智能化控制閥位置精度測試方法研究

王一翔，柯一杭，陳睿哲，陳丐榮,繆克在

(1.浙江省泵閥產品質量檢驗中心，浙江 溫州 325100；2.溫州系統流程裝備科學研究院，浙江 溫州 325100；3.浙江大學機械工程學院，浙江 杭州 310000；4.浙江省泵閥行業協會，浙江 溫州 325100)

0 引言

隨著自動控制技術的發展，管道輸送建設越來越趨向智能化。以智能化控制閥代替人工操作的閥門，減少了人員近距離操作閥門的危險，提高了工作效率，在管道系統的調節和控制中發揮巨大作用[1]。

位置精度作為控制閥的重要技術指標，直接影響回差、基本誤差、流量系數等性能指標[2]。控制閥位置精度是由執行器、閥體、定位器三者的整體配合決定的[3]。裝配間隙、傳動軸粗糙度、填料密封預緊力、結構尺寸、校準調試、裝配工藝，以及工況下的溫度和壓力等都會直接影響控制閥位置精度，間接影響控制閥的泄漏量、流量系數、流阻系數和流量特性等。因此，在出廠時應檢測、調試控制閥位置精度。

國內外企業基本采用游標卡尺或者百分表檢測、調試控制閥位置精度，精度低、耗時長、計算繁瑣，檢測結果重復性不高。采用這些方法時，校準計算一個閥門至少需要半小時以上，效率低，過程繁瑣，滿足不了生產流程要求。因此，很多企業忽略了控制閥位置精度的調試，默認基本達到控制閥的最佳精度，甚至誤認為在執行器和閥體上安裝了高精度定位器的控制閥即是高精度控制閥，而沒考慮高精度定位器的調試匹配。智能化控制閥位置精度測試方法能滿足控制閥位置精度檢驗的需求，有效提高裝配調試效率。

1 測試工作原理

智能化控制閥位置精度測試方法根據國內外控制閥相關產品標準，配合數字化閉環控制和高精度位移傳感器，可進行氣動控制閥、電動控制閥、氣缸、電磁閥等產品的壽命試驗、死區、回差、基本誤差、始終點偏差和額定行程偏差試驗項目[4]。采用C#語言編輯控制界面，可記錄位置精度的數據曲線，并且自動判定試驗結果，更加智能化[5]。直行程方法原理如圖1所示。

圖1 直行程方法原理

當試驗樣品為直行程控制閥時，利用可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)發送控制信號給控制閥的定位器。定位器通過控制閥執行器控制閥桿的升降，通過固定于閥桿上的固定橫臂帶動拉線位移傳感器的線頭伸縮。拉線位移傳感器反饋其即時行程位移值(精度為0.01 mm)，實現控制閥動作的行程位移數據采集，自動計算死區、回差、基本誤差、始終點偏差、額定行程偏差[6]。

當試驗樣品為角行程控制閥時，用固定裝置將拉線固定于閥桿表面，拉線緊貼于閥桿表面。控制閥轉動α角度對應弧長ΔL變化，通過拉線位移傳感器伸縮感應位移增量。拉線位移傳感器精度為0.01 mm，因此其角度感應精度和閥桿直徑成正比。

(1)

式中：α為轉動角度，(°)；ΔL為拉線位移傳感器位移增量,mm；D為閥桿直徑,mm；d為拉線直徑,mm。

角行程方法原理如圖2所示。

圖2 角行程方法原理

角度感應精度如表1所示。

表1 角度感應精度

2 測試項目要求

2.1 死區

死區測試項目主要測試25%、50%、75%輸出信號點的死區偏差值。以25%、50%、75%輸出信號點的拉線位移傳感器反饋的即時行程位移值作為比較點，通過增加或減小脈沖信號(最小脈沖信號為0.001 33 mA)，改變拉線位移傳感器的即時行程位移值，記錄此刻的輸出信號。死區偏差值如式(2)所示。

(2)

2.2 回差

回差測試項目主要測試0%、25%、50%、75%、100%輸出信號點的回差偏差值。首先，輸出信號按照0%、25%、50%、75%、100%、75%、50%、25%、0%的順序進行一次回差試驗。然后，控制系統自動記錄每個信號點的拉線位移傳感器反饋行程位移值，并自動計算同一輸出信號點的回差偏差值。同時，計算機自動繪制位移-信號曲線。設第一次經過輸出信號點的拉線位移傳感器反饋行程位移值為X1，第二次回程輸出信號點的拉線位移傳感器反饋行程位移值為X2。回差偏差值如式(3)所示。

(3)

2.3 基本誤差

基本誤差測試項目主要測試0%、25%、50%、75%、100%輸出信號點的基本誤差偏差值。25%輸出信號點的基本誤差如式(4)所示。

(4)

2.4 始終點偏差

始終點偏差測試項目主要測試0%、100%輸出信號點的偏差值。0%輸出信號點的始終點偏差如式(5)所示。

(5)

2.5 額定行程偏差

額定行程偏差測試項目主要測試100%輸出信號點的偏差值，輸出信號值為20 mA。此時，拉線位移傳感器反饋即時行程位移值。額定行程偏差如式(6)所示。

(6)

