電氣閥門定位器的選用與性能解刨

1 電氣閥門定位器的作用
    常儀電氣閥門定位器與氣動執行機構和閥本體組成調節閥(控制閥)，由于調節閥行程動作受填料密封摩擦產生死區和回差，定位器的核心作用是將上述對調節閥的影響量，自動增加或減小，糾正閥桿行程產生的偏差，使其回復到控制信號與閥桿行程的對應關系上，將調節系統干擾、超調量、滯后等不利影響減至小，提升被調對象的品質。
    2 電氣閥門定位器的選擇
    電氣閥門定位器是調節閥重要的附件，正確合理選擇定位器應考慮以下要素：
    (1)輸入信號分類、范圍：
    a)氣動輸入信號：200~100KPa；(0.2~1kg/cm2)  (0.2~1bar) (3~15psi)
    分程輸入信號：20~60；60~100 KPa
    b)電流輸入信號：4~20mA；
    分程輸入信號：4~12；12~20mA
    c)智能定位器輸入信號： FF，PROFIBOS；4~20 Ma+HART
    (2)輸出壓力分類、范圍：
    a)單輸出：(配直行程膜片彈簧式執行機構)
    根據所配執行機構的彈簧范圍來確定，此時定位器的氣源壓力有以下要求：
    20~100KPa時，氣源壓力：140KPa
    40~200；80~200；80~240KPa時，
    氣源壓力：300KPa
    120~300KPa時，氣源壓力：340KPa
    b)雙輸出：(配旋轉式無彈簧或有彈簧活塞式執行機構)
    其輸出特點是定位器輸出可隨氣源壓力而變。
    輸出范圍：0~600KPa
    雙輸出定位器的氣源壓力應達到輸出壓力的上限值。
    0~600KPa(可設定)
    (3)定位器位置反饋分類、范圍：
    a)直行程位置反饋：
    0~10；0~16；0~25；0~40；0~60；
    0~100mm(國產調節閥行程系列)
    0~14.3；0~20；0~25；0~30；0~38(40)；0~50；0~60；0~70(75) ；0~80；0~100；0~110mm(國外調節閥行程系列)
    b)轉角位置反饋：
    0~90°；(球閥、蝶閥)
    0~60°；0~70°(蝶閥)
    0~50°；0~60°(偏心旋轉閥)
    由于常儀電氣閥門定位器位置反饋— 直行程、轉角反饋量的大小由定位器的連桿臂長度和凸輪的轉角來決定，各廠家介紹的死點有：30°；45°；70°，故超過定位器位置反饋范圍時，則需要有連桿角度的放大機構。
（圖中所示為：CCCX2000系列電氣閥門定位器）

    (4)輸出特性的選擇：

    閥門定位器輸入信號與輸出特性“關系曲線”
    如圖1所示，以反作用為例。

    圖1中曲線(1)線性特性，產生效果如下：

    a)調節閥線性閥芯，構成的流量特性為線性；

    b)調節閥等百分比閥芯，構成的流量特性為等百分比。

    圖1中曲線(2)快開特性；圖中曲線(3)等百分比特性。

    上述電氣閥門定位器的輸出特性與調節閥組配為硬件的靜態特性，在實際使用中，影響調節系統特性的因素很多，如一線性閥芯的凋節閥在低S值運行時的流量特性會畸變成快開特性。此時，我們可用定位器輸出特性曲線(3)來修正合成線性的調節系統。當然，如果系統設計已采用了調節閥等百分比閥芯時，就不必考慮定位器的輸出特性修正問題，仍應采用線性特性。有幾個問題須指出：

    常儀電氣閥門定位器的等百分比修正凸輪使用時，應注意它有正作用和反作用之分，如圖1所示。

    有些用戶誤認為等百分比閥芯的調節閥也應配用等百分比修正凸輪的定位器，這就等于進行了二次修正，會給系統帶來極不穩定的后果。

    有專家論證指出，機械結構式等百分比輸出特性的定位器不宜應用在自控系統中，因定位器凸輪的加工精度達不到負反饋的要求，使調節系統產**散。可采用智能式的閥門定位器來修正。

