
調(diào)節(jié)閥的類(lèi)型與特性化 二更新日期:2014-06-06
安裝過(guò)程增益的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量也可以通過(guò)利用開(kāi)環(huán)階躍測(cè)試在一個(gè)單獨(dú)的操作點(diǎn)上進(jìn)行(圖2-3)。在任何操作條件下的安裝過(guò)程增益簡(jiǎn)單地是輸出(流量)的百分比改變相對(duì)于閥門(mén)組件輸入信號(hào)的百分比改變的比例。
通過(guò)各種各樣的閥門(mén)內(nèi)件型式來(lái)特性化固有閥門(mén)增益的原因是為了給回路里其它增益的改變提供補(bǔ)償。終目標(biāo)是維持一個(gè)在整個(gè)工作范圍內(nèi)合理統(tǒng)一的回路增益,為工藝過(guò)程保持一個(gè)相對(duì)線性的安裝流量特性(見(jiàn)第1 章里的定義)。由于其如上所定義的測(cè)量方法,圖2-5 所示安裝流量特性和安裝增益實(shí)際上是整個(gè)過(guò)程的安裝流量特性和安裝增益。
典型地,控制裝置的增益會(huì)隨著流量的變化而變化。例如,一個(gè)壓力容器的增益趨向于隨著輸出增加而減小。在這個(gè)例子里,過(guò)程控制工程師可能會(huì)使用一個(gè)等百分比的閥門(mén)。它有一個(gè)隨著流量的增加而增加的增益。理想地,這兩種反向的關(guān)系應(yīng)該能夠取得平衡以為整個(gè)工藝過(guò)程提供一個(gè)比較線性的安裝流量特性。
理論上,在某一設(shè)定點(diǎn)的流量條件下,一個(gè)回路已經(jīng)被調(diào)整到***性能狀態(tài)。隨著流量在該設(shè)定點(diǎn)附近變化,理想的是保持回路增益盡可能地恒定,以維持性能狀態(tài)。如果由于固有閥門(mén)特性而產(chǎn)生的回路
增益變化不能精確地補(bǔ)償被控制裝置的變化的增益,那么,由于安裝過(guò)程增益的偏差,回路增益也將產(chǎn)生一個(gè)偏差,結(jié)果是過(guò)程***化變得越來(lái)越困難。也有這樣一個(gè)危險(xiǎn):回路增益可能會(huì)改變得足以引起不穩(wěn)定、振蕩、或其它動(dòng)態(tài)問(wèn)題。
回路增益變化不應(yīng)該超過(guò)4:1 的比例,否則,回路的動(dòng)態(tài)性能會(huì)受到無(wú)法接受的影響。這個(gè)特殊的比例沒(méi)有什么神奇之處。只不過(guò)許多過(guò)程控制的實(shí)踐者們都認(rèn)同這是一個(gè)在大多數(shù)的過(guò)程控制回路里能夠產(chǎn)生一個(gè)可以接受的增益范圍的比例。
這一指導(dǎo)原則成為下面的EnTech 增益限制指標(biāo)的基礎(chǔ)(選自"調(diào)節(jié)閥(控制閥)動(dòng)態(tài)指標(biāo)",3.0 版,1998 年,EnTech 控制公司,加拿大,Ontario,多倫多):回路過(guò)程增益=1.0(變送器量程的百分比)÷(控制器輸出的百分比)正常范圍:0.5-2.0(注:4:1 的比例)應(yīng)注意這個(gè)回路過(guò)程的定義包括除了控制器之外的回路配置里的所有裝置。換言之,諸如調(diào)節(jié)閥(控制閥)組件、熱交換器、壓力容器、或其它被控制的系統(tǒng)、泵、變送器等類(lèi)的裝置的增益總和就是過(guò)程增益。由于閥門(mén)是這里所__定義的回路過(guò)程的一部分,所以重要的是選擇一種閥門(mén)類(lèi)型和口徑,它會(huì)產(chǎn)生一種線性的安裝流量特性,足以在系統(tǒng)的工作范圍內(nèi)保持在指定的增益限制范圍內(nèi)。如果調(diào)節(jié)閥(控制閥)本身產(chǎn)生太大的增益變化,就會(huì)給控制器的調(diào)整提供較小的靈活性。把盡可能多的回路增益留給控制器是一種良好的工程實(shí)踐。
