Cosa sono le valvole di controllo? Come funzionano le valvole di controllo?

Come funzionano le valvole di controllo?

Nella produzione industriale moderna, il controllo preciso del flusso di fluidi (come gas, vapore, acqua o miscele chimiche), della pressione, della temperatura e del livello del liquido è fondamentale per garantire l'efficienza della produzione, la qualità del prodotto, la sicurezza operativa e la protezione ambientale. In qualità di “elemento di controllo finale” nei sistemi di automazione industriale, le valvole di controllo svolgono un ruolo centrale in questa complessa e precisa catena di controllo. Non sono semplici dispositivi on/off, ma rispondono ai segnali dei controllori alterando le dimensioni del percorso del flusso, ottenendo così una regolazione diretta e precisa delle variabili di processo. Le prestazioni delle valvole di controllo hanno un impatto diretto sull'efficienza economica, sulla sicurezza e sull'impatto ambientale dei processi industriali, rendendole un investimento strategico piuttosto che un semplice acquisto di attrezzature.

Xiangjing, in quanto uno dei maggiori fornitori cinesi di valvole di controllo e posizionatori di valvole, si impegna a fornire soluzioni di valvole di controllo di alta qualità per aiutare le industrie a ottenere un controllo dei fluidi efficiente, sicuro e intelligente. Per maggiori informazioni, visita il nostro sito web ufficiale: www.shgongboshi.com.

Componenti di base di una valvola di controllo

Una valvola di controllo non è un singolo componente, ma un sistema integrato composto da più componenti di precisione che lavorano in tandem. I suoi componenti principali includono il corpo valvola, gli interni della valvola, l'attuatore e il posizionatore della valvola, insieme a vari accessori come convertitori, regolatori di pressione dell'aria, operatori manuali, smorzatori o finecorsa.

Corpo valvola: percorso del fluido e componente di tenuta della pressione

Il corpo valvola è il componente strutturale principale della valvola di controllo e il suo design determina il percorso del flusso del fluido all'interno della valvola. Funge da recipiente a pressione con porte di ingresso e di uscita, attraverso le quali il fluido scorre attraverso le porte e le aperture o gli orifizi all'interno del corpo valvola. Le funzioni principali del corpo valvola sono quelle di resistere alla pressione del fluido e fornire supporto e un ambiente sigillato per gli interni della valvola. Inoltre, la struttura del corpo valvola influenza indirettamente le caratteristiche di regolazione del flusso, poiché la resistenza al flusso del fluido e le caratteristiche di caduta di pressione sono strettamente correlate al design dei passaggi interni all'interno del corpo valvola.

Interni della valvola: componenti a diretto contatto con il fluido, componenti principali per la regolazione del flusso

Gli interni della valvola sono le parti della valvola di controllo che entrano direttamente in contatto con il fluido controllato e sono i componenti principali per ottenere la regolazione del flusso. Sono tipicamente costituiti da una sede valvola, un disco valvola (o otturatore) e uno stelo valvola. Gli interni della valvola controllano con precisione la quantità di fluido che passa attraverso alterando la loro posizione relativa e il gioco con la sede valvola. Ad esempio, quando il disco o l'otturatore della valvola viene sollevato o ruotato, l'area del canale di flusso cambia di conseguenza, regolando così il flusso del fluido. La forma geometrica e la selezione dei materiali degli interni della valvola hanno un impatto decisivo sulle loro caratteristiche di flusso, resistenza all'usura, resistenza alla corrosione e prestazioni di tenuta.

Attuatore: fornisce la forza motrice per il funzionamento della valvola

L'attuatore è il “muscolo” della valvola di controllo, responsabile della conversione dei segnali astratti provenienti dal sistema di controllo in forza meccanica per azionare gli interni della valvola per il movimento fisico. Alla ricezione del segnale di controllo, aziona la valvola di conseguenza per ottenere l'apertura completa, la chiusura completa o qualsiasi posizione intermedia, realizzando così un preciso controllo a farfalla del flusso del fluido.

Gli attuatori possono essere classificati in vari tipi in base alla loro fonte di alimentazione e alla modalità di movimento:

Classificazione per modalità di movimento:

• Attuatori lineari: Producono un movimento lineare push-pull, adatto per valvole che richiedono lo stelo della valvola per muoversi su e giù, come valvole a globo, valvole a saracinesca e valvole a membrana.
• Attuatori rotanti: Producono un movimento rotatorio, adatto per valvole che richiedono la rotazione del disco o della sfera della valvola, come valvole a sfera, valvole a farfalla e valvole a maschio.

