Analiza „pasma nieczułości” w zaworach regulacyjnych

Strefy nieczułości są główną przyczyną odchyleń w procesach nadwymiarowych. Zawory regulacyjne są głównym źródłem strefy nieczułości w pętli oprzyrządowania z różnych powodów, takich jak tarcie, ruch powietrza, skręcenie szpuli, strefa nieczułości we wzmacniaczach lub zaworach suwakowych.

Pasmo nieczułości jest powszechnym zjawiskiem i odnosi się do zakresu lub szerokości wartości wyjściowej regulatora, która nie pozwala na zmianę testowanej zmiennej procesowej, gdy sygnał wejściowy zmienia kierunek. Gdy wystąpi zakłócenie obciążenia, zmienna procesowa odbiega od wartości zadanej. Ten dePrzekroczenie jest następnie korygowane przez działanie naprawcze generowane przez kontroler i przywracane do procesu. Jednak początkowa zmiana wyjścia regulatora może nie dawać odpowiedniej korekcyjnej zmiany zmiennej procesowej. Zmiana odpowiedniej zmiennej procesowej nastąpi tylko wtedy, gdy wyjście regulatora zmieni się o wielkość wystarczająco dużą, aby przezwyciężyć zmianę strefy nieczułości.

Jeśli wyjście regulatora zmienia kierunek, sygnał regulatora musi pokonać strefę nieczułości w celu wytworzenia korekcyjnej zmiany zmiennej procesowej. Obecność strefy nieczułości w procesie oznacza, że ​​moc wyjściowa regulatora musi zostać zwiększona do wartości wystarczająco dużej, aby przezwyciężyć strefę nieczułości i dopiero wtedy nastąpi działanie naprawcze.

—Przyczyny nieczułości

Istnieje wiele przyczyn występowania stref nieczułości, ale tarcie i ruch powietrza w zaworach sterujących, skręcanie trzpienia zaworów obrotowych i strefy nieczułości we wzmacniaczach to tylko niektóre z powszechnych form. Ponieważ większość modulujących działań sterujących składa się z małych zmian sygnału (1% lub mniej), zawór regulacyjny z dużą strefą nieczułości może w ogóle nie reagować na tak wiele małych zmian sygnału. Dobrze wyprodukowany zawór powinien być w stanie reagować na sygnały o wartości 1% lub mniej, aby skutecznie zmniejszyć stopień odchylenia procesu. Jednak często zdarza się, że zawory mają pasmo nieczułości większe o 5%. W ostatnim audycie zakładu stwierdzono, że 30% zaworów ma ponad 4% strefy nieczułości. Ponad 65% skontrolowanych pętli kontrolnych miało strefy nieczułości większe niż 2%.

● Wpływ stref nieczułości

Ten wykres przedstawia test w pętli otwartej trzech różnych zaworów regulacyjnych w normalnych warunkach procesu. Zawory te otrzymują zakres wejść krokowych od 0,5% do 10%. Testy etapowe w warunkach płynnych są konieczne, ponieważ te drugie pozwalają ocenić działanie całego zespołu zaworu sterującego, a nie tylko siłownika zaworu, jak ma to miejsce w przypadku większości testów standardowych.

● Testy wydajności

Niektóre testy działania zaworu regulacyjnego ograniczają się do porównania sygnału wejściowego ze skokiem popychacza siłownika. Jest to mylące, ponieważ ignoruje działanie samego zaworu.

Kluczowe znaczenie ma pomiar wydajności dynamicznej zaworu w warunkach płynu, tak aby zmiany zmiennych procesowych można było porównać ze zmianami sygnału wejściowego do zespołu zaworu. Jeśli tylko trzpień zaworu reaguje na zmianę sygnału wejściowego zaworu, to test ten ma niewielkie znaczenie, ponieważ nie ma korekcji odchyleń procesu bez odpowiedniej zmiany zmiennej sterującej.

We wszystkich trzech testach zaworów ruch popychacza siłownika dobrze reagował na zmiany sygnału wejściowego. Z drugiej strony zawory różniły się znacznie zdolnością do zmiany natężenia przepływu w odpowiedzi na zmianę sygnału wejściowego.

Zawór A, zmienna procesowa (natężenie przepływu) dobrze reaguje na sygnał wejściowy o wartości zaledwie 0,5%.

Zawór B wymaga zmiany sygnału wejściowego o więcej niż 5%, zanim zacznie dobrze reagować na każdy krok sygnału wejściowego.

Znacznie gorzej, zawór C wymaga zmiany sygnału o więcej niż 10%, zanim zacznie dobrze reagować na każdy krok sygnału wejściowego.

Ogólnie rzecz biorąc, zdolność zaworów B lub C do poprawy odchylenia procesu jest bardzo słaba.

● Tarcie

Tarcie jest główną przyczyną powstawania stref nieczułości w zaworach regulacyjnych. Zawory obrotowe są bardzo wrażliwe na tarcie spowodowane dużym obciążeniem gniazda wymaganym do uszczelnienia. W przypadku niektórych typów uszczelnień, aby uzyskać stopień zamknięcia, konieczne są wysokie obciążenia gniazda. Ze względu na duże siły tarcia i niską sztywność odkształcenia napędu wałek zaworu skręca się i nie może przenosić ruchu na element sterujący. W rezultacie źle zaprojektowany zawór obrotowy może wykazywać dużą strefę nieczułości, co wyraźnie ma decydujący wpływ na stopień odchylenia procesu.

Producenci zwykle smarują uszczelnienia zaworów obrotowych podczas procesu produkcyjnego, ale już po kilkuset cyklach warstwa smarna ściera się. Ponadto obciążenia wywołane ciśnieniem mogą również powodować zużycie uszczelnienia. W rezultacie w przypadku niektórych typów zaworów tarcie zaworu może wzrosnąć o 400% lub więcej. To wyjaśnia, że ​​wnioski wyciągnięte na temat wydajności na podstawie danych ze standardowych typów do oceny zaworów przed ustabilizowaniem momentu obrotowego są mylące. Zawory B i C pokazują, że te współczynniki momentu obrotowego o wyższym współczynniku tarcia mogą mieć niszczący wpływ na działanie zaworu sterującego.

Tarcie uszczelnienia jest głównym źródłem tarcia zaworów sterujących skokiem pośrednim. W tego typu zaworach zmierzone tarcie może się znacznie różnić w zależności od kształtu zaworu i konfiguracji uszczelnienia.

Ta szczelina może powodować nieciągłości ruchu, gdy urządzenie zmienia kierunek. Luki występują zwykle w urządzeniach o różnych konfiguracjach napędów zębatych. Siłowniki zębatkowe są szczególnie podatne na strefy nieczułości ze względu na luz. Niektóre połączenia wrzeciona zaworu mają również problemy z martwymi strefami.

Chociaż tarcie można znacznie zmniejszyć dzięki dobrej konstrukcji zaworu, jest to trudny problem do całkowitego wyeliminowania. Dobrze zaprojektowany i wykonany zawór regulacyjny powinien być w stanie wyeliminować strefy nieczułości spowodowane luzami. Aby osiągnąć optymalne wyniki, zmniejszając odchylenia procesu, całkowita martwa przestrzeń całego zespołu zaworu powinna być mniejsza lub równa 1%, przy czym idealny wynik powinien wynosić zaledwie 0,25%.