1、 阀门定位器,1, 发明的背景 2, 工作原理 3, 定位器的应用,0,1，发明阀门定位器的背景,1880年美国费希尔（Fisher）公司发明了调节阀，它是利用离心力拉动阀杆的滑阀，用于控制水蒸汽的流量，间接控制蒸汽机带动的水泵转速。于后半个世纪陆续发明了各种气动调节阀，到上世纪四十年代，广泛使用单座调节阀、双座调节阀，还有角形阀、蝶阀、隔膜阀、球阀等产品。,1,定位器发明的背景,随着工业的发展，调节阀处理的压差越来越大，压差作用在阀芯上形成的不平衡力也越来越大，仅仅靠气压信号去控制调节阀，阀位偏离信号预定的位置越来越严重，被调的工艺参数误差太大；用户急切希望解决阀位与气信号自动对应，实现正确
2、的自动调节。在这样的背景下，1944年美国梅索尼兰公司（Masoneilan)发明了气动阀门定位器。为说明因压差引起的阀位偏离，举例如下,2,压差引起的行程偏离（1）,100,P1=0.3 MPa,P2=0.2 MPa,气动调节器,20 100kPa,弹簧范围20 100kPa,34型气动执行机构，正作用式 Ae =56000 mm2,L=40mm,膜片推力 F,不平衡力 f1,DN100 气动单座调节阀 流开-气关式,3,空载时若输入操作气压60kPa,则20mm,即50%全行程。当阀的工作压差P= 0.1 MPa时，同样输操作气压 60kPa膜片推力F=（0.06 0.02）56000=2
3、240 N不平衡力 f1= aP= 78540.1=785.4 N要到达平衡状态，只需弹簧力f2f2 = F f1= (2240 785.4)=1454.6N 压缩弹簧刚度li = f2 P P=(0.10.02) 5600040 =112N/mmli =1454.6112=13 mm此时阀杆只走了13 mm，仅为32.5%全行程，与理 论行程的偏差为5032.5=17.5%。如果压差再加大，行程偏离更严重。,单座阀芯不平衡面积 a=10024=7854mm2,弹簧力 f2,压差引起的行程偏差(2),100,P1=0.3 MPa,P2=0.2 MPa,20 100kPa,弹簧范围20 100k
4、Pa,34型气动执行机构，反作用式 Ae =56000 mm2,L=40mm,膜片推力 F,不平衡力 f1,单座阀芯不平衡面积 a=10024=7854mm2,气动调节器,DN100 气动单座调节阀 流开-气开式,空载时，若输入操作气压60kPa,则行程也为20mm,即50%全行程。当P= 0.1 MPa时,同样输入操作气压 60kPa膜片推力F=（0.06 0.02）56000=2240 N不平衡力 f1= aP= 78540.1=785.4 N要到达平衡状态，弹簧力f2f2 = F + f1= (2240 +785.4)=3025.4N 压缩弹簧刚度li ,li = f2 P P=112N
5、/mmli =3025.4112=27 mm,此时阀杆走了27 mm，为67.5%全行程，与理论行程的偏差为67.550=+17.5%。不管气开、还是气关，这个不平衡力使阀行程发生偏离。,弹簧力 f2,4,2，阀门定位器的工作原理,利用杠杆力矩平衡原理，喷咀-档板间隙与压力对应原理，以气压信号为基准，采用行程的负反馈，仍然利用气动执行机构的膜室，自动地增加或减少操作压力（不等于信号压力），使执行机构产生附加的推力，平衡掉不平衡力和磨擦力，强制行程到达信号要求的位置，实现精确定位，顾名思义，所以称阀门定位器，英语Positioner也是定位的意思。下面用一个示意图来说明。,5,2.1 气动阀门定
