常見閥門定位器你必須掌握的工作原理！

一、閥門定位器（valve positioner）

閥門定位器按結(jié)構(gòu)分：氣動閥門定位器、電氣閥門定位器及智能閥門定位器，是調(diào)節(jié)閥的主要附件，通常與氣動調(diào)節(jié)閥配套使用，它接受調(diào)節(jié)器的輸出信號，然后以它的輸出信號去控制氣動調(diào)節(jié)閥，當(dāng)調(diào)節(jié)閥動作后，閥桿的位移又通過機械裝置反饋到閥門定位器，閥位狀況通過電信號傳給上位系統(tǒng)。

（一）結(jié)構(gòu)

閥門定位器按其結(jié)構(gòu)形式和工作原理可以分成氣動閥門定位器、電－氣閥門定位器和智能式閥門定位器。

閥門定位器能夠增大調(diào)節(jié)閥的輸出功率，減少調(diào)節(jié)信號的傳遞滯后的情況發(fā)生，加快閥桿的移動速度，能夠提高閥門的線性度，克服閥桿的摩擦力并消除不平衡力的影響，從而保證調(diào)節(jié)閥的正確定位。

（二）定位器分類

1、閥門定位器按輸入信號分為氣動閥門定位器、電氣閥門定位器和智能閥門定位器。

（1）氣動閥門定位器的輸入信號是標準氣信號，例如，20~100kPa氣信號，其輸出信號也是標準的氣信號。（2）電氣閥門定位器的輸入信號是標準電流或電壓信號，例如，4~20mA電流信號或1~5V電壓信號等，在電氣閥門定位器內(nèi)部將電信號轉(zhuǎn)換為電磁力，然后輸出氣信號到撥動控制閥。（3）智能電氣閥門定位器它將控制室輸出的電流信號轉(zhuǎn)換成驅(qū)動調(diào)節(jié)閥的氣信號，根據(jù)調(diào)節(jié)閥工作時閥桿摩擦力，抵消介質(zhì)壓力波動而產(chǎn)生的不平衡力，使閥門開度對應(yīng)于控制室輸出的電流信號。并且可以進行智能組態(tài)設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，達到改善控制閥性能的目的。

2、按動作的方向可分為單向閥門定位器和雙向閥門定位器。單向閥門定位器用于活塞式執(zhí)行機構(gòu)時，閥門定位器只有一個方向起作用，雙向閥門定位器作用在活塞式執(zhí)行機構(gòu)氣缸的兩側(cè)，在兩個方向起作用。

3、按閥門定位器輸出和輸入信號的增益符號分為正作用閥門定位器和反作用閥門定位器。正作用閥門定位器的輸入信號增加時，輸出信號也增加，因此，增益為正。反作用閥門定位器的輸入信號增加時，輸出信號減小，因此，增益為負。

4、按閥門定位器輸入信號是模擬信號或數(shù)字信號，可分為普通閥門定位器和現(xiàn)場總線電氣閥門定位器。普通閥門定位器的輸入信號是模擬氣壓或電流、電壓信號，現(xiàn)場總線電氣閥門定位器的輸入信號是現(xiàn)場總線的數(shù)字信號。

5、按閥門定位器是否帶CPU可分為普通電氣閥門定位器和智能電氣閥門定位器。普通電氣閥門定位器沒有CPU，因此，不具有智能，不能處理有關(guān)的智能運算。智能電氣閥門定位器帶CPU，可處理有關(guān)智能運算，例如，可進行前向通道的非線性補償?shù)?，現(xiàn)場總線電氣閥門定位器還可帶PID等功能模塊，實現(xiàn)相應(yīng)的運算。

6、按反饋信號的檢測方法也可進行分類。

例如，用機械連桿方式檢測閥位信號的閥門定位器：用霍爾效應(yīng)檢測位移的方法檢測閥桿位移的閥門定位器：用電磁感應(yīng)方法檢測閥桿位移的閥門定位器等。

