閥門響應時間

1、閥門響應時間閥門響應時間是通過一個稱為T63的參數(shù)來測量的。T63是從輸入信號改 變開始起到輸出達到63%的相應改變時測量所得到的時間。它包括閥門組件的時 滯時間（一個靜態(tài)時間）和閥門組件的動態(tài)時間。這個動態(tài)時間是對于執(zhí)行機構(gòu)從 一旦開始移動至達到63%的點所需要的時間的一種度量。死區(qū)，不管是源自閥體和執(zhí)行機構(gòu)里的摩擦力，還是來自定位器的，都能在很大 程度上影響閥門組件的時滯時間。重要的是使得時滯時間盡可能地小?？偟膩碚f， 時滯時間應該不超過閥門總體響應時間的三分之一。然而，時滯時間與過程時間 常數(shù)之間的相對關(guān)系是關(guān)鍵的。如果閥門組件置于一個過程時間常數(shù)接近時滯時 間的快速回路里，時滯時間會嚴

2、重地影響回路的性能。在這些快速回路里，關(guān)鍵 是要選擇時滯時間盡可能小的控制設(shè)備。從回路整定的角度看，時滯時間在閥門的兩個行程動作方向保持相對恒定也 是很重要的。有些閥門組件結(jié)構(gòu)在一個行程動作方向比在另一個有3至5倍長 的時滯時間。這種特性典型地是由定位器設(shè)計的不對稱特性引起的。它會嚴重地 限制把回路整定到最佳總體性能的能力。一旦時滯時間已經(jīng)過去，且閥門開始響應，閥門響應時間的剩余部分來自閥 門組件的動態(tài)時間。這個動態(tài)時間主要是由定位器和執(zhí)行機構(gòu)組合的動態(tài)特性決 定的。這兩個部件必須很好地匹配以減少閥門的總的響應時間。例如，在一個氣 動閥門組件里，定位器必須有一個高動態(tài)增益以減小閥門組件的動態(tài)時

3、間。這個 動態(tài)增益主要由定位器里的動力放大器提供。換言之，定位器放大器或滑閥能夠 越快地提供大量的壓縮空氣給執(zhí)行機構(gòu)，閥門的響應時間也將越快。然而，這種 高動態(tài)增益動力放大器對時滯時間有很小的影響，除非它有一些故意設(shè)計在其中 的死區(qū)以減少靜態(tài)耗氣量。當然，執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計對動態(tài)時間有很大的影響。例 如，需要充填的執(zhí)行機構(gòu)氣室的容積越大，閥門的響應時間就越慢。首先，可能看起來解決方案應該是把執(zhí)行機構(gòu)容積減至最小，并把定位器的 動態(tài)動力增益提高至最大，但是事實并非如此簡單。從穩(wěn)定性角度看，這可能是 多個因素的危險組合。要知道定位器/執(zhí)行機構(gòu)組合組成了它自己的反饋回路。 對于正在使用的執(zhí)行機構(gòu)型式，使

4、得定位器/執(zhí)行機構(gòu)回路的增益太高可能會引 導閥門組件進入一個不穩(wěn)定的振蕩狀態(tài)。另外，減小執(zhí)行機構(gòu)容積對于推力/摩 擦力比例有負面影響。這會增加閥門組件的死區(qū)，從而導致時滯時間的增加。對于一個給定的應用場合，如果沒有足夠的總體推力/摩擦力比例，一個選 擇就是通過使用下一個較大尺寸的執(zhí)行機構(gòu)來增加執(zhí)行機構(gòu)的推動力、或增加給 執(zhí)行機構(gòu)的壓力。這個較高的推力/摩擦力比例會減小死區(qū)。這有助于減少閥門 組件的時滯時間。然而，這兩個選擇都意味著需要較大的壓縮空氣量供應給執(zhí)行 機構(gòu)。作為交換的是通過增加動態(tài)時間而對閥門響應時間產(chǎn)生一個可能的破壞性 影響。減少執(zhí)行機構(gòu)氣室容積的一個方法是使用活塞執(zhí)行機構(gòu)而非彈簧

