การเข้าใจตัววางตําแหน่งวาล์วในบทความนี้

ตัวปรับตำแหน่งวาล์ว (ตัวควบคุมวาล์ว) เป็นอุปกรณ์ที่ใช้ควบคุมและควบคุมตำแหน่งของวาล์วควบคุมอย่างแม่นยำ โดยการรับสัญญาณอินพุตจากตัวควบคุม จะปรับการเปิดวาล์วไปยังจุดตั้งค่าที่ต้องการ จึงมั่นใจได้ว่าพารามิเตอร์ของกระบวนการ (เช่น ความดัน อุณหภูมิ อัตราการไหล ฯลฯ) ยังคงอยู่ในช่วงที่กำหนดไว้ล่วงหน้า ตัวปรับตำแหน่งมีบทบาทสำคัญในการทำงานอัตโนมัติทางอุตสาหกรรมและการควบคุมกระบวนการ และมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมน้ำมันและก๊าซ เคมีภัณฑ์ เภสัชกรรม การบำบัดน้ำ และอุตสาหกรรมอื่นๆ

ตำแหน่งก้านของวาล์วควบคุมแบบนิวเมติกมีความสัมพันธ์เชิงเส้นกับแรงดันอากาศที่ใช้กับแอคทูเอเตอร์ เนื่องจากสปริงเชิงกลมีแนวโน้มที่จะเป็นไปตามกฎของฮุก ซึ่งระบุว่าปริมาณการเคลื่อนที่ของสปริง (x) เป็นสัดส่วนโดยตรงกับแรงที่ใช้ (F=kx) แรงที่ใช้โดยแอคทูเอเตอร์แบบนิวเมติกเป็นฟังก์ชันของแรงดันอากาศและพื้นที่ลูกสูบ/ไดอะแฟรม (F=PA) และสปริงจะบีบอัดหรือยืดออก ทำให้เกิดแรงปฏิกิริยาที่เท่ากันและตรงกันข้าม ผลลัพธ์สุดท้ายคือแรงดันแอคทูเอเตอร์ถูกแปลเป็นเชิงเส้นในการเคลื่อนที่ของก้าน (x=PA/k)

1. ตัวปรับตำแหน่งวาล์วควบคุม

ความสัมพันธ์เชิงเส้นและทำซ้ำได้ระหว่างแรงดันสัญญาณนิวเมติกและตำแหน่งก้านนี้เป็นจริงก็ต่อเมื่อ แอคทูเอเตอร์ไดอะแฟรม/ลูกสูบและสปริงเป็นแรงเดียวที่กระทำต่อก้าน หากมีแรงอื่นใดกระทำต่อกลไก ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันสัญญาณและตำแหน่งก้านจะไม่เป็นไปตามอุดมคติอีกต่อไป

น่าเสียดายที่มีแรงอื่นๆ อีกมากมายที่กระทำต่อก้านนอกเหนือจากแรงแอคทูเอเตอร์และแรงปฏิกิริยาของสปริง แรงเสียดทานของการบรรจุหีบห่อก้านเป็นหนึ่งในแรงเหล่านี้ และแรงปฏิกิริยาบนสปูลที่เกิดจากความแตกต่างของแรงดันในพื้นที่สปูลเป็นอีกแรงหนึ่ง แรงเหล่านี้รวมกันเพื่อปรับตำแหน่งก้านใหม่ เพื่อให้การเคลื่อนที่ของก้านไม่สัมพันธ์กับแรงดันของของเหลวที่กระทำอย่างแม่นยำ

วิธีแก้ปัญหาทั่วไปสำหรับปัญหานี้คือการเพิ่มตัวปรับตำแหน่งวาล์วเข้ากับชุดประกอบวาล์วควบคุม ตัวปรับตำแหน่งวาล์วเป็นอุปกรณ์ควบคุมการเคลื่อนที่ที่ออกแบบมาเพื่อเปรียบเทียบตำแหน่งก้านกับสัญญาณควบคุมอย่างแข็งขัน และปรับแรงดันไดอะแฟรมหรือลูกสูบของแอคทูเอเตอร์จนกว่าจะถึงตำแหน่งก้านที่ถูกต้อง:

ตัวปรับตำแหน่งวาล์วเองเป็นระบบควบคุมโดยพื้นฐาน: ตำแหน่งก้านของวาล์วคือตัวแปรของกระบวนการ (PV) สัญญาณคำสั่งไปยังตัวปรับตำแหน่งคือจุดตั้งค่า (SP) และสัญญาณของตัวปรับตำแหน่งไปยังแอคทูเอเตอร์วาล์วคือตัวแปรที่ถูกควบคุม (MV) หรือเอาต์พุต ดังนั้น เมื่อตัวควบคุมกระบวนการส่งสัญญาณคำสั่งไปยังวาล์วที่ติดตั้งตัวปรับตำแหน่ง ตัวปรับตำแหน่งจะได้รับสัญญาณคำสั่งนั้นและใช้แรงดันอากาศมากหรือน้อยเท่าที่จำเป็นกับแอคทูเอเตอร์เพื่อให้ได้ตำแหน่งก้านที่ต้องการ ดังนั้น ตัวปรับตำแหน่งจะ "ต่อสู้" กับแรงอื่นๆ ที่กระทำต่อก้านวาล์วเพื่อให้ได้ตำแหน่งก้านที่ชัดเจนและแม่นยำตามสัญญาณคำสั่ง ตัวปรับตำแหน่งที่ทำงานอย่างถูกต้องช่วยให้มั่นใจได้ว่าวาล์วควบคุม "ทำงาน" ตามสัญญาณคำสั่ง

