动执行机构是反向作用还是正向作用，当连接到控制阀时，必须具有基准设置。基准设置是指与控制阀连接之前，执行机构在空气压力下的预加载。进行基准设置是为了确保执行机构以正确的力关闭控制阀，以执行关断。在下图中，弹簧设置范围为3-15psig的反作用ATO执行机构与基准设置为1psig的控制阀相连。这意味着在连接到阀门之前，执行机构会承受4psig的气压。这可确保当向执行机构施加3psig的气压时，阀门将被关闭。从递增和递减信号之间的差异中可以看到滞后现象。在当前基准设置下，阀门在3psig下关闭，在4psig下开始打开，达到16psig时完全打开，在15psig时开始关闭。

气动执行机构的弹簧设置和膜片尺寸将影响可应用于控制阀的关闭压力值。在许多情况下，可以选用一系列的弹簧和膜片尺寸。

连接到控制阀

但最常见的弹簧设置为3-15psig。这一弹簧设置与气动控制系统使用的标准控制信号相对应。但是，当需要更高的关闭压力，且超出了这一弹簧设置所能达到的压力时，通常就需要提升膜片尺寸或弹簧设置。在弹簧设置较高的情况下可以这样做，但必须考虑所需的空气压力。通过使用I-P转换器或阀门定位器，可以获得旨在提升弹簧设置的更高空气压力。

图2可以看到Cv为13的1英寸阀门的最大关闭压力为87psig（27平方英寸执行机构，弹簧设置3-15psig）。如果阀门需要125psig的关闭压力，则阀门执行机构有两种选择。采用54平方英寸的较大执行机构尺寸，弹簧设置为3-15psig，1英寸阀内件对应198psig的关闭压力。另一个选择是采用较小执行机构尺寸，弹簧设置提高到6-18psig，27平方英寸执行机构也将具有198psig的关闭压力。但是，对于这种更高的弹簧设置，控制信号需要增加到6-18psig以使阀门动作，或者必须使用I-P转换器/阀门定位器。

I-P转换器被用作将控制空气压力转换并提升至气动执行机构的一种简单的方法。这个装置使用一个线圈和磁体来施力并操作比例气动阀。大多数情况下，I-P转换器有mA或VDC输入信号，该信号被转换为选定的输出压力范围，如3-15psig或6-30psig。但使用I-P转换器存在一个缺点，即它不能在关闭的信号条件下释放空气压力。如，一只I-P转换器可将4-20mA电信号转换为3-15psig气动控制空气信号。对于故障关闭型反向作用执行机构，执行机构的正确基准设置对于确保从I-P转换器发送3psig空气压力时实现关闭至关重要。

另一个常用的推荐选项是阀门定位器。与I/P变换器不同的是，阀门定位器并不是简单地转换信号，而是会在信号与相应的阀门位置之间建立关系。如，对于3-15psig的控制信号，3psig将使反向作用执行机构关闭，而15psig则将使其完全打开。阀门定位器将利用这种关系以及反馈杆和内部气动控制装置，来控制执行机构的空气加载压力。供气压力必须足够高，以便在整个执行机构弹簧设置范围进行操作。

除了阀门本身，定位器是一个额外的控制元件，它能提供可重复性并提高了控制阀的精度。除了控制信号（气动或电动）外，定位器还需要空气加载压力。这通常由工厂空气系统提供，必须高于执行机构的弹簧设置，但不得超过执行机构的最大压力额定值。

阀门定位器的另一个好处，是它能够在关闭信号下释放执行机构的空气压力，从而增加执行机构施加的关闭推力。如前所述，定位器在控制信号与阀门位置之间建立关联。例如，针对反作用执行机构上的4-20mA输入信号设置的正确校准的定位器，将在4mA控制信号下将空气加载压力完全释放至0psig。这能使执行机构施加最大的关闭推力来关闭阀门。

常见的定位器类型有三种，都适用于室内或室外安装。

气动阀门定位器

与全气动控制系统一起使用时，气动控制信号转换为执行机构的气动空气负载。输入控制信号可设置为标准的3-15psi，或更改为3-9psi和9-15psi，以对应1/3、2/3分程控制位。校准到执行机构的输出空气负载，以匹配执行机构弹簧设置。对于电气控制昂贵且要求根本性安全的远程位置，气动阀门定位器是十分理想的。

电气气动定位器

与电气控制系统一起使用时，电气控制信号通过内部I-P转换为执行机构的气动空气加载压力。对于1/3、2/3分程控制位，控制信号可为4-20mA或更改为4-12mA和12-20mA。校准到执行机构的输出空气负载，用以匹配执行机构的弹簧设置。各种定位器外壳可满足防尘、防水和防爆应用中的不同电气外壳要求。阀门定位器可以包括一个可视的阀门位置指示器。在定位器的供气压力和输出空气加载管线上也建议使用压力表。电气气动定位器还可包括反馈信号至DCS或限位开关的选项。

