控制阀小白第二课：一篇看懂阀门定位器（建议收藏）(图文)

控制阀小白第二课：一篇看懂阀门定位器（建议收藏）

阀门定位器（Valve Positioner）是一种用于精确控制和调节控制阀位置的装置。它通过接收来自控制器的输入信号，将阀门的开度调整到所需的设定值，从而确保过程参数（如压力、温度、流量等）保持在预定范围内。定位器在工业自动化和过程控制中起着关键作用，广泛应用于石油和天然气、化工、制药、水处理等行业。

本篇详说控制阀门定位器，干货满满，值得收藏。

气动控制阀的阀杆位置与施加在执行器上的气压成线性关系，这是因为机械弹簧往往遵循胡克定律，即弹簧运动量 (x) 与施加的力成正比 (F=kx)。气动执行器施加的力是气压和活塞/膜片面积的函数（F=PA），弹簧反过来压缩或拉伸，产生一个相等且相反的反作用力。最终结果是，执行器压力线性转化为阀杆运动（x=PA/k）。

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控制阀定位器

气动信号压力与阀杆位置之间的这种线性和可重复关系，只有当且仅当执行膜片/活塞和弹簧是对阀杆起作用的唯一力时才成立。如果有任何其他力作用在该机构上，信号压力和阀杆位置之间的关系将不再理想。

遗憾的是，除了执行机构力和弹簧反作用力之外，阀杆上还存在许多其他作用力。阀杆填料的摩擦力是其中之一，而阀芯区域的压差在阀芯上造成的反作用力则是另一种力。这些力合力使阀杆重新定位，因此阀杆行程与执行流体压力并不精确相关。

解决这一难题的常见方法是在控制阀组件中增加一个阀门定位器。阀门定位器是一种运动控制装置，旨在主动将阀杆位置与控制信号进行比较，调整执行器膜片或活塞的压力，直到达到正确的阀杆位置：

阀门定位器本身基本上就是一个控制系统：阀门的阀杆位置是过程变量 (PV)，给定位器的指令信号是设定点 (SP)，定位器给阀门执行机构的信号是操纵变量 (MV) 或输出。因此，当过程控制器向装有定位器的阀门发送指令信号时，定位器会接收该指令信号，并根据需要向执行器施加或大或小的气压，以实现所需的阀杆位置。因此，定位器将 “对抗 ”作用在阀杆上的任何其他力，以根据指令信号实现清晰、准确的阀杆定位。功能正常的定位器可确保控制阀 “乖巧 ”地服从命令信号。

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气动阀门定位器示例

下图显示的是安装在控制阀上的 Fisher 3582 型气动定位器。定位器是一个灰色的盒子，右侧有三个压力表：

在该定位器的左侧可以看到反馈机制的一部分：一个金属支架用螺栓固定在阀杆连接器上，与从定位器侧面伸出的臂相连接。每一个控制阀定位器都必须配备一些感应阀杆位置的装置，否则定位器就无法将阀杆的位置与指令信号进行比较。

下一张照片中出现了一个更现代化的定位器，即 Fisher DVC6000（同样是灰色的盒子，右侧有压力表）：

与较早的3582型定位器一样，该DVC6000型定位器也使用左侧的反馈连杆来感知阀杆的位置。更新型号的 DVC6200使用磁性霍尔效应传感器来感应栓在阀杆上的磁铁的位置。这种非机械式位置反馈设计消除了反向间隙、磨损、干扰和其他与机械链接相关的潜在问题。更好的反馈对于更好的阀门定位至关重要。

控制阀定位器的构造通常是为了产生和排出高空气流量，因此定位器还具有体积增压器850 的功能。因此，与直接由 I/P 传感器 “供电 ”的阀门执行机构相比，定位器不仅能确保更精确的阀杆定位，还能加快阀杆速度（缩短时间延迟）。

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阀门就位

在气动控制阀上加装阀门定位器的另一个好处是阀门的密封性（严密关闭）更好。这一优点乍一看并不明显，因此需要做一些解释。

首先，我们必须明白，在控制阀中，仅靠阀芯和阀座之间的接触不足以确保紧密关闭。相反，必须用力将阀芯压在阀座上，才能完全关闭流经阀门的所有流量。拧紧过漏水水龙头（花园水嘴）手柄的人都能直观地理解这一原理：插头和阀座之间需要一定的接触力，才能使这两个部件发生轻微变形，从而形成完美的流体密封配合。这种机械要求的专业术语是阀座负荷。