2. ตัวอย่างของตัวปรับตำแหน่งวาล์วนิวเมติก

ภาพต่อไปนี้แสดงตัวปรับตำแหน่งนิวเมติก Fisher Model 3582 ที่ติดตั้งบนวาล์วควบคุม ตัวปรับตำแหน่งเป็นกล่องสีเทาที่มีเกจวัดแรงดันสามตัวที่ด้านขวา:

ส่วนหนึ่งของกลไกการป้อนกลับสามารถมองเห็นได้ที่ด้านซ้ายของตัวปรับตำแหน่งนี้: ตัวยึดโลหะที่ยึดติดกับขั้วต่อก้านที่ติดอยู่กับแขนที่ยื่นออกมาจากด้านข้างของตัวปรับตำแหน่ง ตัวปรับตำแหน่งวาล์วควบคุมทุกตัวต้องมีวิธีการรับรู้ตำแหน่งของก้าน มิฉะนั้น ตัวปรับตำแหน่งจะไม่สามารถเปรียบเทียบตำแหน่งของก้านกับสัญญาณคำสั่งได้

ตัวปรับตำแหน่งที่ทันสมัยกว่า Fisher DVC6200 (อีกครั้งในกล่องสีเทาที่มีเกจวัดแรงดันที่ด้านขวา) ปรากฏในภาพถ่ายถัดไป:

เช่นเดียวกับตัวปรับตำแหน่ง Model 3582 ก่อนหน้านี้ DVC6000 นี้ใช้การเชื่อมโยงการป้อนกลับที่ด้านซ้ายเพื่อรับรู้ตำแหน่งของก้านวาล์ว DVC6200 ใหม่กว่าใช้เซ็นเซอร์ Hall effect แม่เหล็กเพื่อรับรู้ตำแหน่งของแม่เหล็กที่ยึดติดกับก้าน การออกแบบการป้อนกลับตำแหน่งที่ไม่ใช่เชิงกลนี้ช่วยลดการเล่นกลับ การสึกหรอ การรบกวน และปัญหาอื่นๆ ที่อาจเกิดขึ้นที่เกี่ยวข้องกับการเชื่อมโยงเชิงกล การป้อนกลับที่ดีขึ้นมีความสำคัญต่อการวางตำแหน่งวาล์วที่ดีขึ้น

ตัวปรับตำแหน่งวาล์วควบคุมมักถูกสร้างขึ้นเพื่อสร้างและปล่อยการไหลของอากาศสูง ดังนั้นตัวปรับตำแหน่งจึงทำหน้าที่เป็นตัวเพิ่มปริมาตร850 ด้วย ด้วยเหตุนี้ ตัวปรับตำแหน่งไม่เพียงแต่ช่วยให้มั่นใจได้ถึงการวางตำแหน่งก้านที่แม่นยำยิ่งขึ้นเท่านั้น แต่ยังมีความเร็วของก้านที่เร็วกว่า (ความล่าช้าที่สั้นกว่า) กว่าแอคทูเอเตอร์วาล์วที่ "ขับเคลื่อน" โดยตรงโดยเซ็นเซอร์ I/P

3. วาล์วในตำแหน่ง

ข้อดีอีกประการหนึ่งของการเพิ่มตัวปรับตำแหน่งวาล์วให้กับวาล์วควบคุมแบบนิวเมติกคือวาล์วจะปิดผนึก (ปิดแน่น) ได้ดีขึ้น ข้อได้เปรียบนี้ไม่ชัดเจนในแวบแรก ดังนั้นจึงต้องมีการอธิบายเพิ่มเติม

ประการแรก ต้องเข้าใจว่าในวาล์วควบคุม การสัมผัสระหว่างสปูลและเบาะนั่งเพียงอย่างเดียวไม่เพียงพอที่จะรับประกันการปิดที่แน่นหนา แต่สปูลจะต้องถูกกดเข้ากับเบาะนั่งอย่างแรงเพื่อปิดการไหลทั้งหมดผ่านวาล์ว ใครก็ตามที่เคยขันที่จับก๊อกน้ำที่รั่ว (ท่อสวน) เข้าใจหลักการนี้โดยสัญชาตญาณ: ต้องใช้แรงสัมผัสในปริมาณหนึ่งระหว่างปลั๊กและเบาะนั่งเพื่อทำให้สองส่วนเสียรูปเล็กน้อย ส่งผลให้พอดีกับของเหลวที่สมบูรณ์แบบ คำศัพท์ทางเทคนิคสำหรับข้อกำหนดทางกลนี้คือการโหลดเบาะนั่ง

ลองนึกภาพวาล์วควบคุมการเปิดแบบนิวเมติกแบบตรงที่ทำงานด้วยไดอะแฟรม โดยมีการตั้งค่าม้านั่งที่ 3 ถึง 15 Psi ที่แรงดันแอคทูเอเตอร์ 3 Psi ไดอะแฟรมสร้างแรงเพียงพอที่จะเอาชนะการโหลดล่วงหน้าของสปริงแอคทูเอเตอร์ แต่ไม่เพียงพอที่จะขยับสปูลออกจากเบาะนั่ง