Valvola di controllo pneumatica Fisher

Classificato per fonte di alimentazione:

• Attuatori pneumatici:

• Principio di funzionamento: Utilizza aria compressa o gas come fonte di alimentazione, applicando la pressione dell'aria a un diaframma o pistone per generare un movimento lineare o rotatorio. La pressione dell'aria può agire alternativamente su entrambi i lati del pistone per ottenere un movimento bidirezionale (a doppio effetto), oppure agire su un solo lato con una molla che fornisce la forza di ritorno (a semplice effetto). Il movimento rotatorio si ottiene tipicamente tramite un meccanismo a cremagliera e pignone.
• Vantaggi:

1. Velocità di risposta rapida: in genere raggiunge i 50–500 mm/s, più veloce dei sistemi idraulici o elettrici.
2. Intrinsecamente sicuro: non si basa sull'elettricità e non produce scintille, il che lo rende altamente adatto per ambienti pericolosi infiammabili ed esplosivi.  
3. Struttura semplice, leggera, facile da installare e manutenere: in genere a basso costo.  
4. Facile regolazione della forza di uscita e della velocità di funzionamento.  
5. Elevata affidabilità e lunga durata.  
6. Può immagazzinare energia, consentire l'alimentazione centralizzata dell'aria e rilasciare energia rapidamente per ottenere una risposta ad alta velocità.
7. Forte adattabilità ai carichi d'urto e ai sovraccarichi.  
8. Può essere utilizzato in ambienti ad alta temperatura.  

• Svantaggi:  

1. Forza di uscita limitata: rispetto agli attuatori idraulici, la loro forza di uscita è generalmente inferiore.  
2. Precisione relativamente bassa: a causa della comprimibilità dell'aria, la velocità di funzionamento del cilindro è facilmente influenzata dalle variazioni di carico e la sua stabilità a bassa velocità è inferiore a quella dei cilindri idraulici.  
3. Richiede un sistema di alimentazione di aria compressa: ciò include costi aggiuntivi per compressori e tubazioni.
4. Il guasto del compressore può causare il malfunzionamento di tutti gli attuatori pneumatici: tuttavia, questo rischio può essere mitigato da un sistema di compressori di backup.  
5. Il ciclo rapido può causare effetti di colpo d'ariete.  
6. Le prestazioni sono suscettibili all'acqua e alle temperature estreme.  

• Applicazioni tipiche: ampiamente utilizzato nel controllo di processo, nelle industrie chimiche, alimentari e delle bevande, nel trattamento delle acque reflue, nell'energia, nell'estrazione mineraria e nelle industrie dell'energia nucleare in cui sono richiesti un movimento rapido e prestazioni a prova di esplosione.

• Attuatori elettrici:

• Principio di funzionamento: Azionato da un motore elettrico, il movimento rotatorio del motore viene convertito in movimento lineare o rotatorio tramite meccanismi di trasmissione come viti, ingranaggi o cinghie per azionare le valvole. I motori passo-passo o i servomotori sono comunemente utilizzati per ottenere un controllo di alta precisione.
• Vantaggi:

1. Elevata precisione e posizionamento ripetibile: fornisce un posizionamento della valvola estremamente accurato e ripetibile, rendendolo ideale per attività automatizzate.
2. Facile da programmare e integrare: si collega perfettamente con i sistemi di controllo digitale e può essere programmato per ottenere schemi di movimento complessi.
3. Elevata efficienza energetica: in genere consuma meno energia rispetto agli attuatori idraulici o pneumatici nelle applicazioni a carico statico.
4. Bassi requisiti di manutenzione: a causa del minor numero di parti e dell'assenza di sistemi fluidi coinvolti, i requisiti di manutenzione sono estremamente bassi.
5. Funzionamento silenzioso.
6. Non influenzato dalle fluttuazioni della tensione e della frequenza di alimentazione.
7. Velocità di rotazione regolabile.

• Svantaggi:  

1. Costo più elevato: in genere più costoso degli attuatori pneumatici.
2. Velocità relativamente lenta: soprattutto nelle applicazioni che richiedono un'elevata spinta.
3. Dipendente dall'alimentazione: richiede una fonte di alimentazione di backup o un meccanismo di ritorno a molla durante le interruzioni di corrente per garantire la sicurezza.
4. Non adatto per ambienti esplosivi: a meno che non sia appositamente progettato per la protezione dalle esplosioni.
5. Design complesso, che richiede conoscenze specialistiche per l'installazione e la manutenzione.

