阀门死区的认识

阀门死区的认识

阀门死区是超大过程偏差度的主要贡献者。由于各种各样的原因，如摩擦力、游移、阀轴扭转、放大器或滑阀的死区等，调节阀(控制阀)组件可以是一个仪表回路里死区的主要来源。

阀门死区是一种通用现象，指的是当输入信号改变方向时，不能使得被测过程变量（PV）产生变化的控制器输出（CO）值的范围或宽度。（见*1 章这些术语的定义）。当一个负载扰动发生时，过程变量（PV）会偏离设定点。这个偏差会先通过控制器，后通过过程产生一个纠正性的动作。然而，控制器输出的一个初始变化可能不会产生一个相应的过程变量的纠正性的改变，只有当控制器的输出有大得足于克服死区的改变时，一个相应的过程变量的改变才会发生。

（图中所示：调节阀配电气阀门定位器）
控制器输出改变方向的任何时候，在过程变量的任何纠正性改变发生前，控制器的信号必须通过死区。工艺过程里死区的存在会使得过程变量偏离设定点。控制器的输出必须增加到大得足于克服死区，只有这时一个纠正性的动作才会发生。

死区有很多原因，但是调节阀(控制阀)的摩擦力和游移、旋转阀阀轴的扭转以及放大器的死区是几种常见的形式。由于大部分的调节式控制的动作是由小信号改变（1%或更小）组成的，一个有超大死区的调节阀(控制阀)可能甚至根本不会对这么多的小信号改变作出响应，一个制造精良的阀门应该能够对1%或更小的信号作出响应以有效地减小过程偏差度。然而，并不奇怪的是有些阀门展示出5%或更大的死区。在近的一次工厂审计里，30% 的阀门有超过4%的死区。超过65%的被审计回路有大于2% 的死区。图2-3正好表示死区的组合效果是多么大。这个图代表正常过程条件下三个不同的调节阀(控制阀)的开环回路测试。这些阀门接受一系列的阶跃输入，范围从0.5% 到1%。阶跃测试必须在那些重要的流动工况下进行，因为这些工况允许评估整个调节阀(控制阀)组件的性能，而不是在大部分的标准测试条件下仅仅评估阀门执行机构的性能。

有些对调节阀(控制阀)性能的测试仅仅比较相对于输入信号的执行机构推杆的行程。这是一种误导，因为它忽略了阀门本身的性能。关键的是测量流动工况下阀门的动态性能，这样，过程变量的改变才能与阀门组件的输入信号改变相比较。如果只有阀杆对于阀门输入的改变作出响应，那么这种测试的意义不大，因为如果没有相应的控制变量的改变，也就没有对于过程变量的纠正。

在所有三个阀门测试里（图2-3），执行机构推杆的运动都能对输入信号的改变作出很好的响应。另一方面，这些阀门在对应于输入信号的改变而改变流量的能力方面却有很大的不同。对于阀门A，过程变量（流量）能对小到0.5%的输入信号作出很好的响应。阀门B要求输入信号的改变大于5%，才开始对每一个输入信号阶跃作出很好的响应。阀门C 明显更差，要求信号改变大于10%，才开始对每一个输入信号阶跃作出很好的响应。阀门B 或C 的改善过程偏差度的能力是非常差的。

摩擦力是调节阀(控制阀)死区的一个主要原因。旋转阀对于由高的阀座负载引起的摩擦力非常敏感。对于有些密封型式，高的阀座负载是为了获得关闭等级所必需的。由于高的摩擦力和低的驱动应变刚度，阀轴会扭转，无法把运动传递给控制元件。结果是，一个设计很差的旋转阀可能会展示出很大的死区，这个死区明显对过程偏差度有决定性的影响。制造商们通常会在制造过程中润滑旋转阀的密封，但是经过只有几百次的循环动作之后，润滑层就会磨损掉。另外，压力引起的负载也会导致密封磨损。结果是，对于某些阀门型式，阀门的摩擦力可能会增加400% 或更多。这就说明在力矩稳定之前，通过使用标准类型的数据来评估阀门而得出的性能方面的结论是误导。阀门B 和C（图2-3）表明这些较高的摩擦力矩因素会对一个调节阀(控制阀)的性能产生毁灭性的影响。填料摩擦力是直行程调节阀(控制阀)的摩擦力的主要来源。在这些类型的阀门里，测量得到的摩擦力可能会随着阀门形式和填料结构的不同而有很大的差别。

执行机构的类型对于调节阀(控制阀)组件的摩擦力也有根本性的影响。总的来说，弹簧薄膜执行机构比活塞执行机构对调节阀(控制阀)组件产生更小的摩擦力。弹簧薄膜执行机构的另外一个优点是它的摩擦力比较恒定，不会随时间的变化而变化。活塞执行机构的摩擦力会随着导向面和O形圈的磨损、润滑层的损失以及弹性体的性能等级下降而显著增加。这样，为了确保连续的佳性能，活塞执行机构比弹簧薄膜执行机构需要更加频繁的维护。如果不进行维护，过程偏差度就会显著增加，而操作人员对此一无所知。

空程（见*1 章里的定义）给机械连接的空动或松动起的名词。当装置改变方向时，这种空动会引起运动的不连续性。空程通常发生在具有各种各样配置的齿轮驱动的装置里。齿条齿轮执行机构由于空程特别容易产生死区。有些阀轴的连接也展示出死区的效果。花键连接总的来说比键槽连接的阀轴或双D 形结构有更小的死区。尽管摩擦力可以通过优良的阀门设计而大大地减小，但是全部消除它却是一个困难的问题。一个设计制造精良的调节阀(控制阀)应该能够消除由于空程和阀轴扭转而引起的死区。为了在减小过程偏差度方面取得佳效果，整个阀门组件的总的死区应该等于或小于1%，理想地，应该低到0.25%。