กล่าวอีกนัยหนึ่ง ที่แรงดันไดอะแฟรม 3 Psi สปูลจะสัมผัสกับเบาะนั่ง แต่จะมีแรงเพียงเล็กน้อยเพื่อให้การปิดผนึกที่แน่นหนา หากวาล์วควบคุมนี้ได้รับพลังงานโดยตรงจากเซ็นเซอร์ I/P ที่ปรับเทียบจาก 3 ถึง 15 Psi หมายความว่าวาล์วจะปิดแทบจะไม่ถึง 0% ของค่าสัญญาณ (3 Psi) แทนที่จะปิดให้แน่น เพื่อให้สปูลถูกวางอย่างสมบูรณ์เพื่อการปิดผนึกที่แน่นหนา จะต้องถอดแรงดันอากาศทั้งหมดออกจากไดอะแฟรมเพื่อให้แน่ใจว่าจะไม่มีแรงไดอะแฟรมต่อสปริง ซึ่งเป็นไปไม่ได้สำหรับ I/P ที่มีช่วงการสอบเทียบ 3-15 Psi

ตอนนี้ลองนึกภาพว่าวาล์วเดียวกันติดตั้งตัวปรับตำแหน่งที่ได้รับสัญญาณ 3 ถึง 15 Psi จาก I/P และใช้เป็นคำสั่ง (จุดตั้งค่า) สำหรับตำแหน่งก้าน โดยใช้แรงดันกับไดอะแฟรมมากหรือน้อยเท่าที่จำเป็นเพื่อให้ได้ตำแหน่งก้านที่ต้องการ วิธีที่ถูกต้องในการปรับเทียบตัวปรับตำแหน่งคือให้ก้านเริ่มยกขึ้นเมื่อสัญญาณเพิ่มขึ้นเล็กน้อยเหนือ 0% ซึ่งหมายความว่าที่ 0% (4mA) ตัวปรับตำแหน่งจะพยายามบังคับให้วาล์วอยู่ในตำแหน่งก้านที่เป็นลบเล็กน้อย ในการพยายามบรรลุข้อกำหนดที่เป็นไปไม่ได้นี้ เอาต์พุตของตัวปรับตำแหน่งจะถึงจุดอิ่มตัวต่ำ โดยไม่มีแรงดันใดๆ บนไดอะแฟรมที่ทำงาน ส่งผลให้ก้านวาล์วใช้แรงสปริงเต็มที่บนเบาะนั่งวาล์ว การเปรียบเทียบสถานการณ์ทั้งสองแสดงอยู่ในแผนภูมิด้านล่าง:

ในขณะที่ตัวปรับตำแหน่งมีประโยชน์สำหรับแอคทูเอเตอร์วาล์วที่ติดตั้งสปริง สิ่งเหล่านี้มีความจำเป็นอย่างยิ่งสำหรับแอคทูเอเตอร์ประเภทอื่นๆ พิจารณาแอคทูเอเตอร์ลูกสูบนิวเมติกแบบสองทางต่อไปนี้โดยไม่มีสปริง:

หากไม่มีสปริงเพื่อให้แรงยับยั้งเพื่อส่งคืนวาล์วไปยังตำแหน่ง "ปลอดภัยจากความผิดพลาด" จะไม่มีความสัมพันธ์ตามกฎของฮุกระหว่างแรงดันอากาศที่ใช้กับตำแหน่งก้าน ตัวปรับตำแหน่งจะต้องใช้แรงดันอากาศสลับกันกับทั้งสองพื้นผิวของลูกสูบเพื่อยกและลดก้าน

แอคทูเอเตอร์วาล์วควบคุมแบบใช้มอเตอร์เป็นอีกหนึ่งการออกแบบแอคทูเอเตอร์ที่ต้องใช้ระบบตัวปรับตำแหน่งในรูปแบบใดรูปแบบหนึ่ง เนื่องจากหน่วยที่ใช้มอเตอร์ไม่สามารถ "รับรู้" ตำแหน่งของเพลาของตัวเองเพื่อขยับวาล์วควบคุมได้อย่างแม่นยำ ดังนั้น วงจรตัวปรับตำแหน่งโดยใช้โพเทนชิโอมิเตอร์หรือทรานสดิวเซอร์ LVDT/RVDT เพื่อตรวจจับตำแหน่งของก้านวาล์วและชุดเอาต์พุตทรานซิสเตอร์เพื่อขับเคลื่อนมอเตอร์จึงจำเป็นต้องเปิดใช้งานแอคทูเอเตอร์ไฟฟ้าเพื่อตอบสนองต่อสัญญาณควบคุมแบบอะนาล็อก

4. ตัวปรับตำแหน่งนิวเมติกสมดุลแรง

การออกแบบตัวปรับตำแหน่งวาล์วนิวเมติกสมดุลแรงแบบง่ายแสดงไว้ด้านล่าง:

