控制閥“死區(qū)”問題的解決方案： 形狀記憶合金執(zhí)行機(jī)構(gòu)

控制閥“死區(qū)”問題的解決方案： 形狀記憶合金執(zhí)行機(jī)構(gòu)

在工業(yè)環(huán)境中，控制閥是一種關(guān)鍵部件，用于調(diào)節(jié)和調(diào)制流體流量，以確保工藝流程在所需參數(shù)范圍內(nèi)運(yùn)行。盡管使用廣泛，但控制閥，尤其是由傳統(tǒng)電動(dòng)或氣動(dòng)執(zhí)行器操作的控制閥，面臨著一個(gè) 共同的挑戰(zhàn)：死區(qū) （圖 1）。這種現(xiàn)象是指控制信號(hào)在一定范圍內(nèi)無法產(chǎn)生輸出，會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能。

死區(qū)通常出現(xiàn)在采用電動(dòng)或氣動(dòng)執(zhí)行器的系統(tǒng)中，這是由于自然的機(jī)械作用或有意的設(shè)計(jì)決定造成的。設(shè)計(jì)者可能會(huì)有意在系統(tǒng)流程中引入死區(qū)，以減少電機(jī)占空比，從而維持電機(jī)的安全溫度，或減少氣動(dòng)控制器中儀表空氣的消耗。死區(qū)對(duì)受控過程的影響是多方面的，會(huì)導(dǎo)致響應(yīng)延遲、效率低下、振蕩，并有可能增加部件磨損，從而導(dǎo)致更頻繁的維護(hù)。

在天然氣等需要精確處理高價(jià)值和易揮發(fā)物質(zhì)的行業(yè)中，最大限度地減少死區(qū)不僅關(guān)系到效率，還關(guān)系到安全和經(jīng)濟(jì)可行性。

圖 1：開環(huán)閥門控制應(yīng)用中的死區(qū)示例

形狀記憶合金 (SMA) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)在行業(yè)中的引入和采用為死區(qū)問題提供了解決方案。這些執(zhí)行機(jī)構(gòu)得益于 SMA 技術(shù)的獨(dú)特特性，精度高、響應(yīng)快。與典型的電動(dòng)和氣動(dòng)推桿不同，SMA推桿能夠在100%占空比下工作，不會(huì)產(chǎn)生反向間隙或滑動(dòng)，從而有效地將死區(qū)的影響降至最低。目前，天然氣行業(yè)正在利用這種能力來提高控制系統(tǒng)的性能和可靠性。

死區(qū)造成的控制閥問題

閥門控制系統(tǒng)中的死區(qū)現(xiàn)象帶來了一系列挑戰(zhàn)，直接影響到過程控制的運(yùn)行效率、精度和可靠性。死區(qū)是指在一定范圍內(nèi)的控制信號(hào)輸入無法引起閥門位置的任何調(diào)整，是維持最佳工藝條件的障礙。以下是與死區(qū)相關(guān)的主要挑戰(zhàn)，每個(gè)挑戰(zhàn)都強(qiáng)調(diào)了在工業(yè)環(huán)境中對(duì)精細(xì)控制機(jī)制的迫切需要。

圖 2：由 SMA 供電的 Kinitics KVA38 手套閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)

◆降低對(duì)控制信號(hào)變化的敏感度 ：死區(qū)的存在會(huì)削弱控制系統(tǒng)對(duì)控制信號(hào)變化做出反應(yīng)的能力。靈敏度的降低會(huì)導(dǎo)致無法將過程變量保持在很小的公差范圍內(nèi)，而這對(duì)于需要嚴(yán)格控制壓力和流速等參數(shù)的過程來說是至關(guān)重要的。

◆對(duì)工藝控制的響應(yīng)延遲 ：死區(qū)會(huì)導(dǎo)致閥門對(duì)工藝條件變化的響應(yīng)延遲。在需要快速調(diào)整的動(dòng)態(tài)環(huán)境中，這種延遲會(huì)導(dǎo)致工藝效率低下、浪費(fèi)、安全風(fēng)險(xiǎn)增加和運(yùn)行不穩(wěn)定。

