閥門定位器

    這部分敘述幾種氣動調節閥*常用的輔助裝置，鑒于閥門定位器是其中經常考慮的*重要的一種，所以先介紹它。

    氣動閥門定位器是一種輔助裝置，它使用壓縮空氣，根據氣動信號的大小來移動氣動操作閥體部件，使閥門處于的位置，典型的定位器示于圖1中。

工作原理  圖2為由調節器直接操作閥門的示意圖。一個典型的調節器，其輸出從*小的0磅/英寸²表壓變化到*大的20磅/英寸²表壓，*常用的閥門彈簧，工作范圍為3～15磅/英寸²表壓，需要用15磅/英寸2表壓的壓力來壓縮閥門的彈簧。空氣壓力在15磅/英寸²表壓以上是用來克服閥前的壓力關閉閥門。

    圖3示出了調節器和帶定位器的調節閥系統。在這種情況下，從調節器來的信號送入定位器，而不是直接送到調節閥。定位器把控制信號與閥桿的位置進行比較，若閥桿的位置不正確，定位器增加或排放閥門執行機構上的空氣壓力，直至獲得正確的閥桿位置。

結構示例  圖4是氣動閥門定位器的示意圖。儀表控制信號送到信號膜片上，信號壓力增大時將推動膜片和導向閥的閥桿向右移動。導向閥的閥桿打開供氣擋板，容許氣源壓力進入導向閥的氣室。當導向閥的閥桿偏向右邊時，排氣擋板保持關閉。由于導向閥的氣室是與調節閥的執行機構相連接的，所以存在感動氣室里的壓力也存在于執行機構中。

    在正作用的定位器中，儀表的信號增大，導向閥氣室和執行機構中的壓力也隨之增高。執行機構中壓力增大，推動閥桿向下移動，使定位器連桿順時針方向旋轉。并通過凸輪壓縮反饋彈簧。當調節閥的閥桿到達調節器要求的位置時，反饋彈簧的壓縮將給出一個力，等于調節器信號作用在信號膜片上所產生的力。當建立起這個“力平衡”時，導向閥的閥桿向左邊移回，兩個擋板都關閉上。若調節器的信號減小，施加于信號膜片上的力也減小，從反饋彈簧來的力將把導向閥的閥桿推向左邊，打開排氣擋板。這就引起導向閥氣室中的壓力降低，并允許調節閃的閥桿向上移動，直至建立起新的力平衡。

    示于圖5中的閥門定位器利用力平衡的原理，由彈簧對波紋管單元加荷載（從閥桿的實際移動）到相當于控制儀表的氣動壓力施加的同樣的力。

    增高或降低控制儀表的氣動壓力，使波紋管移動并操縱空氣導向閥。氣源空氣導入薄膜式執行機構的氣室或是從上部的導向閥排出放入大氣。當閥門移動，平衡彈簧的負荷改變，這個動作把波紋管和導向閥帶回到原來的位置，使彈簧的執行機構和控制儀表的壓力之間恢復平衡。

    波紋管的特性不影響校準，困為波紋管實際上在所有的平衡點都不能是保持相同的位置。拉桿結構是用于補償角度的誤差。控制儀表的壓力信號和閥桿的位置之間存在著線性關系。

    波紋管和空氣導向閥是整套裝在一起的單元，零件將不會導入摩擦力和、引起誤差。拉桿支承點的摩擦力是在調節閥的那一側，所以，不影響閥門定位器的性能。

應用  閥門定位器常見的一些應用分述于下，與此同時作些恰當的討論。這些應用必須適當地限制，這個問題已在下面的小標題“閥門定位器的局限性”中指出。

用來克服摩擦力

    摩擦阻力占薄膜式執行機構全部動力的10～15%時需要使用閥門定位器，定位的精度為0.001英寸。

用來增加單座閥的切斷額定功率

    常見的應用是在單座的調節閥上，供氣的壓力為35磅/英寸²表壓。如果調節閥的彈簧是使用3～15磅/英寸²表壓的，從閥門定位器輸出的開頭的15磅/英寸²表壓是用于壓縮彈簧，而剩余的20磅/英寸²表壓（35磅/英寸²表壓減去15）可用來關閉閥門，以克服閥前管線壓力的反向推力。這個壓力比從調節器來的信號壓力更高，所以，閥門克服管線反向壓力的額定功率相應地增高了。

