Comprensione dei posizionatori di valvola in questo articolo

Il posizionatore di valvola (valve controller) è un dispositivo utilizzato per controllare e regolare con precisione la posizione di una valvola di controllo.regola l'apertura della valvola al punto di impostazione desiderato, garantendo così che i parametri del processo (es. pressione, temperatura, portata, ecc.) restino entro intervalli predeterminati.e sono ampiamente utilizzati nel petrolio e nel gas, chimica, farmaceutica, di trattamento delle acque e altre industrie.

La posizione del fusto di una valvola di controllo pneumatica è linearemente correlata alla pressione dell'aria applicata all'attuatore perché le molle meccaniche tendono a seguire la legge di Hooke,che afferma che la quantità di movimento della molla (x) è direttamente proporzionale alla forza applicata (F=kx)La forza applicata da un attuatore pneumatico è una funzione della pressione dell'aria e dell'area del pistone/diaframma (F=PA), e la molla, a sua volta, comprime o allunga,producendo una forza di reazione uguale e oppostaIl risultato finale è che la pressione dell'attuatore si traduce linearmente in movimento dello stelo (x=PA/k).

1. Posizionatore di valvola di controllo

Questa relazione lineare e ripetibile tra la pressione del segnale pneumatico e la posizione del fusto è valida solo se, e solo se,il diaframma/pisto e la molla di azionamento sono le uniche forze che agiscono sul fustoSe un'altra forza agisce sul meccanismo, il rapporto tra la pressione del segnale e la posizione del fusto non sarà più ideale.

Purtroppo, ci sono molte altre forze che agiscono sul fusto oltre alle forze di azionamento e alle forze di reazione della molla.e la forza di reazione sulla bobina causata dalla pressione differenziale nella zona della bobina è un altroQueste forze si combinano per riposizionare il fusto in modo che il movimento del fusto non sia esattamente correlato alla pressione del fluido di azionamento.

Una soluzione comune a questo dilemma consiste nell'aggiungere un posizionatore di valvola all'assemblaggio della valvola di controllo. A valve positioner is a motion control device designed to actively compare the stem position to a control signal and adjust the actuator diaphragm or piston pressure until the correct stem position is achieved:

Il posizionatore di valvola è essenzialmente un sistema di controllo: la posizione del fusto della valvola è la variabile di processo (PV), il segnale di comando al posizionatore è il punto di impostazione (SP),e il segnale del posizionatore all'attuatore della valvola è la variabile manipolata (MV) o l'uscitaQuando il controllore di processo invia un segnale di comando alla valvola dotata di posizionatore,il posizionatore riceve il segnale di comando e applica all'attuatore la pressione d'aria necessaria per raggiungere la posizione desiderataIn questo modo, il posizionatore combatterà qualsiasi altra forza che agisca sul fusto della valvola per ottenere un posizionamento chiaro e preciso del fusto in conformità con il segnale di comando.Un posizionatore che funziona correttamente garantisce che la valvola di controllo “si comporti” in base al segnale di comando.

2Esempio di posizionatore pneumatico

L'immagine seguente mostra un posizionatore pneumatico Fisher Modello 3582 montato su una valvola di controllo.

Una parte del meccanismo di feedback può essere vista sul lato sinistro di questo posizionatore: un supporto metallico avvitato al connettore dello stelo che si attacca a un braccio che si estende dal lato del posizionatore.Ogni posizionatore di valvola di comando deve essere dotato di un dispositivo di rilevamento della posizione del fusto, altrimenti il posizionatore non sarebbe in grado di confrontare la posizione del fusto con il segnale di comando.

Un posizionatore più moderno, il Fisher DVC6200 (di nuovo in una scatola grigia con un manometro sul lato destro), appare nella foto seguente:

Come il posizionatore precedente del modello 3582, questo DVC6000 utilizza un collegamento di feedback sul lato sinistro per rilevare la posizione del fusto della valvola.Il più recente DVC6200 utilizza un sensore di effetto Hall magnetico per rilevare la posizione di un magnete avvitato al fustoQuesto progetto di feedback di posizione non meccanico elimina reazioni, usura, interferenze e altri potenziali problemi associati ai collegamenti meccanici.Un miglior feedback è fondamentale per un migliore posizionamento delle valvole.