6、位器的工作原理示意图,气动执行机构,单座调节阀 气关式,阀位反馈杆,凸轮轴,凸轮,副杠杆,反馈弹簧,档板,喷咀,背压室,恒节流孔,气源PS,气信号Pi,操作气压力PO,主杠杆,波纹管,调零弹簧,迁移弹簧,放大器,支点1,支点2,输出腔,6,气动阀门定位器 动作过程,1, 气信号输入波纹管 ，波纹管伸张，推动主杠杆绕支点1逆时针转动，带动档板靠近喷咀；2, 放大器的背压升高，推动小膜片压缩弹簧，推动小阀杆向右动作，推开小球，输出腔的气压提高，操作气压P0上升；3, P0进入执行机构，推动阀杆向下动作，同时带动反馈杆向下，它又带动凸轮逆时针转动，凸轮推动副杠绕支点2顺时针旋转，副杠杆上的反馈弹簧被
7、拉长，扯动主杠杆向顺时针旋转，拉动档板离开喷咀，实现了负反馈；4, 由于档板离开喷咀，放大器的背压降低，阀杆向反方向动作，当反馈弹簧拉力作用在主杠杆的反力矩与波纹管作用到主杠杆的力矩相等时，达到一个平衡状态，阀杆稳定在与信号对应的位置，实现了正确定位。,7,2.2 电-气阀门定位器的工作原理,气动阀门定位器虽然没有淘汰，现在已使用量很少；现在大量使用的是电-气阀门定位器，输入电信号为国际通用的直流电420 mA；智能型阀门定位器大多数也使用这个信号范围。 电-气与气动阀门定位器的区别在于输入信号不同。由于输入直流电信号，所以设计了一个电流转换成机械力的“力矩马达”，替代波纹管，其它机构与气动定
8、位器基本相同，下面是电-气阀门定位器工作原理示意图。,8,2.2 电-气阀门定位器的工作原理示意图,气动执行机构,单座调节阀 气关式,阀位反馈杆,凸轮轴,凸轮,副杠杆,反馈弹簧,档板,喷咀,背压室,恒节流孔,气源PS,电信号4 20 mA,操作气压力PO,主杠杆,调零弹簧,平衡弹簧,放大器,支点1,支点2,输出腔,9,+,-,永久磁铁,平衡弹簧,衔铁,N,N,S,S,N,S,永久磁铁,电-气阀门定位器 动作过程,1,电信号输入衔铁的线圈 ，产生磁场，与永久磁钢磁场作用产生磁力，推动主杠杆绕支点1逆时针转动，带动档板靠近喷咀；以下动作与气动定位器基本相同；2,放大器的背压升高，推动小膜片压缩弹簧
9、，推动小阀杆向右动作，推开小球，输出腔的气压提高，操作气压P0上升；3,P0进入执行机构，推动阀杆向下动作，同时带动反馈杆向下，它又带动凸轮逆时针转动，凸轮推动副杠绕支点2顺时针旋转，副杠杆上的反馈弹簧被拉长，扯动主杠杆向顺时针旋转，拉动档板离开喷咀，实现了负反馈；4,由于档板离开喷咀，放大器的背压降低，阀杆向反方向 动作，当反馈弹簧拉力作用在主杠杆的反力矩与电信号产生磁力作用到主杠杆的力矩相等时，达到一个平衡状态，阀杆稳定在与电信号对应的位置，实现了正确定位。,10,2.3 双作用电-气阀门定位器,前面介绍都是单作用定位器，它的特征是只有一个输出口，用于单作用执行机构，即用弹簧复位的调节阀。
10、 对于双作用活塞式执行机构，要求比例调节时需用双输出定位器，或称双作用定位器。它的工作原理与单作用基本相同，但放大器部件不同，要有二个输出口。其动作过程见示意图,11,2.3 双作用电-气阀门定位器的工作原理示意图,气动双作用执行机构,单座调节阀 气关式,阀位反馈杆,凸轮轴,凸轮,副杠杆,反馈弹簧,档板,喷咀,背压室,恒节流孔,气源PS,电信号4 20 mA,操作气压力PO,主杠杆,调零弹簧,平衡弹簧,双向放大器,支点1,支点2,12,+,-,永久磁钢,平衡弹簧,衔铁,N,N,S,S,N,S,排气口1,排气口2,输出1,输出2,双作用电-气阀门定位器 动作过程,1，电信号输入衔铁的线圈 ，产生
