閥門死區(qū)的認(rèn)識(shí)

閥門死區(qū)是超大過程偏差度的主要貢獻(xiàn)者。由于各種各樣的原因，如摩擦力、游移、閥軸扭轉(zhuǎn)、放大器或滑閥的死區(qū)等，調(diào)節(jié)閥(控制閥)組件可以是一個(gè)儀表回路里死區(qū)的主要來源。

閥門死區(qū)是一種通用現(xiàn)象，指的是當(dāng)輸入信號(hào)改變方向時(shí)，不能使得被測(cè)過程變量（PV）產(chǎn)生變化的控制器輸出（CO）值的范圍或?qū)挾取＃ㄒ?1 章這些術(shù)語(yǔ)的定義）。當(dāng)一個(gè)負(fù)載擾動(dòng)發(fā)生時(shí)，過程變量（PV）會(huì)偏離設(shè)定點(diǎn)。這個(gè)偏差會(huì)先通過控制器，后通過過程產(chǎn)生一個(gè)糾正性的動(dòng)作。然而，控制器輸出的一個(gè)初始變化可能不會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的過程變量的糾正性的改變，只有當(dāng)控制器的輸出有大得足于克服死區(qū)的改變時(shí)，一個(gè)相應(yīng)的過程變量的改變才會(huì)發(fā)生。

（圖中所示：調(diào)節(jié)閥配電氣閥門定位器）
控制器輸出改變方向的任何時(shí)候，在過程變量的任何糾正性改變發(fā)生前，控制器的信號(hào)必須通過死區(qū)。工藝過程里死區(qū)的存在會(huì)使得過程變量偏離設(shè)定點(diǎn)。控制器的輸出必須增加到大得足于克服死區(qū)，只有這時(shí)一個(gè)糾正性的動(dòng)作才會(huì)發(fā)生。

死區(qū)有很多原因，但是調(diào)節(jié)閥(控制閥)的摩擦力和游移、旋轉(zhuǎn)閥閥軸的扭轉(zhuǎn)以及放大器的死區(qū)是幾種常見的形式。由于大部分的調(diào)節(jié)式控制的動(dòng)作是由小信號(hào)改變（1%或更小）組成的，一個(gè)有超大死區(qū)的調(diào)節(jié)閥(控制閥)可能甚至根本不會(huì)對(duì)這么多的小信號(hào)改變作出響應(yīng)，一個(gè)制造精良的閥門應(yīng)該能夠?qū)?%或更小的信號(hào)作出響應(yīng)以有效地減小過程偏差度。然而，并不奇怪的是有些閥門展示出5%或更大的死區(qū)。在近的一次工廠審計(jì)里，30% 的閥門有超過4%的死區(qū)。超過65%的被審計(jì)回路有大于2% 的死區(qū)。圖2-3正好表示死區(qū)的組合效果是多么大。這個(gè)圖代表正常過程條件下三個(gè)不同的調(diào)節(jié)閥(控制閥)的開環(huán)回路測(cè)試。這些閥門接受一系列的階躍輸入，范圍從0.5% 到1%。階躍測(cè)試必須在那些重要的流動(dòng)工況下進(jìn)行，因?yàn)檫@些工況允許評(píng)估整個(gè)調(diào)節(jié)閥(控制閥)組件的性能，而不是在大部分的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下僅僅評(píng)估閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)的性能。

有些對(duì)調(diào)節(jié)閥(控制閥)性能的測(cè)試僅僅比較相對(duì)于輸入信號(hào)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)推桿的行程。這是一種誤導(dǎo)，因?yàn)樗雎粤碎y門本身的性能。關(guān)鍵的是測(cè)量流動(dòng)工況下閥門的動(dòng)態(tài)性能，這樣，過程變量的改變才能與閥門組件的輸入信號(hào)改變相比較。如果只有閥桿對(duì)于閥門輸入的改變作出響應(yīng)，那么這種測(cè)試的意義不大，因?yàn)槿绻麤]有相應(yīng)的控制變量的改變，也就沒有對(duì)于過程變量的糾正。