◆增加滯后 ：死區(qū)的一個(gè)直接后果是閥門控制系統(tǒng)中的滯后增加。滯后的特點(diǎn)是執(zhí)行點(diǎn)根據(jù)信號(hào)的變化方向而變化，從而導(dǎo)致控制不準(zhǔn)確，使實(shí)現(xiàn)精確工藝管理的任務(wù)變得更加復(fù)雜。

◆能效降低 ：死區(qū)帶來的低效率可能導(dǎo)致流程過度運(yùn)行或運(yùn)行不足，因?yàn)槿藗冊(cè)噲D抵消不精確性，從而增加了運(yùn)營(yíng)成本和能源使用量。

◆增加振蕩風(fēng)險(xiǎn) ：系統(tǒng)中存在的死區(qū)會(huì)增加振蕩和系統(tǒng)不穩(wěn)定的可能性。如果不適當(dāng)調(diào)整控制策略以適應(yīng)死區(qū)效應(yīng)，系統(tǒng)可能會(huì)出現(xiàn)不希望出現(xiàn)的振蕩，從而破壞過程控制的穩(wěn)定性和可靠性。

“死區(qū)”的來源

“死區(qū)”會(huì)影響閥門控制系統(tǒng)的精度和效率。了解并解決這些來源對(duì)于提高系統(tǒng)精度和響應(yīng)速度至關(guān)重要。

◆機(jī)械反向間隙 ：通常存在于氣動(dòng)和電動(dòng)閥門中，機(jī)械反向間隙（執(zhí)行器傳動(dòng)系統(tǒng)中的松動(dòng)）會(huì)帶來死區(qū)的延遲特性。執(zhí)行器的初始運(yùn)動(dòng)無法直接轉(zhuǎn)化為閥門調(diào)節(jié)，從而導(dǎo)致控制輸入無法產(chǎn)生預(yù)期結(jié)果。

◆摩擦 ：摩擦是一個(gè)普遍存在的難題，它發(fā)生在閥門機(jī)構(gòu)內(nèi)部，特別是閥桿和填料之間，此外還有氣動(dòng)或電動(dòng)馬達(dá)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的幾個(gè)典型運(yùn)動(dòng)部件產(chǎn)生的摩擦。這種摩擦需要額外的力來啟動(dòng)和維持運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致死區(qū)，即在達(dá)到更高的輸入閾值之前延遲啟動(dòng)。

◆定位器問題 ：閥門定位器是根據(jù)控制信號(hào)調(diào)整執(zhí)行器運(yùn)行的關(guān)鍵，如果定位器出現(xiàn)問題，死區(qū)就會(huì)明顯擴(kuò)大。這個(gè)問題對(duì)于氣動(dòng)執(zhí)行器尤為重要，因?yàn)槎ㄎ黄鞯木葘?duì)于將氣壓變化轉(zhuǎn)換為精確的閥門運(yùn)動(dòng)至關(guān)重要。

◆占空比限制 ：典型的電動(dòng)馬達(dá)不能連續(xù)運(yùn)行（例如，占空比低于 100%），以保持安全運(yùn)行溫度，防止馬達(dá)故障。可有意引入死區(qū)，以防止電動(dòng)執(zhí)行器在尋找過程設(shè)定點(diǎn)時(shí)連續(xù)運(yùn)動(dòng)。

形狀記憶合金執(zhí)行機(jī)構(gòu)：

提高閥門控制精度和響應(yīng)速度

SMA 執(zhí)行機(jī)構(gòu)（圖 2）代表了工業(yè)閥門控制技術(shù)的進(jìn)步。SMA 執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有在通電時(shí)恢復(fù)其原始形狀的非凡能力，SMA 執(zhí)行機(jī)構(gòu)利用這一特性以高精度和高準(zhǔn)確度平穩(wěn)控制閥門位置。