    (5)防爆定位器的選擇：

    閥門定位器系現場安裝儀表，對于氣動閥門定位器來說無引爆源存在，且定位器沒有發熱元件，是**然防爆儀表。
    電/氣閥門定位器有電信號存在，如沒有防爆措施，則危險場所是禁止使用的。目前國內外常見的防爆電/氣閥門定位器有：

    a)本質**型(本安型)防爆閥門定位器，采用限止電火花和熱效應兩個可能的點燃源的防爆原理構成的閥門定位器。防爆標志：Ex ia Ⅱ CT6適用于0區、1區、2區的場所。

    b)隔爆型閥門定位器，采用定位器外殼內發生時具有隔離的措施，不至于傳爆到外殼以外的危險性氣體以免引起。防爆標志：Ex d Ⅱ BT6適用于1區、2區的場所。

    c)增安型閥門定位器，采用定位器高表面溫度控制在溫度組別以下，滿足電氣間隙和爬電距離防爆要求，以及定位器的外殼和接線盒的防護等級不低于IP54防護能力的要求。防爆標志：Ex e Ⅱ T6同樣適用于在正常運行條件下不會產生電弧或火花的1區、2區的場所。

    (6)輸入阻抗：輸入信號(mA)輸入阻抗(Ω)4~20一般為250  4~20mA+HART400~600

    常儀電氣閥門定位器的輸入阻抗值下表所示，它由定位器生產廠發布，選用時應考慮定位器的輸入阻抗與調節儀表或DCS阻抗匹配問題，原則上定位器的輸入阻抗不應大于調節儀表的負載電阻。在有分程控制的系統，一般有二個或二個以上的定位器串聯使用，其定位器的輸入阻抗Σ不應大于調節儀表的負載電阻。

    (7)閥門定位器的作用方式：

    a)正作用--定位器的輸入信號增加時，輸出壓力也增加的；

    b)反作用--定位器的輸入信號增加時，輸出壓力為減小。

    一般定位器的出廠狀態均為正作用，但當現場的調節閥已選定為B(正作用)的作用方式，而系統要求為K(反作用)的作用方式時，可用反作用定位器來實現系統的要求。反之，通過定位器將系統改變為正作用。

    (8)定位器“手動”“自動”切換：

    定位器在正常使用時其“手、自動”切換開關置于“自動”檔，當輸入信號中斷時，仍要求調節閥在線工作，則可臨時將“手、自動”切換開關從自動擋改為置于“手動”位置，用定位器配用的空氣減壓閥來調節閥門的行程，從而保證調節系統正常運行。當信號恢復后，再將“手動”切換到“自動”位置。

    (9)性能定義：

    a)基本誤差(非線性)--輸入信號引起閥桿移動的實際“信號--行程”曲線與理論曲線之間的大偏差。

    b)回差(滯后)--同一輸入信號下，正、反行程之間的大偏差。

    c)死區(靈敏度)--能使動作反向的小信號區間。

    d)耗氣量(空氣消耗量)--在額定供氣壓力下(50%行程，穩態狀態下)，定位器1小時的空氣消耗量(升/小時)。因為定位器的輸出有單輸出、雙輸出之分，所以它的耗氣量也有所不同。