盡管4:1 的回路增益改變比例被廣泛接受,但并非每一個(gè)人都同意這個(gè)0.5-2.0 的增益。一些行業(yè)已經(jīng)提出使用0.2-0.8的回路過(guò)程增益限制的事例,這仍然是4:1的比例。使用這種較小的增益范圍的固有潛在危險(xiǎn)是這個(gè)增益范圍的下限可能會(huì)在正常工作期間使閥門(mén)產(chǎn)生很大的擺動(dòng)。良好的工作實(shí)踐是把閥門(mén)擺動(dòng)控制在5%以下。但是讓增益太大也有危險(xiǎn)。如果在行程的某一點(diǎn)處,回路增益變得太高,回路可能會(huì)產(chǎn)生振蕩或甚到變得不穩(wěn)定。為了確保在一個(gè)寬廣的工作條件范圍內(nèi)有良好的動(dòng)態(tài)性能和回路穩(wěn)定性,行業(yè)們推薦回路設(shè)備應(yīng)該精心設(shè)計(jì)制造,所以過(guò)程增益仍然處于0.5-2.0 的范圍內(nèi)。
過(guò)程***化要求所選擇的閥門(mén)類(lèi)型和口徑在可能的工作條件范圍內(nèi)能把過(guò)程增益控制在選定的增益限制范圍內(nèi)。由于減小過(guò)程偏差度是如此地依賴于維持一個(gè)統(tǒng)一的安裝增益,在能夠接受的增益指標(biāo)限制范圍內(nèi),一個(gè)閥門(mén)可以工作的范圍被稱為閥門(mén)的控制范圍。
一個(gè)閥門(mén)的控制范圍會(huì)隨著閥門(mén)類(lèi)型而有很大的變化。圖2-6表示一個(gè)與管線等口徑的蝶閥跟一個(gè)與管線等口徑的直通閥相比較。直通閥比蝶閥有更加寬的控制范圍。其它閥門(mén)類(lèi)型,如:V 形切口球閥和偏心球塞
閥通常位于這兩個(gè)范圍之間的某處。
因?yàn)榈y典型地有窄的控制范圍。它們通常適合于負(fù)載固定的應(yīng)用場(chǎng)合。另外,它們經(jīng)過(guò)仔細(xì)計(jì)算,以便在固定負(fù)載處取得***性能。如果一個(gè)閥門(mén)的固有特性能夠選擇得可以精確地補(bǔ)償隨流量產(chǎn)生的系統(tǒng)增益的變化,人們就會(huì)希望安裝過(guò)程增益(下面的曲線)后是一條數(shù)值為1 的直線。
不幸的是,由于在提供無(wú)限數(shù)量的固有閥門(mén)內(nèi)件特性方面的物理限制,這樣一種精確的增益吻合很少是可能的。另外,有些閥門(mén)類(lèi)型,如蝶閥和球閥,不提供可以很容易地改變固有閥門(mén)特性的多種內(nèi)件選擇。
通過(guò)在定位器的反饋機(jī)構(gòu)里采用非線性凸輪來(lái)改變閥門(mén)組件的固有特性,這種情況可以得到。非線性反饋凸輪改變閥門(mén)輸入信號(hào)與閥桿位置之間的關(guān)系,為整個(gè)調(diào)節(jié)閥(控制閥)組件取得一個(gè)需要的固有閥門(mén)特性,而不是僅僅依賴于閥門(mén)內(nèi)件型式的改變。
