Анализ на "мъртвата зона" в управляващите клапани

Мъртвите зони са основната причина за отклонения в извънгабаритни процеси. Регулиращите вентили са основен източник на мъртва зона в инструментална верига поради различни причини като триене, въздушно движение, усукване на макарата, мъртва зона в усилватели или плъзгащи се вентили.

Deadband е често срещано явление и се отнася до диапазона или ширината на изходната стойност на контролера, която не позволява на променливата на процеса, която се тества, да се промени, когато входният сигнал промени посоката. Когато възникне смущение в натоварването, променливата на процеса се отклонява от зададената точка. Това деслед това нарушението се коригира чрез коригиращо действие, генерирано от контролера и върнато към процеса. Въпреки това, първоначална промяна в изхода на контролера може да не доведе до съответната коригираща промяна в променливата на процеса. Промяна в съответната променлива на процеса ще настъпи само ако изходът на контролера се промени с количество, достатъчно голямо, за да преодолее промяната в мъртвата зона.

Ако изходът на контролера промени посоката, сигналът на контролера трябва да преодолее мъртвата зона, за да произведе коригираща промяна в променливата на процеса. Наличието на мъртва зона в процеса означава, че изходът на контролера трябва да бъде увеличен до количество, достатъчно голямо, за да преодолее мъртвата зона и едва тогава ще се предприеме коригиращо действие.

â Причини за мъртви зони

Има много причини за мъртвите зони, но триенето и движението на въздуха в управляващите клапани, усукването на шпиндела на въртящите се вентили и мъртвите зони в усилвателите са няколко често срещани форми. Тъй като повечето модулиращи управляващи действия се състоят от малки промени на сигнала (1% или по-малко), управляващ вентил с голяма мъртва зона може изобщо да не реагира на толкова много малки промени на сигнала. Добре произведеният вентил трябва да може да реагира на сигнали от 1% или по-малко, за да намали ефективно степента на отклонение в процеса. Въпреки това, не е необичайно клапаните да имат мъртви зони от 5% или повече. При скорошен одит на завода беше установено, че 30% от клапаните имат повече от 4% зона на немъртва зона. Над 65% от одитираните управляващи контури са имали мъртви зони над 2%.

● Въздействието на мъртвите зони

Тази графика представлява тест за отворена верига на три различни контролни клапана при нормални условия на процеса. Тези вентили получават диапазон от стъпкови входове от 0,5% до 10%. Необходими са стъпкови тестове при флуидни условия, тъй като тези условия позволяват да се оцени работата на целия контролен вентилен възел, а не само на задвижващия механизъм на клапана, какъвто е случаят с повечето стандартни тестове.

● Тестове за ефективност

Някои тестове на работата на управляващия клапан са ограничени до сравняване на входния сигнал с хода на тласкача на задвижващия механизъм. Това е подвеждащо, тъй като пренебрегва работата на самия клапан.

Това, което е от решаващо значение, е да се измери динамичната производителност на вентила при флуидни условия, така че промените в променливите на процеса да могат да бъдат сравнени с промените във входния сигнал към вентилния възел. Ако само стеблото на клапана реагира на промяна във входния сигнал на клапана, тогава този тест е от малко значение, тъй като няма корекция за отклонения на процеса без съответната промяна в управляващата променлива.

И при трите теста на клапана движението на тласкащия прът на задвижващия механизъм реагира добре на промените във входния сигнал. От друга страна, вентилите се различават значително по способността си да променят скоростта на потока в отговор на промяна във входния сигнал.

Клапан A, променливата на процеса (скорост на потока) реагира добре на входен сигнал от едва 0,5%.

Клапан B, изисква промяна във входния сигнал с повече от 5%, преди да започне да реагира добре на всяка стъпка на входния сигнал.

Клапан C, което е значително по-лошо, изисква промяна в сигнала с повече от 10%, преди да започне да реагира добре на всяка стъпка на входния сигнал.

Като цяло способността на клапаните B или C да подобрят отклонението на процеса е много слаба.

● Триене

Триенето е основна причина за мъртвите зони в управляващите клапани. Ротационните вентили са много чувствителни към триене, причинено от голямото натоварване на седлото, необходимо за уплътняване. За някои типове уплътнения са необходими високи натоварвания на седлото, за да се получи оценка за затваряне. Поради големите сили на триене и ниската твърдост на напрежението на задвижването, валът на клапана се извива и не може да предава движение към контролния елемент. В резултат на това недобре проектираният ротационен вентил може да покаже голяма зона на немъртва зона, която очевидно има решаващо влияние върху степента на отклонение на процеса.

Производителите обикновено смазват уплътненията на въртящите се вентили по време на производствения процес, но само след няколкостотин цикъла смазващият слой се износва. В допълнение, натоварванията, предизвикани от налягане, също могат да причинят износване на уплътнението. Резултатът е, че за някои типове вентили, триенето на клапаните може да се увеличи с 400% или повече. Това прави ясно, че заключенията, направени относно производителността чрез използване на данни от стандартни типове за оценка на клапаните, преди въртящият момент да се стабилизира, са подвеждащи. Вентилите B и C показват, че тези по-високи фактори на въртящия момент на триене могат да имат опустошителен ефект върху работата на контролния клапан.

Триенето на уплътненията е основният източник на триене на индиректните контролни клапани. При тези типове клапани измереното триене може да варира значително в зависимост от формата на клапана и конфигурацията на уплътнението.

Тази празнина може да причини прекъсвания в движението, когато устройството промени посоката. Пропуските обикновено се появяват в устройства с различни конфигурации на зъбни задвижвания. Задвижващите механизми със зъбна рейка и зъбно колело са особено податливи на мъртви зони поради хлабина. Някои връзки на шпиндела на клапана също имат проблеми с мъртвите зони.

Въпреки че триенето може да бъде значително намалено чрез добър дизайн на клапана, проблемът е труден за пълно отстраняване. Добре проектираният и произведен управляващ вентил трябва да може да елиминира мъртвите зони, дължащи се на хлабини. За постигане на оптимални резултати при намаляване на отклоненията в процеса, общото мъртво пространство на целия вентилен възел трябва да бъде по-малко или равно на 1%, като идеалният резултат е само 0,25%.