阀门定位器和薄膜调节阀的其它辅助装置

阀门定位器

    这部分叙述几种气动调节阀常用的辅助装置，鉴于阀门定位器是其中经常考虑的重要的一种，所以首先介绍它。

    气动阀门定位器是一种辅助装置，它使用压缩空气，根据气动信号的大小来移动气动操作阀体部件，使阀门处于的位置，典型的定位器示于图1中。

工作原理  图2为由调节器直接操作阀门的示意图。一个典型的调节器，其输出从小的0磅/英寸²表压变化到大的20磅/英寸²表压，常用的阀门弹簧，工作范围为3～15磅/英寸²表压，需要用15磅/英寸2表压的压力来压缩阀门的弹簧。空气压力在15磅/英寸²表压以上是用来克服阀前的压力关闭阀门。

    图3示出了调节器和带定位器的调节阀系统。在这种情况下，从调节器来的信号送入定位器，而不是直接送到调节阀。定位器把控制信号与阀杆的位置进行比较，若阀杆的位置不正确，定位器增加或排放阀门执行机构上的空气压力，直至获得正确的阀杆位置。

结构示例  图4是气动阀门定位器的示意图。仪表控制信号送到信号膜片上，信号压力增大时将推动膜片和导向阀的阀杆向右移动。导向阀的阀杆打开供气挡板，容许气源压力进入导向阀的气室。当导向阀的阀杆偏向右边时，排气挡板保持关闭。由于导向阀的气室是与调节阀的执行机构相连接的，所以存在感动气室里的压力也存在于执行机构中。

    在正作用的定位器中，仪表的信号增大，导向阀气室和执行机构中的压力也随之增高。执行机构中压力增大，推动阀杆向下移动，使定位器连杆顺时针方向旋转。并通过凸轮压缩反馈弹簧。当调节阀的阀杆到达调节器要求的位置时，反馈弹簧的压缩将给出一个力，等于调节器信号作用在信号膜片上所产生的力。当建立起这个“力平衡”时，导向阀的阀杆向左边移回，两个挡板都关闭上。若调节器的信号减小，施加于信号膜片上的力也减小，从反馈弹簧来的力将把导向阀的阀杆推向左边，打开排气挡板。这就引起导向阀气室中的压力降低，并允许调节闪的阀杆向上移动，直至建立起新的力平衡。

    示于图5中的阀门定位器利用力平衡的原理，由弹簧对波纹管单元加荷载（从阀杆的实际移动）到相当于控制仪表的气动压力施加的同样的力。

    增高或降低控制仪表的气动压力，使波纹管移动并操纵空气导向阀。气源空气导入薄膜式执行机构的气室或是从上部的导向阀排出放入大气。当阀门移动，平衡弹簧的负荷改变，这个动作把波纹管和导向阀带回到原来的位置，使弹簧的执行机构和控制仪表的压力之间恢复平衡。

    波纹管的特性不影响校准，困为波纹管实际上在所有的平衡点都不能是保持相同的位置。拉杆结构是用于补偿角度的误差。控制仪表的压力信号和阀杆的位置之间存在着线性关系。

    波纹管和空气导向阀是整套装在一起的单元，零件将不会导入摩擦力和、引起误差。拉杆支承点的摩擦力是在调节阀的那一侧，所以，不影响阀门定位器的性能。

应用  阀门定位器常见的一些应用分述于下，与此同时作些恰当的讨论。这些应用必须适当地限制，这个问题已在下面的小标题“阀门定位器的局限性”中指出。

用来克服摩擦力

    摩擦阻力占薄膜式执行机构全部动力的10～15%时需要使用阀门定位器，定位的精度为0.001英寸。

用来增加单座阀的切断额定功率

    常见的应用是在单座的调节阀上，供气的压力为35磅/英寸²表压。如果调节阀的弹簧是使用3～15磅/英寸²表压的，从阀门定位器输出的开头的15磅/英寸²表压是用于压缩弹簧，而剩余的20磅/英寸²表压（35磅/英寸²表压减去15）可用来关闭阀门，以克服阀前管线压力的反向推力。这个压力比从调节器来的信号压力更高，所以，阀门克服管线反向压力的额定功率相应地增高了。

    阀门定位器的供气压力一般受到调节阀的执行机构上大容许空气压力的限制。进一步增加调节闪的切断额定功率，可以由减小调节阀弹簧的寝的压缩范围而获得。例如，一个3～15磅/英寸²表压的弹簧范围可以调整成为1～13磅/英寸²表压的范围。如果阀门定位器的供气压力为35磅/英寸²表压，那么，仅需要13磅/英寸²表压的压力用来压缩阀门的弹簧。此时，可用于切断的压力为26磅/英寸²表压（35减去9）。只要阀门定位器的输入弹簧是3～15磅/英寸²表压，并有足够的气源压力可供利用，调节阀将在超过3～15磅/英寸²表压的范围下地运行，与调节阀的弹簧范围无关。