SMA 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作原理

形狀記憶合金 (SMA) 是一類能夠 “記憶 ”預(yù)定形狀的金屬合金。

這種雙向形狀記憶效應(yīng)可實(shí)現(xiàn)精確一致的形狀操作。作為 SMA 執(zhí)行器的一種，SMA 成束線執(zhí)行機(jī)構(gòu)的核心功能來自于 SMA 線在通電后的收縮和機(jī)械彈簧的偏壓。這種動(dòng)力可將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械運(yùn)動(dòng)。

這種動(dòng)力可將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械運(yùn)動(dòng)，從而根據(jù)控制信號(hào)對(duì)閥門進(jìn)行精確、平穩(wěn)的調(diào)節(jié)。對(duì)這些導(dǎo)線施加電流會(huì)觸發(fā)形狀記憶效應(yīng)，使導(dǎo)線克服彈簧力而縮短。當(dāng)這種收縮與閥桿相連時(shí)，就能實(shí)現(xiàn)閥門位置的精確調(diào)節(jié)。這種精確控制能力可實(shí)現(xiàn)極其精細(xì)的響應(yīng)，最大限度地減少控制閥應(yīng)用中出現(xiàn)的死區(qū)（圖 4）。

使用形狀記憶合金執(zhí)行器最大限度地減少死區(qū)

SMA 執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有一系列優(yōu)勢(shì)，可直接解決死區(qū)問題：

◆100% 占空比 ：SMA執(zhí)行機(jī)構(gòu)在連續(xù)節(jié)流操作方面表現(xiàn)出色，無需暫停或停機(jī)，這對(duì)于需要不間斷控制的工藝至關(guān)重要。這種持續(xù)的可操作性可確保在控制輸入和執(zhí)行器響應(yīng)之間沒有滯后，從而有效消除因操作暫停而造成的死區(qū)。

◆微米級(jí)精度 ：通過對(duì) SMA 長(zhǎng)度調(diào)整的精確控制，這些致動(dòng)器可以實(shí)現(xiàn)令人難以置信的高定位精度。這種能力可確保閥門運(yùn)動(dòng)和定位精確跟蹤指令信號(hào)，從而直接消除死區(qū)。

◆機(jī)械高效可靠 ：市場(chǎng)上的 SMA 執(zhí)行機(jī)構(gòu)（圖 2）的特點(diǎn)是傳動(dòng)系統(tǒng)中的單個(gè)運(yùn)動(dòng)部件與閥桿同線運(yùn)動(dòng)，從而最大限度地減少了內(nèi)部部件（如齒輪、軸承等--典型的電動(dòng)或氣動(dòng)設(shè)備）造成的摩擦損失。此外，沒有高速旋轉(zhuǎn)部件可減少磨損，最大限度地縮短維護(hù)時(shí)間，并延長(zhǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的使用壽命。

結(jié)論

SMA執(zhí)行機(jī)構(gòu)是應(yīng)對(duì)控制閥系統(tǒng)死區(qū)挑戰(zhàn)的一種解決方案。SMA技術(shù)通過機(jī)械高效的傳動(dòng)系統(tǒng)，能夠在100% 占空比下連續(xù)運(yùn)行。當(dāng)應(yīng)用于過程控制時(shí)，SMA 執(zhí)行機(jī)構(gòu)可提供精度和響應(yīng)速度，從而減輕死區(qū)對(duì)系統(tǒng)性能的負(fù)面影響。SMA 執(zhí)行機(jī)構(gòu)正被用于關(guān)鍵的工業(yè)應(yīng)用中，包括天然氣行業(yè)（圖 3）。

它們的使用為該行業(yè)的過程控制提供了可靠的解決方案，該行業(yè)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)電氣化操作，包括采用電動(dòng)控制閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)。