    閥門定位器的供氣壓力一般受到調節閥的執行機構上*大容許空氣壓力的限制。進一步增加調節閃的切斷額定功率，可以由減小調節閥彈簧的寢的壓縮范圍而獲得。例如，一個3～15磅/英寸²表壓的彈簧范圍可以調整成為1～13磅/英寸²表壓的范圍。如果閥門定位器的供氣壓力為35磅/英寸²表壓，那么，僅需要13磅/英寸²表壓的壓力用來壓縮閥門的彈簧。此時，可用于切斷的壓力為26磅/英寸²表壓（35減去9）。只要閥門定位器的輸入彈簧是3～15磅/英寸²表壓，并有足夠的氣源壓力可供利用，調節閥將在超過3～15磅/英寸²表壓的范圍下地運行，與調節閥的彈簧范圍無關。

    圖6示出一個彈簧范圍6～30磅/英寸²表壓氣開式調節閥。加重的彈簧和更高的彈簧寢壓縮范圍，比3～15磅/英寸²表壓的閥門彈簧獲得更大的關閉能力。調節閥的切斷額定功率是受到閥門彈簧的初始壓縮范圍限制的，因為閥門定位器僅能從調節閥的執行機構上排出空氣壓力，使閥門關閉。

用來增加調節閥的響應速度

    若調節閥直接由氣動調節器操作，閥門的操作速度取決于：1、連接管線的長度和尺寸；2、執行機構的容積；3、調節器中的功率放大器的容量。

    如果使用閥門定位器，調節器的信號不是送到調節閥的執行機構上，而是送到閥門定位器上。鑒于輸入到閥門定位器的空氣量要求小于或接近于1立方英寸，調節器和閥門定位器中的功率放大器一般比調節器具有更大的供氣口，所以，壓縮空氣從閥門定位器到閥門執行機構的移動速度更快，流量更大，可以得到更大的閥門響應速度。

用來操作無彈簧式執行機構

    圖7示出了調節器操作一臺氣動無彈簧式執行機構的調節閥的系統圖。無彈簧式執行機構是薄膜式的，在膜片下面的氣室有3磅/英寸2表壓壓縮空氣的恒定的荷載壓力。這種結構一般僅用于兩位控制，因為作用在膜片上部的壓縮空氣的壓力只要大于3磅/英寸2表壓，往往就會使閥門關閉，而膜片上部的壓力小于3磅/英寸2表壓就允許閥門打開。其主要休戰是提供了更大的切斷力來關閉閥門，因為沒有彈簧壓縮。

    圖8示出了一個帶無彈簧式執行機構和閥門定位器氣動調節閥。調節器為節流式，輸出約從0～20磅/英寸2表壓之間的變化。閥門定位器使用壓縮空氣壓力（高達35磅/英寸2表壓），必須按照調節器的信號來校正閥桿的位置。這種系統的主要優點是有一個更高的調節閥切斷額定功率，可用來克服上游壓力的反向推力。因為沒有彈簧壓縮。其主要缺點是由于調節閥沒有彈簧，使穩定性減小了；它也失去了提供可*的防止故障的性能。

分程控制

    有時候希望僅使用調節器輸出范圍的一部分來控制一個氣動調節閥。這可以通過改變或調整閥門定位器的輸入彈簧來實現。常見的控制方案是一個調節閥和閥門定位器在調節器輸出的3～9磅/英寸²表壓的范圍內工作，而另一方個調節閥和閥門定位器則在調節器的輸出為9～15磅/英寸²表壓的范圍內工作。在上述的例子中，僅需要修改閥門定位器的彈簧。調節閥體彈簧要吧是標準的3～15或6～30磅/英寸²表壓的彈簧。