（三）工作原理

閥門定位器是控制閥的主要附件.它將閥桿位移信號作為輸入的反饋測量信號,以控制器輸出信號作為設(shè)定信號，進行比較，當(dāng)兩者有偏差時，改變其到執(zhí)行機構(gòu)的輸出信號，使執(zhí)行機構(gòu)動作，建立了閥桿位移量與控制器輸出信號之間的一一對應(yīng)關(guān)系。因此，閥門定位器組成以閥桿位移為測量信號，以控制器輸出為設(shè)定信號的反饋控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)的操縱變量是閥門定位器去執(zhí)行機構(gòu)的輸出信號。

（四）定位器作用原理

（1）用于對調(diào)節(jié)質(zhì)量要求高的重要調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以提高調(diào)節(jié)閥的定位精確及可靠性。

（2）用于閥門兩端壓差大（ △p>1MPa）的場合。通過提高氣源壓力增大執(zhí)行機構(gòu)的輸出力，以克服液體對閥芯產(chǎn)生的不平衡力，減小行程誤差。

（3）當(dāng)被調(diào)介質(zhì)為高溫、高壓、低溫、有毒、易燃、易爆時，為了防止對外泄漏，往往將填料壓得很緊，因此閥桿與填料間的摩擦力較大，此時用定位器可克服時滯。

（4）被調(diào)介質(zhì)為粘性流體或含有固體懸浮物時，用定位器可以克服介質(zhì)對閥桿移動的阻力。

（5）用于大口徑（Dg>100mm）的調(diào)節(jié)閥，以增大執(zhí)行機構(gòu)的輸出推力。

（6）當(dāng)調(diào)節(jié)器與執(zhí)行器距離在60m以上時，用定位器可克服控制信號的傳遞滯后，改善閥門的動作反應(yīng)速度。

（7）用來改善調(diào)節(jié)閥的流量特性。

（8）一個調(diào)節(jié)器控制兩個執(zhí)行器實行分程控制時，可用兩個定位器，分別接受低輸入信號和高輸入信號，則一個執(zhí)行器低程動作，另一個高程動作，即構(gòu)成了分程調(diào)節(jié)。

（五）適配品種

常用執(zhí)行機構(gòu)分氣動執(zhí)行機構(gòu)，電動執(zhí)行機構(gòu)，有直行程、角行程之分。用以自動、手動開閉各類閥門、風(fēng)板等。

二、氣動閥門定位器

（一）工作原理

氣動閥門定位器是氣動調(diào)節(jié)閥的重要附件和配件之一，起閥門定位作用。

氣動閥門定位器是按力矩平衡原理工作的，當(dāng)通入波紋管2的信號壓力P1增加時，使主杠桿3繞支點轉(zhuǎn)動，使噴嘴擋板9靠近噴嘴，噴嘴背壓經(jīng)單向放大器8放大后，通入到執(zhí)行機構(gòu)薄膜室的壓力增加，使閥桿向下移動。并帶動反饋桿繞支點轉(zhuǎn)動，反饋凸輪也隨之作逆時針方向轉(zhuǎn)動，通過滾輪使副杠桿4繞支點轉(zhuǎn)動，并將反饋彈簧拉伸，彈簧對主杠桿3的拉力與信號壓力用在波紋管上的力達到力矩平衡時，儀表達到平衡狀態(tài)。執(zhí)行機構(gòu)的閥位維持在一定的開度上，一定的信號壓力就對應(yīng)于一定的閥位開度。以上作用方式為正作用，若要改變作用方式，只要將凸輪翻轉(zhuǎn)，A向變成B向等，即可。所謂正作用定位器，就是信號壓力增加，輸出壓力亦增加；所謂反作用定位器，就是信號壓力增加，輸出壓力則減少。一臺正作用執(zhí)行機構(gòu)只要裝上反作用定位器，就能實現(xiàn)反作用執(zhí)行機構(gòu)的動作；相反，一臺反作用執(zhí)行機構(gòu)只要裝上反作用定位器，就能實現(xiàn)正作用執(zhí)行機構(gòu)的動作。