I posizionatori di valvola di controllo sono tipicamente costruiti per generare e scaricare alti flussi d'aria, quindi il posizionatore funziona anche come amplificatore di volume850.il posizionatore non solo garantisce un posizionamento più preciso dello stelo, ma anche velocità più veloci (ritardo temporale più breve) rispetto agli attuatori di valvola che sono "alimentati" direttamente dal sensore I/P.

3Valvola in posizione

Un altro vantaggio dell'aggiunta di un posizionatore di valvola a una valvola di controllo pneumatica è che la valvola sigilla (si chiude strettamente) meglio.Questo vantaggio non è evidente a prima vista e richiede pertanto una spiegazione..

In primo luogo, è necessario comprendere che in una valvola di controllo il contatto tra la bobina e il sedile non è sufficiente a garantire una chiusura serrata.la bobina deve essere premuta forte contro il sedile per bloccare completamente tutto il flusso attraverso la valvolaChiunque abbia mai stretto la maniglia di un rubinetto che perde acqua (spazzole da giardino) capisce intuitivamente questo principio:una certa forza di contatto è necessaria tra la spina e il sedile per deformare leggermente le due partiIl termine tecnico per questo requisito meccanico è carico del sedile.

Immaginate una valvola di controllo pneumatica di apertura diretta, azionata dal diaframma, con una regolazione da 3 a 15 psi.il diaframma genera appena abbastanza forza per superare il preload della molla dell' attuatore, ma non abbastanza per spostare la bobina dal sedile.

In altre parole, alla pressione del diaframma di 3 psi, la bobina entrerà in contatto con il sedile, ma ci sarà poca forza per fornire un sigillo di chiusura stretto.Se questa valvola di controllo è alimentata direttamente da un sensore I/P calibrato da 3 a 15 Psi, ciò significa che la valvola si chiuderà a malapena a 0% del valore del segnale (3 Psi), piuttosto che chiudersi strettamente.deve essere rimossa tutta la pressione dell'aria dal diaframma per garantire che non vi sia alcuna forza del diaframma contro la mollaQuesto non è possibile per un I/P con una gamma di calibrazione da 3 a 15 psi.

Ora immaginiamo che la stessa valvola sia dotata di un posizionatore che riceve un segnale da 3 a 15 Psi dall'I/P e lo usa come comando (punto di impostazione) per la posizione dello stelo,applicando alla membrana la pressione necessaria per raggiungere la posizione desiderata dello steloIl modo corretto di calibrare il posizionatore è che il fusto inizi a sollevare solo quando il segnale è salito leggermente al di sopra dello 0%,il che significa che a 0% (4mA) il posizionatore cercherà di forzare la valvola a una posizione di fusto leggermente negativaNel tentativo di raggiungere questo requisito impossibile, l'uscita del posizionatore raggiungerà una bassa saturazione, senza esercitare alcuna pressione sul diaframma di azionamento.risultante in una forza di molla completa esercitata dal fusto della valvola sul sedile della valvolaUn confronto tra i due scenari è illustrato nel grafico seguente:

Mentre i posizionatori sono utili per gli attuatori di valvole equipaggiati con molla, sono assolutamente essenziali per alcuni altri tipi di attuatori.Considerare il seguente attuatore pneumatico a doppio funzionamento senza molle:

Senza una molla per fornire una forza di ritenuta per riportare la valvola alla posizione "a prova di guasto", non esiste una relazione della legge di Hooke tra la pressione dell'aria applicata e la posizione del fusto.Il posizionatore deve applicare alternativamente la pressione dell'aria su entrambe le superfici del pistone per sollevare e abbassare lo stelo.

