CN86201536U - 非线性反馈阀门定位器 - Google Patents

Abstract

非线性反馈阀门定位器是一种输入压力信号或直流电流信号与阀门位置成非线性函数关系的阀门定位器。通过更换各种特定曲面形状的反馈凸轮，来修正气开阀、气关阀、直线流量特性、等百分比流量特性在S为0.1、0.2时流量特性曲线的畸变，使调节阀具有良好的直线工作流量特性和等百分比工作流量特性。由于这种阀门定位器使气动调节阀在低S值下运行，减少了泵的动力消耗，有较大的节能效果。

Description

本实用新型是一种阀门用的非线性反馈阀门定位器。它是一种按调节仪表输入的压力信号或直流电流信号与阀门位置成非线性函数关系为特征的阀门定位器，为节省调节阀能耗而设计的一种仪表。

本实用新型在工业自动化系统中与气动调节阀配套使用如图1所示。

它按力矩平衡原理工作的，当通入波纹管〔1〕的信号压力P增加时，使主杠杆〔2〕绕支点〔17〕转动，挡板〔14〕靠近喷嘴〔15〕，喷嘴背压经放大器〔16〕放大后，通入到调节阀的薄膜室〔6〕中，薄膜室的压力增加使阀杆〔7〕产生位移L，阀芯〔8〕的移动改变调节阀流量Q。同时带动反馈杆〔9〕绕支点〔11〕转动，反馈凸轮〔3〕也跟着作逆时针方向转动，通过滚轮〔10〕使付杠杆〔4〕绕支点〔5〕转动，并将反馈弹簧〔12〕拉伸，弹簧〔12〕对主杠杆〔2〕的拉力与信号压力作用在波纹管〔1〕上的力达到力矩平衡时仪表达到平衡状态。此时，一定的信号压力就对应于一定的阀门位置，其信号压力P与阀门位置L的关系取决于反馈凸轮曲面A的形状。弹簧〔13〕是作调整零位用的。

本实用新型可广泛应用于化工、石油、冶金、电站、轻纺等工业部门。传统的自控设计中，调节阀全开时阀前后压差与系统总压差之比值为S，一般S值取0.3～0.5，但当调节阀取低S值0.1～0.2时，将引起调节阀流量特性曲线发生很大的畸变，理想的直线流量特性趋向于快开特性，理想的等百分比流量特性趋向于直线特性。对于气开阀、直线流量特性时，其流量特性曲线随S值变化影响如图2所示，对于气开阀，等百分比流量特性时，其流量特性曲线随S值变化影响如图3所示。这样，使调节阀的工作流量特性与理想流量特性不一致，影响自动控制系统的调节品质。

目前，国内使调节阀能在低S值下运行，采用低压降调节阀方法，即采用调节阀阀芯曲面修正方法，如中国专利局公开的CN85100559A低压降调节阀，这种方法的优点是设计一种阀芯能适合于低S值下运行的调节阀，使调节阀具有良好的直线工作流量特性和等百分比工作流量特性。但这种方法的缺点是：1.调节阀阀芯曲面加工困难，有根切现象；2.流量特性曲线的误差较大；3.为配合不同口径的阀门，必须要有一个系列的各种阀门口径的阀芯，阀芯数量较多。

美国Fisher    Controls    公司1975年2月公报621：3582和日本Yamatake－Honey    Well公司YH－VA－56样本中介绍，采用阀门定位器方法，设计A、B、C三种凸轮修正调节阀流量特性。若一台直线流量特性调节阀，选用A凸轮，调节阀仍为直线流量特性；选用B凸轮，调节阀具有近似快开流量特性；选用C凸轮，调节阀具有近似等百分比流量特性。这种方法的优点是采用A、B、C三种凸轮简单方便，在阀门定位器产品中只要更换凸轮就可实现。但这种方法的缺点是：1.由于B、C凸轮的流量特性曲线是对称的，实际上等百分比流量特性与快开流量特性并非对称的，所以仅是近似修正阀的流量特性；        2.在不同低S值时，调节阀的流量特性曲线随S值而变化，该公司没有考虑S值变化的影响，所以不能修正低S值时的调节阀流量特性曲线的畸变。