请想象一下，一个由薄膜驱动的直通气动开启控制阀的工作台设定范围为 3～15 Psi。在 3 Psi的执行器压力下，膜片产生的力刚好足以克服执行器弹簧的预紧力，但却不足以使阀芯离开阀座。

换句话说，在 3 Psi的膜片压力下，阀芯会接触阀座，但几乎没有力来提供一个紧密的关闭密封。如果该控制阀直接由校准范围为 3～15 Psi的 I/P 传感器供电，则意味着阀门在0% 信号值（3 Psi）时将勉强关闭，而不是紧密关闭。为了使阀芯完全紧贴阀座以实现紧密密封，必须将隔膜上的所有气压排出，以确保没有薄膜力与弹簧对抗。这对于校准范围为 3-15 Psi的 I/P 来说是不可能的。

现在想象一下，同样的阀门配备一个定位器，接收来自 I/P 的3～15 Psi信号，并将其作为阀杆位置的指令（设定点），根据需要对薄膜施加或大或小的压力，以达到所需的阀杆位置。正确的定位器校准方式是，在信号上升到略高于0%时，阀杆才开始抬起，这意味着在 0% (4mA) 时，定位器将试图迫使阀门达到略微负值的阀杆位置。在试图实现这一不可能的要求时，定位器的输出将达到低饱和状态，对执行膜片不施加任何压力，导致阀杆对阀座施加全部弹簧力。两种情况的比较见下图：

虽然定位器对配备弹簧的阀门执行机构很有帮助，但对于某些其他类型的执行机构来说，定位器绝对是必不可少的。请看下面这个没有弹簧的双作用气动活塞执行机构：

如果没有弹簧提供限制力使阀门返回到 “故障安全 ”位置，施加的气压和阀杆位置之间就不存在胡克定律关系。定位器必须交替向活塞的两个表面施加气压，以提升和降低阀杆。

电动控制阀执行机构是另一种绝对需要某种形式定位器系统的执行机构设计，因为电动装置无法 “感知 ”自身轴的位置，从而无法精确地移动控制阀。因此，需要使用电位计或 LVDT/RVDT传感器来检测阀杆位置，并使用一组晶体管输出来驱动电机的定位器电路，才能使电动执行机构对模拟控制信号做出响应。

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力平衡气动定位器

一个简单的力平衡气动阀门定位器设计如下图所示：

该阀的控制信号是3～15 Psi的气动信号，来自 I/P 传感器或气动控制器（图中均未显示）。该控制信号压力对力梁施加一个向上的力，使挡板试图接近喷嘴。喷嘴中背压的增加导致气动放大继电器向阀门执行器输出更大的气压，进而将阀杆抬起（打开阀门）。当阀杆抬起时，连接推杆和阀杆的弹簧进一步拉伸，对推杆右侧施加额外的力。当这个额外的力与波纹管的力平衡时，系统就会稳定在一个新的平衡点上。

与所有力平衡系统一样，推杆的运动受到平衡力的限制，因此其运动在实际应用中可以忽略不计。最终，平衡是通过一种力平衡另一种力来实现的，就像两队人对拉一根绳子：只要两队人的力大小相等、方向相反，绳子就不会偏离原来的位置。

下图显示的是 PMV 1500 型力平衡定位器，用于定位旋转阀执行器，盖子在盖上（上）和盖下（下）：

3～15 Psi的气动控制信号进入波纹管，向下推动水平力梁（黑色）。力梁左侧的气动先导阀组件可检测到任何运动，如果检测到任何向下的运动，则会增加阀门执行膜片的气压，如果检测到任何向上的运动，则会释放执行器的气压：

当压缩空气通过先导阀组件进入阀门执行机构时，旋转阀将开始沿打开方向旋转。轴的旋转运动通过凸轮在定位器内转换为线性运动：凸轮是一个具有不规则半径的圆盘，旨在从角位移产生线性位移：

位于金色横梁末端的滚子随动器沿着凸轮的圆周运动。凸轮运动通过螺旋弹簧的压缩直接与力梁上气动波纹管的力相抵而转化为直行程力。当凸轮运动到足以压缩弹簧以平衡气动波纹管产生的额外力时，力梁就会回到平衡位置（非常接近开始的位置），阀门就会停止运动。

如果仔细观察最后一张照片，就会发现定位器的调零螺钉：延伸到金色横梁下方的螺纹杆。该螺杆调节器偏置弹簧的压缩量，使定位器装置 “认为 ”凸轮处于不同的位置。例如，顺时针转动该螺纹杆（从螺丝刀啮合的开槽端观察）会进一步压缩弹簧，以更大的力向上推动深色杆，达到与凸轮逆时针轻微旋转相同的效果。这使得定位器采取行动，顺时针旋转凸轮以进行补偿，使其更接近 0% 的阀杆位置。

