控制閥“死區”問題的解決方案： 形狀記憶合金執行機構

在工業環境中，控制閥是一種關鍵部件，用于調節和調制流體流量，以確保工藝流程在所需參數范圍內運行。盡管使用廣泛，但控制閥，尤其是由傳統電動或氣動執行器操作的控制閥，面臨著一個 共同的挑戰：死區 （圖 1）。這種現象是指控制信號在一定范圍內無法產生輸出，會嚴重影響系統性能。

死區通常出現在采用電動或氣動執行器的系統中，這是由于自然的機械作用或有意的設計決定造成的。設計者可能會有意在系統流程中引入死區，以減少電機占空比，從而維持電機的安全溫度，或減少氣動控制器中儀表空氣的消耗。死區對受控過程的影響是多方面的，會導致響應延遲、效率低下、振蕩，并有可能增加部件磨損，從而導致更頻繁的維護。

在天然氣等需要精確處理高價值和易揮發物質的行業中，最大限度地減少死區不僅關系到效率，還關系到安全和經濟可行性。

圖 1：開環閥門控制應用中的死區示例

形狀記憶合金 (SMA) 執行機構在行業中的引入和采用為死區問題提供了解決方案。這些執行機構得益于 SMA 技術的獨特特性，精度高、響應快。與典型的電動和氣動推桿不同，SMA推桿能夠在100%占空比下工作，不會產生反向間隙或滑動，從而有效地將死區的影響降至最低。目前，天然氣行業正在利用這種能力來提高控制系統的性能和可靠性。

死區造成的控制閥問題

閥門控制系統中的死區現象帶來了一系列挑戰，直接影響到過程控制的運行效率、精度和可靠性。死區是指在一定范圍內的控制信號輸入無法引起閥門位置的任何調整，是維持最佳工藝條件的障礙。以下是與死區相關的主要挑戰，每個挑戰都強調了在工業環境中對精細控制機制的迫切需要。

圖 2：由 SMA 供電的 Kinitics KVA38 手套閥執行機構

◆降低對控制信號變化的敏感度 ：死區的存在會削弱控制系統對控制信號變化做出反應的能力。靈敏度的降低會導致無法將過程變量保持在很小的公差范圍內，而這對于需要嚴格控制壓力和流速等參數的過程來說是至關重要的。

◆對工藝控制的響應延遲 ：死區會導致閥門對工藝條件變化的響應延遲。在需要快速調整的動態環境中，這種延遲會導致工藝效率低下、浪費、安全風險增加和運行不穩定。

◆增加滯后 ：死區的一個直接后果是閥門控制系統中的滯后增加。滯后的特點是執行點根據信號的變化方向而變化，從而導致控制不準確，使實現精確工藝管理的任務變得更加復雜。

◆能效降低 ：死區帶來的低效率可能導致流程過度運行或運行不足，因為人們試圖抵消不精確性，從而增加了運營成本和能源使用量。

◆增加振蕩風險 ：系統中存在的死區會增加振蕩和系統不穩定的可能性。如果不適當調整控制策略以適應死區效應，系統可能會出現不希望出現的振蕩，從而破壞過程控制的穩定性和可靠性。

“死區”的來源

“死區”會影響閥門控制系統的精度和效率。了解并解決這些來源對于提高系統精度和響應速度至關重要。

◆機械反向間隙 ：通常存在于氣動和電動閥門中，機械反向間隙（執行器傳動系統中的松動）會帶來死區的延遲特性。執行器的初始運動無法直接轉化為閥門調節，從而導致控制輸入無法產生預期結果。

◆摩擦 ：摩擦是一個普遍存在的難題，它發生在閥門機構內部，特別是閥桿和填料之間，此外還有氣動或電動馬達執行機構的幾個典型運動部件產生的摩擦。這種摩擦需要額外的力來啟動和維持運動，從而導致死區，即在達到更高的輸入閾值之前延遲啟動。

◆定位器問題 ：閥門定位器是根據控制信號調整執行器運行的關鍵，如果定位器出現問題，死區就會明顯擴大。這個問題對于氣動執行器尤為重要，因為定位器的精度對于將氣壓變化轉換為精確的閥門運動至關重要。

◆占空比限制 ：典型的電動馬達不能連續運行（例如，占空比低于 100%），以保持安全運行溫度，防止馬達故障。可有意引入死區，以防止電動執行器在尋找過程設定點時連續運動。

形狀記憶合金執行機構：

提高閥門控制精度和響應速度

SMA 執行機構（圖 2）代表了工業閥門控制技術的進步。SMA 執行機構具有在通電時恢復其原始形狀的非凡能力，SMA 執行機構利用這一特性以高精度和高準確度平穩控制閥門位置。

SMA 執行機構的工作原理

形狀記憶合金 (SMA) 是一類能夠 “記憶 ”預定形狀的金屬合金。

這種雙向形狀記憶效應可實現精確一致的形狀操作。作為 SMA 執行器的一種，SMA 成束線執行機構的核心功能來自于 SMA 線在通電后的收縮和機械彈簧的偏壓。這種動力可將電能轉化為機械運動。

這種動力可將電能轉化為機械運動，從而根據控制信號對閥門進行精確、平穩的調節。對這些導線施加電流會觸發形狀記憶效應，使導線克服彈簧力而縮短。當這種收縮與閥桿相連時，就能實現閥門位置的精確調節。這種精確控制能力可實現極其精細的響應，最大限度地減少控制閥應用中出現的死區（圖 4）。

使用形狀記憶合金執行器最大限度地減少死區

SMA 執行機構具有一系列優勢，可直接解決死區問題：

◆100% 占空比 ：SMA執行機構在連續節流操作方面表現出色，無需暫停或停機，這對于需要不間斷控制的工藝至關重要。這種持續的可操作性可確保在控制輸入和執行器響應之間沒有滯后，從而有效消除因操作暫停而造成的死區。

◆微米級精度 ：通過對 SMA 長度調整的精確控制，這些致動器可以實現令人難以置信的高定位精度。這種能力可確保閥門運動和定位精確跟蹤指令信號，從而直接消除死區。

◆機械高效可靠 ：市場上的 SMA 執行機構（圖 2）的特點是傳動系統中的單個運動部件與閥桿同線運動，從而最大限度地減少了內部部件（如齒輪、軸承等--典型的電動或氣動設備）造成的摩擦損失。此外，沒有高速旋轉部件可減少磨損，最大限度地縮短維護時間，并延長執行機構的使用壽命。

結論

SMA執行機構是應對控制閥系統死區挑戰的一種解決方案。SMA技術通過機械高效的傳動系統，能夠在100% 占空比下連續運行。當應用于過程控制時，SMA 執行機構可提供精度和響應速度，從而減輕死區對系統性能的負面影響。SMA 執行機構正被用于關鍵的工業應用中，包括天然氣行業（圖 3）。

它們的使用為該行業的過程控制提供了可靠的解決方案，該行業的目標是實現電氣化操作，包括采用電動控制閥執行機構。