    定位器的耗氣量實際上是一個能耗指標，由定位器的氣動功率放大器設計結構所決定，耗氣式功放特點是輸出比較穩定，但耗氣量大。小耗氣式功放特點是耗氣量小，但穩定性稍差。隨著定位器制造技求的提高，有些小耗氣量的定位器也已做到穩定和小耗氣二者兼有，是降耗節省運行成本的產品。

    e)定位器的負載特性一指在動態使用條件下，定位器糾正和克服調節閥在介質負荷影響下所產生閥位變化的能力。這一特性對調節系統的控制品質有非常明顯的作用，因為定位器糾差能力越強，調節閥的閥位就越接近“控制信號與閥位”的理想值，調節閥超調引起的系統擾動可得到有效扼制，直到終達到消除被調量周期性變化的目的。

    f)定位器運行可靠性一指定位器平均無故障時閥 MTBF。

    影響定位器可靠性，有以下幾個方面的因素：

    ①定位器能承受環境考驗的能力，如溫度、濕度、機械振動，以及核電用抗地震等。

    ②長期使用、至少一個檢修周期內，定位器的“零位、行程”不發生漂移，否則應經常地去對定位進行重調校正。一般機械式定位器很難做到這一點。但是，先進的智能式定位器因有自檢和診斷功能，確保定位器的“零位、行程”不會發生漂移。

    ③定位器的機械反饋連接應牢固、可靠，如反饋桿松動和脫落都會引起定位器失效，給調節系統釀成事故。

    ④定位器氣源質量能否達到儀表用氣源標準的要求，對定位器使用可靠性有著密切的關系，其氣源必須是按要求除塵埃、水汽和油污。

    3 電氣閥門定位器綜合評價

    3.1 定位器發展歷史

    我國閥門定位器早在50年代從蘇聯引進仿制Ⅱ-1型氣動的閥門定位器，取而代之的是英國FISHER公司3560型和日本橫河生產的C型氣動閥門定位器。

    1964年我國定位器進行聯合設計，產物是ZPQ型氣動閥門定位器，70年代電子調節器的發展，ZPD型電氣閥門定位器也隨之而生，這些產品一直沿用至今。

    改革開放以來，國民經濟飛躍發展，許多大型化、高參數、高可靠性裝置如雨后春筍般的出現，國產的定位器漸漸淡出這些裝置，以引進國外品牌定位器技術，國內生產的產品和全進口的閥門定位器填充市場，以上是我國閥門定位器產品的基本現狀。

    國外新穎定位器很多，主要是采用了模塊化的結構和先進的電子線路，還有多種防爆結構。國內定位器亦在向這方面發展，下面以常熟常儀儀表有限公司限公司生產的CCCX系列電/氣閥門定位器為例來對新穎定位器的結構優勢予以詳細的分析和綜合評價。

    該產品是在總結了以往定位器生產發展道路的經驗，瞄準國際上先進技術，而研發的產品。它集中體現了多功能、用途廣、可靠性高、使用方便等諸多特點，產品獲得的認證：

    ·USA CA；CE品質認證；
    ·Ex is Ⅱ CT6 ；Ex d Ⅱ BT6；
    ·Ex e Ⅱ T6防爆認證；
    ·IP55及IP56防護等級認證。
    3.2 結構模塊化設計的應用
    CCCX型定位器的結構分解如圖2所示。它由以下模塊組成：

    口序號1-1~1-11基礎模塊組件，它有底座、罩殼、壓力表、反饋彈簧、負載控制彈簧以及標準緊固件等。從圖中可看出設計布局合理，將定位器進、出氣路、顯示壓力表與氣動放大器安置在定位器的下端，特點是：
    ①氣路相對集中，氣路也較短，氣阻小，輸出流量大。

    ②便于采用金屬印刷氣路的壓鑄，消除了定位器氣路間的串氣和漏氣。

    ③定位器底座、罩殼采用鋁合金壓鑄工藝，外觀光滑平正，適宜批量生產，成本也比手工制作低。

    ④定位器氣源、輸出接口設計成多支路，便于氣管任意方向的連接，減少不必要管道拐彎。

    ⑤定位器的氣源接口，可與小型空氣過濾減壓閥直接配套連接構成一體，簡化空氣管路的連接。

    口序號2-1氣動功率放大器模塊組件，它是雙向(雙輸出)膜片結構不耗氣式放大器。特點是：

    ①雙向輸出結構，即放大器背壓增加時，出口端1輸出壓力也增加(正向放大)；出口端2輸出壓力減少(反向放大)；實際上雙向放大器是一個正向放大器和一個反向放大器的組合件。