สัญญาณควบคุมสำหรับวาล์วนี้คือสัญญาณนิวเมติก 3 ถึง 15 Psi จากเซ็นเซอร์ I/P หรือตัวควบคุมนิวเมติก (ไม่มีแสดงในแผนภาพ) แรงดันสัญญาณควบคุมนี้ใช้แรงขึ้นบนคานแรง ทำให้แผ่นกั้นพยายามเข้าใกล้หัวฉีด การเพิ่มขึ้นของแรงดันย้อนกลับในหัวฉีดทำให้รีเลย์ขยายสัญญาณนิวเมติกส่งแรงดันอากาศมากขึ้นไปยังแอคทูเอเตอร์วาล์ว ซึ่งจะยกก้านวาล์ว (เปิดวาล์ว) เมื่อก้านวาล์วยกขึ้น สปริงที่เชื่อมต่อแอคทูเอเตอร์กับก้านวาล์วจะยืดออกไปอีก โดยใช้แรงเพิ่มเติมกับด้านขวาของแอคทูเอเตอร์ เมื่อแรงเพิ่มเติมนี้สมดุลกับแรงของลูกสูบ ระบบจะเสถียรที่จุดสมดุลใหม่

เช่นเดียวกับระบบที่สมดุลแรงทั้งหมด การเคลื่อนที่ของก้านดันถูกจำกัดด้วยแรงสมดุล ดังนั้นการเคลื่อนที่จะเล็กน้อยในทางปฏิบัติ ท้ายที่สุด สมดุลจะเกิดขึ้นโดยแรงหนึ่งสมดุลกับอีกแรงหนึ่ง เช่นเดียวกับทีมคนสองทีมที่ดึงเชือก: ตราบใดที่แรงของทั้งสองทีมมีขนาดเท่ากันและอยู่ในทิศทางตรงกันข้าม เชือกจะไม่เบี่ยงเบนไปจากตำแหน่งเดิม

แผนภาพด้านล่างแสดงตัวปรับตำแหน่งสมดุลแรง PMV 1500 สำหรับวางตำแหน่งแอคทูเอเตอร์วาล์วแบบหมุนโดยมีฝาปิด (ด้านบน) และด้านล่าง (ด้านล่าง):

สัญญาณควบคุมนิวเมติก 3 ถึง 15 Psi เข้าสู่ลูกสูบและกดลงบนคานแรงแนวนอน (สีดำ) ชุดประกอบวาล์วนำร่องนิวเมติกที่ด้านซ้ายของคานแรงตรวจจับการเคลื่อนที่ใดๆ และเพิ่มแรงดันอากาศไปยังไดอะแฟรมที่ทำงานของวาล์วหากตรวจพบการเคลื่อนที่ลง และปล่อยแรงดันอากาศไปยังแอคทูเอเตอร์หากตรวจพบการเคลื่อนที่ขึ้น:

เมื่ออากาศอัดเข้าสู่แอคทูเอเตอร์วาล์วผ่านชุดประกอบวาล์วนำร่อง วาล์วแบบหมุนจะเริ่มหมุนในทิศทางเปิด การเคลื่อนที่แบบหมุนของเพลาถูกแปลงเป็นการเคลื่อนที่เชิงเส้นภายในตัวปรับตำแหน่งโดยใช้แคม: แคมเป็นดิสก์ที่มีรัศมีไม่สม่ำเสมอซึ่งออกแบบมาเพื่อสร้างการกระจัดเชิงเส้นจากการกระจัดเชิงมุม:

ตัวติดตามลูกกลิ้งที่อยู่ปลายคานสีทองเคลื่อนที่ไปตามเส้นรอบวงของแคม การเคลื่อนที่ของแคมถูกแปลงเป็นแรงสโตรกตรงโดยการบีบอัดสปริงขดโดยตรงกับแรงของลูกสูบนิวเมติกบนคานแรง เมื่อการเคลื่อนที่ของแคมเพียงพอที่จะบีบอัดสปริงให้เพียงพอที่จะถ่วงดุลแรงเพิ่มเติมที่เกิดจากลูกสูบนิวเมติก คานแรงจะกลับสู่ตำแหน่งสมดุล (ใกล้เคียงกับตำแหน่งเริ่มต้นมาก) และวาล์วจะหยุดเคลื่อนที่

หากคุณดูภาพถ่ายสุดท้ายอย่างใกล้ชิด คุณจะเห็นสกรูศูนย์ของตัวปรับตำแหน่ง: ก้านเกลียวที่ยื่นออกมาด้านล่างคานสีทอง สกรูนี้ปรับการบีบอัดของสปริงไบแอสเพื่อให้ตัวปรับตำแหน่ง "คิด" ว่าแคมอยู่ในตำแหน่งที่แตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น การหมุนก้านเกลียวนี้ตามเข็มนาฬิกา (เมื่อมองจากปลายร่องของส่วนร่วมไขควง) จะบีบอัดสปริงต่อไป โดยดันก้านที่มืดกว่าขึ้นด้วยแรงมากขึ้น ทำให้ได้ผลเช่นเดียวกับการหมุนแคมทวนเข็มนาฬิกาเล็กน้อย ซึ่งทำให้ตัวปรับตำแหน่งดำเนินการและหมุนแคมตามเข็มนาฬิกาเพื่อชดเชย ทำให้เข้าใกล้ตำแหน่งก้าน 0%