11、磁场，与永久磁钢磁场作用产生磁力， 推动主杠杆绕支点1逆时针转动，带动档板靠近喷咀；2，放大器的背压升高，推动小膜片压缩弹簧，推动滑阀向右动作，露出 口1，气源与输出口1相通，操作气压P0升高；3，操作气压P0进入上气缸，推动阀杆向下动作，同时输出口2与左排气 室相通，下气缸中的空气经排气口2排出；同时带动反馈杆向下，它 又带动凸轮逆时针转动，凸轮推动副杠绕支点2顺时针旋转，副杠 杆上的反馈弹簧被拉长，扯动主杠杆向顺时针旋转，拉动档板离开喷 咀，实现了负反馈；4，由于档板离开喷咀，放大器的背压降低，滑阀向左移动，逐渐盖住输 出口1，操作气压P0下降，阀杆移动变慢。当反馈弹簧拉力作用在主 杠杆的
12、反力矩与电信号产生磁力作用到主杠杆的力矩相等时，达到一 个平衡状态，二个滑盘盖住二个输出口，上下气缸既不进气，也不排 气，达到稳定状态，行程与电信号相对应，实现了正确定位。5，若阀杆向下过调，凸轮继续拉动反馈弹簧，档板继续离开喷咀，放大 器的背压进一步降低，滑阀向左移动，使气源与输出2相通， P0升高 后进入下气缸，同时输出1与排气口1相通，上缸排气，阀杆向上移 动，这样反复动作，直至平衡状态。,13,2.4，智能电-气阀门定位器, 随着计算机技术的发展,出现了人工智能软件,诞生了智能 电-气阀门定位器.上世纪九十年代中期起,德国西门子公司 的PC智能型阀门定位器首先进入中国巿场.它使用微处理
13、器,阀门行程的给定值与实际值的比较,在微处 理器的电路中完成; 测得的偏差后,以脉冲信号传递给压电 阀,压缩空气通过压电阀进入执行机构的膜室,纠正行程偏差; 它的工作原理与传统的电-气阀门定位器完全不同; 没有电磁力形成的力矩平衡，没有凸轮负反馈的机械结构，不 再用喷咀-档板；比较、平衡都在电路中完成，免去了大部 分机械结构，采用压电阀替代了放大器，大大节省了压缩 空气，节约能源。智能电-气阀门定位器是计算机技术应用 在调节阀行业划时代的成果.,14,智能电-气阀门定位器的工作框图,气动执行机构,单座调节阀 气关式,阀位反馈杆,精密电位器,气源PS,电信号4 20 mA,操作气压力PO,15,
14、+,-,+,显示屏操作键,功能模块,微处理器,压电阀2,压电阀1,阀位信号,开关报警,HART,排气口,智能电-气阀门定位器 工作过程,1, 若输入电信号，微处理器中给定了设定值，阀位通过反馈 电位器得到电位值，它与设定值比较,在微处理器的电路 中测得的偏差后,输出脉冲信号；2，若没有到达位置，脉冲信号传递给压电阀2,压缩空气通过 压电阀进入执行机构的膜室,阀杆向下移动；3，阀杆下移的同时，带动反馈杆转动，旋转电位器，它发出 反馈信号给微处理器，当反馈电位与设定电位平衡时， 脉冲停止，压电阀2关闭，调节阀稳定在一个位置。4，若阀杆继续下行，电位器反馈量超过了设定值，微处理器 向压电阀1发出脉冲
15、信号，此时压电阀2已关闭，电阀1打 开，膜室排气，阀杆反向移动，直至到达一个平衡状态。,16,智能电-气阀门定位器的优点, 它应用人工智能软件, 与老产品相比,除了原有的功能之 外,增加了多项新功能,如: 选择输出特性(直线,等到百分比等),在现场可手动输入 能自动初始化,就地选择正、反作用,方便调试； 指示二个极限位置,兼有行程开关功能； 能输出阀位信号，兼有阀位传送器的功能； 会自动报警等等。 如带HART通信软件能与控制中心实时通讯等。 所以选用了智能定位器，选用了阀位反馈模块可省去阀位 传送器，行程开关。 它耗气极小,节约能源;不怕机械振动，具有极好的可靠 性。由于多方面的优点，受用户