    ②配用了雙向放大器的定位器，增加了定位器具有雙輸出的功能，可應用在單輸出要求，配彈簧膜片式氣動執行和有雙輸出要求，配氣動活塞式(無彈簧或帶復位彈簧)執行機構。

    ③由于雙向放大器背壓室彈性元件采用橡膠夾布波紋膜片，這給定位器帶來二大好處。

    一是，放大器能承受較高的背壓，所以定位器的大氣源壓力可達到0.7MPa(7kg/cm2)，是一般金屬膜片式放大器大氣源壓力的3倍，這就大大擴大了定位器的應用范圍，也給氣動執行機構增大輸出力(力矩)，提供了強大的工作能源；二是，膜片式雙向放大器比滑閥式雙向放大器靈敏度高、穩定性好，閥芯、推桿等可動部件無摩擦力存在，基本消除了滑閥式放大器存在的輸出爬行、高耗氣(耗氣小時滑閥的配合間隙小，摩擦增大，死區也增大)的弊端。

    ④由于膜片式雙向放大器替代了單輸出型和滑閥式雙向放大器，這使得用戶減少備品件的庫存，同時使生產制造廠壓縮了放大器的生產品種，對降低運行和生產成本具積極的經濟意義。

    ⑤定位器的耗氣指標也是設計院和用戶選擇定位器的重要依據，它不僅能給空壓站、氣源凈化設備減少投資，還給常年累月節省空氣消耗、節約運行成本創造了極為有利的條件。

    口序號3-1比例杠桿組件，它是實現定位器負反饋行程大小的調節裝置，由反饋彈簧、比例調節旋鈕組成，有以下特點：

    ①調節比例帶寬，配標準反饋桿，行程可調范圍12~100mm，配加長反饋桿，大行程可達410mm。

    ②設有調節旋鈕，可實現行程微調，有助于將定位器調整到佳精度，且操作非常簡單，實用。

    口序號4-1反饋凸輪機構組件，它由反饋凸輪、支架、轉軸及反饋桿等組成，特點是：

    ①積木式模塊化反饋凸輪機構組件，分直行程和角行程二個組件，根據訂單和實際使用要求，選擇其中的一種與所用的執行機構(直行程的，還是角行程的)互換使用，這一功能也是CCCX型定位器的核心技術，它體現了定位器人性化設計思想，為使用者實現定位器一儀多用，考慮得十分周到。

    ②反饋凸輪如圖3所示，從圖中可看出，它是一組多曲線集合體，為正、反作用定位器選擇安裝面，標識有“A面”和“B面”字樣。為反饋桿的回轉角，標識有45度、90度轉角。改變了以往定位器一個曲線一個凸輪板的設置，大大方便了定位器的使用效果。

    ③定位器的輸出特性有“快開、線性、等百分比”三種，是由定位器凸輪曲線的形狀來決定的。為使用者提供了用定位器來修正調節閥流量特性的選擇。注意的是等百分比特性凸輪只是適用于過程慢的對象如溫度系統。

    ④反饋桿是對外與調節閥連接的比例杠桿，其桿的臂長與調節閥所配用的行程有關，它有標準和加長的反饋桿供用戶選用，外露的反饋桿材料是采用不銹鋼制的，防腐性能好，耐用。

    口序號5-1調零組件，它由調節旋鈕和負載控制彈簧等組成，特點是：

    ①調節螺桿采用細牙螺紋，可進行定位器“零位”微調，結構上設有防喘動機構，可保持定位器“零位”不漂移。

    ②負載控制彈簧有A，B，C，D四種尺寸，根據所配執行機構的大小和執行機構(單動、雙動)來確定，實際上負載控制彈簧是以不同的彈簧剛度(kg/mm)與調節閥接受定位器輸出增益相匹配，以求達到定位器佳工作特性。