3 測試

根據控制閥相關標準，選取氣動直行程控制閥、氣動角行程控制閥、電動角行程控制閥進行死區、回差、基本誤差、始終點偏差、額定行程偏差測試。

3.1 氣動直行程控制閥

氣動直行程控制閥(PN40 DN100)的額定行程為40 mm，非智能定位器E級精度。對比GB/T 4213—2008《氣動調節閥》[7]，氣動直行程的位置精度如表2所示。

表2 氣動直行程的位置精度

由表2可知，回差、基本誤差測試項目不合格。經分析發現，原因是填料壓蓋螺栓預緊力太大，氣缸帶動閥桿直行程啟閉過程受閥桿填料和閥桿間的摩擦力作用，影響位置精度。

解決措施為：使用扭矩扳手按照設計要求值對填料壓蓋螺栓進行預緊；同時，在滿足閥桿強度的前提下，通過減小閥桿直徑和閥桿表面粗糙度降低摩擦力影響。

如果是角行程控制閥有類似不合格項目和曲線特征，通常是由于多次啟閉導致執行器和閥桿鍵配合處的間隙太松。對此，可調整鍵配合，采用花鍵套和花鍵軸組合，增加扭矩總接觸面積，提高閥桿和鍵的材料硬度，避免磨損間隙產生。氣動直行程的位置精度曲線如圖3所示。

圖3 氣動直行程的位置精度曲線

3.2 氣動角行程控制閥

氣動角行程控制閥(PN16 DN250)的額定角度為60°，智能定位器B級精度[8]。對比GB/T 4213—2008《氣動調節閥》，氣動角行程的位置精度如表3所示。

表3 氣動角行程的位置精度

氣動角行程的位置精度曲線如圖4所示。

圖4 氣動角行程的位置精度曲線

由表3和圖4可知，雖然標準要求0%、25%、50%、75%、100%輸出信號點的測試項目符合標準要求值，但是10%、20%、80%、90%輸出信號點附近的回差位置偏移嚴重，直接影響控制閥該點信號的實際流量控制。

經分析發現，原因是氣動角行程執行器的智能定位器在初始自動校準時，細分段算法太少，導致在10%和90%輸出信號點位置附近存在行程滯后。開啟方向在10%輸出信號點時角度為0°，關閉方向在90%輸出信號點時角度為61.47°，在25%、50%、75%輸出信號點能正常自動定位。

解決措施為：采用高細分段自動校準算法的智能定位器改善其位置精度；同時，應修訂完善相關控制閥標準，不應只有0%、25%、50%、75%、100%五個輸出信號點，而應規定更多信號檢測點來滿足智能定位器的檢測需求和加工能力發展。

3.3 電動角行程控制閥

電動角行程控制閥(PN16 DN200)的額定角度為60°，2.5級精度。對比JB/T 7387—2014《工業過程控制系統用電動控制閥》[9]，電動角行程的位置精度如表4所示。

表4 電動角行程的位置精度

電動角行程的位置精度曲線如圖5所示。

圖5 電動角行程的位置精度曲線

由表4和圖5可知，閥門的回差試驗項目滿足標準要求，但是基本誤差在25%、50%、75%三個輸出信號點存在偏離。通過曲線可以觀察到基本誤差測試項目除了0%和100%輸出信號點滿足標準要求外，其余的都偏離標準要求。

經分析發現，原因是電動角行程執行器的位置調試存在問題，只有始終點的位置達到開啟和關閉額定行程效果，忽視了中間過程值的位置精度。當達到80%信號輸出點時閥門就已經達到60°滿量程，產生的偏離直接影響每個相應輸出信號點的流量控制。

解決措施為：校對中間過程值的位置精度。

3.4 結果分析

對氣動直行程控制閥、氣動角行程控制閥、電動角行程控制閥進行位置精度試驗，得出以下結論。

①控制閥應按照設計扭矩對填料壓蓋螺栓進行預緊，閥桿直徑和閥桿表面粗糙度影響啟閉摩擦力。

②角行程閥應采用花鍵套、軸組合，增加扭矩接觸面積和材料硬度，避免磨損間隙產生。

③應采用高細分段自動校準算法的智能定位器，改善其位置控制精度。

④執行器的位置調試不應只考慮始終點定位，還應校對中間過程值的位置精度。

4 結論

目前，國內外控制閥企業進行控制閥位置精度測試時，基本采用游標卡尺或者百分表檢測、調試，精度低、耗時長、計算繁瑣、檢測結果重復性不高。智能化控制閥位置精度測試方法將傳統的人工測試、人工記錄、人工計算方法進行數字化、智能化，滿足控制閥位置精度的生產檢驗需求和裝配調試效率。企業在無流量流阻試驗裝置的條件下，采用智能化控制閥位置精度測試是較經濟、有效的質量把關手段。該方法可通過測試數據曲線對制造工藝、裝配質量、材料磨損、驅動和定位器選型等參數進行試驗分析，提高流量控制精度，有利于生產企業提升產品質量水平。