用來改變作用方式

    一個閥門定位器，當輸入信號增加時，其輸出的壓縮空氣壓力也隨之增加，稱為正作用的閥門定位器。一個閥門定位器，當輸入信號壓力增加時，其輸出的壓縮空氣壓力降低，則稱之為反作用的閥門定位器。閥門定位器很容易在現場改變其正、反作用。

    反作用的閥門定位器不常使用，要求帶一個反作用的調節閥執行機構也是不必要的。然而有一種應用，為了加熱和冷卻發使用而帶兩個具有分程控制的常閉閥門。

用來改變調節閥的流量特性

    大多數的閥門定位器是線性的，即閥桿是按照調節器輸出壓力而線性地改變其位置。然而，在些閥門定位器提供了一種方法（通常是一個凸輪）來改變這種關系，使調節閥產生不同的流量特性。圖9示出了這種情況的圖表。在某些情況下，組合的結果，可能并未得到改善，因為調節閥的時間常數以及增交加是受凸輪形狀的影響。

寬的比例

    當調節閥必須對很小的壓縮空氣壓力(小于0.25磅/英寸²)的變化有所反應時，往往推薦使用閥門定位器。這是在寬比例帶的場合下使用。

流體介質的特性

    若工藝流體會在閥門零件上掛膠或固結，而增加運動部件之間的摩擦阻力，閥門定位器常常幫助提供附加的力，以克服摩擦阻力。

高壓的流體介質

    在高壓下應用，閥桿的填料可能很緊，在閥桿上產生較大的摩擦阻力，增加了閥門的變差和死區。在這和暢情況下使用閥門定位器有時是有好處的（見參考文獻1和2）。

閥門定位器的附件  一個完整的氣動開關有時有一個閥門定位器，用于使閥門定位器旁通。一般不推薦使用旁通，因為在這些場合使用的調節閥沒有閥門定位器將不工作。

    壓力表常常用來指示調節器的輸出壓力、閥門定位器的輸出壓力和供氣壓力。

    閥門定位器的局限性以上所講的是傳統的應用，然而，*近的研究表明，在快速過程如液體壓力和流量的控制過程，使用閥門定位器能可對控制質量是有害的。這種場合要求（例如較高的空氣壓力去關閉閥門，或去迅速地操作閥門）使用壓力或容積升壓器和繼動器來代替閥門定位器。

    對于慢的過程，如大多數傳熱系統，液位和一些大容積的氣體壓力過程，閥門定位器將改善控制的質量，盡管它顯得沒有必要（進一步的資料見參考文獻1和2）。

閥門定位器的其它形式

頂裝式

    頂裝式閥門定位器如圖10所示，工作按氣動力平衡原理。控制儀表的氣壓表動壓力在閥門定位器大的（中心）膜片上給出一個向上的推力，因為膜片的面積不同。這個力加上范圍彈簧向上的力，由負向遷移彈簧向下的推力來平衡。在平衡時，一個小的導向閥流量（約0.15超標準英尺³/分）對控制儀表空氣壓力的*微小的變化就立即給予響應。

    控制儀表的空氣壓力增高，膜片組合件暫時升高，關閉排氣口，并打開導向閥。閥門壓力增高，膜片向下移動，減少了范圍彈簧上的力。當閥桿是處于控制儀表的空氣壓力所要求的位置時，力再度平衡。

雙作用閥門定位器

    雙作用氣動閥門定位器是一個力平衡式儀表，它從調節哭喊來手工勞動動操作器接受氣動信號，按照所接受的氣動信號決定閥桿的位置。圖11表示一個用于活塞式執行機構的正作用閥門定位器。這種結構形式，信號壓力增高將推動活塞向下移動。

