閥門類型與閥門特性化

所用的閥門類型和閥門口徑計算可能會對系統里調節閥(控制閥)組件的性能產生很大的影響。一個閥門必須有足夠大的口徑以通過在所有可能的變化條件下需要的流量。然而對某一個應用場合口徑太大的閥門對于過程優化是一個不利因素。

閥門的流通能力也由于閥門的固有特性而與閥門類型相關。固有特性（見*1 章里的定義）是當經過閥門的壓差恒定時閥門的流通能力與閥門行程之間的關系。

典型地，這些特性畫在水平線用百分比行程表示而垂直線用百分比流量（CV 值）表示的曲線上。由于閥門流量是閥門行程和通過閥門的壓差的一個函數，所以傳統的辦法就是在一個恒定的壓力降下進行閥門的固有特性測試。這不是實際應用中的正常情況，但是它提供了一種比較閥門特性形式的系統方法。

在恒定的壓力降這個特定的條件下，閥門流量就成為閥門行程和閥門內件固有結構的一個函數。這些特性稱為閥門的固有流量特性。由此方法得出的典型的閥門特性命名為線性、等百分比和快開。（詳細說明見*3 章里的“傳統的特性化閥芯”）。

（圖中所示：常陽部分閥門定位器）

閥門流量（輸出）的增量變化對于引起這個流量變化的相應的閥門行程（輸入） 的增量的比例被定義為閥門增益。它就是：固有閥門增益=（流量變化/ 行程變化）=固有特性曲線的斜率線性特性在閥門的全行程范圍內有一個恒定的固有閥門增益，而快開特性在行程范圍的較低一端有一個大的固有閥門增益。等百分比閥門的大固有閥門增益位于閥門的大開度處。

固有閥門特性是閥門流體通道幾何尺寸的固有函數。只要壓力降恒定，它是不會變化的。許多閥門類型，尤其是旋轉球閥、蝶閥和偏心球塞閥都有固有特性，它們不會容易地被改變。然而，大部分的直通閥有多種閥籠或閥芯可供選擇。這些閥籠或閥芯可以互換以修改固有流量特性。了解固有閥門特性是有用的，但是要進行過程優化，更加重要的特性是整個過程包括回路里的閥門和所有其它設備的安裝流量特性。安裝流量特性定義為：當閥門安裝在一個特定的系統里且通過閥門的壓力降允許自然地改變而不是設為恒定時，流經閥門的流量與閥門組件輸入之間的關系。

這種安裝流量特性的一個示例表示在圖2-5 上方的曲線里。在這個圖里，流量與更加讓人熟悉的閥門行程而不是閥門組件的輸入相聯系了起來。

示于圖2-5 下方的曲線里的安裝增益，是上面曲線在每一點的斜率的曲線。在實驗室里，讓整個回路在某些額定設定點下工作且不受負載擾動影響，就可以獲得象這樣的安裝流量特性曲線。回路置于手動操作狀態，隨著調節閥(控制閥)組件被手動輸入驅動通過它的全行程范圍，測量并記錄流量。測量結果畫成曲線就是示
于圖2-5 上面部分的安裝流量特性曲線。然后，在該曲線的每一個點上估算流量曲線的斜率，并把它們畫成如圖2-5 下面部分所示的安裝增益曲線。

安裝過程增益的現場測量也可以通過利用開環階躍測試在一個單獨的操作點上進行（圖2-3）。在任何操作條件下的安裝過程增益簡單地是輸出（流量）的百分比改變相對于閥門組件輸入信號的百分比改變的比例。

通過各種各樣的閥門內件型式來特性化固有閥門增益的原因是為了給回路里其它增益的改變提供補償。終目標是維持一個在整個工作范圍內合理統一的回路增益，為工藝過程保持一個相對線性的安裝流量特性（見*1 章里的定義）。由于其如上所定義的測量方法，圖2-5 所示安裝流量特性和安裝增益實際上是整個過程的安裝流量特性和安裝增益。
典型地，控制裝置的增益會隨著流量的變化而變化。例如，一個壓力容器的增益趨向于隨著輸出增加而減小。在這個例子里，過程控制工程師可能會使用一個等百分比的閥門。它有一個隨著流量的增加而增加的增益。理想地，這兩種反向的關系應該能夠取得平衡以為整個工藝過程提供一個比較線性的安裝流量特性。

理論上，在某一設定點的流量條件下，一個回路已經被調整到優性能狀態。隨著流量在該設定點附近變化，理想的是保持回路增益盡可能地恒定，以維持佳性能狀態。如果由于固有閥門特性而產生的回路增益變化不能地補償被控制裝置的變化的增益，那么，由于安裝過程增益的偏差，回路增益也將產生一個偏差，結果是過程優化變得越來越困難。也有這樣一個危險：回路增益可能會改變得足以引起不穩定、振蕩、或其它動態問題。

回路增益變化不應該超過4:1 的比例，否則，回路的動態性能會受到無法接受的影響。這個特殊的比例沒有什么神奇之處。只不過許多過程控制的實踐者們都認同這是一個在大多數的過程控制回路里能夠產生一個可以接受的增益范圍的比例。