16、欢迎；但是目前价格较 贵，所以普通场所还是用一般的电-气阀门定位器。,17,常用的智能型电-气阀门定位器,目前我国常用的智能电-气阀门定位器极大多数是进口的, 或是外商在华的工厂生产的,国内尚没有成熟的产品.据我 公司接触,常用的有以下几种:1, 德国西门子(Siemens)公司的SIPART PS型, 它是最早 进入中国巿场的智能型定位器,它用数字代码,长达10多位, 选好后要与代理商核对,所选的代码是否正确.2, 日本山武公司(Yamatake)的SVP3000系列,常用的型号有: AVP80, AVP100/102, AVP300/301/302.3, 美国费希尔(Fisher)公司的D
17、VC 6000系列. 6010型用于直 行程; 6020型用于角行程. 以上产品, Fisher的最贵,西门子 的居中,山武公司的较便宜,所以用得较多.,18,3, 阀门定位器的应用,3.1 单输出阀门定位器，用于气关式单座调节阀,100,P1=0.3 MPa,P2=0.2 MPa,弹簧范围20 100kPa,34型正作用式Ae=56000mm2,L=40mm,不平衡力 f1,DN100 气动单座调节阀 流开-气关式,用气动阀门定位器，若输入气信号 60kPa,则 要求行程为20mm,即 50%全行程。 要到达平衡状态 膜片推力F= f1 + f2 不平衡力 f1= aP= 78540.1=7
18、85.4 N 弹簧力f2= lP =20112=2240N F=785.4+2240=3025.4 定位器的输出压力,即操作压力为： P=FAe =3025.456000=0.054MPa P0= P+0.02=0.054+0.02 =0.074MPa 比不用定位器时自动增加了 0.014MPa气压，抵消不平衡力。,单座阀芯不平衡面积 a=10024=7854mm2,弹簧力 f2,F 膜片推力,气动调节器,气信号20 100kPa,气源,输出气压,气动定位器,空气过滤减压器,19,3.2 单输出定位器用于气开式单座调节阀,100,P1=0.3MPa,P2=0.2 MPa,20 100kPa,弹
19、簧范围20 100kPa,34型气动执行机构，反作用式 Ae =56000 mm2,L=40mm,膜片推力 F,不平衡力 f1,单座阀芯不平衡面积 a=10024=7854mm2,气动调节器,DN100 气动单座调节阀 流开-气开式,若气动调节器输出气信号60kPa,则要求行程为20mm,即50%全行程。 膜片推力F= f2 f1 f2 = 20112=2240 N f1= aP= 78540.1=785.4 N 要到达平衡状态，需要推力F F = f2 f1 = (2240 785.4)=1454.6N 需要膜室操作气压力Pi （Pi0.02）56000=1454.6 Pi=0.046MPa
20、 由于不平衡力帮助推开阀，操作气压力比空载时气压力少了0.014MPa 不管气开、还是气关，用了定位器能消除不平衡力影响，使阀正确定位。,弹簧力 f2,20,气动定位器,空气过滤减压器,3.3 双输出定位器用于双作用活塞式执行机构,单座调节阀,电动调节器或DCS,输出信号420 mA,输出1,输出2,空气过滤减压器,双输出电-气阀门定位器,双作用气动活塞式执行机构,单座调节阀,DCS输出模拟信号4 20mA, 若阀位太高，则定位器的输出1送气到上气缸，推动阀杆下行，下气缸的气经输出2到排气口放气；反过来，若阀位太低，则输出2送气给下气缸，上气缸由输出1管排气；到一个平衡位置时，二个输出管都不送