    在運行中，把儀表信號送到信號膜片上。信號壓力增高，推動膜片和擋板連接桿向右邊移動。擋板連接桿打開在“閥#2”上的供氣擋板，容許氣源壓力進入上部氣室。當擋板連接桿偏聽則暗向右邊，在“閥#2”上的排氣擋板保持關閉的位置。在“閥#1”上發生相反的動作，下部氣室排氣。儀表的信號增加，使活塞上部氣室的壓力增加和下部氣室的壓力降低。活塞上的壓力差推動閥桿向下移動，并使閥門定位器的連桿順時針方向轉動。閥門定位器連桿的順時針方向轉動，通過凸輪壓縮范圍彈簧。當閥桿到達調節器要求的位置，壓縮范圍彈簧而形成的力，等于調節器信號作用在信號膜片上所產生的力。當這個兩個力平衡時，擋板連接桿移回到左邊的原來位置，全部擋板都閉合。

    若調節器的信號減小，施加在信號膜片上的力也隨之減小，從范圍彈簧來的力將將擋板連接桿向左邊移動，打開在“閥#1”上的排氣擋板，關閉在“閥#2”上的供氣擋板，使活塞產生一個向上的力，允許閥桿向上移動，直到一個新的力平衡建立。

電—氣閥門定位器

    電—氣閥門定位器示于圖12中，它是一個力平衡裝置，按照從調節器來的電流信號決定調節閥的位置。如圖中所示，閥門定位器向調節閥提供壓縮空氣，直到反饋彈簧的力與電磁線圈的力平衡。

數字式閥門定位器

    數字式閥門定位呂是一種單作用、二級、力平衡式儀表，它接受一個數字的電信號，并決定一個氣動調節閥位置。圖13是數字式氣動閥門定位器的照片，圖14是數字式氣動閥門定位器在一個控制回路中的方塊圖。

圖15是數字式氣動閥門定位器的原理示意圖。輸入信號送到直流步進馬達斷續地旋轉。當馬達上的軸轉動時，帶螺紋的軸使螺母組合件在上面橫向來回移動，從而改變了范圍彈簧的張力。若張力減小，便引起了擋板連桿向順時針方向轉動，擋板逆時針方向偏轉，允許更多的空氣從噴嘴中流出，使噴嘴的背壓下降。因而減小了*二級導向閥膜片上的壓力，引起了用于調節閥膜片上的輸出壓力減小。在調節閥膜片上的壓力減小將使閥桿向上移動，反饋凸輪逆時針方向轉動。反饋凸輪的動作和反饋彈簧按逆時針方向轉動擋板連桿，使擋板按順時針方向轉動。這些動作減少了從噴嘴中流出的空氣量。當由范圍彈簧在擋板連桿上產生的力矩時，調節閥已經到達控制信號所要求的新的位置。調節閥將保持在這個位置上，直到信號改變為止。

氣動容積和壓力升壓器

容積升壓器  容積升壓器可用于增加薄膜式調節閥的控制速度。典型的方案示于圖17中。

圖17中表示用于連結調節器和氣動調節閥的容積升高器。調節器的輸出信號不是送到調節閥上而是送到升壓器上。升壓器的功率放大器僅需要約1立方英寸的壓縮空氣來定位，因而，通過連接管線移動的空氣體積是很小的。信號空氣是通過升壓器中的功率放大器來控制調節閥，由于這種功率放大器具有較大的容量（35標準英尺³/分），使調節閥的行程時間顯著地減小了。若氣源壓力是使用減壓閥向升壓器供氣，它必須是大容量型，以免使升壓器的輸出容量受到限制。

    壓力升壓器壓力升壓器通常也是容積升壓器，但是，它的主要功能是把從調節器來的壓力增加到20磅/英寸²表壓以上，以便某些調節閥的位置。

    圖18示出帶6～30磅/英寸²彈簧的氣開式單座調節閥。加重彈簧可以用于關閉調節閥，克服高的上游壓力；但是，正常的調節器輸出（*大20磅/英寸²）不能打開閥門。2:1升壓器則可使系統運行。