    图6示出一个弹簧范围6～30磅/英寸²表压气开式调节阀。加重的弹簧和更高的弹簧寝压缩范围，比3～15磅/英寸²表压的阀门弹簧获得更大的关闭能力。调节阀的切断额定功率是受到阀门弹簧的初始压缩范围限制的，因为阀门定位器仅能从调节阀的执行机构上排出空气压力，使阀门关闭。

用来增加调节阀的响应速度

    若调节阀直接由气动调节器操作，阀门的操作速度取决于：1、连接管线的长度和尺寸；2、执行机构的容积；3、调节器中的功率放大器的容量。

    如果使用阀门定位器，调节器的信号不是送到调节阀的执行机构上，而是送到阀门定位器上。鉴于输入到阀门定位器的空气量要求小于或接近于1立方英寸，调节器和阀门定位器中的功率放大器一般比调节器具有更大的供气口，所以，压缩空气从阀门定位器到阀门执行机构的移动速度更快，流量更大，可以得到更大的阀门响应速度。

用来操作无弹簧式执行机构

    图7示出了调节器操作一台气动无弹簧式执行机构的调节阀的系统图。无弹簧式执行机构是薄膜式的，在膜片下面的气室有3磅/英寸2表压压缩空气的恒定的荷载压力。这种结构一般仅用于两位控制，因为作用在膜片上部的压缩空气的压力只要大于3磅/英寸2表压，往往就会使阀门关闭，而膜片上部的压力小于3磅/英寸2表压就允许阀门打开。其主要休战是提供了更大的切断力来关闭阀门，因为没有弹簧压缩。

    图8示出了一个带无弹簧式执行机构和阀门定位器气动调节阀。调节器为节流式，输出约从0～20磅/英寸2表压之间的变化。阀门定位器使用压缩空气压力（高达35磅/英寸2表压），必须按照调节器的信号来校正阀杆的位置。这种系统的主要优点是有一个更高的调节阀切断额定功率，可用来克服上游压力的反向推力。因为没有弹簧压缩。其主要缺点是由于调节阀没有弹簧，使稳定性减小了；它也失去了提供可*的防止故障的性能。

分程控制

    有时候希望仅使用调节器输出范围的一部分来控制一个气动调节阀。这可以通过改变或调整阀门定位器的输入弹簧来实现。常见的控制方案是一个调节阀和阀门定位器在调节器输出的3～9磅/英寸²表压的范围内工作，而另一方个调节阀和阀门定位器则在调节器的输出为9～15磅/英寸²表压的范围内工作。在上述的例子中，仅需要修改阀门定位器的弹簧。调节阀体弹簧要吧是标准的3～15或6～30磅/英寸²表压的弹簧。

用来改变作用方式

    一个阀门定位器，当输入信号增加时，其输出的压缩空气压力也随之增加，称为正作用的阀门定位器。一个阀门定位器，当输入信号压力增加时，其输出的压缩空气压力降低，则称之为反作用的阀门定位器。阀门定位器很容易在现场改变其正、反作用。

    反作用的阀门定位器不常使用，要求带一个反作用的调节阀执行机构也是不必要的。然而有一种应用，为了加热和冷却发使用而带两个具有分程控制的常闭阀门。

用来改变调节阀的流量特性

    大多数的阀门定位器是线性的，即阀杆是按照调节器输出压力而线性地改变其位置。然而，在些阀门定位器提供了一种方法（通常是一个凸轮）来改变这种关系，使调节阀产生不同的流量特性。图9示出了这种情况的图表。在某些情况下，组合的结果，可能并未得到改善，因为调节阀的时间常数以及增交加是受凸轮形状的影响。

宽的比例

    当调节阀必须对很小的压缩空气压力(小于0.25磅/英寸²)的变化有所反应时，往往推荐使用阀门定位器。这是在宽比例带的场合下使用。

流体介质的特性

    若工艺流体会在阀门零件上挂胶或固结，而增加运动部件之间的摩擦阻力，阀门定位器常常帮助提供附加的力，以克服摩擦阻力。

高压的流体介质

    在高压下应用，阀杆的填料可能很紧，在阀杆上产生较大的摩擦阻力，增加了阀门的变差和死区。在这和畅情况下使用阀门定位器有时是有好处的（见参考文献1和2）。

阀门定位器的附件  一个完整的气动开关有时有一个阀门定位器，用于使阀门定位器旁通。一般不推荐使用旁通，因为在这些场合使用的调节阀没有阀门定位器将不工作。

    压力表常常用来指示调节器的输出压力、阀门定位器的输出压力和供气压力。

    阀门定位器的局限性以上所讲的是传统的应用，然而，近的研究表明，在快速过程如液体压力和流量的控制过程，使用阀门定位器能可对控制质量是有害的。这种场合要求（例如较高的空气压力去关闭阀门，或去迅速地操作阀门）使用压力或容积升压器和继动器来代替阀门定位器。