雖然使用定位器凸輪確實(shí)可以影響并修改閥門(mén)特性,并在某些時(shí)候是非常有用的,但是使用特性化凸輪的效果在大部分情況下是受到限制的。這是因?yàn)橥馆喴矔?huì)大大改變定位器的回路增益,這會(huì)極大地限制定位器的動(dòng)態(tài)性能。使用凸輪來(lái)修改閥門(mén)特性,通常不如改變閥門(mén)內(nèi)件特性來(lái)得有效,但是總比根本沒(méi)有特性化要好。這種特性化處理通常是旋轉(zhuǎn)閥的其它選擇。
一些電子裝置試圖通過(guò)在定位器回路之前就以電子方式改變I/P 定位器的輸入信號(hào)來(lái)進(jìn)行閥門(mén)特性化。這種技術(shù)通過(guò)以下方式重新校準(zhǔn)閥門(mén)輸入信號(hào):接受4-20 毫安的線性控制器信號(hào),并使用一張預(yù)先編輯
好的數(shù)值表以產(chǎn)生取得需要的閥門(mén)特性所需的閥門(mén)輸入。這種技術(shù)有時(shí)候稱為前向通道或設(shè)定點(diǎn)的特性化。
由于這種特性化在定位器反饋回路之外進(jìn)行,這種類(lèi)型的前向通道或設(shè)定點(diǎn)的特性化比特性化凸輪有一個(gè)***點(diǎn)。它避免了定位器回路增益變化的問(wèn)題。然而,這個(gè)方法也有它的動(dòng)態(tài)局限性。例如,在閥門(mén)工作范圍內(nèi),可能有這樣的區(qū)域:1.0%的過(guò)程信號(hào)改變也許會(huì)通過(guò)這種特性化過(guò)程被減小到對(duì)閥門(mén)的只有0.1%的信號(hào)改變(那就是位于特性化曲線的平坦區(qū)域)。許多調(diào)節(jié)閥(控制閥)不能對(duì)這樣小的信號(hào)改變作出響應(yīng)。
的過(guò)程性能出現(xiàn)在要求的流量特性是通過(guò)改變閥門(mén)內(nèi)件,而不是使用凸輪或其它方法取得的時(shí)候。正確地選擇一個(gè)調(diào)節(jié)閥(控制閥)以在系統(tǒng)的操作范圍內(nèi)產(chǎn)生比較線性的安裝流量特性是確保***過(guò)程性能的一個(gè)關(guān)鍵步驟。
通過(guò)各種各樣的閥門(mén)內(nèi)件型式來(lái)特性化固有閥門(mén)增益的原因是為了給回路里其它增益的改變提供補(bǔ)償。終目標(biāo)是維持一個(gè)在整個(gè)工作范圍內(nèi)合理統(tǒng)一的回路增益,為工藝過(guò)程保持一個(gè)相對(duì)線性的安裝流量特性(見(jiàn)第1 章里的定義)。由于其如上所定義的測(cè)量方法,圖2-5 所示安裝流量特性和安裝增益實(shí)際上是整個(gè)過(guò)程的安裝流量特性和安裝增益。
典型地,控制裝置的增益會(huì)隨著流量的變化而變化。例如,一個(gè)壓力容器的增益趨向于隨著輸出增加而減小。在這個(gè)例子里,過(guò)程控制工程師可能會(huì)使用一個(gè)等百分比的閥門(mén)。它有一個(gè)隨著流量的增加而增加的增益。理想地,這兩種反向的關(guān)系應(yīng)該能夠取得平衡以為整個(gè)工藝過(guò)程提供一個(gè)比較線性的安裝流量特性。
理論上,在某一設(shè)定點(diǎn)的流量條件下,一個(gè)回路已經(jīng)被調(diào)整到***性能狀態(tài)。隨著流量在該設(shè)定點(diǎn)附近變化,理想的是保持回路增益盡可能地恒定,以維持性能狀態(tài)。如果由于固有閥門(mén)特性而產(chǎn)生的回路
增益變化不能精確地補(bǔ)償被控制裝置的變化的增益,那么,由于安裝過(guò)程增益的偏差,回路增益也將產(chǎn)生一個(gè)偏差,結(jié)果是過(guò)程***化變得越來(lái)越困難。也有這樣一個(gè)危險(xiǎn):回路增益可能會(huì)改變得足以引起不穩(wěn)定、振蕩、或其它動(dòng)態(tài)問(wèn)題。