本实用新型任务是克服上述缺点，采用非线性反馈阀门定位器，使阀门定位器输入信号与阀门位置成非线性关系。根据调节阀在S为0.10.2时流量特性曲线畸变规律，设计八种反馈凸轮曲面，可分别用来修正气开阀、气关阀、直线流量特性、等百分比流量特性，在S为0.1、0.2时流量特性曲线的畸变，把调节阀的工作流量特性修正到理想流量特性，使调节阀具有良好的直线工作流量特性和等百分比工作流量特性。

本实用新型的描述，现举修正气开阀、直线流量特性、S为0.1时非线性反馈阀门定位器的特性曲线为例加以说明，如图4所示。图中〔18〕为气开阀时的直线流量特性，在S为0.1时阀的工作流量特性曲线。其特性方程式为：

(Q)/(Q100) ＝ 1/30 （1＋29 1/(L) ） $\sqrt{\frac{1}{\mathrm{0.9［}\frac{1}{\mathrm{30}}\mathrm{(1+29}\frac{1}{L}{\mathrm{)］}}^2\mathrm{+0.1}}}$

式中 (Q)/(Q100) 为调节阀的相对流量

1/(L) 为调节阀的相对行程

图中〔19〕为所需阀的工作流量特性，其特征方程式为：

(Q)/(Q100) ＝ 1/9.53 （1＋8.53 (p)/(P) ）

式中： (p)/(P) 为阀门定位器的相对输入压力

图中〔20〕为非线性反馈阀门定位器的特性，其特征方程式为：

$\frac{1}{L}=\frac{1}{\mathrm{29}}｛\frac{\mathrm{3.15(1+8.35}\frac{P}{P})}{\sqrt{\mathrm{10-9〔}\frac{1}{\mathrm{9.53}}\mathrm{(1+8.35}\frac{P}{P}{\mathrm{)〕}}^2}}\mathrm{-1｝\; (1)}$

显而易见，对于气开阀、直线流量特性，S为0.1时，调节阀流量特性曲线发生畸变如图4〔18〕，为了使其不产生畸变，仍保持直线流量特性如图4〔19〕，那么非线性阀门定位器的输入压力信号与阀门位置应具有如图4〔20〕的非线性关系，其非线性关系应符合特性方程式（1）的要求。

同理可得修正气开阀、直线流量特性、S为0.2时非线性反馈阀门定位器方程式为：

$\frac{1}{L}=\frac{1}{29}\{\frac{2.23(1+12.44\frac{P}{P})}{\sqrt{5-4{\left[\frac{1}{13.44}(1+12.44\frac{P}{P})\right]}^2}}-1\}....\left(2\right)$

修正气开阀、等百分比流量特性、S为0.1时非线性反馈阀门定位器方程式为：

$\frac{1}{L}=\frac{(\frac{P}{P}-1)\mathrm{In}9.53-\mathrm{In}\sqrt{10-9{\left[{9.53}^{(\frac{P}{P}-1)}\right]}^2}}{\mathrm{In}30}+1...\left(3\right)$

修正气开阀、等百分比流量特性、S为0.2时非线性反馈阀门定位器方程式为：

$\frac{1}{L}=\frac{(\frac{P}{P}-1)\mathrm{In}13.44-\mathrm{In}\sqrt[I]{5-4{\left[13.44^{(\frac{P}{P}-1)}\right]}^2}}{\mathrm{In}30}+1...\left(4\right)$

修正气关阀、直线流量特性、S为0.1时非线性反馈阀门定位器方程式为：

$\frac{1}{L}=1-\frac{1}{29}\{\frac{3.15[1+8.53(1-\frac{P}{P})]}{\sqrt{10-9{\left\{\frac{1}{9.53}\right[1+8.53(1-\frac{P}{P})\left]\right\}}^2}}-1\}....\left(5\right)$

修正气关阀、直线流量特性、S为0.2时非线性反馈阀门定位器方程式为：

$\frac{1}{L}=1-\frac{1}{29}\{\frac{2.23[1+12.44(1-\frac{P}{P})]}{\sqrt{5-4{\left\{\frac{1}{13.44}\right[1+12.44(1-\frac{P}{P})\left]\right\}}^2}}-1\}....\left(6\right)$