尽管该定位器机构中的凸轮和从动件实际上会随阀杆运动而移动，但由于与先导阀相连的横梁不会明显移动，因此仍可将其视为力平衡机构。通过平衡横梁上的力，先导阀始终处于平衡位置。

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动平衡气动定位器

也存在运动平衡型气动阀定位器设计，即阀杆的运动抵消来自另一元件的运动（而非力）。下面的剖面图显示了一个简单的运动平衡定位器是如何工作 的：

在这种机制中，信号压力的增加会导致横梁向喷嘴推进，从而产生更高的喷嘴背压，进而导致气动放大继电器向阀门执行器输送更多的气压。当阀杆抬起时，横梁右端的向上运动抵消了横梁先前向喷嘴的前进。当达到平衡时，横梁将处于波纹管运动与阀杆运动平衡的倾斜位置。

下面的照片显示了FISHER 3582 型气动平衡定位器机构的近景：

该机构的核心是一个 D 形金属环，它将波纹管运动和阀杆运动转化为挡板运动。随着气动信号压力的增加，波纹管（位于 D 形环右上角下方）膨胀，从而使横梁沿垂直轴线摇动。当定位器设置为直动式操作时，这种摇摆运动会推动挡板靠近喷嘴，从而增加背压并将更多压缩空气输送到阀门执行器：

当阀杆移动时，反馈杆会带动 D 形环最下方的凸轮旋转。该凸轮上的滚柱 “随动器 ”将阀杆的运动转化为横梁上的另一个摇摆运动，这次是沿水平轴线的摇摆运动。根据凸轮与反馈轴的固定方式，这种运动可能会使阀瓣摇动得更远离喷嘴或更靠近喷嘴。凸轮方向的选择必须与致动器的动作相匹配：直接（空气使阀杆伸出）或反向（空气使阀杆缩回）。

D形环装置相当巧妙，它可以通过沿环圆周的不同点调整挡板（挡板）组件的角度来方便地调节跨度。如果挡板组件的设置接近水平，它对波纹管运动的敏感度将最大，而对阀杆运动的敏感度将最小，从而迫使阀门移动更远以平衡波纹管的微小运动（冲程长度长）。相反，如果阀瓣组件设置为接近垂直，则它对阀杆运动的敏感度最大，而对波纹管运动的敏感度最小，从而导致阀门冲程很小（即波纹管需要大幅膨胀以平衡少量的阀杆运动）。

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数字阀门定位器

回想一下，阀门定位器的目的是确保机械阀门的位置始终与指令信号相匹配。因此，阀门定位器本身实际上就是一个闭环控制系统：向执行器施加尽可能大或尽可能小的压力，以便始终达到指令阀杆位置。机械阀门定位器使用杠杆、凸轮和其他物理组件来实现这种闭环控制。

数字阀门定位器（如费希尔 DVC6000 型）使用电子传感器检测阀杆位置，使用微处理器通过数学减法（误差 = 位置 - 信号）将感应到的阀杆位置与控制信号进行比较，然后使用气动信号转换器和继电器将气压发送到阀门执行机构。下面是一个普通数字阀门定位器的简化示意图：

从图中可以看出，数字阀门定位器的内部结构非常复杂。我们不仅有一个控制算法，而且有两个控制算法协同工作，以保持正确的阀门位置：一个是监测和控制施加到执行器上的压力（补偿可能影响阀门位置的供气压力变化），另一个是监测和控制阀杆位置本身，向压力控制组件发送级联控制信号。

指令信号（由过程环路控制器、PLC 或其他控制系统发出）告诉定位器阀杆的位置。定位器内的第一个控制器（PI）计算执行机构需要多大的气压才能达到要求的阀杆位置。下一个控制器（PID）根据需要驱动 I/P（电流-压力）转换器，以达到该压力。如果有任何原因导致阀杆不在指令位置，定位器内的两个控制器将协同工作，迫使阀门到达正确位置。

与机械阀门定位器相比，数字阀门定位器不仅能实现更出色的位置控制，而且其传感器阵列和数字通信能力还能为维护人员和监控控制系统（如果经过编程以监控这些数据并根据这些数据采取行动）提供更高级别的诊断数据。