แม้ว่าแคมและตัวติดตามในกลไกตัวปรับตำแหน่งนี้จะเคลื่อนที่จริงเพื่อตอบสนองต่อการเคลื่อนที่ของก้าน แต่ก็ยังสามารถคิดว่าเป็นกลไกการปรับสมดุลแรงได้ เนื่องจากส่วนประกอบข้ามที่ติดอยู่กับวาล์วนำร่องไม่เคลื่อนที่อย่างเห็นได้ชัด โดยการปรับสมดุลแรงบนคาน วาล์วนำร่องจะอยู่ในตำแหน่งสมดุลเสมอ

5. ตัวปรับตำแหน่งนิวเมติกสมดุลการเคลื่อนที่

การออกแบบตัวปรับตำแหน่งวาล์วนิวเมติกสมดุลการเคลื่อนที่ก็มีอยู่เช่นกัน ซึ่งการเคลื่อนที่ของก้านวาล์วจะหักล้างการเคลื่อนที่ (ไม่ใช่แรง) จากองค์ประกอบอื่น แผนภาพตัดขวางต่อไปนี้แสดงให้เห็นว่าตัวปรับตำแหน่งสมดุลการเคลื่อนที่แบบง่ายทำงานอย่างไร:

ในกลไกนี้ การเพิ่มขึ้นของแรงดันสัญญาณทำให้คานเคลื่อนที่ไปข้างหน้าไปยังหัวฉีด ส่งผลให้แรงดันย้อนกลับของหัวฉีดสูงขึ้น ซึ่งจะทำให้รีเลย์ขยายสัญญาณนิวเมติกส่งแรงดันอากาศมากขึ้นไปยังแอคทูเอเตอร์วาล์ว เมื่อก้านวาล์วยกขึ้น การเคลื่อนที่ขึ้นของปลายขวาของคานจะชดเชยการเคลื่อนที่ไปข้างหน้าก่อนหน้านี้ของคานไปยังหัวฉีด เมื่อถึงจุดสมดุล คานจะอยู่ในตำแหน่งเอียงซึ่งการเคลื่อนที่ของลูกสูบสมดุลกับการเคลื่อนที่ของก้าน

ภาพถ่ายต่อไปนี้แสดงมุมมองระยะใกล้ของกลไกตัวปรับตำแหน่งสมดุลนิวเมติก FISHER Model 3582:

หัวใจของกลไกคือวงแหวนโลหะรูปตัว D ที่แปลการเคลื่อนที่ของลูกสูบและการเคลื่อนที่ของก้านเป็นการเคลื่อนที่ของแผ่นกั้น เมื่อแรงดันสัญญาณนิวเมติกเพิ่มขึ้น ลูกสูบ (ตั้งอยู่ใต้มุมขวาบนของวงแหวน D) จะขยายตัว ทำให้คานโยกไปตามแกนแนวตั้ง เมื่อตัวปรับตำแหน่งถูกตั้งค่าสำหรับการทำงานโดยตรง การเคลื่อนที่แบบโยกนี้จะดันแผ่นกั้นให้ใกล้กับหัวฉีดมากขึ้น ซึ่งจะเพิ่มแรงดันย้อนกลับและส่งอากาศอัดมากขึ้นไปยังแอคทูเอเตอร์วาล์ว:

เมื่อก้านเคลื่อนที่ คันโยกป้อนกลับจะหมุนแคมที่ด้านล่างสุดของวงแหวน D ตัว "ติดตาม" ลูกกลิ้งบนแคมนี้จะแปลการเคลื่อนที่ของก้านวาล์วเป็นการเคลื่อนที่แบบโยกอีกครั้งบนคาน คราวนี้ตามแกนนอน ขึ้นอยู่กับวิธีการยึดแคมเข้ากับเพลาป้อนกลับ การเคลื่อนที่นี้อาจทำให้แผ่นวาล์วโยกออกห่างจากหัวฉีดมากขึ้นหรือใกล้ชิดมากขึ้น ทิศทางของแคมต้องถูกเลือกให้ตรงกับการทำงานของแอคทูเอเตอร์: โดยตรง (อากาศขยายก้านวาล์ว) หรือย้อนกลับ (อากาศดึงก้านวาล์ว)

กลไกวงแหวน D นั้นชาญฉลาดมากตรงที่ช่วยให้ปรับช่วงได้ง่ายโดยการปรับมุมของชุดประกอบแผ่นกั้น (ตัวหยุด) ที่จุดต่างๆ ตามเส้นรอบวงของวงแหวน หากชุดประกอบแผ่นกั้นถูกตั้งค่าให้ใกล้เคียงกับแนวนอน จะมีความไวต่อการเคลื่อนที่ของลูกสูบมากที่สุดและมีความไวต่อการเคลื่อนที่ของก้านน้อยที่สุด ทำให้วาล์วต้องเคลื่อนที่ต่อไปเพื่อปรับสมดุลการเคลื่อนที่เล็กน้อยของลูกสูบ (ความยาวสโตรกยาว) ในทางกลับกัน หากชุดประกอบวาล์วถูกตั้งค่าให้ใกล้เคียงกับแนวตั้ง จะมีความไวสูงสุดต่อการเคลื่อนที่ของก้านและมีความไวต่อการเคลื่อนที่ของลูกสูบน้อยที่สุด ส่งผลให้สโตรกวาล์วมีขนาดเล็กมาก (เช่น ลูกสูบจะต้องขยายตัวอย่างมากเพื่อปรับสมดุลการเคลื่อนที่ของก้านเล็กน้อย)