氣動閥門定位器

（二）結(jié)構(gòu)原理

氣動閥門定位器接收來自控制器或控制系統(tǒng)中4～20mA等弱電信號，并向氣動執(zhí)行機構(gòu)輸送空氣信號來控制閥門位置的裝置。

其與氣動調(diào)節(jié)閥配套使用，構(gòu)成閉環(huán)控制回路。把控制系統(tǒng)給出的直流電流信號轉(zhuǎn)換成驅(qū)動調(diào)節(jié)閥的氣信號，控制調(diào)節(jié)閥的動作。同時根據(jù)調(diào)節(jié)閥的開度進行反饋，使閥門位置能夠按系統(tǒng)輸出的控制信號進行正確定位。

（三）主要功能

氣動閥門定位器與氣動執(zhí)行機構(gòu)共同構(gòu)成自控單元和各種調(diào)節(jié)閥連接經(jīng)過調(diào)試安裝后，組合成氣動調(diào)節(jié)閥。用于各種工業(yè)自動化過程控制領(lǐng)域當(dāng)中。

三、電氣閥門定位器

由于現(xiàn)在DCS在現(xiàn)場使用越來越多，很多控制器都是使用了中控系統(tǒng)的控制器，所以中控到現(xiàn)場的都是4-20mA的電信號，到現(xiàn)場又需要閥動作的比較快。

雖然閥門定位器由最初的氣/氣閥門定位器、電/氣閥門定位器發(fā)展到現(xiàn)在的數(shù)字閥門定位器、區(qū)域總線閥門定位器，但它們的基本原理和主要功能都沒有大的改變。

（一）定位器中基本自控元件介紹--電/氣轉(zhuǎn)換器原理隨著儀表技術(shù)的發(fā)展，氣動儀表領(lǐng)域已逐步被電動儀表和計算機控制所占領(lǐng)，現(xiàn)在只有在一些特殊的場合還在使用氣動儀表，作為儀表中的閥門附件“定位器”也由原來的氣動閥門（P/P）定位器逐步由電/氣（E/P）閥門定位器所代替。那么在電/氣閥門定位器中輸入的電信號是如何轉(zhuǎn)換成氣信號的呢？我們以SAMSON 6111 型電/氣轉(zhuǎn)換器為例介紹一下它的工作原理(見圖1)：

圖1 Function Diagram of 6111

氣動功率放大器（8）在設(shè)計時；選用合適的彈簧力（8.2），使當(dāng)輸入信號為0 mA 時保持輸出PA 在100mbar ，這樣輸出的壓力通過恒節(jié)流孔（8.4）使噴嘴（7）內(nèi)有一定的背壓。

當(dāng)輸入的信號增加時；通電的線圈（2）切割永久磁鐵（3）的磁力線，產(chǎn)生向上的力→擋板（6）靠近噴嘴（7）使背壓（PK）增加→膜片（8.3）↓→打開閥芯（8.5）→輸出PA↑。當(dāng)輸入信號減少時；擋板（6）離開噴嘴（7）→背壓（PK）減少→輸出壓力（PA）作用下膜片（8.3）↑→閥芯（8.5）關(guān)死→輸出壓力通過閥芯（8.5）釋放。當(dāng)PA 同PK 平衡時輸出壓力保持不變；這時電信號在線圈（2）中產(chǎn)生的力也同背壓（PK）取得平衡。這樣輸入的電信號就轉(zhuǎn)換成氣信號了。

（二）定位器的組成

以SAMSON 的4763 電/氣閥門定位器（圖1A）為例，定位器主要組成部分見圖2。

圖2

1.反饋桿（1）2.反饋彈簧（6）3.反饋風(fēng)箱（7）4. 氣動功率放大器（7下部）5. 電/氣轉(zhuǎn)換器（21）

（三）定位器工作原理

1. 模擬定位器我們還是以SAMSON的4763定位器為例（參考圖3）。我們設(shè)：調(diào)節(jié)閥為FC（氣開）；定位器為正作用

A）閥位根據(jù)輸入信號成比例動作

輸入信號↑→Pe 點氣壓↑→反饋風(fēng)箱中連桿（9）向左動作→壓緊彈簧（6），擋板（10.2）靠近噴嘴（10.1）→輸出風(fēng)壓↑→閥桿（對于氣開閥）↑→壓緊彈簧（6）→反饋風(fēng)箱中連桿（9）向右動作→擋板（10.2）離開噴嘴（10.1）→輸出氣壓（Pst）↓。當(dāng)反饋彈簧的力與反饋風(fēng)箱的力平衡時，閥位保持與輸入信號對應(yīng)的位置。

