關(guān)于控制閥“死區(qū)”的分析

死區(qū)是造成超大過程偏差度的主要原因。由于各種各樣的原因，如摩擦力、空程、閥軸扭轉(zhuǎn)、放大器或滑閥的死區(qū)等，控制閥是一個(gè)儀表回路里死區(qū)的主要來源。

死區(qū)是一種常見現(xiàn)象，指的是當(dāng)輸入信號(hào)改變方向時(shí)，不能使得被測(cè)過程變量產(chǎn)生變化的控制器輸出值的范圍或?qū)挾?。?dāng)一個(gè)負(fù)載擾動(dòng)發(fā)生時(shí)，過程變量會(huì)偏離設(shè)定點(diǎn)。這個(gè)偏差會(huì)通過控制器產(chǎn)生一個(gè)糾正性動(dòng)作，并回復(fù)到過程中。然而，控制器輸出的一個(gè)初始變化可能不會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的過程變量的糾正性的改變。只有當(dāng)控制器的輸出變化量大得足以克服死區(qū)的改變時(shí)，一個(gè)相應(yīng)的過程變量的改變才會(huì)發(fā)生。

如果控制器輸出改變方向，控制器的信號(hào)必須克服死區(qū)，才能產(chǎn)生過程變量的糾正性改變。工藝過程里死區(qū)的存在使控制器的輸出必須增加到大得足于克服死區(qū)，只有這時(shí)一個(gè)糾正性的動(dòng)作才會(huì)發(fā)生。

死區(qū)的成因

死區(qū)有很多原因，但是控制閥的摩擦力和空程、旋轉(zhuǎn)閥閥軸的扭轉(zhuǎn)以及放大器的死區(qū)是幾種常見的形式。由于大部分的調(diào)節(jié)式控制的動(dòng)作是由小信號(hào)改變（1%或更?。┙M成的，一個(gè)有超大死區(qū)的控制閥可能根本不會(huì)對(duì)這么多的小信號(hào)改變作出響應(yīng)。一個(gè)制造精良的閥門應(yīng)該能夠?qū)?%或更小的信號(hào)作出響應(yīng)以有效地減小過程偏差度。然而，也常見有些閥門出現(xiàn)有5%或更大的死區(qū)。在最近的一次工廠審計(jì)里，發(fā)現(xiàn)30%的閥門有超過4%的死區(qū)。超過65%的被審計(jì)的控制回路有大于2%的死區(qū)。

死區(qū)造成的影響

這個(gè)圖代表正常過程條件下三個(gè)不同的控制閥的開環(huán)回路測(cè)試。這些閥門接受一系列一系列從0.5% 到10% 的階躍輸入。流體工況下的階躍測(cè)試很有必要，因?yàn)檫@些工況可以評(píng)估整個(gè)控制閥組件的性能，而不像大部分的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試一樣僅僅評(píng)估閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)的性能。

死區(qū)對(duì)于閥門性能的影響

性能測(cè)試

有些對(duì)控制閥性能的測(cè)試，僅局限于比較輸入信號(hào)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)推桿的行程。這是一種誤導(dǎo)，因?yàn)樗雎粤碎y門本身的性能。

關(guān)鍵的是測(cè)量流體工況下閥門的動(dòng)態(tài)性能，這樣，過程變量的改變才能與閥門組件的輸入信號(hào)改變相比較。如果只有閥桿對(duì)于閥門輸入信號(hào)的改變作出響應(yīng)，那么這種測(cè)試的意義不大，因?yàn)槿绻麤]有相應(yīng)的控制變量的改變，也就沒有對(duì)于過程偏差的糾正。

在所有三個(gè)閥門測(cè)試?yán)铮瑘?zhí)行機(jī)構(gòu)推桿的運(yùn)動(dòng)都能對(duì)輸入信號(hào)的改變作出很好的響應(yīng)。另一方面，這些閥門在對(duì)應(yīng)于輸入信號(hào)的改變而改變流量的能力方面卻有很大的不同。

閥門A，過程變量（流速）能對(duì)小到  0.5% 的輸入信號(hào)作出很好的響應(yīng)。

閥門B ，要求輸入信號(hào)的改變大于5%，才開始對(duì)每一個(gè)輸入信號(hào)階躍作出很好的響應(yīng)。

閥門C ，明顯更差，要求信號(hào)改變大于10%，才開始對(duì)每一個(gè)輸入信號(hào)階躍作出很好的響應(yīng)。

總的來說，閥門B或C 的改善過程偏差度的能力是非常差的。

摩擦力

摩擦力是造成控制閥死區(qū)的一個(gè)主要原因。旋轉(zhuǎn)閥對(duì)于密封要求的高的閥座負(fù)載引起的摩擦力非常敏感。對(duì)于有些密封型式，高的閥座負(fù)載是為了獲得關(guān)閉等級(jí)所必需的。由于高的摩擦力和低的驅(qū)動(dòng)應(yīng)變剛度，閥軸會(huì)扭轉(zhuǎn)，無法把運(yùn)動(dòng)傳遞給控制元件。結(jié)果是，一個(gè)設(shè)計(jì)很差的旋轉(zhuǎn)閥可能會(huì)展示出很大的死區(qū)，這個(gè)死區(qū)明顯對(duì)過程偏差度有決定性的影響。

制造商們通常會(huì)在制造過程中潤(rùn)滑旋轉(zhuǎn)閥的密封，但是經(jīng)過只有幾百次的循環(huán)動(dòng)作之后，潤(rùn)滑層就會(huì)磨損掉。另外，壓力引起的負(fù)載也會(huì)導(dǎo)致密封磨損。結(jié)果是，對(duì)于某些閥門型式，閥門的摩擦力可能會(huì)增加400% 或更多。這就說明在力矩穩(wěn)定之前，通過使用標(biāo)準(zhǔn)類型的數(shù)據(jù)來評(píng)估閥門而得出的性能方面的結(jié)論是誤導(dǎo)。閥門B 和C表明這些較高的摩擦力矩因素會(huì)對(duì)一個(gè)控制閥的性能產(chǎn)生毀滅性的影響。

填料摩擦力是直行程控制閥的摩擦力的主要來源。在這些類型的閥門里，測(cè)量得到的摩擦力可能會(huì)隨著閥門形式和填料結(jié)構(gòu)的不同而有很大的差別。

當(dāng)裝置改變方向時(shí)，這種間隙會(huì)引起運(yùn)動(dòng)的不連續(xù)性。間隙通常發(fā)生在具有各種各樣配置的齒輪驅(qū)動(dòng)的裝置里。齒條齒輪執(zhí)行機(jī)構(gòu)由于間隙特別容易產(chǎn)生死區(qū)。有些閥軸的連接也有死區(qū)的問題。

盡管摩擦力可以通過優(yōu)良的閥門設(shè)計(jì)而大幅減小，但是要完全消除它卻是一個(gè)困難的問題。一個(gè)設(shè)計(jì)制造精良的控制閥應(yīng)該能夠消除由于間隙而引起的死區(qū)。為了在減小過程偏差度方面取得最佳效果，整個(gè)閥門組件的總死區(qū)應(yīng)該小于或等于1%，最理想的結(jié)果是低至0.25%。

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