6. ตัวปรับตำแหน่งวาล์วดิจิทัล

จำไว้ว่าวัตถุประสงค์ของตัวปรับตำแหน่งวาล์วคือเพื่อให้แน่ใจว่าตำแหน่งของวาล์วเชิงกลตรงกับสัญญาณที่สั่งเสมอ ดังนั้น ตัวปรับตำแหน่งวาล์วเองจึงเป็นระบบควบคุมแบบวงปิด: ใช้แรงดันกับแอคทูเอเตอร์ให้มากหรือน้อยที่สุดเพื่อให้ถึงตำแหน่งก้านที่สั่งเสมอ ตัวปรับตำแหน่งวาล์วเชิงกลใช้คันโยก แคม และส่วนประกอบทางกายภาพอื่นๆ เพื่อให้ได้การควบคุมแบบวงปิดนี้

ตัวปรับตำแหน่งวาล์วดิจิทัล (เช่น รุ่น Fisher DVC6000) ใช้เซ็นเซอร์อิเล็กทรอนิกส์เพื่อตรวจจับตำแหน่งก้าน ไมโครโปรเซสเซอร์เพื่อเปรียบเทียบตำแหน่งก้านที่รับรู้กับสัญญาณควบคุมผ่านการลบทางคณิตศาสตร์ (ข้อผิดพลาด = ตำแหน่ง - สัญญาณ) จากนั้นตัวแปลงสัญญาณนิวเมติกและรีเลย์เพื่อส่งแรงดันอากาศไปยังแอคทูเอเตอร์วาล์ว ด้านล่างนี้เป็นแผนผังอย่างง่ายของตัวปรับตำแหน่งวาล์วดิจิทัลทั่วไป:

ดังที่คุณเห็นจากแผนภาพ โครงสร้างภายในของตัวปรับตำแหน่งวาล์วดิจิทัลมีความซับซ้อนมาก เราไม่เพียงแต่มีอัลกอริทึมควบคุมเดียวเท่านั้น แต่มีอัลกอริทึมควบคุมสองตัวที่ทำงานควบคู่กันไปเพื่อรักษาตำแหน่งวาล์วที่ถูกต้อง: ตัวหนึ่งตรวจสอบและควบคุมแรงดันที่ใช้กับแอคทูเอเตอร์ (ชดเชยการเปลี่ยนแปลงของแรงดันจ่ายที่อาจส่งผลต่อตำแหน่งวาล์ว) และอีกตัวหนึ่งตรวจสอบและควบคุมตำแหน่งก้านวาล์วเอง โดยส่งสัญญาณควบคุมแบบเรียงซ้อนไปยังชุดควบคุมแรงดัน

สัญญาณคำสั่ง (จากตัวควบคุมลูปกระบวนการ, PLC หรือระบบควบคุมอื่นๆ) บอกตัวปรับตำแหน่งถึงตำแหน่งของก้านวาล์ว ตัวควบคุมตัวแรก (PI) ภายในตัวปรับตำแหน่งคำนวณว่าแอคทูเอเตอร์ต้องการแรงดันอากาศเท่าใดเพื่อให้ถึงตำแหน่งก้านที่ต้องการ ตัวควบคุมถัดไป (PID) จะขับเคลื่อนตัวแปลง I/P (กระแสเป็นแรงดัน) ตามความจำเป็นเพื่อให้ได้แรงดันนั้น หากด้วยเหตุผลใดก็ตามที่ก้านไม่ได้อยู่ในตำแหน่งที่สั่ง ตัวควบคุมสองตัวภายในตัวปรับตำแหน่งจะทำงานร่วมกันเพื่อบังคับให้วาล์วอยู่ในตำแหน่งที่ถูกต้อง

ไม่เพียงแต่ตัวปรับตำแหน่งวาล์วดิจิทัลจะให้การควบคุมตำแหน่งที่เหนือกว่าเมื่อเทียบกับตัวปรับตำแหน่งวาล์วเชิงกลเท่านั้น แต่ชุดเซ็นเซอร์และความสามารถในการสื่อสารแบบดิจิทัลยังให้ข้อมูลการวินิจฉัยในระดับที่สูงขึ้นสำหรับบุคลากรด้านการบำรุงรักษาและระบบควบคุมดูแล (หากตั้งโปรแกรมให้ตรวจสอบและดำเนินการกับข้อมูลนั้น)

ข้อมูลการวินิจฉัยที่จัดทำโดยตัวปรับตำแหน่งวาล์วดิจิทัลประกอบด้วย:

--แรงดันอากาศจ่าย

--แรงดันอากาศของแอคทูเอเตอร์

--อุณหภูมิแวดล้อม

--ข้อผิดพลาดตำแหน่งและความดัน

-ระยะการเคลื่อนที่ของก้านทั้งหมด (คล้ายกับมาตรวัดระยะทางของรถยนต์)

นอกจากนี้ ไมโครโปรเซสเซอร์ที่ฝังอยู่ในตัวปรับตำแหน่งวาล์วดิจิทัลยังสามารถทำการทดสอบตัวเอง การสอบเทียบตัวเอง และขั้นตอนอื่นๆ ตามปกติที่ดำเนินการโดยช่างเทคนิคเครื่องมือบนตัวปรับตำแหน่งวาล์วเชิงกล ตัวปรับตำแหน่งวาล์วดิจิทัลยังบันทึกการวัดต่างๆ เช่น ระยะการเคลื่อนที่ของก้านทั้งหมดเพื่อทำนายเมื่อการบรรจุจะสึกหรอและส่งการแจ้งเตือนการบำรุงรักษาโดยอัตโนมัติเพื่อแจ้งให้ผู้ปฏิบัติงานและ/หรือช่างเทคนิคเครื่องมือทราบเมื่อจำเป็นต้องเปลี่ยนการบรรจุหีบห่อก้าน!