• Applicazioni tipiche: Ampiamente utilizzato nella generazione di energia, nel trattamento delle acque, nei prodotti farmaceutici, nei bracci robotici, nei nastri trasportatori, nelle linee di assemblaggio automatizzate, nei macchinari agricoli, nei sistemi di ventilazione e illuminazione e nelle apparecchiature per la movimentazione e la pulizia dei materiali in cui sono richiesti un controllo preciso e alti livelli di integrazione dell'automazione.

• Attuatori idraulici:

• Principio di funzionamento: Utilizza fluido pressurizzato (tipicamente olio idraulico) come fonte di alimentazione per convertire la pressione del fluido in movimento meccanico. L'incomprimibilità dell'olio idraulico garantisce un posizionamento della valvola stabile e affidabile, con pistoni anziché diaframmi tipicamente utilizzati per generare una potente spinta.
• Vantaggi:  

1. Elevata forza/coppia in uscita: in grado di generare una forza meccanica significativa, adatta per il funzionamento di valvole grandi, per impieghi gravosi o ad alta pressione, con una forza in uscita di gran lunga superiore a quella degli attuatori pneumatici.  
2. Posizionamento di alta precisione: grazie all'incomprimibilità dell'olio idraulico, consente un posizionamento della valvola altamente preciso e stabile.  
3. Velocità di risposta rapida: adatta per l'arresto di emergenza (ESD) e le applicazioni di valvole che richiedono un'azione rapida.
4. Durevole e robusto, con requisiti di manutenzione relativamente bassi e una lunga durata.  
5. Può implementare meccanismi di protezione dai guasti.  

• Svantaggi:  

1. Sistema complesso con costi più elevati: richiede un sistema di pompe idrauliche dedicato, rendendo l'installazione e la progettazione del sistema più complesse.  
2. Rischio di perdite di fluido: è necessaria una manutenzione regolare per prevenire perdite di olio idraulico.  
3. Non adatto a tutti gli ambienti: alcuni progetti possono avere limitazioni.

• Applicazioni tipiche: Utilizzato principalmente in oleodotti e gasdotti, centrali elettriche, nell'industria petrolifera e del gas naturale, nelle dighe e nelle centrali idroelettriche: applicazioni industriali pesanti che richiedono un'elevata forza, un'elevata coppia e una risposta rapida.

• Attuatori elettro-idraulici: Questi attuatori combinano i vantaggi dei motori elettrici e delle unità di potenza idraulica, offrendo l'elevata forza in uscita dei sistemi idraulici ottenendo al contempo la precisione del controllo elettrico. Sono particolarmente adatti per posizioni remote che richiedono un controllo preciso della posizione della valvola.

La tabella seguente confronta diversi tipi di attuatori:

Posizionatore della valvola: garantire un posizionamento preciso della valvola

Il posizionatore della valvola funge da “cervello” critico che consente alle valvole di controllo di ottenere alta precisione, reattività e stabilità. Svolge un ruolo indispensabile all'interno dei gruppi valvole di controllo, in particolare quando le valvole richiedono il controllo a farfalla.

Posizionatore della valvola Emerson Fisher

La funzione e l'importanza dei posizionatori di valvole

La funzione principale di un posizionatore di valvole è garantire che la posizione effettiva dello stelo o dell'albero della valvola corrisponda con precisione al segnale di comando emesso dal sistema di controllo. Monitorando continuamente la posizione effettiva della valvola e apportando correzioni, supera efficacemente le limitazioni meccaniche intrinseche all'interno della valvola, come l'attrito dall'imballaggio dello stelo della valvola, il ritardo dell'attuatore e le forze sbilanciate esercitate dal fluido sull'otturatore della valvola.

Il posizionatore utilizza il suo meccanismo di controllo a feedback a circuito chiuso interno per regolare continuamente la pressione applicata all'attuatore, “contrastando così qualsiasi altra forza che agisce sullo stelo della valvola,” garantendo che la valvola “si comporti correttamente” e “obbedisca al segnale di controllo.” Questa capacità di controllo preciso migliora significativamente le prestazioni complessive del sistema di controllo, tra cui:

Maggiore precisione di controllo: garantire che la portata effettiva corrisponda con precisione al segnale di controllo è fondamentale per i processi sensibili anche a minime deviazioni.