Motorized control valve actuators are another actuator design that absolutely requires some form of positioner system because the motorized unit cannot “sense” the position of its own shaft to move the control valve accuratelyPertanto, a positioner circuit using a potentiometer or LVDT/RVDT transducer to detect the position of the valve stem and a set of transistor outputs to drive the motor is required to enable the electric actuator to respond to analog control signals.

4- Posizionatore pneumatico di bilanciamento di forza

Un semplice progetto di posizionatore pneumatico di valvola bilanciata è mostrato di seguito:

Il segnale di controllo di questa valvola è un segnale pneumatico da 3 a 15 psi proveniente da un sensore I/P o da un regolatore pneumatico (nessuno dei quali è indicato nel diagramma).Questa pressione del segnale di controllo esercita una forza verso l'alto sul raggio di forzaL'aumento della contropressione nell'ugello fa sì che il relè di amplificazione pneumatico fornisca più pressione d'aria all'attuatore della valvola,che a sua volta solleva il fusto della valvola (aprendo la valvola)Quando il filo della valvola si solleva, la molla che collega l'attuatore al filo della valvola si allunga ulteriormente, applicando una forza supplementare al lato destro dell'attuatore.Quando questa forza aggiuntiva viene bilanciata con la forza dei folioli, il sistema si stabilizza a un nuovo punto di equilibrio.

Come per tutti i sistemi di bilanciamento della forza, il movimento della spinta è limitato dalla forza di bilanciamento, quindi il suo movimento è trascurabile in pratica.l' equilibrio è raggiunto da una forza che bilancia un' altra, come due squadre di persone che tirano su una corda: finché le forze delle due squadre sono uguali in grandezza e in direzione opposta, la corda non si discosterà dalla sua posizione originale.

Il diagramma seguente mostra il posizionatore di bilanciamento della forza PMV 1500 per posizionare un attuatore di valvola rotante con il coperchio (in alto) e sotto (in basso):

Un segnale di controllo pneumatico da 3 a 15 psi entra nei focolai e spinge verso il basso sul raggio di forza orizzontale (nero).Il gruppo di valvola pilota pneumatica sul lato sinistro del raggio di forza rileva qualsiasi movimento e aumenta la pressione dell'aria al diaframma di azionamento della valvola se viene rilevato qualsiasi movimento verso il basso, e rilascia la pressione dell'aria all'attuatore se viene rilevato un movimento verso l'alto:

Quando l'aria compressa entra nell'attuatore della valvola attraverso l'assemblaggio della valvola pilota, la valvola rotante inizia a ruotare nella direzione aperta.Il movimento rotativo dell'albero viene convertito in movimento lineare all'interno del posizionatore mediante una cam: la cam è un disco con un raggio irregolare progettato per produrre uno spostamento lineare da uno spostamento angolare:

Un seguace a rulli situato alla fine del raggio dorato si muove lungo la circonferenza della camma.Il movimento della camma viene convertito in una forza di corsa dritta mediante compressione della molla della bobina direttamente contro la forza dei soffi pneumatici sul fascio di forzaQuando il movimento della camma è sufficiente a comprimere la molla abbastanza da controbilanciare la forza aggiuntiva generata dai soffi pneumatici,il fascio di forza ritorna alla posizione di equilibrio (molto vicino alla posizione di partenza) e la valvola si ferma.

Se guardate attentamente l'ultima foto, vedrete la vite di messa a zero del posizionatore: una barra a filo che si estende sotto il raggio dorato.Questa vite regola la compressione della molla di bias in modo che l'unità posizionatore pensa che la cam è in una posizione diversaAd esempio, girando questa canna filettata nel senso orario (come visto dall'estremità a fessura dell'impegno del cacciavite) si comprime ulteriormente la molla, spingendo la canna più scura verso l'alto con più forza,ottenendo lo stesso effetto di una leggera rotazione in senso antiorario della cammaQuesto induce il posizionatore ad agire e ruotare la cam in senso orario per compensare, portandola più vicino alla posizione dello stelo 0%.