7. การทำงานผิดปกติของเซ็นเซอร์ตำแหน่งวาล์ว

ตัวปรับตำแหน่งวาล์ว "อัจฉริยะ" บางตัวตรวจสอบแรงดันอากาศของแอคทูเอเตอร์นอกเหนือจากตำแหน่งก้าน ดังนั้นจึงมีคุณสมบัติที่เป็นประโยชน์ในการรักษาการควบคุมวาล์วในระดับหนึ่งในกรณีที่เซ็นเซอร์ตำแหน่งก้านล้มเหลว หากไมโครโปรเซสเซอร์ตรวจพบความล้มเหลวของสัญญาณป้อนกลับตำแหน่ง (นอกช่วง) สามารถตั้งโปรแกรมให้ทำงานวาล์วต่อไปได้โดยพิจารณาจากแรงดันเท่านั้น:

นั่นคือ แรงดันอากาศไปยังแอคทูเอเตอร์วาล์วจะถูกปรับตามฟังก์ชันแรงดัน/ตำแหน่งที่บันทึกไว้ในอดีต เนื่องจากไม่สามารถรับรู้ตำแหน่งก้านได้ จึงไม่ทำงานอย่างเคร่งครัดในฐานะตัวปรับตำแหน่งอีกต่อไป แต่ยังคงทำงานเป็นตัวเสริม (เมื่อเทียบกับอัตราการไหลของ I/P ทั่วไป) และให้การควบคุมวาล์วที่สมเหตุสมผล ในขณะที่ตัวปรับตำแหน่งวาล์วอื่นๆ (ที่ไม่ชาญฉลาด) จะทำให้สถานการณ์แย่ลงเมื่อสูญเสียการป้อนกลับตำแหน่งก้าน

ด้วยตัวปรับตำแหน่งเชิงกลทั้งหมด หากการเชื่อมโยงการป้อนกลับตำแหน่งก้านหลุดออก วาล์วควบคุมมักจะ "อิ่มตัว" และเปิดจนสุดหรือปิดจนสุด นี่ไม่ใช่กรณีของตัวปรับตำแหน่ง "อัจฉริยะ" ที่ดีที่สุด!

8. แรงดันแอคทูเอเตอร์และตำแหน่งก้าน

อาจเป็นข้อมูลการวินิจฉัยที่สำคัญที่สุดที่จัดทำโดยตัวปรับตำแหน่งวาล์วดิจิทัลคือการเปรียบเทียบแรงดันแอคทูเอเตอร์กับตำแหน่งก้าน ซึ่งมักจะแสดงเป็นกราฟิก แรงดันแอคทูเอเตอร์เป็นภาพสะท้อนโดยตรงของแรงที่ใช้กับก้านโดยแอคทูเอเตอร์ เนื่องจากความสัมพันธ์ระหว่างแรงลูกสูบหรือไดอะแฟรมกับแรงดันเป็นเพียง F=PA โดยที่พื้นที่ (A) เป็นค่าคงที่ ดังนั้น การเปรียบเทียบแรงดันอากาศของแอคทูเอเตอร์กับตำแหน่งก้านจึงเป็นจริงในการแสดงออกถึงแรงและตำแหน่งของวาล์ว การจำแนกคุณลักษณะวาล์วที่เรียกว่านี้มีประโยชน์มากในการระบุและแก้ไขปัญหาต่างๆ เช่น แรงเสียดทานในการบรรจุหีบห่อมากเกินไป การรบกวนกับส่วนประกอบภายในวาล์ว และปัญหาการติดตั้งสปูล/เบาะนั่ง

แสดงที่นี่คือภาพหน้าจอที่แสดง "ลักษณะเฉพาะของวาล์ว" (นำมาจากผลิตภัณฑ์ซอฟต์แวร์ ValveLink ของ Emerson ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของชุด AMS) ของพฤติกรรมของวาล์วควบคุมแบบตรง Fisher E-body ที่เปิดด้วยอากาศ:

กราฟนี้แสดงพล็อตสองพล็อตของแรงดันแอคทูเอเตอร์เทียบกับตำแหน่งก้าน หนึ่งสีแดงและหนึ่งสีน้ำเงิน

กราฟสีแดงแสดงการตอบสนองของวาล์วในทิศทางเปิด เมื่อวาล์วเปิด (ขึ้น) จำเป็นต้องใช้แรงดันเพิ่มเติมเพื่อเอาชนะแรงเสียดทานในการบรรจุหีบห่อ

กราฟสีน้ำเงินแสดงวาล์วปิด โดยมีแรงดันน้อยลงในขณะนี้ที่ใช้กับไดอะแฟรมเพื่อให้การบีบอัดสปริงเอาชนะแรงเสียดทานในการบรรจุหีบห่อเมื่อวาล์วปิด (ลง) เพื่อพัก