5、薄膜執(zhí)行 機構(gòu)，但這不是靈丹妙藥?；钊麍?zhí)行機構(gòu)通常比彈簧薄膜執(zhí)行機構(gòu)有更大的推力， 但是它們也有更高的摩擦力，這可能會引起與閥門響應時間有關(guān)的問題。為了獲 得需要的活塞執(zhí)行機構(gòu)的推力，通常有必要使用比薄膜執(zhí)行機構(gòu)更高的氣源壓 力，因為典型地活塞有更小的受壓面積。這意味著需要供應更大量的空氣，隨之 而產(chǎn)生的是對動態(tài)時間的負面影響。另外，活塞執(zhí)行機構(gòu)有更多的導向表面。它 們由于配合方面的內(nèi)在困難以及與O型圈的摩擦，趨向于有更高的摩擦力。這 些摩擦力的問題也趨向于隨著時間而增加。不管最初這些O型圈是多么好，由 于磨損或其它環(huán)境條件，這些彈性材料會隨時間而降低性能。類似地，導向表面 的磨損會增加摩擦力

6、，潤滑程度也會降低。這些摩擦力問題會產(chǎn)生更大的活塞執(zhí) 行機構(gòu)死區(qū)。這會通過增加時滯時間而增加閥門的響應時間。儀表供氣壓力也可能對閥門組件的動態(tài)性能產(chǎn)生很大的影響。例如，它能顯 著地影響定位器的增益和總耗氣量。固定增益定位器通常已經(jīng)在某一特殊供氣壓力下進行了優(yōu)化。然而，這個增 益可能會在供氣壓力的很小變化范圍內(nèi)成兩倍或更多倍地變化。例如，一個在20 Psig的供氣壓力下進行優(yōu)化的定位器可能會被發(fā)現(xiàn)當供氣壓力增加到35 Psig 時，它的增益減少了一半。供氣壓力也會影響供應給執(zhí)行機構(gòu)的空氣量?？諝饬縿t決定動作速度。它 也與耗氣量直接相關(guān)。高增益滑閥定位器需要消耗5倍于在動力放大階段使用 放大器的更

7、加高效的高性能二級定位器所需的氣量。最小化閥門組件的時滯時間 需要最小化閥門組件的死區(qū)，不管這個死區(qū)是由于閥門密封結(jié)構(gòu)的摩擦力引起 的，還是由于填料的摩擦力、閥軸的扭轉(zhuǎn)、執(zhí)行機構(gòu)或者定位器的結(jié)構(gòu)引起的。 正如先前指出的，摩擦力是調(diào)節(jié)閥（控制閥）死區(qū)的主要原因。對于旋轉(zhuǎn)式閥門， 閥軸扭轉(zhuǎn)（見第1章里的定義）也是死區(qū)的重要起因。執(zhí)行機構(gòu)的類型也對閥門 組件的摩擦力有重要影響。總的來說，在很長一段時間內(nèi)，活塞執(zhí)行機構(gòu)比彈簧 薄膜執(zhí)行機構(gòu)提供更大的摩擦力給調(diào)節(jié)閥（控制閥）組件。如前面所提及的，這是 由于活塞O形圈、配合不佳的問題、以及潤滑失效引起的不斷增加的摩擦力導致 的。帶高靜態(tài)增益前置放大器的定位

8、器型式在減小死區(qū)方面可以產(chǎn)生很大的不 同。它也會對閥門組件的分辨率（見第1章里的定義）作出顯著的改善。死區(qū)和 分辨率為1%或更小的閥門組件對于滿足許多降低過程偏差度的需要是不夠的。 許多過程要求閥門組件有低至0.25%的死區(qū)和分辨率，尤其是閥門組件安裝于一 個快速過程回路的場合。在對調(diào)節(jié)閥（控制閥）響應時間的許多研究里有一件令人稱奇的事情。那就是 關(guān)于彈簧薄膜執(zhí)行機構(gòu)對活塞執(zhí)行機構(gòu)的觀念上的變化。過程工業(yè)里長期以來的 一個誤解是活塞執(zhí)行機構(gòu)動作起來比彈簧薄膜執(zhí)行機構(gòu)快。研究已經(jīng)表明對于小 信號改變，這是不正確的。這個誤解來自于測試閥門的動作時間的多年經(jīng)驗。動作時間測試通常是這樣 進行的：讓閥門組件接受一個100%階躍改變的輸入信號，然后測量閥門組件在 某一方向上完成一次全行程動作所需要的時間。盡管活塞驅(qū)動的閥門通常比大部分彈簧薄膜驅(qū)動的閥門有更快的動作時間， 但是這種測試并不能說明在實際的過程控制情況下的閥門的性能。在正常的過程 控制應用場合里，閥門很少需要全行程的動作。典型地，閥門只要求在一個0.25% 至2%的閥位變化范圍內(nèi)作出響應。廣泛的閥門測試表明彈簧薄膜閥門組件在小 信號改變方面的性能總是超過活塞驅(qū)動的閥門，而小信號改變更能代表調(diào)節(jié)式過 程控制應用工