    口序號6-1力矩馬達和接線端子盒組件，它是定位器的心臟部件，其作用是將電流信號經力矩馬達生成電磁力。特點是：

    ①它把電流信號從輸入端(接線盒)和力矩馬達非常巧妙地組合在一起，構成一個功能模塊，用幾個緊固螺釘很方便地連接到定位器的底座上，有助于定位器的維護和檢修，根本上消除了過去當定位器的力矩馬達分解時，輸入信號線容易造成割斷和短路現象的發生，大大增加了定位器的可靠性和**系數。

    ②力矩馬達特性與選用的材料有著密切的關系，要確保*磁鋼不產生磁老化，否則將會引起定位器在線使用時，輸出范圍(量程)變化。還要確保力矩馬達可動銜鐵的軟磁合金，具有較高的初始導磁率和較小的磁滯回線(剩磁)，否則會引起定位器的靈敏度降低和回差增大。如CCCX定位器對內在質量進行嚴格的控制，就能確保定位器長期工作的穩定性。

    上述，定位器模塊化設計的應用，定位器的功能增多了，性能提高了，使用的面擴大了，定位器的生產簡化了，成本也降低了，起到一舉多得佳績。

    3.3 定位器的防爆措施

    CCCX定位器具有多種防爆結構和優異的防爆性能，防爆定位器設計、制造按標準和等效采用IEC標準執行。其標準號為：
    GB 3836.1-2000 eqv IEC 60079-0：1998《性氣體環境用電氣設備、*1部分：通用要求》
    GB 3836.2-2000 eqv IEC 60079-1：1990《性氣體環境用電氣設備、*2部分：隔爆型“d”》
    GB 3836.3-2000 eqv IEC 60079-7：1990《性氣體環境用電氣設備、*3部分：增安型“e”》
    GB 3836.4-2000 eqv IEC 60079-11：1999《性氣體環境用電氣設備、*4部分：本質**型》

    a)隔爆型電氣閥門定位器Ex d Ⅱ BT6

    定位器可能引起周圍性環境的部件，是力矩馬達中的線圈，采取的防爆措施是將輸入信號的引線和線圈部件，封裝在由鋁合金壓鑄的線圈骨架中，構成整體的隔爆部件(隔爆主腔)，并與接線腔(防爆接線盒部件)連接在一起，構成隔爆結構。有效阻止了線圈可能產生的火花在隔爆腔內引爆時，不會傳爆到隔爆腔外面，從而起到了隔離防爆的作用，因隔爆腔內發生的瞬間會產生較高的壓力，所以隔爆腔要有一定的機械強度，其耐壓應大于壓力。

    隔爆主腔的隔爆接合面是經過機械精加工的，表面光滑平整，其隔爆接合面應符合ⅡB標準的要求，因為當隔爆腔內時的腔內溫度，使通過隔爆接合面的寬度和間隙由里往外成溫度梯度下降，從而不足以引燃隔爆腔外圍性環境發生傳爆，這就是隔爆定位器的防爆原理。當檢修或分解隔爆部件時應注意，不能碰傷隔爆接合面和異物夾在隔爆接合面中，否則將起不到隔爆的作用，防爆失效。

    隔爆定位器設計結構有整體式隔爆和部件式隔爆之分：

    整體式，是將定位器各部件，包括危險部件集中放置在一個大的隔爆腔內，使定位器的體積和重量大增，小尺寸的調節閥安裝難以適應，結構也比較復雜，又不允許在現場通電情況下開蓋對定位器零位、行程范圍進行調整。因此，定位器的使用領域受到較多因素的限止，逐漸被小型防爆功能全的定位器所替代。