Anche se la camma e il seguace in questo meccanismo di posizionamento si muovono in reazione al movimento dello stelo,può ancora essere considerato come un meccanismo di bilanciamento della forza poiché il membro trasversale attaccato alla valvola pilota non si muove sensibilmenteCon l'equilibrio delle forze sul fascio, la valvola pilota è sempre in posizione di equilibrio.

5. Ponizionatore pneumatico di bilanciamento dinamico

Esistono anche progetti di posizionatori pneumatici di valvola per bilanciamento del movimento, in cui il movimento del fusto della valvola contrasta il movimento (non la forza) da un altro elemento.Il seguente diagramma di taglio mostra come funziona un semplice posizionatore di movimento bilanciato:

In questo meccanismo, un aumento della pressione del segnale fa sì che il fascio avanzi verso l'ugello, con conseguente una maggiore pressione di ritorno dell'ugello,che a sua volta fa sì che il relè di amplificazione pneumatico fornisca più pressione d'aria all'attuatore della valvolaQuando la valvola si solleva, il movimento verso l'alto dell'estremità destra del fascio compensa l'avanzata precedente del fascio verso l'ugello.il fascio sarà in posizione inclinata dove il movimento del folio è bilanciato dal movimento del fusto.

La seguente fotografia mostra un'immagine ravvicinata del meccanismo di posizionamento dell'equilibrio pneumatico FISHER modello 3582:

Al centro del meccanismo c'è un anello metallico a forma di D che trasforma il movimento del folio e il movimento del fusto in movimento di deflezione.il soffio (situato sotto l'angolo in alto a destra dell'anello D) si espandeQuando il posizionatore è impostato per funzionare a azione diretta, questo movimento d'oscillazione spinge il deflettore più vicino all'ugello,che aumenta la contropressione e fornisce più aria compressa all'attuatore della valvola:

Mentre il fusto si muove, la leva di feedback ruota la camma nella parte inferiore dell'anello D.Il rulliere?follower? su questa camma traduce il movimento della valvola stem in un altro movimento d'oscillazione sulla traveA seconda del modo in cui la camma è fissata all'albero di feedback, questo movimento può causare il flacco della valvola a oscillare più lontano dall'ugello o più vicino ad esso.La direzione della camma deve essere scelta per corrispondere all'azione dell'attuatore: diretto (l'aria estende la valvola) o inverso (l'aria ritira la valvola).

Il meccanismo D-ring è abbastanza ingegnoso in quanto consente una facile regolazione della lunghezza regolare l'angolo dell'assemblaggio del tampone in vari punti lungo la circonferenza dell'anello.Se l'insieme di deflettore è posizionato vicino all'orizzontale, sarà più sensibile al movimento del soffio e meno sensibile al movimento dello stelo, costringendo la valvola a muoversi più lontano per eguagliare il piccolo movimento del soffio (lunga lunghezza del tratto).se il gruppo di valvole è posizionato vicino alla verticale, sarà al massimo sensibile al movimento del fusto e al minimo sensibile al movimento del soffio, con conseguente portata della valvola molto piccola (vale a direi fuochi dovranno espandersi in modo significativo per bilanciare la piccola quantità di movimento dello stelo).

6. Posizionatore digitale della valvola

Ricordiamo che lo scopo di un posizionatore di valvola è quello di garantire che la posizione di una valvola meccanica corrisponda sempre al segnale comandato.il posizionatore della valvola è in realtà un sistema di controllo a circuito chiuso: l'applicazione della massima o minima pressione possibile sull'attuatore per raggiungere sempre la posizione del fusto comandata.e altri componenti fisici per ottenere questo controllo a circuito chiuso.

I posizionatori digitali delle valvole (come il modello Fisher DVC6000) utilizzano sensori elettronici per rilevare la posizione del fusto,un microprocessore per confrontare la posizione del tronco rilevato con un segnale di controllo mediante sottrazione matematica (errore = posizione - segnale), e poi un convertitore di segnale pneumatico e un relè per inviare la pressione dell'aria all'attuatore della valvola.