B）定位

當(dāng)輸入信號不變時：

由于工藝條件變化導(dǎo)致閥桿↑→壓緊執(zhí)行器彈簧→壓緊彈簧（6）→反饋風(fēng)箱中連桿（9）向右動作→擋板（10.2）離開噴嘴（10.1）→輸出氣壓↓→由執(zhí)行器向下的彈簧力使閥位回到原來的地方。

由于工藝條件變化導(dǎo)致閥桿↓→放松執(zhí)行器彈簧→放松彈簧（6）→反饋風(fēng)箱中連桿（9）向左動作→擋板（10.2）靠近噴嘴（10.1）→輸出氣壓↑→使執(zhí)行器向上運動使閥位回到原來的地方。

（四）調(diào)試

調(diào)至零點時給調(diào)節(jié)閥輸入電流信號（一般為4mA），如若閥位指針指示不在零位上，打開閥門定位器，緩慢調(diào)節(jié)調(diào)零旋鈕，使閥位指針指示零位。調(diào)節(jié)量程時，調(diào)節(jié)定值器使其輸出值達到閥門所需的氣源壓力值。零位調(diào)準以后，分別給調(diào)節(jié)閥輸入8mA、12mA、16mA和20mA信號，閥位指針應(yīng)分別指向25%、50%、75%和100%。如果指示不準確，可微調(diào)節(jié)調(diào)零旋鈕，便能指示準確。如果效果仍不太好，那就是行程量不足，松動量程調(diào)節(jié)鎖緊螺釘，并轉(zhuǎn)動量程調(diào)節(jié)螺釘，調(diào)節(jié)結(jié)束后擰緊鎖緊螺釘。通過反復(fù)調(diào)整零點和量程，使執(zhí)行機構(gòu)的行程在公差范圍內(nèi)。

（五）故障總結(jié)

1. 閥門定位器有輸入信號但是沒有輸出信號。

（1）電磁鐵組件發(fā)生故障，建議換電磁鐵組件。

（2）供氣壓力不對，建議檢查氣源壓力。

（3）氣動放大器擋板零點調(diào)節(jié)過高，擋板遠離噴嘴。

（4）氣路堵塞。

（5）氣路連接有誤（包括放大器）。

（6）電/氣定位器輸入信號線正負極接反。

2.閥門定位器沒有輸入信號但是輸出信號一直最大。

（1）氣動放大器擋板零點調(diào)節(jié)過低，擋板過于壓緊噴嘴。

（2）噴嘴堵塞。

（3）輸出壓力緩慢或不正常。

會導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥的膜頭受損、漏氣，造成有輸入信號但調(diào)節(jié)閥動作緩慢的故障，使調(diào)節(jié)閥達不到及時調(diào)節(jié)的效果，處理辦法檢查膜室，更換膜片。

3.定位器線性不好（1）反饋凸輪或彈簧選擇不當(dāng)或者方向不對。（2）反饋連桿機構(gòu)安裝不好或者在某些位置有卡住的現(xiàn)象。（3）噴嘴或擋板有異物。（4）背壓有輕微泄漏現(xiàn)象。（六）結(jié)語

為閥門定位器提供的壓縮空氣必須是經(jīng)過過濾器清潔的空氣。工作中拆卸的部件，在調(diào)節(jié)結(jié)束后一定要正確的固定。注意不要使磁性裝置受到震動或?qū)ζ涫┘舆^大的力，這樣會使零件受損，工作性能降低。應(yīng)盡量減少拆卸噴嘴擋板裝置的次數(shù)。