    部件隔爆式，只是將定位器的危險元件置于隔爆腔內，體積和重量大大減小，結構相對簡單，大小尺寸的調節閥安裝使用方便，它允許在現場防爆區域內帶電情況下，打開定位器的蓋子進行零位、行程范圍的調整，這種定位器防爆構思深得用戶高度評價。

    b)增安型電氣閥門定位器Ex eⅡ T6

    定位器輸入信號接線端子的電氣間隙和爬電距離、定位器外殼高表面溫度、定位器的外殼和接線盒防護等級是構成增安型防爆定位器三要素。以防止定位器產生高溫、電弧和火花的可能性，大大提高了定位器的**程度。

    定位器接線端子板裸導體的電氣間隙和爬電距離、以及絕緣材料的選用應符合GB3836.3標準的規定。定位器線圈長時間通電檢測的溫升小于85℃，所以定位器外殼的高表面溫度符合增安型自燃溫度T6組別的要求。定位器帶裸導體接線盒和定位器的外殼防護等級為IP54，也是戶外防水型產品。

    c)本質**型電氣閥門定位器

    Ex is Ⅱ CT6
    ①本質**型定位器的防爆原理如圖4所示。

    在力矩馬達線圈的兩端并聯二只“保護性元件”(穩壓二極管)D1，D2，定位器正常工作時，力矩馬達線圈通過4~20mA電流信號，D1，D2處于截止狀態。當定位器處于故障狀態下(信號引接線突然斷開瞬間)，此時電感線圈產生反向電動勢，通過D1，D2正向導通構成泄放回路，將儲能線圈的能量進行泄放，使引接線斷開處不產生電火花或使其點火能量降低到**火花范圍之內。
    ②本質**定位器使用時，還必須與關聯設備(**柵)配套構成本質**防爆系統，如圖4所示，此系統還應取得防爆檢驗機構的檢驗和試驗，簡稱聯合取證。

    CCCX型定位器已與MTL，KFD2-LD-EX，Z715、MK31-11EXO-Li、LB928、GS8087-EX、JDS9042，JIB7040，KN9760，KNGLS3040等多家國內外型號的關聯設備聯合取證：一般**柵均能應用。

    ③本質**定位器安裝現場布線有規定要求：其電纜分布電容/電感參數應控制在0.1μF/0.5mH以內。

    綜觀CCCX系列防爆定位器特點：
    一是，具有較完善的防爆型式：有本質**型、隔爆型(耐壓防爆型)和增安型(防水型)，三種型式的防爆定位器共用一個防爆接線盒、共用一個線圈隔爆部件(本安型保護性元件膠封在線圈隔爆部件中)為用戶選型提供了較大的選擇余地。

    二是，具有較高的防爆級別：Ex is Ⅱ CT6本質**型定位器(同類產品的級別是Ex is Ⅱ CT5 ) ；Ex d ⅡBT6隔爆型定位器(同類產品的防爆級別是Ex dⅡ BT4 )，用戶要求可供Ex dⅡ CT6更**別的防爆定位器，將使防爆定位器應用范圍更寬。
    三是，本安型定位器與本安型關聯設備組成的本質**系統，是經過防爆檢驗機構認可的，并獲聯合取證證書。已與英國測量技術公司、德國P+F公司、德國圖爾克、龍飛集團有限公司等廠商多種型號的關聯設備聯合取證。

    4 電氣閥門定位器的性價比

    設計院、使用單位在選擇閥門定位器時。總希望定位器的性能要好，價格要適中，定位器性價比的概念由此產生。現將CCCX系列定位器的性能和售價作以下評價：(見表1，國內外定位器性價比匯總表)

    4.1 技術參數和性能指標，見表1。

    4.2 CCCX系列電氣閥門定位器的性價比

    通過上表國內外閥門定位器性能和價格(略)匯總比較，CCCX型定位器的技術參數和性能指標與國際上同類產品基本接近，產品在多功能、多用途、靈敏度高、耗氣量小、輸出流量大等方面優于國外產品，而產品的平均售價是國外產品的40~50%，換句話說，以較低的價格優勢，使用到高性能的產品。而且在產品的售后服務和備品、備件的提供將得到充分的保存證。