升壓器可能比閥門定位器更好一些，因為它的價格便宜，而且升壓器不以調節閥為基礎來切斷一個回路，事實上在快速響應增強穩定性。

雙位式氣動繼動器

    調節器在*大的輸出（20磅/英寸²）時還不足以操作薄膜式調節閥時，可以采用雙位式氣動繼動器。圖19表示出雙位氣動調節器的情況。繼動器分別將35磅/英寸²表壓或0磅/英寸²表壓加到薄膜調節閥，使閥門打開或關閉。35磅/英寸²表壓的輸出壓力用于關閉單座薄膜調節閥，比從調節器輸出的20磅/英寸²表壓能克服更高的管線壓力。

氣動繼動器可以和節流式調節器一起使用，繼動器在發生緊急情況下使用，如圖20所示。在這種應用中，繼動器是處于正常位置，因此排氣口關閉，穿過繼動器從調節器至薄膜調節閥的通道保持開啟。配上適當的管線，一個事故信號（0或20磅/英寸²）可施加于繼動器，切斷調節器來的信號，關打開排氣口。把繼動器的排氣口連接到調節閥上，氣開式調節閥便于工作迅速地被閥門彈簧所關閉。

電磁閥

    電磁閥如圖21中所示，在一些應用中，它適合同薄膜調節閥配合使用。

    圖22說明一個三通電磁閥向薄膜式調節閥供氣或從調節閥上排氣，從而實現雙位操作。根據閥門的口徑大小這種控制方案比所有的電動閥門可顯著地減少費用和加快響應速度。

    三通電磁閥可以與氣動節流式調節器一起使用，此處的電磁閥是在事故時使用，示于圖23。在這種應用中，電磁三通閥處于正常位置，排氣口關閉，調節器和薄膜調節閥之間的通道保持開啟。配上適當的管線，以電流形式的事故信號通過電磁閥，能使調節器的輸出中斷，并使排氣口打開。把電磁閥的排氣口連接到薄膜調節閥上，氣開式調節閥便迅速地被閥門彈簧所關閉。

位置指示開關

    為了閥桿位置的遠距離兩位置指示，柱塞式或滾子式驅動開關（見圖24中的例子）能夠直接安裝在執行機構的支架上。這種指示限于兩個位置，通常是與開關操作的紅、綠指示燈一起使用。

氣動閉鎖器

    這種裝置用于需要保持調節閥的閥位時尤其是工廠氣源的壓力降至給定的水平以下時。在圖25中示出其中的一種形式，供氣的氣源進入由反向彈簧膜片密封的氣室，萬一工廠的氣源壓力降至預定的下限，彈簧把連接到執行機構去的通道切斷，封閉了貯存在閥門操作器管線中的調節器信號壓力。

閥位變送器

    氣動閥位變送器（圖26）是連續指示閥桿移動的位置裝置。它一般是安裝在執行機構支架上，通過連桿與調節閥的閥桿相連接。通過連桿檢測閥桿的位置，按比例地把3～15磅/英寸2信號傳送到遠方的接受器上。用電信號傳送閥桿位置的閥位變送器也是適用的。

電—氣轉換器

    電—氣轉換器把電動調節器輸出的電信號轉換成氣動信號，以控制薄膜調節閥。它們可騍電流對壓力（I/P）的轉換器，也可以是電壓對壓力（E/P）的轉換器。典型的（I/P）轉換器示意地表示于圖27中。

輸入電流作用在磁鐵單元的線圈上，輸入電流和*磁鐵的磁場聯合作用，產生一個力，施加于杠桿上，杠桿是通過固定夾板連接到磁鐵單元上。在杠桿的一端上有支點，受力后偏移。工作中，輸入電流的增加促使電磁線圈順時針方向偏轉，向上固定夾板，并移動杠桿更*近于噴嘴，使噴嘴的壓力增高，傳送至氣動放大器。所以，從氣動放大器至輸出管線和平衡波紋的輸出壓力增高。在平衡波紋管上，增大的輸出壓力變成一個平衡力施加于杠桿上，以抵消作用在磁鐵單元上的不平衡力，于是杠桿重新得到平衡。零位調整是通過調整零位彈簧作用在杠桿上調零力而獲得的.