這一指導原則成為下面的EnTech 增益限制指標的基礎（選自“調節閥(控制閥)動態指標”，3.0 版，1998 年，EnTech 控制公司，加拿大，Ontario，多倫多）：回路過程增益=1.0（變送器量程的百分比）÷（控制器輸出的百分比）正常范圍：0.5-2.0（注：4:1 的比例）應注意這個回路過程的定義包括除了控制器之外的回路配置里的所有裝置。換言之，諸如調節閥(控制閥)組件、熱交換器、壓力容器、或其它被控制的系統、泵、變送器等類的裝置的增益總和就是過程增益。由于閥門是這里所__定義的回路過程的一部分，所以重要的是選擇一種閥門類型和口徑，它會產生一種線性的安裝流量特性，足以在系統的工作范圍內保持在指定的增益限制范圍內。如果調節閥(控制閥)本身產生太大的增益變化，就會給控制器的調整提供較小的靈活性。把盡可能多的回路增益留給控制器是一種良好的工程實踐。

盡管4:1 的回路增益改變比例被廣泛接受，但并非每一個人都同意這個0.5-2.0 的增益。一些行業專家已經提出使用0.2-0.8的回路過程增益限制的事例，這仍然是4:1的比例。使用這種較小的增益范圍的固有潛在危險是這個增益范圍的下限可能會在正常工作期間使閥門產生很大的擺動。良好的工作實踐是把閥門擺動控制在5%以下。但是讓增益太大也有危險。如果在行程的某一點處，回路增益變得太高，回路可能會產生振蕩或甚至變得不穩定。為了確保在一個寬廣的工作條件范圍內有良好的動態性能和回路穩定性，行業專家們推薦回路設備應該精心設計制造，所以過程增益仍然處于0.5-2.0 的范圍內。

過程優化要求所選擇的閥門類型和口徑在大可能的工作條件范圍內能把過程增益控制在選定的增益限制范圍內。由于減小過程偏差度是如此地依賴于維持一個統一的安裝增益，在能夠接受的增益指標限制范圍內，一個閥門可以工作的范圍被稱為閥門的控制范圍。

一個閥門的控制范圍會隨著閥門類型而有很大的變化。圖2-6表示一個與管線等口徑的蝶閥跟一個與管線等口徑的直通閥相比較。直通閥比蝶閥有更加寬的控制范圍。其它閥門類型，如：V 形切口球閥和偏心球塞閥通常位于這兩個范圍之間的某處。

因為蝶閥典型地有窄的控制范圍。它們通常適合于負載固定的應用場合。另外，它們必須經過仔細計算，以便在固定負載處取得優性能。如果一個閥門的固有特性能夠選擇得可以地補償隨流量產生的系統增益的變化，人們就會希望安裝過程增益（下面的曲線）后是一條數值為1 的直線。
不幸的是，由于在提供無限數量的固有閥門內件特性方面的物理限制，這樣一種的增益吻合很少是可能的。另外，有些閥門類型，如蝶閥和球閥，不提供可以很容易地改變固有閥門特性的多種內件選擇。

通過在定位器的反饋機構里采用非線性凸輪來改變閥門組件的固有特性，這種情況可以得到改善。非線性反饋凸輪改變閥門輸入信號與閥桿位置之間的關系，為整個調節閥(控制閥)組件取得一個需要的固有閥門特性，而不是僅僅依賴于閥門內件型式的改變。

雖然使用定位器凸輪確實可以影響并修改閥門特性，并在某些時候是非常有用的，但是使用特性化凸輪的效果在大部分情況下是受到限制的。這是因為凸輪也會大大改變定位器的回路增益，這會極大地限制定位器的動態性能。使用凸輪來修改閥門特性，通常不如改變閥門內件特性來得有效，但是總比根本沒有特性化要好。這種特性化處理通常是旋轉閥的*其它選擇。

（圖中所示：常陽部分閥門定位器配執行器）

一些電子裝置試圖通過在定位器回路之前就以電子方式改變I/P 定位器的輸入信號來進行閥門特性化。這種技術通過以下方式重新校準閥門輸入信號：接受4-20 毫安的線性控制器信號，并使用一張預先編輯好的數值表以產生取得需要的閥門特性所需的閥門輸入。這種技術有時候稱為前向通道或設定點的特性化。

由于這種特性化在定位器反饋回路之外進行，這種類型的前向通道或設定點的特性化比特性化凸輪有一個優點。它避免了定位器回路增益變化的問題。然而，這個方法也有它的動態局限性。例如，在閥門工作范圍內，可能有這樣的區域：1.0%的過程信號改變也許會通過這種特性化過程被減小到對閥門的只有0.1%的信號改變（那就是位于特性化曲線的平坦區域）。許多調節閥(控制閥)不能對這樣小的信號改變作出響應。

佳的過程性能出現在要求的流量特性是通過改變閥門內件，而不是使用凸輪或其它方法取得的時候。正確地選擇一個

調節閥(控制閥)以在系統的操作范圍內產生比較線性的安裝流量特性是確保優過程性能的一個關鍵步驟。