Come potete vedere dal diagramma, la struttura interna di un posizionatore digitale di valvole è molto complessa.ma due algoritmi di controllo che lavorano in tandem per mantenere la posizione corretta della valvola: si monitora e si controlla la pressione applicata all'attuatore (compensando le variazioni della pressione di alimentazione che possono influenzare la posizione della valvola),e l'altro monitora e controlla la posizione dello stelo della valvola stessa, inviando segnali di controllo a cascata all'assemblaggio di controllo della pressione.

Un segnale di comando (da un controllore del circuito di processo, PLC o altro sistema di controllo) indica al posizionatore la posizione del fusto della valvola.Il primo regolatore (PI) all'interno del posizionatore calcola la pressione dell'aria necessaria all'attuatore per raggiungere la posizione richiesta dello stelo. Il controller successivo (PID) azionerà il convertitore I/P (current-to-pressure) come necessario per raggiungere tale pressione.i due regolatori all'interno del posizionatore lavoreranno insieme per forzare la valvola alla posizione corretta.

Non solo un posizionatore di valvola digitale fornisce un controllo di posizione superiore rispetto a un posizionatore meccanico, but its array of sensors and digital communication capabilities provide a higher level of diagnostic data for maintenance personnel and supervisory control systems (if programmed to monitor and act on that data).

I dati diagnostici forniti dal posizionatore digitale delle valvole comprendono:

- Pressione dell'aria

- Pressione dell'aria dell'attuatore

--Temperatura ambiente

--errore di posizione e di pressione

- percorso totale del tronco (simile a un chilometro di un'auto)

Inoltre, il microprocessore incorporato nel posizionatore digitale delle valvole è in grado di eseguire autotesti, autocalibrazione,e altre procedure di routine tradizionalmente eseguite da tecnici strumentali su posizionatori meccanici di valvole. The digital valve positioner also captures measurements such as total stem travel to predict when the packing will wear out and automatically sends out maintenance alerts to notify the operator and/or instrument technician when the stem packing needs to be replaced!

7. Malfunzionamento del sensore di posizione della valvola

Alcuni posizionatori di valvola “intelligenti” controllano la pressione dell'aria dell'attuatore oltre alla posizione del fusto,e quindi hanno una caratteristica utile di mantenere un certo grado di controllo della valvola in caso di guasto del sensore di posizione dello steloSe il microprocessore rileva un guasto del segnale di feedback di posizione (fuori raggio), può essere programmato per continuare a far funzionare la valvola basandosi solo sulla pressione:

In altre parole, la pressione dell'aria verso l'attuatore della valvola viene regolata in base alla funzione pressione/posizione registrata in passato.non funziona più esclusivamente come posizionatore, ma può comunque funzionare come un amplificatore (rispetto al flusso di un tipico I/P) e fornire un controllo sensato della valvola,considerando che qualsiasi altro posizionatore di valvola (non intelligente) peggiorerà effettivamente la situazione quando perde il feedback sulla posizione del fusto.

Con qualsiasi posizionatore puramente meccanico, se il collegamento di feedback della posizione del fusto è dislocato, la valvola di controllo di solito si "satura" e si apre completamente o si chiude completamente.Questo non è il caso dei migliori posizionatori "intelligenti".!

8Pressione dell'attuatore e posizione dello stelo

Probabilmente i dati diagnostici più importanti forniti da un posizionatore digitale di valvole sono il confronto tra la pressione dell'attuatore e la posizione del fusto, generalmente rappresentato graficamente.La pressione dell'attuatore è un riflesso diretto della forza applicata al fusto dall'attuatore, poiché la relazione tra forza del pistone o del diaframma e pressione è semplicemente F = PA, dove l'area (A) è una costante.il confronto della pressione dell'aria dell'attuatore con la posizione dello stelo è in realtà un'espressione della forza e della posizione della valvolaQuesta cosiddetta caratterizzazione delle valvole è molto utile per identificare e correggere problemi quali l'eccessivo attrito dell'imballaggio, l'interferenza con gli interni delle valvole e i problemi di adattamento della bobina/del sedile.

Qui è mostrato uno screenshot che mostra ¢ valvola caratterizzazione ¢ (preso dal prodotto software di Emerson ValveLink,parte della sua suite AMS) del comportamento di una valvola di controllo diritta Fisher E-body aperta all'aria:

Questo grafico mostra due grafici della pressione dell'attuatore rispetto alla posizione del fusto, uno in rosso e uno in blu.

Il grafico rosso mostra la risposta della valvola nella direzione aperta, quando la valvola è aperta (in alto), è necessaria una pressione aggiuntiva per superare l'attrito dell'imballaggio.

Il grafico blu mostra la valvola chiusa, con una minore pressione ora applicata al diaframma per consentire alla compressione della molla di superare l'attrito di imballaggio mentre la valvola si chiude (giù) per riposare.

Le curve brusche alle estremità di questo diagramma mostrano la posizione in cui il fusto della valvola raggiunge la sua posizione terminale e non può muoversi oltre nonostante ulteriori variazioni della pressione dell'attuatore.

Secondo la legge di Hooke, che descrive il comportamento delle molle delle valvole, ogni grafico è approssimativamente lineare,con la forza esercitata sulla molla proporzionale allo spostamento (compressione) della molla: F=kx. Qualsiasi deviazione rispetto ai singoli grafici lineari indica che ci sono forze diverse dalla compressione della molla e dalla pressione dell'aria che agiscono sul fusto.Ecco perché vediamo uno spostamento verticale nelle due trame: l'attrito di imballaggio è un'altra forza che agisce sul fusto oltre alla compressione della molla e alla forza esercitata dalla pressione dell'aria sul diaframma dell'attuatore.La grandezza di questo spostamento è relativamente piccola, e la sua consistenza indica che l'attrito di imballaggio è "sano" in questa valvola. maggiore è l'attrito di imballaggio sperimentato dalla valvola, maggiore è lo spostamento verticale delle due tabelle.

Il profilo del sedile è definito come la forte caduta all'estremità sinistra del grafico, dove la spina della valvola entra in contatto con il sedile della valvola.Il profilo del sedile si trova alla fine del grafico dove la valvola è chiusa e contiene molte informazioni utili sulla condizione fisica della spina della valvola e del sedileQuando questi componenti interni della valvola si consumano in una valvola di controllo, la forma del profilo del sedile cambia.

I contorni dei sedili possono essere esaminati in dettaglio ingrandendo l'estremità inferiore sinistra del disegno delle caratteristiche della valvola.La figura seguente mostra il profilo del sedile di una valvola di controllo rettilineo Fisher E-body in condizioni intatte:

Se il personale di manutenzione di un impianto è sufficientemente attento a registrare le caratteristiche delle valvole delle valvole di controllo dopo il loro montaggio o la loro ricostruzione,le caratteristiche “originali” di una determinata valvola di controllo possono essere confrontate con le caratteristiche della stessa valvola di controllo in una data successiva, che consente di determinare l'usura senza la necessità di smontare la valvola per l'ispezione.

È interessante notare che questa relazione tra la pressione (forza) dell'attuatore e la posizione del fusto si applica anche ai posizionatori di valvola digitali utilizzati in alcune valvole motorizzate moderne.la forza applicata alla valvola è direttamente correlata alla corrente del motore, che può essere facilmente misurato e interpretato dal posizionatore digitale delle valvole.

Di conseguenza, lo stesso tipo di dati diagnostici può essere presentato graficamente, anche quando vengono utilizzate tecnologie di attuatore diverse, per facilitare la diagnosi dei problemi delle valvole.Queste diagnostiche si applicano anche alle valvole motorizzate di apertura/chiusura che non sono utilizzate nel servizio di throttling e sono particolarmente applicabili alle valvole di porta, valvole di controllo a spina e rettilineo, in cui l'impegno del sedile è importante per un chiusura serrata.