    对于慢的过程，如大多数传热系统，液位和一些大容积的气体压力过程，阀门定位器将改善控制的质量，尽管它显得没有必要（进一步的资料见参考文献1和2）。

阀门定位器的其它形式

顶装式

    顶装式阀门定位器如图10所示，工作按气动力平衡原理。控制仪表的气压表动压力在阀门定位器大的（中心）膜片上给出一个向上的推力，因为膜片的面积不同。这个力加上范围弹簧向上的力，由负向迁移弹簧向下的推力来平衡。在平衡时，一个小的导向阀流量（约0.15 超标准英尺³/分）对控制仪表空气压力的微小的变化就立即给予响应。

    控制仪表的空气压力增高，膜片组合件暂时升高，关闭排气口，并打开导向阀。阀门压力增高，膜片向下移动，减少了范围弹簧上的力。当阀杆是处于控制仪表的空气压力所要求的位置时，力再度平衡。

双作用阀门定位器

    双作用气动阀门定位器是一个力平衡式仪表，它从调节哭喊来手工劳动动操作器接受气动信号，按照所接受的气动信号决定阀杆的位置。图11表示一个用于活塞式执行机构的正作用阀门定位器。这种结构形式，信号压力增高将推动活塞向下移动。

    在运行中，把仪表信号送到信号膜片上。信号压力增高，推动膜片和挡板连接杆向右边移动。挡板连接杆打开在 “阀#2”上的供气挡板，容许气源压力进入上部气室。当挡板连接杆偏听则暗向右边，在“阀#2”上的排气挡板保持关闭的位置。在“阀#1”上发生相反的动作，下部气室排气。仪表的信号增加，使活塞上部气室的压力增加和下部气室的压力降低。活塞上的压力差推动阀杆向下移动，并使阀门定位器的连杆顺时针方向转动。阀门定位器连杆的顺时针方向转动，通过凸轮压缩范围弹簧。当阀杆到达调节器要求的位置，压缩范围弹簧而形成的力，等于调节器信号作用在信号膜片上所产生的力。当这个两个力平衡时，挡板连接杆移回到左边的原来位置，全部挡板都闭合。

    若调节器的信号减小，施加在信号膜片上的力也随之减小，从范围弹簧来的力将将挡板连接杆向左边移动，打开在“阀#1”上的排气挡板，关闭在“阀#2”上的供气挡板，使活塞产生一个向上的力，允许阀杆向上移动，直到一个新的力平衡建立。

电—气阀门定位器

    电—气阀门定位器示于图12中，它是一个力平衡装置，按照从调节器来的电流信号决定调节阀的位置。如图中所示，阀门定位器向调节阀提供压缩空气，直到反馈弹簧的力与电磁线圈的力平衡。

数字式阀门定位器

    数字式阀门定位吕是一种单作用、二级、力平衡式仪表，它接受一个数字的电信号，并决定一个气动调节阀位置。图13是数字式气动阀门定位器的照片，图14是数字式气动阀门定位器在一个控制回路中的方块图。

图15 是数字式气动阀门定位器的原理示意图。输入信号送到直流步进马达断续地旋转。当马达上的轴转动时，带螺纹的轴使螺母组合件在上面横向来回移动，从而改变了范围弹簧的张力。若张力减小，便引起了挡板连杆向顺时针方向转动，挡板逆时针方向偏转，允许更多的空气从喷嘴中流出，使喷嘴的背压下降。因而减小了*二级导向阀膜片上的压力，引起了用于调节阀膜片上的输出压力减小。在调节阀膜片上的压力减小将使阀杆向上移动，反馈凸轮逆时针方向转动。反馈凸轮的动作和反馈弹簧按逆时针方向转动挡板连杆，使挡板按顺时针方向转动。这些动作减少了从喷嘴中流出的空气量。当由范围弹簧在挡板连杆上产生的力矩时，调节阀已经到达控制信号所要求的新的位置。调节阀将保持在这个位置上，直到信号改变为止。

