Анализ «мертвой зоны» в регулирующих клапанах

Зоны нечувствительности являются основной причиной отклонений в негабаритных процессах. Регулирующие клапаны являются основным источником зоны нечувствительности в измерительном контуре по целому ряду причин, таких как трение, движение воздуха, скручивание золотника, зона нечувствительности в усилителях или золотниковых клапанах.

Зона нечувствительности является распространенным явлением и относится к диапазону или ширине выходного значения контроллера, который не позволяет тестируемой переменной процесса изменяться при изменении направления входного сигнала. Когда происходит возмущение нагрузки, переменная процесса отклоняется от уставки. Это деЗатем отклонение корректируется корректирующим действием, генерируемым контроллером, и возвращается в процесс. Однако начальное изменение выходного сигнала контроллера может не привести к соответствующему корректирующему изменению переменной процесса. Изменение соответствующей переменной процесса произойдет только в том случае, если выходной сигнал контроллера изменится на величину, достаточную для преодоления изменения зоны нечувствительности.

Если выходной сигнал контроллера меняет направление, сигнал контроллера должен преодолеть мертвую зону, чтобы произвести корректирующее изменение переменной процесса. Наличие мертвой зоны в процессе означает, что выходной сигнал контроллера должен быть увеличен до значения, достаточного для преодоления мертвой зоны. и только тогда будет иметь место корректирующее действие.

Причины мертвых зон

Есть много причин мертвых зон, но трение и движение воздуха в регулирующих клапанах, скручивание шпинделя поворотных клапанов и мертвые зоны в усилителях являются несколькими распространенными формами. Поскольку большая часть модулирующего управляющего действия состоит из небольших изменений сигнала (1% или менее), регулирующий клапан с большой зоной нечувствительности может вообще не реагировать на такое количество небольших изменений сигнала. Хорошо изготовленный клапан должен реагировать на сигналы величиной 1 % или менее, чтобы эффективно снизить степень отклонения процесса. Тем не менее, клапаны нередко имеют зону нечувствительности на 5% и более. В ходе недавней проверки предприятия было обнаружено, что 30% клапанов имеют зону нечувствительности более 4%. Более 65 % проверенных контуров управления имели зоны нечувствительности более 2 %.

● Влияние мертвых зон

На этом графике представлено испытание без обратной связи трех различных регулирующих клапанов при нормальных условиях процесса. Эти клапаны получают диапазон ступенчатых входов от 0,5% до 10%. Ступенчатые испытания в условиях текучей среды необходимы, поскольку эти условия позволяют оценить работу всего узла регулирующего клапана, а не только привода клапана, как в случае большинства стандартных испытаний.

● Тесты производительности

Некоторые тесты работы регулирующего клапана ограничиваются сравнением входного сигнала с ходом толкателя привода. Это вводит в заблуждение, поскольку игнорирует характеристики самого клапана.

Крайне важно измерить динамические характеристики клапана в условиях текучей среды, чтобы можно было сравнить изменения технологических переменных с изменениями входного сигнала на клапан в сборе. Если только шток клапана реагирует на изменение входного сигнала клапана, то этот тест не имеет большого значения, поскольку без соответствующего изменения управляющей переменной корректировка отклонений процесса невозможна.

Во всех трех испытаниях клапанов движение толкателя привода хорошо реагировало на изменения входного сигнала. С другой стороны, клапаны значительно различались по своей способности изменять расход в ответ на изменение входного сигнала.

Клапан А, переменная процесса (расход), хорошо реагирует на входной сигнал всего 0,5%.

Клапан B требует изменения входного сигнала более чем на 5%, прежде чем он начнет хорошо реагировать на каждый шаг входного сигнала.

Клапан С, что значительно хуже, требует изменения сигнала более чем на 10%, прежде чем он начнет хорошо реагировать на каждый шаг входного сигнала.

В целом, способность клапанов B или C уменьшать отклонение процесса очень мала.

● Трение

Трение является основной причиной мертвых зон в регулирующих клапанах. Поворотные клапаны очень чувствительны к трению, вызванному высокой нагрузкой на седло, необходимой для уплотнения. Для некоторых типов уплотнений необходимы высокие нагрузки на седло, чтобы получить герметичность. Из-за высоких сил трения и низкой жесткости привода вал клапана закручивается и не может передать движение управляющему элементу. В результате плохо сконструированный поворотный клапан может иметь большую зону нечувствительности, которая явно оказывает решающее влияние на степень отклонения процесса.

Производители обычно смазывают уплотнения поворотных клапанов в процессе производства, но уже через несколько сотен циклов смазочный слой стирается. Кроме того, нагрузки, вызванные давлением, также могут вызывать износ уплотнения. В результате для некоторых типов клапанов трение в клапане может увеличиться на 400 % и более. Это делает очевидным, что выводы, сделанные о производительности с использованием данных стандартных типов для оценки клапанов до того, как крутящий момент стабилизируется, вводят в заблуждение. Клапаны B и C показывают, что эти более высокие коэффициенты момента трения могут иметь разрушительное воздействие на работу регулирующего клапана.

Трение набивки является основным источником трения регулирующих клапанов с непрямым ходом. В этих типах клапанов измеренное трение может значительно варьироваться в зависимости от формы клапана и конфигурации уплотнения.

Этот зазор может вызвать прерывание движения, когда устройство меняет направление. Зазоры обычно возникают в устройствах с различной конфигурацией зубчатых передач. Приводы с реечной передачей особенно чувствительны к зонам нечувствительности из-за зазора. Некоторые соединения шпинделя клапана также имеют проблемы с зонами нечувствительности.

Хотя трение можно значительно уменьшить за счет хорошей конструкции клапана, полностью устранить эту проблему сложно. Хорошо спроектированный и изготовленный регулирующий клапан должен устранять зоны нечувствительности из-за зазоров. Для достижения оптимальных результатов в снижении технологических отклонений общее мертвое пространство всего клапана в сборе должно быть меньше или равно 1 %, а идеальный результат должен составлять не более 0,25 %.