数字阀门定位器提供的诊断数据包括：

——供气压力

——执行器气压

——环境温度

——位置和压力误差

——阀杆总行程（类似于汽车里程表）

此外，数字阀门定位器内嵌的微处理器能够执行自检、自校准以及传统上由仪表技术人员在机械阀门定位器上执行的其他常规程序。数字阀门定位器还能获取阀杆总行程等测量值，从而预测填料磨损时间，自动发出维护警报，通知操作员和/或仪表技术人员何时需要更换阀杆填料！

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阀门位置传感器故障

一些 “智能 ”阀门定位器除了监测阀杆位置外，还监测执行机构的气压，因此具有一项有用的功能，即在阀杆位置传感器发生故障时，仍能保持一定程度的阀门控制。如果微处理器检测到位置反馈信号失效（偏离量程），则可对其进行编程，使其仅根据压力继续操作阀门：

即根据过去记录的压力/位置功能调整阀门执行器的气压。由于无法感知阀杆位置，因此它不再严格地发挥定位器的功能，但仍可发挥增压器的作用（与典型 I/P 的流量相比），并对阀门进行合理控制，而任何其他（非智能）阀门定位器在失去阀杆位置反馈时，实际上会使情况变得更糟。

对于任何纯机械定位器，如果阀杆位置反馈连杆脱落，控制阀通常会“饱和”，要么完全打开，要么完全关闭。但最好的“智能”定位器却不会这样！

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执行器压力与阀杆位置

数字阀门定位器提供的最重要的诊断数据可能是执行器压力与阀杆位置的比较，通常以图表的形式表示。执行器压力是执行器施加到阀杆上的力的直接反映，因为活塞或隔膜的力和压力之间的关系只是F=PA，其中面积 (A) 是常数。因此，执行器气压与阀杆位置的比较实际上是阀门的力与位置的表达。这种所谓的阀门特征在识别和纠正，诸如填料摩擦过大、阀内件干扰和阀芯/阀座配合问题等问题方面非常有用。

这里显示的是一张显示“阀门特征”的屏幕截图（取自Emerson软件产品ValveLink，是其 AMS套件的一部分），显示了气开Fisher E-body直通控制阀的行为：

此图显示了两个执行器压力与阀杆位置的关系图，一个是红色，一个是蓝色。

红色图显示阀门在打开方向的响应，当阀门打开（向上）时，需要额外的压力来克服填料摩擦。

蓝色图显示阀门关闭时，现在施加在隔膜上的压力较小，以允许弹簧压缩克服填料摩擦，因为阀门关闭（向下）到静止状态。

此图两端的急转弯显示阀杆到达其末端位置的位置，尽管执行器压力进一步变化，但无法进一步移动。

根据描述阀门弹簧行为的胡克定律，每个图大致呈线性，施加在弹簧上的力与该弹簧的位移（压缩）成正比：F=kx。任何偏离单个线性图的情况都表明除了弹簧压缩和作用在阀杆上的气压之外，还有其他力。这就是为什么我们看到两个图垂直偏移的原因：填料摩擦是除弹簧压缩和气压对执行器膜片施加的力之外作用在阀杆上的另一种力。这种偏移的幅度相对较小，并且其一致性表明该阀门中的填料摩擦是“健康的”。该阀门经历的填料摩擦越大，两个图的垂直偏移就越大。

图表左端阀塞与阀座接触处的急剧下降称为阀座轮廓。阀座轮廓位于图表末端阀门关闭的位置，包含有关阀塞和阀座物理状况的许多有用信息。随着这些阀内件在控制阀中磨损，阀座轮廓的形状也会随之变化。不规则的阀座轮廓可能诊断出阀座腐蚀、磨损或许多其他疾病。

通过放大阀门特征图的左下端，可以详细检查阀座轮廓。下图是 Fisher E-body直通控制阀在完好状态下的阀座轮廓：

如果某个设施的维护人员足够勤奋，能够在组装或重建后记录其控制阀的阀门特征，则可以将任何特定控制阀的“原始”特征与同一控制阀在以后的任何日期的特征进行比较，从而可以确定磨损情况，而无需拆卸阀门进行检查。

有趣的是，这种执行器压力（力）与阀杆位置的关系也适用于一些现代电动阀使用的数字阀门定位器。对于电动执行器，施加到阀杆上的力与电机电流直接相关，数字阀门定位器可以轻松测量和解释电机电流。

因此，即使使用不同的执行器技术，相同类型的诊断数据也可以以图形形式呈现，以便更轻松地诊断阀门问题。这些诊断甚至适用于不用于节流服务的开/关电动阀门，并且特别适用于闸阀、旋塞阀和直通控制阀，这些阀门的阀座接合对于紧密关闭非常重要。

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