การเลี้ยวที่คมชัดที่ปลายของไดอะแกรมนี้แสดงตำแหน่งที่ก้านวาล์วถึงตำแหน่งสิ้นสุดและไม่สามารถเคลื่อนที่ต่อไปได้แม้จะมีการเปลี่ยนแปลงแรงดันแอคทูเอเตอร์เพิ่มเติม

ตามกฎของฮุก ซึ่งอธิบายพฤติกรรมของสปริงวาล์ว กราฟแต่ละกราฟเป็นเชิงเส้นโดยประมาณ โดยแรงที่กระทำต่อสปริงเป็นสัดส่วนกับการกระจัด (การบีบอัด) ของสปริงนั้น: F=kx การเบี่ยงเบนใดๆ จากกราฟเชิงเส้นแต่ละรายการบ่งชี้ว่ามีแรงอื่นๆ นอกเหนือจากการบีบอัดสปริงและแรงดันอากาศที่กระทำต่อก้าน นี่คือเหตุผลที่เราเห็นการเปลี่ยนแนวตั้งในสองพล็อต: แรงเสียดทานในการบรรจุหีบห่อเป็นอีกแรงหนึ่งที่กระทำต่อก้านนอกเหนือจากการบีบอัดสปริงและแรงที่ใช้โดยแรงดันอากาศบนไดอะแฟรมแอคทูเอเตอร์ ขนาดของการชดเชยนี้ค่อนข้างเล็ก และความสอดคล้องกันบ่งชี้ว่าแรงเสียดทานในการบรรจุหีบห่อ "มีสุขภาพดี" ในวาล์วนี้ ยิ่งวาล์วมีแรงเสียดทานในการบรรจุหีบห่อมากเท่าใด การชดเชยแนวตั้งของแผนภูมิทั้งสองก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น

การลดลงอย่างรวดเร็วที่ปลายด้านซ้ายของกราฟที่ปลั๊กวาล์วสัมผัสกับเบาะนั่งวาล์วเรียกว่าโปรไฟล์เบาะนั่ง โปรไฟล์เบาะนั่งอยู่ที่ส่วนท้ายของแผนภูมิที่วาล์วปิดอยู่และมีข้อมูลที่เป็นประโยชน์มากมายเกี่ยวกับสภาพทางกายภาพของปลั๊กวาล์วและเบาะนั่ง เมื่อส่วนประกอบภายในวาล์วเหล่านี้สึกหรอในวาล์วควบคุม รูปร่างของโปรไฟล์เบาะนั่งจะเปลี่ยนไป โปรไฟล์เบาะนั่งที่ไม่สม่ำเสมออาจวินิจฉัยการกัดกร่อนของเบาะนั่ง การสึกหรอ หรือเงื่อนไขอื่นๆ อีกมากมาย

สามารถตรวจสอบโครงร่างเบาะนั่งโดยละเอียดได้โดยการซูมเข้าที่ปลายด้านซ้ายล่างของภาพวาดคุณสมบัติวาล์ว รูปต่อไปนี้แสดงโปรไฟล์เบาะนั่งของวาล์วควบคุมแบบตรง Fisher E-body ในสภาพที่สมบูรณ์:

หากเจ้าหน้าที่บำรุงรักษาของโรงงานมีความขยันหมั่นเพียรพอที่จะบันทึกลักษณะเฉพาะของวาล์วควบคุมหลังจากประกอบหรือสร้างใหม่ ลักษณะ "ดั้งเดิม" ของวาล์วควบคุมใดๆ สามารถเปรียบเทียบกับลักษณะเฉพาะของวาล์วควบคุมเดียวกันในภายหลังได้ ทำให้สามารถกำหนดการสึกหรอได้โดยไม่จำเป็นต้องถอดวาล์วเพื่อตรวจสอบ

ที่น่าสนใจคือความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันแอคทูเอเตอร์ (แรง) และตำแหน่งก้านนี้ยังใช้กับตัวปรับตำแหน่งวาล์วดิจิทัลที่ใช้ในวาล์วแบบใช้มอเตอร์สมัยใหม่บางตัว ด้วยแอคทูเอเตอร์แบบใช้มอเตอร์ แรงที่ใช้กับก้านวาล์วมีความสัมพันธ์โดยตรงกับกระแสไฟของมอเตอร์ ซึ่งสามารถวัดและตีความได้อย่างง่ายดายโดยตัวปรับตำแหน่งวาล์วดิจิทัล

ด้วยเหตุนี้ ข้อมูลการวินิจฉัยประเภทเดียวกันจึงสามารถนำเสนอเป็นกราฟิกได้ แม้ว่าจะใช้เทคโนโลยีแอคทูเอเตอร์ที่แตกต่างกัน เพื่อให้ง่ายต่อการวินิจฉัยปัญหาของวาล์ว การวินิจฉัยเหล่านี้ใช้ได้กับวาล์วแบบใช้มอเตอร์เปิด/ปิดที่ไม่ใช้ในการบริการแบบปีกผีเสื้อ และใช้ได้กับวาล์วควบคุมแบบเกท ปลั๊ก และแบบตรง โดยที่การมีส่วนร่วมของเบาะนั่งมีความสำคัญสำหรับการปิดที่แน่นหนา