• Tempi di risposta più rapidi: Caricando e sfiatando rapidamente, il tempo necessario per la modifica del processo di risposta della valvola viene ridotto.
• Maggiore stabilità del processo: La compensazione delle variazioni delle condizioni di processo (come le fluttuazioni di pressione e le variazioni di portata) mantiene un controllo coerente, che è fondamentale per la qualità del prodotto e la sicurezza del sistema.
• Rifiuti ridotti e maggiore sicurezza: Ottimizza l'utilizzo delle risorse e riduce i rischi di incidenti attraverso un controllo preciso.  
• Durata della valvola prolungata e costi di manutenzione ridotti: Riduce al minimo l'usura compensando le variazioni delle prestazioni della valvola nel tempo, consentendo la manutenzione predittiva.  
• Amplificazione del segnale: Il posizionatore può gestire portate d'aria più elevate, funzionando quindi anche come amplificatore di volume, fornendo velocità dello stelo della valvola più elevate e ritardi temporali più brevi.
• Ottenere una chiusura ermetica: Saturando l'uscita al minimo allo 0% del segnale, l'otturatore della valvola viene premuto saldamente contro la sede, garantendo un'affidabile chiusura ermetica senza perdite.
• Fondamentale per attuatori a pistone a doppio effetto senza molla e attuatori elettrici senza capacità intrinseca di rilevamento della posizione.

Il principio di funzionamento di un posizionatore di valvole: controllo a feedback a circuito chiuso

Il fulcro del funzionamento di un posizionatore di valvole è il suo sistema di controllo a feedback a circuito chiuso. Riceve segnali di ingresso (setpoint) dal sistema di controllo misurando al contempo la posizione effettiva dello stelo o dell'albero della valvola (segnale di feedback) tramite mezzi meccanici o elettronici. Il controllore all'interno del posizionatore confronta la differenza tra il setpoint e la posizione effettiva, calcola il segnale di errore e regola il segnale di uscita (tipicamente la pressione pneumatica) inviato all'attuatore in base a questo errore, azionando così la valvola per spostarsi verso la posizione desiderata fino a quando l'errore non viene eliminato.

• Principio di funzionamento dettagliato dei posizionatori pneumatici:
  I posizionatori pneumatici funzionano tipicamente in base al principio dell'equilibrio delle forze. Quando il segnale dell'aria dello strumento aumenta, agisce sul diaframma del segnale, azionando lo stelo della valvola collegato al diaframma del segnale e la piastra collegata per spostarsi verso destra. Questo apre la piastra di alimentazione dell'aria, consentendo alla pressione dell'aria di alimentazione di entrare nell'estremità di uscita collegata al diaframma dell'attuatore, mentre la piastra di scarico rimane chiusa. L'aumento della pressione interna all'interno dell'attuatore spinge lo stelo della valvola verso il basso, facendo ruotare la leva del posizionatore in senso orario e comprimendo la molla di campo tramite la camma. Lo stelo della valvola continua a muoversi fino a raggiungere la posizione specificata dal controllore, a quel punto la forza di compressione della molla di campo bilancia la forza generata dal diaframma del segnale e sia gli smorzatori di alimentazione che di scarico si chiudono, interrompendo il movimento della valvola. Al contrario, quando il segnale di controllo diminuisce, la forza esercitata dal diaframma del segnale diminuisce e la forza della molla di campo spinge lo stelo della valvola collegato allo smorzatore verso sinistra, aprendo lo smorzatore di scarico, riducendo la pressione dell'attuatore e facendo muovere lo stelo della valvola verso l'alto fino a quando non viene stabilito un nuovo equilibrio di forza.

• Principio di funzionamento del posizionatore digitale:
  Il posizionatore digitale utilizza un microprocessore per eseguire algoritmi di controllo della posizione, anziché bilancieri meccanici, camme e gruppi smorzatori. Il microprocessore legge il segnale di controllo, lo elabora tramite algoritmi digitali e lo converte in un segnale di corrente di pilotaggio inviato al convertitore I/P. Il convertitore I/P converte il segnale di corrente in un segnale di pressione pneumatica, che viene quindi trasmesso all'attuatore tramite un relè amplificatore pneumatico. Il feedback sulla posizione della valvola (tipicamente tramite sensori senza contatto come i sensori a effetto Hall) viene inviato al microprocessore. Lo stelo della valvola continua a muoversi fino a raggiungere la posizione corretta, a quel punto il microprocessore stabilizza il segnale di pilotaggio al convertitore I/P, ottenendo un equilibrio preciso.