数字式电气气动定位器

与上述电气气动定位器一样，数字式阀门定位器包括定位器的数字显示和校准。数字阀门定位器的附加选项不仅可用于反馈，还可用于通过有线或无线通信传回工厂DCS系统进行诊断。数字定位器还与HART、Foundation或Profibus系统兼容。

作为气动执行机构和定位器的替代品，电动执行机构正变得越来越普遍。电动执行机构不需要压缩空气和控制空气。但是，在使用电动执行机构时，客户必须了解一些限制。与气动执行机构相比，电动执行机构的速度和响应要慢得多。这可能是客户担心的问题，具体取决于所采用的控制系统和所控制的过程类型。另一个问题是断电时电动执行机构的故障模式。某些类型的执行机构可能配备了故障时的弹簧复位，而其它可能有内部电容器，或需要电池备份，以避免在断电时出现故障。

电动阀门执行机构的尺寸范围取决于阀门尺寸，但也会因电机和连杆尺寸的不同而有所不同，以产生应用所要求的足够推力。通常对于控制阀应用，不使用开/关执行机构。对于球形控制阀，通常选择调节执行机构。执行机构需要一个电源来运行电机以驱动执行机构，还需要一个控制信号。电源电压范围为240、120或24V交流，在某些型号中提供24V 直流电源。控制信号可以是4-20 mA或电压信号。许多电动执行机构包含一个手动超控手柄和手动手柄。一些电动执行机构还包括一个弹簧复位装置，用于断电时实现故障关闭，而另一些则需要恒定的电力来打开或关闭阀门。因此，许多电动执行机构需要备用电源，以防止断电时发生故障。

发送至阀门上的执行机构或定位器的控制信号来自于控制器。根据不同应用，控制器可以控制压力、温度、流量或各种变量组合。所使用的控制器将根据系统要求不同而异，包括基本型到高级型。

气动控制器是目前最简单可用的，而在某些应用中气动执行机构的简单性仍然是首要考虑因素。当连接到气动阀时，它们也有利于故障反应，可以设置为在失去空气供应时实现故障关闭。

一种基本的控制方法是使用气动温度指示器。多年来，这些装置一直被用来向空气加载调节器发送空气信号。同样的信号可以连接到气动控制阀执行机构，用于温度应用的基本控制。
这些装置虽然提供了一种简单有效的控制方法，但其精度和所能提供的空气信号压力有限。
更精确的气动控制方法是使用气动比例控制器。这些控制器可以根据所使用的内部传感元件配置为压力或温度控制。

这种控制器与气动控制阀相结合，成为一种简单的低维护控制器，可在过程应用中提供高精度的控制。该控制器可以在现场进行比例和整体范围的调整，还包括一个无扰动手动/自动转换开关。
这种类型的控制器是首选，并安装在电力昂贵或不适合用电的地区。通常在位置偏远而工厂人员和管理人员却仍需进行精确控制的地区。

有电力供应时，并且在大多数情况下电力是首选，控制器有许多不同的选择。常用的电气比例控制器是单回路数字式控制器。根据其使用的传感器或变送器类型，可将其配置为输入和温度、压力或流量控制。对于温度应用，可使用RTD、热电偶或温度变送器。对于压力应用，有多种压力变送器、传感器或转换器可供选择。控制器具有本地设定点，并将向控制阀定位器或执行机构发送调制4-20mA输出信号。电气控制器可以安装在独立的外壳中，也可以与其它设备合并到嵌板上。有电力供应时，电气控制器提供了更多的选项，用于通过一个气动控制系统对系统进行监控与反馈可在电气控制器上配置的其它特性/选项包括——报警触点：高、低或与设定点的高、低偏差值。
反馈：4-20 mA信号输出至DCS
远程设定点：来自DCS的4-20 mA或0-10V设定点信号

除了反馈信息外，控制器的诊断信息还可以借助有线或无线设备通过HART传回。
无线适配器可用于电气控制系统，并可直接连接到控制器、控制信号或变送器线路。该设备不会干扰控制回路，但允许回路中的数据通过无线HART或ISA100网络进行无线通信。

电磁空气先导阀可与气动控制阀一起使用。电磁阀可以连接到控制信号的空气管路上，也可以连接到阀门与定位器之间的空气加载管路上。这是当进程不处于运行状态时远程关闭控制阀的一种方法。它还可以连接到压力或温度开关，以便在超调情况下关闭阀门。

对于温度控制系统，传感元件范围覆盖基本的RTD或热电偶到指示温度变送器。同样，对于压力控制，传感器可以是基本传感器或压力指示变送器。无论使用哪种设备，都必须考虑压力、温度和精度。控制回路的精度取决于控制阀、定位器、控制器和传感器所用部件的精度。
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来源：荣格-《国际泵阀技术商情》

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