气动容积和压力升压器

容积升压器  容积升压器可用于增加薄膜式调节阀的控制速度。典型的方案示于图17中。

图17 中表示用于连结调节器和气动调节阀的容积升高器。调节器的输出信号不是送到调节阀上而是送到升压器上。升压器的功率放大器仅需要约1立方英寸的压缩空气来定位，因而，通过连接管线移动的空气体积是很小的。信号空气是通过升压器中的功率放大器来控制调节阀，由于这种功率放大器具有较大的容量（35标准英尺³/分），使调节阀的行程时间显著地减小了。若气源压力是使用减压阀向升压器供气，它必须是大容量型，以免使升压器的输出容量受到限制。

    压力升压器压力升压器通常也是容积升压器，但是，它的主要功能是把从调节器来的压力增加到20磅/英寸²表压以上，以便某些调节阀的位置。

    图18示出带6～30磅/英寸²弹簧的气开式单座调节阀。加重弹簧可以用于关闭调节阀，克服高的上游压力；但是，正常的调节器输出（大20磅/英寸²）不能打开阀门。2:1升压器则可使系统运行。

升压器可能比阀门定位器更好一些，因为它的价格便宜，而且升压器不以调节阀为基础来切断一个回路，事实上在快速响应增强稳定性。

双位式气动继动器

    调节器在大的输出（20磅/英寸²）时还不足以操作薄膜式调节阀时，可以采用双位式气动继动器。图19表示出双位气动调节器的情况。继动器分别将35磅/英寸²表压或0磅/英寸²表压加到薄膜调节阀，使阀门打开或关闭。35磅/英寸²表压的输出压力用于关闭单座薄膜调节阀，比从调节器输出的20磅/英寸²表压能克服更高的管线压力。

气动继动器可以和节流式调节器一起使用，继动器在发生紧急情况下使用，如图20所示。在这种应用中，继动器是处于正常位置，因此排气口关闭，穿过继动器从调节器至薄膜调节阀的通道保持开启。配上适当的管线，一个事故信号（0或20磅/英寸²）可施加于继动器，切断调节器来的信号，关打开排气口。把继动器的排气口连接到调节阀上，气开式调节阀便于工作迅速地被阀门弹簧所关闭。

电磁阀

    电磁阀如图21中所示，在一些应用中，它适合同薄膜调节阀配合使用。

    图22说明一个三通电磁阀向薄膜式调节阀供气或从调节阀上排气，从而实现双位操作。根据阀门的口径大小这种控制方案比所有的电动阀门可显著地减少费用和加快响应速度。

    三通电磁阀可以与气动节流式调节器一起使用，此处的电磁阀是在事故时使用，示于图23。在这种应用中，电磁三通阀处于正常位置，排气口关闭，调节器和薄膜调节阀之间的通道保持开启。配上适当的管线，以电流形式的事故信号通过电磁阀，能使调节器的输出中断，并使排气口打开。把电磁阀的排气口连接到薄膜调节阀上，气开式调节阀便迅速地被阀门弹簧所关闭。

位置指示开关

    为了阀杆位置的远距离两位置指示，柱塞式或滚子式驱动开关（见图24中的例子）能够直接安装在执行机构的支架上。这种指示限于两个位置，通常是与开关操作的红、绿指示灯一起使用。

气动闭锁器

    这种装置用于需要保持调节阀的阀位时尤其是工厂气源的压力降至给定的水平以下时。在图25中示出其中的一种形式，供气的气源进入由反向弹簧膜片密封的气室，万一工厂的气源压力降至预定的下限，弹簧把连接到执行机构去的通道切断，封闭了贮存在阀门操作器管线中的调节器信号压力。

阀位变送器

    气动阀位变送器（图26）是连续指示阀杆移动的位置装置。它一般是安装在执行机构支架上，通过连杆与调节阀的阀杆相连接。通过连杆检测阀杆的位置，按比例地把3～15磅/英寸2信号传送到远方的接受器上。用电信号传送阀杆位置的阀位变送器也是适用的。

电—气转换器

    电—气转换器把电动调节器输出的电信号转换成气动信号，以控制薄膜调节阀。它们可骒电流对压力（I/P）的转换器，也可以是电压对压力（E/P）的转换器。典型的（I/P）转换器示意地表示于图27中。

输入电流作用在磁铁单元的线圈上，输入电流和*磁铁的磁场联合作用，产生一个力，施加于杠杆上，杠杆是通过固定夹板连接到磁铁单元上。在杠杆的一端上有支点，受力后偏移。工作中，输入电流的增加促使电磁线圈顺时针方向偏转，向上固定夹板，并移动杠杆更*近于喷嘴，使喷嘴的压力增高，传送至气动放大器。所以，从气动放大器至输出管线和平衡波纹的输出压力增高。在平衡波纹管上，增大的输出压力变成一个平衡力施加于杠杆上，以抵消作用在磁铁单元上的不平衡力，于是杠杆重新得到平衡。零位调整是通过调整零位弹簧作用在杠杆上调零力而获得的.