Classificazione e caratteristiche del posizionatore della valvola

In base ai loro principi di funzionamento e al tipo di segnali che ricevono, i posizionatori di valvole possono essere classificati nelle seguenti categorie:

• Posizionatori pneumatici:

• Principio di funzionamento: Riceve segnali pneumatici (tipicamente 3-15 psi o 6-30 psi) e fornisce la corrispondente pressione dell'aria all'attuatore pneumatico per garantire che la posizione dello stelo o dell'albero della valvola sia proporzionale al segnale di ingresso pneumatico.
• Vantaggi:

1. Design e struttura semplici: Facile da fabbricare e manutenere.
2. Costo inferiore: Tipicamente più economico di altri tipi.
3. Funzionamento affidabile: Noto per le sue prestazioni affidabili.
4. Intrinsecamente sicuro: Nessuna elettricità richiesta, nessuna scintilla generata, adatto per ambienti esplosivi.  
5. Può fornire un'elevata spinta per chiudere le valvole.  

• Svantaggi:  

1. Precisione e risoluzione limitate: precisione inferiore rispetto ai tipi più avanzati.  

• Applicazioni tipiche: Adatto per applicazioni semplici e robuste in cui sia il segnale di controllo che l'attuatore della valvola sono pneumatici, nonché ambienti in cui l'elettricità non è disponibile o esistono rischi di esplosione, come impianti chimici o raffinerie.

• Posizionatori elettro-pneumatici:

• Principio di funzionamento: Converte i segnali di controllo elettrici (tipicamente 4-20 mA o 0-10 VDC) in segnali di uscita pneumatici, che quindi controllano l'attuatore della valvola. Poiché molte unità di controllo di processo utilizzano segnali CC da 4-20 mA per regolare le valvole di controllo, i posizionatori elettro-pneumatici (noti anche come posizionatori I/P o sensori) sono responsabili della conversione dei segnali di corrente elettronica in segnali di pressione pneumatica.  
• Vantaggi:  

1. Maggiore precisione e risoluzione: fornisce una maggiore precisione rispetto ai posizionatori pneumatici puri.  
2. In grado di gestire i segnali di controllo elettrici: adatto per sistemi che utilizzano segnali elettrici per il controllo.
3. Versatilità: combina la precisione del controllo elettronico con la robustezza e la sicurezza del funzionamento pneumatico.  
4. Maggiore precisione di controllo e tempo di risposta.  

• Svantaggi:  

1. Design e struttura più complessi: Più complesso dei posizionatori pneumatici.  
2. Costo più elevato: Più costoso dei posizionatori pneumatici.  

• Applicazioni tipiche: Ampiamente utilizzato in ambienti industriali con infrastrutture sia elettriche che pneumatiche, nonché processi che richiedono una maggiore precisione e strategie di controllo complesse.

• Posizionatori digitali:  

• Principio di funzionamento: Utilizzando una tecnologia digitale avanzata, questi dispositivi impiegano microprocessori per posizionare gli attuatori delle valvole e monitorare e registrare i dati. Ricevono segnali elettrici (come 4-20 mA o protocolli di comunicazione digitale come HART, Foundation Fieldbus, Profibus, ecc.).
• Vantaggi:  

1. Elevata precisione e risoluzione: Forniscono eccezionali capacità di precisione e controllo.  
2. Funzioni diagnostiche avanzate: Rilevano anomalie della valvola e segni di deterioramento, eseguono l'autodiagnosi e supportano la manutenzione predittiva per ridurre i costi di manutenzione.  
3. Funzionalità di autocalibrazione e monitoraggio remoto: Semplificano l'installazione e il funzionamento, consentendo agli utenti di regolare e configurare le impostazioni sempre e ovunque.
4. Basso consumo d'aria: Più efficiente dal punto di vista energetico rispetto ai posizionatori analogici.  
5. Nessuna usura meccanica e isteresi minima: Soprattutto quando si utilizza la tecnologia di feedback senza contatto, elimina problemi come l'usura meccanica, l'allentamento, la corrosione e i danni da vibrazioni, migliorando significativamente l'affidabilità e la durata.  
6. Struttura semplice e affidabile con una lunga durata operativa.  
7. Conveniente: Sebbene il costo iniziale sia più elevato, a lungo termine può far risparmiare costi significativi attraverso un funzionamento ottimizzato e una riduzione dei tempi di inattività.

• Svantaggi:

1. Costo più elevato: Tipicamente più costoso degli attuatori pneumatici ed elettrici.
2. I problemi di usura meccanica possono ancora esistere se non viene utilizzata la tecnologia di feedback senza contatto.

• Applicazioni tipiche: Adatto per applicazioni di alta precisione, altamente automatizzate, complesse e critiche che richiedono l'acquisizione di dati e l'integrazione IoT, come petrolio e gas, raffinazione, energia, prodotti chimici, pasta di legno e carta, scienze della vita, alimenti e bevande e industrie minerarie.

La tabella seguente confronta diversi tipi di posizionatori di valvole: