控制閥小白第二課：一篇看懂閥門定位器（建議收藏）

閥門定位器（Valve Positioner）是一種用于精確控制和調節控制閥位置的裝置。它通過接收來自控制器的輸入信號，將閥門的開度調整到所需的設定值，從而確保過程參數（如壓力、溫度、流量等）保持在預定范圍內。定位器在工業自動化和過程控制中起著關鍵作用，廣泛應用于石油和天然氣、化工、制藥、水處理等行業。

本篇詳說控制閥門定位器，干貨滿滿，值得收藏。

氣動控制閥的閥桿位置與施加在執行器上的氣壓成線性關系，這是因為機械彈簧往往遵循胡克定律，即彈簧運動量 (x) 與施加的力成正比 (F=kx)。氣動執行器施加的力是氣壓和活塞/膜片面積的函數（F=PA），彈簧反過來壓縮或拉伸，產生一個相等且相反的反作用力。最終結果是，執行器壓力線性轉化為閥桿運動（x=PA/k）。

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控制閥定位器

氣動信號壓力與閥桿位置之間的這種線性和可重復關系，只有當且僅當執行膜片/活塞和彈簧是對閥桿起作用的唯一力時才成立。如果有任何其他力作用在該機構上，信號壓力和閥桿位置之間的關系將不再理想。

遺憾的是，除了執行機構力和彈簧反作用力之外，閥桿上還存在許多其他作用力。閥桿填料的摩擦力是其中之一，而閥芯區域的壓差在閥芯上造成的反作用力則是另一種力。這些力合力使閥桿重新定位，因此閥桿行程與執行流體壓力并不精確相關。

解決這一難題的常見方法是在控制閥組件中增加一個閥門定位器。閥門定位器是一種運動控制裝置，旨在主動將閥桿位置與控制信號進行比較，調整執行器膜片或活塞的壓力，直到達到正確的閥桿位置：

閥門定位器本身基本上就是一個控制系統：閥門的閥桿位置是過程變量 (PV)，給定位器的指令信號是設定點 (SP)，定位器給閥門執行機構的信號是操縱變量 (MV) 或輸出。因此，當過程控制器向裝有定位器的閥門發送指令信號時，定位器會接收該指令信號，并根據需要向執行器施加或大或小的氣壓，以實現所需的閥桿位置。因此，定位器將 “對抗 ”作用在閥桿上的任何其他力，以根據指令信號實現清晰、準確的閥桿定位。功能正常的定位器可確保控制閥 “乖巧 ”地服從命令信號。

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氣動閥門定位器示例

下圖顯示的是安裝在控制閥上的 Fisher 3582 型氣動定位器。定位器是一個灰色的盒子，右側有三個壓力表：

在該定位器的左側可以看到反饋機制的一部分：一個金屬支架用螺栓固定在閥桿連接器上，與從定位器側面伸出的臂相連接。每一個控制閥定位器都必須配備一些感應閥桿位置的裝置，否則定位器就無法將閥桿的位置與指令信號進行比較。

下一張照片中出現了一個更現代化的定位器，即 Fisher DVC6000（同樣是灰色的盒子，右側有壓力表）：

與較早的3582型定位器一樣，該DVC6000型定位器也使用左側的反饋連桿來感知閥桿的位置。更新型號的 DVC6200使用磁性霍爾效應傳感器來感應栓在閥桿上的磁鐵的位置。這種非機械式位置反饋設計消除了反向間隙、磨損、干擾和其他與機械鏈接相關的潛在問題。更好的反饋對于更好的閥門定位至關重要。

控制閥定位器的構造通常是為了產生和排出高空氣流量，因此定位器還具有體積增壓器850 的功能。因此，與直接由 I/P 傳感器 “供電 ”的閥門執行機構相比，定位器不僅能確保更精確的閥桿定位，還能加快閥桿速度（縮短時間延遲）。

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閥門就位

在氣動控制閥上加裝閥門定位器的另一個好處是閥門的密封性（嚴密關閉）更好。這一優點乍一看并不明顯，因此需要做一些解釋。

首先，我們必須明白，在控制閥中，僅靠閥芯和閥座之間的接觸不足以確保緊密關閉。相反，必須用力將閥芯壓在閥座上，才能完全關閉流經閥門的所有流量。擰緊過漏水水龍頭（花園水嘴）手柄的人都能直觀地理解這一原理：插頭和閥座之間需要一定的接觸力，才能使這兩個部件發生輕微變形，從而形成完美的流體密封配合。這種機械要求的專業術語是閥座負荷。

請想象一下，一個由薄膜驅動的直通氣動開啟控制閥的工作臺設定范圍為 3～15 Psi。在 3 Psi的執行器壓力下，膜片產生的力剛好足以克服執行器彈簧的預緊力，但卻不足以使閥芯離開閥座。

換句話說，在 3 Psi的膜片壓力下，閥芯會接觸閥座，但幾乎沒有力來提供一個緊密的關閉密封。如果該控制閥直接由校準范圍為 3～15 Psi的 I/P 傳感器供電，則意味著閥門在0% 信號值（3 Psi）時將勉強關閉，而不是緊密關閉。為了使閥芯完全緊貼閥座以實現緊密密封，必須將隔膜上的所有氣壓排出，以確保沒有薄膜力與彈簧對抗。這對于校準范圍為 3-15 Psi的 I/P 來說是不可能的。

現在想象一下，同樣的閥門配備一個定位器，接收來自 I/P 的3～15 Psi信號，并將其作為閥桿位置的指令（設定點），根據需要對薄膜施加或大或小的壓力，以達到所需的閥桿位置。正確的定位器校準方式是，在信號上升到略高于0%時，閥桿才開始抬起，這意味著在 0% (4mA) 時，定位器將試圖迫使閥門達到略微負值的閥桿位置。在試圖實現這一不可能的要求時，定位器的輸出將達到低飽和狀態，對執行膜片不施加任何壓力，導致閥桿對閥座施加全部彈簧力。兩種情況的比較見下圖：

雖然定位器對配備彈簧的閥門執行機構很有幫助，但對于某些其他類型的執行機構來說，定位器絕對是必不可少的。請看下面這個沒有彈簧的雙作用氣動活塞執行機構：

如果沒有彈簧提供限制力使閥門返回到 “故障安全 ”位置，施加的氣壓和閥桿位置之間就不存在胡克定律關系。定位器必須交替向活塞的兩個表面施加氣壓，以提升和降低閥桿。

電動控制閥執行機構是另一種絕對需要某種形式定位器系統的執行機構設計，因為電動裝置無法 “感知 ”自身軸的位置，從而無法精確地移動控制閥。因此，需要使用電位計或 LVDT/RVDT傳感器來檢測閥桿位置，并使用一組晶體管輸出來驅動電機的定位器電路，才能使電動執行機構對模擬控制信號做出響應。

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力平衡氣動定位器

一個簡單的力平衡氣動閥門定位器設計如下圖所示：

該閥的控制信號是3～15 Psi的氣動信號，來自 I/P 傳感器或氣動控制器（圖中均未顯示）。該控制信號壓力對力梁施加一個向上的力，使擋板試圖接近噴嘴。噴嘴中背壓的增加導致氣動放大繼電器向閥門執行器輸出更大的氣壓，進而將閥桿抬起（打開閥門）。當閥桿抬起時，連接推桿和閥桿的彈簧進一步拉伸，對推桿右側施加額外的力。當這個額外的力與波紋管的力平衡時，系統就會穩定在一個新的平衡點上。

與所有力平衡系統一樣，推桿的運動受到平衡力的限制，因此其運動在實際應用中可以忽略不計。最終，平衡是通過一種力平衡另一種力來實現的，就像兩隊人對拉一根繩子：只要兩隊人的力大小相等、方向相反，繩子就不會偏離原來的位置。

下圖顯示的是 PMV 1500 型力平衡定位器，用于定位旋轉閥執行器，蓋子在蓋上（上）和蓋下（下）：

3～15 Psi的氣動控制信號進入波紋管，向下推動水平力梁（黑色）。力梁左側的氣動先導閥組件可檢測到任何運動，如果檢測到任何向下的運動，則會增加閥門執行膜片的氣壓，如果檢測到任何向上的運動，則會釋放執行器的氣壓：

當壓縮空氣通過先導閥組件進入閥門執行機構時，旋轉閥將開始沿打開方向旋轉。軸的旋轉運動通過凸輪在定位器內轉換為線性運動：凸輪是一個具有不規則半徑的圓盤，旨在從角位移產生線性位移：

位于金色橫梁末端的滾子隨動器沿著凸輪的圓周運動。凸輪運動通過螺旋彈簧的壓縮直接與力梁上氣動波紋管的力相抵而轉化為直行程力。當凸輪運動到足以壓縮彈簧以平衡氣動波紋管產生的額外力時，力梁就會回到平衡位置（非常接近開始的位置），閥門就會停止運動。

如果仔細觀察最后一張照片，就會發現定位器的調零螺釘：延伸到金色橫梁下方的螺紋桿。該螺桿調節器偏置彈簧的壓縮量，使定位器裝置 “認為 ”凸輪處于不同的位置。例如，順時針轉動該螺紋桿（從螺絲刀嚙合的開槽端觀察）會進一步壓縮彈簧，以更大的力向上推動深色桿，達到與凸輪逆時針輕微旋轉相同的效果。這使得定位器采取行動，順時針旋轉凸輪以進行補償，使其更接近 0% 的閥桿位置。

盡管該定位器機構中的凸輪和從動件實際上會隨閥桿運動而移動，但由于與先導閥相連的橫梁不會明顯移動，因此仍可將其視為力平衡機構。通過平衡橫梁上的力，先導閥始終處于平衡位置。

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動平衡氣動定位器

也存在運動平衡型氣動閥定位器設計，即閥桿的運動抵消來自另一元件的運動（而非力）。下面的剖面圖顯示了一個簡單的運動平衡定位器是如何工作 的：

在這種機制中，信號壓力的增加會導致橫梁向噴嘴推進，從而產生更高的噴嘴背壓，進而導致氣動放大繼電器向閥門執行器輸送更多的氣壓。當閥桿抬起時，橫梁右端的向上運動抵消了橫梁先前向噴嘴的前進。當達到平衡時，橫梁將處于波紋管運動與閥桿運動平衡的傾斜位置。

下面的照片顯示了FISHER 3582 型氣動平衡定位器機構的近景：

該機構的核心是一個 D 形金屬環，它將波紋管運動和閥桿運動轉化為擋板運動。隨著氣動信號壓力的增加，波紋管（位于 D 形環右上角下方）膨脹，從而使橫梁沿垂直軸線搖動。當定位器設置為直動式操作時，這種搖擺運動會推動擋板靠近噴嘴，從而增加背壓并將更多壓縮空氣輸送到閥門執行器：

當閥桿移動時，反饋桿會帶動 D 形環最下方的凸輪旋轉。該凸輪上的滾柱 “隨動器 ”將閥桿的運動轉化為橫梁上的另一個搖擺運動，這次是沿水平軸線的搖擺運動。根據凸輪與反饋軸的固定方式，這種運動可能會使閥瓣搖動得更遠離噴嘴或更靠近噴嘴。凸輪方向的選擇必須與致動器的動作相匹配：直接（空氣使閥桿伸出）或反向（空氣使閥桿縮回）。

D形環裝置相當巧妙，它可以通過沿環圓周的不同點調整擋板（擋板）組件的角度來方便地調節跨度。如果擋板組件的設置接近水平，它對波紋管運動的敏感度將最大，而對閥桿運動的敏感度將最小，從而迫使閥門移動更遠以平衡波紋管的微小運動（沖程長度長）。相反，如果閥瓣組件設置為接近垂直，則它對閥桿運動的敏感度最大，而對波紋管運動的敏感度最小，從而導致閥門沖程很小（即波紋管需要大幅膨脹以平衡少量的閥桿運動）。

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數字閥門定位器

回想一下，閥門定位器的目的是確保機械閥門的位置始終與指令信號相匹配。因此，閥門定位器本身實際上就是一個閉環控制系統：向執行器施加盡可能大或盡可能小的壓力，以便始終達到指令閥桿位置。機械閥門定位器使用杠桿、凸輪和其他物理組件來實現這種閉環控制。

數字閥門定位器（如費希爾 DVC6000 型）使用電子傳感器檢測閥桿位置，使用微處理器通過數學減法（誤差 = 位置 - 信號）將感應到的閥桿位置與控制信號進行比較，然后使用氣動信號轉換器和繼電器將氣壓發送到閥門執行機構。下面是一個普通數字閥門定位器的簡化示意圖：

從圖中可以看出，數字閥門定位器的內部結構非常復雜。我們不僅有一個控制算法，而且有兩個控制算法協同工作，以保持正確的閥門位置：一個是監測和控制施加到執行器上的壓力（補償可能影響閥門位置的供氣壓力變化），另一個是監測和控制閥桿位置本身，向壓力控制組件發送級聯控制信號。

指令信號（由過程環路控制器、PLC 或其他控制系統發出）告訴定位器閥桿的位置。定位器內的第一個控制器（PI）計算執行機構需要多大的氣壓才能達到要求的閥桿位置。下一個控制器（PID）根據需要驅動 I/P（電流-壓力）轉換器，以達到該壓力。如果有任何原因導致閥桿不在指令位置，定位器內的兩個控制器將協同工作，迫使閥門到達正確位置。

與機械閥門定位器相比，數字閥門定位器不僅能實現更出色的位置控制，而且其傳感器陣列和數字通信能力還能為維護人員和監控控制系統（如果經過編程以監控這些數據并根據這些數據采取行動）提供更高級別的診斷數據。

數字閥門定位器提供的診斷數據包括：

——供氣壓力

——執行器氣壓

——環境溫度

——位置和壓力誤差

——閥桿總行程（類似于汽車里程表）

此外，數字閥門定位器內嵌的微處理器能夠執行自檢、自校準以及傳統上由儀表技術人員在機械閥門定位器上執行的其他常規程序。數字閥門定位器還能獲取閥桿總行程等測量值，從而預測填料磨損時間，自動發出維護警報，通知操作員和/或儀表技術人員何時需要更換閥桿填料！

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閥門位置傳感器故障

一些 “智能 ”閥門定位器除了監測閥桿位置外，還監測執行機構的氣壓，因此具有一項有用的功能，即在閥桿位置傳感器發生故障時，仍能保持一定程度的閥門控制。如果微處理器檢測到位置反饋信號失效（偏離量程），則可對其進行編程，使其僅根據壓力繼續操作閥門：

即根據過去記錄的壓力/位置功能調整閥門執行器的氣壓。由于無法感知閥桿位置，因此它不再嚴格地發揮定位器的功能，但仍可發揮增壓器的作用（與典型 I/P 的流量相比），并對閥門進行合理控制，而任何其他（非智能）閥門定位器在失去閥桿位置反饋時，實際上會使情況變得更糟。

對于任何純機械定位器，如果閥桿位置反饋連桿脫落，控制閥通常會“飽和”，要么完全打開，要么完全關閉。但最好的“智能”定位器卻不會這樣！

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執行器壓力與閥桿位置

數字閥門定位器提供的最重要的診斷數據可能是執行器壓力與閥桿位置的比較，通常以圖表的形式表示。執行器壓力是執行器施加到閥桿上的力的直接反映，因為活塞或隔膜的力和壓力之間的關系只是F=PA，其中面積 (A) 是常數。因此，執行器氣壓與閥桿位置的比較實際上是閥門的力與位置的表達。這種所謂的閥門特征在識別和糾正，諸如填料摩擦過大、閥內件干擾和閥芯/閥座配合問題等問題方面非常有用。

這里顯示的是一張顯示“閥門特征”的屏幕截圖（取自Emerson軟件產品ValveLink，是其 AMS套件的一部分），顯示了氣開Fisher E-body直通控制閥的行為：

此圖顯示了兩個執行器壓力與閥桿位置的關系圖，一個是紅色，一個是藍色。

紅色圖顯示閥門在打開方向的響應，當閥門打開（向上）時，需要額外的壓力來克服填料摩擦。

藍色圖顯示閥門關閉時，現在施加在隔膜上的壓力較小，以允許彈簧壓縮克服填料摩擦，因為閥門關閉（向下）到靜止狀態。

此圖兩端的急轉彎顯示閥桿到達其末端位置的位置，盡管執行器壓力進一步變化，但無法進一步移動。

根據描述閥門彈簧行為的胡克定律，每個圖大致呈線性，施加在彈簧上的力與該彈簧的位移（壓縮）成正比：F=kx。任何偏離單個線性圖的情況都表明除了彈簧壓縮和作用在閥桿上的氣壓之外，還有其他力。這就是為什么我們看到兩個圖垂直偏移的原因：填料摩擦是除彈簧壓縮和氣壓對執行器膜片施加的力之外作用在閥桿上的另一種力。這種偏移的幅度相對較小，并且其一致性表明該閥門中的填料摩擦是“健康的”。該閥門經歷的填料摩擦越大，兩個圖的垂直偏移就越大。

圖表左端閥塞與閥座接觸處的急劇下降稱為閥座輪廓。閥座輪廓位于圖表末端閥門關閉的位置，包含有關閥塞和閥座物理狀況的許多有用信息。隨著這些閥內件在控制閥中磨損，閥座輪廓的形狀也會隨之變化。不規則的閥座輪廓可能診斷出閥座腐蝕、磨損或許多其他疾病。

通過放大閥門特征圖的左下端，可以詳細檢查閥座輪廓。下圖是 Fisher E-body直通控制閥在完好狀態下的閥座輪廓：

如果某個設施的維護人員足夠勤奮，能夠在組裝或重建后記錄其控制閥的閥門特征，則可以將任何特定控制閥的“原始”特征與同一控制閥在以后的任何日期的特征進行比較，從而可以確定磨損情況，而無需拆卸閥門進行檢查。

有趣的是，這種執行器壓力（力）與閥桿位置的關系也適用于一些現代電動閥使用的數字閥門定位器。對于電動執行器，施加到閥桿上的力與電機電流直接相關，數字閥門定位器可以輕松測量和解釋電機電流。

因此，即使使用不同的執行器技術，相同類型的診斷數據也可以以圖形形式呈現，以便更輕松地診斷閥門問題。這些診斷甚至適用于不用于節流服務的開/關電動閥門，并且特別適用于閘閥、旋塞閥和直通控制閥，這些閥門的閥座接合對于緊密關閉非常重要。