在所有三個(gè)閥門測(cè)試?yán)铮▓D2-3），執(zhí)行機(jī)構(gòu)推桿的運(yùn)動(dòng)都能對(duì)輸入信號(hào)的改變作出很好的響應(yīng)。另一方面，這些閥門在對(duì)應(yīng)于輸入信號(hào)的改變而改變流量的能力方面卻有很大的不同。對(duì)于閥門A，過程變量（流量）能對(duì)小到0.5%的輸入信號(hào)作出很好的響應(yīng)。閥門B要求輸入信號(hào)的改變大于5%，才開始對(duì)每一個(gè)輸入信號(hào)階躍作出很好的響應(yīng)。閥門C 明顯更差，要求信號(hào)改變大于10%，才開始對(duì)每一個(gè)輸入信號(hào)階躍作出很好的響應(yīng)。閥門B 或C 的改善過程偏差度的能力是非常差的。

摩擦力是調(diào)節(jié)閥(控制閥)死區(qū)的一個(gè)主要原因。旋轉(zhuǎn)閥對(duì)于由高的閥座負(fù)載引起的摩擦力非常敏感。對(duì)于有些密封型式，高的閥座負(fù)載是為了獲得關(guān)閉等級(jí)所必需的。由于高的摩擦力和低的驅(qū)動(dòng)應(yīng)變剛度，閥軸會(huì)扭轉(zhuǎn)，無法把運(yùn)動(dòng)傳遞給控制元件。結(jié)果是，一個(gè)設(shè)計(jì)很差的旋轉(zhuǎn)閥可能會(huì)展示出很大的死區(qū)，這個(gè)死區(qū)明顯對(duì)過程偏差度有決定性的影響。制造商們通常會(huì)在制造過程中潤(rùn)滑旋轉(zhuǎn)閥的密封，但是經(jīng)過只有幾百次的循環(huán)動(dòng)作之后，潤(rùn)滑層就會(huì)磨損掉。另外，壓力引起的負(fù)載也會(huì)導(dǎo)致密封磨損。結(jié)果是，對(duì)于某些閥門型式，閥門的摩擦力可能會(huì)增加400% 或更多。這就說明在力矩穩(wěn)定之前，通過使用標(biāo)準(zhǔn)類型的數(shù)據(jù)來評(píng)估閥門而得出的性能方面的結(jié)論是誤導(dǎo)。閥門B 和C（圖2-3）表明這些較高的摩擦力矩因素會(huì)對(duì)一個(gè)調(diào)節(jié)閥(控制閥)的性能產(chǎn)生毀滅性的影響。填料摩擦力是直行程調(diào)節(jié)閥(控制閥)的摩擦力的主要來源。在這些類型的閥門里，測(cè)量得到的摩擦力可能會(huì)隨著閥門形式和填料結(jié)構(gòu)的不同而有很大的差別。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)的類型對(duì)于調(diào)節(jié)閥(控制閥)組件的摩擦力也有根本性的影響。總的來說，彈簧薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)比活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)調(diào)節(jié)閥(控制閥)組件產(chǎn)生更小的摩擦力。彈簧薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它的摩擦力比較恒定，不會(huì)隨時(shí)間的變化而變化。活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)的摩擦力會(huì)隨著導(dǎo)向面和O形圈的磨損、潤(rùn)滑層的損失以及彈性體的性能等級(jí)下降而顯著增加。這樣，為了確保連續(xù)的佳性能，活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)比彈簧薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要更加頻繁的維護(hù)。如果不進(jìn)行維護(hù)，過程偏差度就會(huì)顯著增加，而操作人員對(duì)此一無所知。

空程（見*1 章里的定義）給機(jī)械連接的空動(dòng)或松動(dòng)起的名詞。當(dāng)裝置改變方向時(shí)，這種空動(dòng)會(huì)引起運(yùn)動(dòng)的不連續(xù)性。空程通常發(fā)生在具有各種各樣配置的齒輪驅(qū)動(dòng)的裝置里。齒條齒輪執(zhí)行機(jī)構(gòu)由于空程特別容易產(chǎn)生死區(qū)。有些閥軸的連接也展示出死區(qū)的效果。花鍵連接總的來說比鍵槽連接的閥軸或雙D 形結(jié)構(gòu)有更小的死區(qū)。盡管摩擦力可以通過優(yōu)良的閥門設(shè)計(jì)而大大地減小，但是全部消除它卻是一個(gè)困難的問題。一個(gè)設(shè)計(jì)制造精良的調(diào)節(jié)閥(控制閥)應(yīng)該能夠消除由于空程和閥軸扭轉(zhuǎn)而引起的死區(qū)。為了在減小過程偏差度方面取得佳效果，整個(gè)閥門組件的總的死區(qū)應(yīng)該等于或小于1%，理想地，應(yīng)該低到0.25%。