修正气关阀、等百分比流量特性、S为0.1时非线性反馈阀门定位器方程式为：

$\frac{1}{L}=\frac{\frac{P}{P}\mathrm{In}9.53+\mathrm{In}\sqrt{10-9{\left({9.53}^{-\frac{P}{P}}\right)}^2}}{\mathrm{In}30}......\left(7\right)$

修正气关阀、等百分比流量特性、S为0.2时非线性反馈阀门定位器方程式为：

$\frac{1}{L}=\frac{\frac{P}{P}\mathrm{In}13.44+\mathrm{In}\sqrt{5-4{\left({13.44}^{-\frac{P}{P}}\right)}^2}}{\mathrm{In}30}......\left(8\right)$

图5～图12为八种凸轮曲面形状的凸轮片，它根据上面八个公式设计得出。凸轮转角小于90度，凸轮增量小于20毫米，其中凸轮转角30度和凸轮增量4毫米时为最佳。

图5凸轮片可用来修正气开阀、直线流量特性、S为0.1时流量特性曲线畸变。

图6凸轮片可用来修正气开阀、直线流量特性、S为0.2时流量特性曲线畸变。

图7凸轮片可用来修正气开阀、等百分比流量特性、S为0.1时流量特性曲线畸变。

图8凸轮片可用来修正气开阀、等百分比流量特性、S为0.2时流量特性曲线畸变。

图9凸轮片可用来修正气关阀、直线流量特性、S为0.1时流量特性曲线畸变。

图10凸轮片可用来修正气关阀、直线流量特性、S为0.2时流量特性曲线畸变。

图11凸轮片可来修正气关阀、等百分比流量特性、S为0.1时流量特性曲线畸变。

图12凸轮片可用来修正气关阀、等百分比流量特性、S为0.2时流量特性曲线畸变。

本实用新型实施例，把八种凸轮片分别安装在一般阀门定位器中，并与气动调节阀配套试验，测得阀门定位器相对输入压力与调节阀相对行程的关系，分别如图13～图20所示。图中实测曲线为实线，理想曲线为虚线。由图可知，所设计的八种凸轮曲面符合八个非线性反馈阀门定位器方程式，因此，本实用新型可实现修正气开阀、气关阀、直线流量特性、等百分比流量特性在S为0.1、0.2时流量特性曲线畸变，并使阀具有良好的直线工作流量特性和等百分比工作流量特性。

本实用新型的特点：1.通用性强，在一般阀门定位器产品上，只要更换反馈凸轮就可实现；2.简单灵活，设计八种反馈凸轮片可修正气开阀、气关阀、直线流量特性、等百分比流量特性在S为0.1、0.2时流量特性曲线畸变；3.凸轮曲面加工比阀芯加工方便及经济；4.流量特性误差较小；5.由于阀门定位器具有反馈行程的可调机构，所以可适用于各种阀门口径的调节阀。

由于调节阀在S为0.1、0.2的低值下运行，因此调节阀压差减小可选用较小压头的输送泵和较小功率的驱动电机，减少动力消耗，实现节能目的，有较大的经济意义，它比调节阀在S为0.3运行时可节能15～20％，一个年产350万吨的炼油厂每个阀装上该反馈凸轮，每个阀上压差减少1kgf／cm²，每年可节电1440000千瓦，炼油厂常顶回流温度串级控制系统调节阀、初顶冷回流控制系统调节阀、酮苯滤总流量调节阀S取0.1～0.2后，每年可节电394200千瓦。

Claims (3)

1、一种由反馈凸轮组成的阀门定位器，其特征是阀门定位器输入压力信号或直流电流信号与阀门位置成非线性函数关系，采用八种反馈凸轮的非线性反馈阀门定位器，根据不同凸轮曲面形状来分别修正气开阀、气关阀、直线流量特性、等百分比流量特性在S为0.1～0.2时流量特性曲线的崎变，要求调节阀具有直线工作流量特性和等百分比工作流量特性。

2、如权利要求1所述的非线性反馈阀门定位器，其特征是阀门定位器输入信号和阀门位置在全范围变化时，反馈凸轮转角小于90度，反馈凸轮增量小于20毫米。

3、如权利要求2所述的非线性反馈阀门定位器，其特征是阀门定位器输入信号和阀门位置在全范围变化时，反馈凸轮转角30度和反馈凸轮增量4毫米为最佳。

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