回路增益變化不應(yīng)該超過(guò)4:1 的比例,否則,回路的動(dòng)態(tài)性能會(huì)受到無(wú)法接受的影響。這個(gè)特殊的比例沒(méi)有什么神奇之處。只不過(guò)許多過(guò)程控制的實(shí)踐者們都認(rèn)同這是一個(gè)在大多數(shù)的過(guò)程控制回路里能夠產(chǎn)生一個(gè)可以接受的增益范圍的比例。
這一指導(dǎo)原則成為下面的EnTech 增益限制指標(biāo)的基礎(chǔ)(選自"調(diào)節(jié)閥(控制閥)動(dòng)態(tài)指標(biāo)",3.0 版,1998 年,EnTech 控制公司,加拿大,Ontario,多倫多):回路過(guò)程增益=1.0(變送器量程的百分比)÷(控制器輸出的百分比)正常范圍:0.5-2.0(注:4:1 的比例)應(yīng)注意這個(gè)回路過(guò)程的定義包括除了控制器之外的回路配置里的所有裝置。換言之,諸如調(diào)節(jié)閥(控制閥)組件、熱交換器、壓力容器、或其它被控制的系統(tǒng)、泵、變送器等類(lèi)的裝置的增益總和就是過(guò)程增益。由于閥門(mén)是這里所__定義的回路過(guò)程的一部分,所以重要的是選擇一種閥門(mén)類(lèi)型和口徑,它會(huì)產(chǎn)生一種線性的安裝流量特性,足以在系統(tǒng)的工作范圍內(nèi)保持在指定的增益限制范圍內(nèi)。如果調(diào)節(jié)閥(控制閥)本身產(chǎn)生太大的增益變化,就會(huì)給控制器的調(diào)整提供較小的靈活性。把盡可能多的回路增益留給控制器是一種良好的工程實(shí)踐。
盡管4:1 的回路增益改變比例被廣泛接受,但并非每一個(gè)人都同意這個(gè)0.5-2.0 的增益。一些行業(yè)已經(jīng)提出使用0.2-0.8的回路過(guò)程增益限制的事例,這仍然是4:1的比例。使用這種較小的增益范圍的固有潛在危險(xiǎn)是這個(gè)增益范圍的下限可能會(huì)在正常工作期間使閥門(mén)產(chǎn)生很大的擺動(dòng)。良好的工作實(shí)踐是把閥門(mén)擺動(dòng)控制在5%以下。但是讓增益太大也有危險(xiǎn)。如果在行程的某一點(diǎn)處,回路增益變得太高,回路可能會(huì)產(chǎn)生振蕩或甚到變得不穩(wěn)定。為了確保在一個(gè)寬廣的工作條件范圍內(nèi)有良好的動(dòng)態(tài)性能和回路穩(wěn)定性,行業(yè)們推薦回路設(shè)備應(yīng)該精心設(shè)計(jì)制造,所以過(guò)程增益仍然處于0.5-2.0 的范圍內(nèi)。
過(guò)程***化要求所選擇的閥門(mén)類(lèi)型和口徑在可能的工作條件范圍內(nèi)能把過(guò)程增益控制在選定的增益限制范圍內(nèi)。由于減小過(guò)程偏差度是如此地依賴于維持一個(gè)統(tǒng)一的安裝增益,在能夠接受的增益指標(biāo)限制范圍內(nèi),一個(gè)閥門(mén)可以工作的范圍被稱為閥門(mén)的控制范圍。
一個(gè)閥門(mén)的控制范圍會(huì)隨著閥門(mén)類(lèi)型而有很大的變化。圖2-6表示一個(gè)與管線等口徑的蝶閥跟一個(gè)與管線等口徑的直通閥相比較。直通閥比蝶閥有更加寬的控制范圍。其它閥門(mén)類(lèi)型,如:V 形切口球閥和偏心球塞