21、气，停留在信号要求的位置上。,21,3.4 角行程阀门定位器,以气动偏心旋转调节阀为例,弹簧复位活塞式执行机构,电-气阀门定位器,电信号输入420mA,气源,同轴转角反馈,22,3.5 阀门定位器使用场所,高压差阀，当P1.0MPa,介质作用在阀芯上的不 平衡力较大，严重影响阀位，前面已举例说明。 高压、高温、低温场所， PN6.4MPa，或 t 425，或t 46时，为防止填料泄漏 ，填料压得很紧，阀杆摩擦力很大，阀位严 重滞后，用了定位器可改善调节精度。大口径调节阀，直行程阀DN100，蝶阀 DN250，配用的执行机构容腔较大，用了定位器 ，用定位器后可加快动作。,23,3.5 阀门定位器
22、使用场所, 无弹簧复位的活塞式执行机构实现比例调 节，前面已经举例说明。 改变调节阀的流量特性，反馈凸轮的轮廓 几何形状决定输出特性，所以只要改动凸 轮即可改变调节阀的流量特性。经常碰到 的是用等百分比的定位器，配在直线特性 的阀上，此时调节阀也变成等百分比特性。 智能型定位器不用凸轮，只要用按钮选择 等百分比特性即可。,24,3.5 阀门定位器使用场所, 分程控制，把420mA, 分为412mA和 1220mA二段，分别控制二个定位器、二个调节阀 。若工况的KVmax与 KVmin 相差太远，用一台阀无法控 制，只好用一大、一小二台阀并联。如KVmin =6， KVmax=120 ，用EJP
23、单座调节阀，等百分比特性， KVmax=120 则选DN100，KV额定=160，R=30 但KVmin =6最小开度只有3.65%，难予控制。只好用 DN25、 KV额定=10和DN100、KV额定=160二台阀并联 ，412mA第一段先开小阀， 12mA后大阀才打开 大阀，见示意图。,25,分程控制示意图,二个普通定位器要特殊订货，成对使用；若用智能定位器，二个分别设置,调节器或DCS,420mA,412mA,1220mA,定位器2,定位器1,DN100,DN25,说明：输出信号在412mA之间，定位器1工作，DN25小阀工作，大阀一直关闭着；当信号超过12mA后，小阀保持全开，大阀DN1
24、00开始工作。如果信号小于12mA，大阀关闭，只有小阀工作，对于总管道而言，实现从小流量到大流量的连续调节。,26,3.6电-气阀门定位器的防爆标记,目前生产的定位器产品一般有二种防爆等级，一种是隔爆型，另一种是本质安全型。 隔爆型是隔爆腔允许碰到火花发生爆炸，但火花不会传到壁外，只能用于1级危险场所，即爆炸性气体在一年中断续存在101000小时，不能用于0级场所，标记为： Ex dBT4,工厂中爆炸性气体、蒸汽，B级间隙、试爆电流（相当煤气）,隔爆型特征符号,爆炸性气体自燃温度分组第4组，200T135,防爆电气国际统一符号,27,3.6电-气阀门定位器的防爆标记,另一种是本质安全型，内部设计了特殊电路，不会发生火花，从根本上消除了爆炸的可能性。 可用于0级危险场所，即爆炸性气体在一年中连续存在1000小时以上，当然可用于1级或以下的所有场所，标记为： Ex iaCT6,工厂中爆炸性气体、蒸汽，C级间隙、试爆电流（相当乙炔）,本质安全型特征符号,爆炸性气体自燃温度分组第6组，100T85 第5组， 135T100 第4组， 200T135,防爆电气国际统一符号,28,