閥通常位于這兩個(gè)范圍之間的某處。
因?yàn)榈y典型地有窄的控制范圍。它們通常適合于負(fù)載固定的應(yīng)用場(chǎng)合。另外,它們經(jīng)過(guò)仔細(xì)計(jì)算,以便在固定負(fù)載處取得***性能。如果一個(gè)閥門(mén)的固有特性能夠選擇得可以精確地補(bǔ)償隨流量產(chǎn)生的系統(tǒng)增益的變化,人們就會(huì)希望安裝過(guò)程增益(下面的曲線)后是一條數(shù)值為1 的直線。
不幸的是,由于在提供無(wú)限數(shù)量的固有閥門(mén)內(nèi)件特性方面的物理限制,這樣一種精確的增益吻合很少是可能的。另外,有些閥門(mén)類(lèi)型,如蝶閥和球閥,不提供可以很容易地改變固有閥門(mén)特性的多種內(nèi)件選擇。
通過(guò)在定位器的反饋機(jī)構(gòu)里采用非線性凸輪來(lái)改變閥門(mén)組件的固有特性,這種情況可以得到。非線性反饋凸輪改變閥門(mén)輸入信號(hào)與閥桿位置之間的關(guān)系,為整個(gè)調(diào)節(jié)閥(控制閥)組件取得一個(gè)需要的固有閥門(mén)特性,而不是僅僅依賴于閥門(mén)內(nèi)件型式的改變。
雖然使用定位器凸輪確實(shí)可以影響并修改閥門(mén)特性,并在某些時(shí)候是非常有用的,但是使用特性化凸輪的效果在大部分情況下是受到限制的。這是因?yàn)橥馆喴矔?huì)大大改變定位器的回路增益,這會(huì)極大地限制定位器的動(dòng)態(tài)性能。使用凸輪來(lái)修改閥門(mén)特性,通常不如改變閥門(mén)內(nèi)件特性來(lái)得有效,但是總比根本沒(méi)有特性化要好。這種特性化處理通常是旋轉(zhuǎn)閥的其它選擇。
一些電子裝置試圖通過(guò)在定位器回路之前就以電子方式改變I/P 定位器的輸入信號(hào)來(lái)進(jìn)行閥門(mén)特性化。這種技術(shù)通過(guò)以下方式重新校準(zhǔn)閥門(mén)輸入信號(hào):接受4-20 毫安的線性控制器信號(hào),并使用一張預(yù)先編輯
好的數(shù)值表以產(chǎn)生取得需要的閥門(mén)特性所需的閥門(mén)輸入。這種技術(shù)有時(shí)候稱為前向通道或設(shè)定點(diǎn)的特性化。
由于這種特性化在定位器反饋回路之外進(jìn)行,這種類(lèi)型的前向通道或設(shè)定點(diǎn)的特性化比特性化凸輪有一個(gè)***點(diǎn)。它避免了定位器回路增益變化的問(wèn)題。然而,這個(gè)方法也有它的動(dòng)態(tài)局限性。例如,在閥門(mén)工作范圍內(nèi),可能有這樣的區(qū)域:1.0%的過(guò)程信號(hào)改變也許會(huì)通過(guò)這種特性化過(guò)程被減小到對(duì)閥門(mén)的只有0.1%的信號(hào)改變(那就是位于特性化曲線的平坦區(qū)域)。許多調(diào)節(jié)閥(控制閥)不能對(duì)這樣小的信號(hào)改變作出響應(yīng)。
的過(guò)程性能出現(xiàn)在要求的流量特性是通過(guò)改變閥門(mén)內(nèi)件,而不是使用凸輪或其它方法取得的時(shí)候。正確地選擇一個(gè)調(diào)節(jié)閥(控制閥)以在系統(tǒng)的操作范圍內(nèi)產(chǎn)生比較線性的安裝流量特性是確保***過(guò)程性能的一個(gè)關(guān)鍵步驟。
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