1 概述
隨著我國化工工業(yè)的飛速發(fā)展，特別是煤化工行業(yè)對于閥門的使用有著較高的要求，這使得閥門定位器成為控制系統(tǒng)中的關鍵附件，其作用是把調(diào)節(jié)設備輸出的信號變成驅(qū)動調(diào)節(jié)閥動作的氣信號，提高閥門的位置控制精度，克服閥桿摩擦力和介質(zhì)不平衡力的影響，從而保證調(diào)節(jié)閥按照調(diào)節(jié)器的信號實現(xiàn)正確定位。特別是智能閥門定位器得以廣泛的應用。
2 定位器的具體結(jié)構(gòu)及原理
閥門定位器可以分為氣動、模擬、數(shù)字式三種，現(xiàn)場使用比較廣泛的是后兩種。
2.1 傳統(tǒng)電氣閥門定位器的工作原理電氣閥門定位器經(jīng)過幾十年的發(fā)展
常規(guī)的電氣閥門定位器的特點：是利用噴嘴、擋板、反饋凸輪、磁鋼、彈簧利用杠桿原理的力平衡原理，再通過氣動放大器完成實現(xiàn)對調(diào)節(jié)閥性能的改善。反饋桿反饋閥門的開度位置發(fā)生變化，當輸入信號產(chǎn)生的電磁力矩與定位器的反饋系統(tǒng)產(chǎn)生的力矩相等，定位器力平衡系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，定位器處于穩(wěn)定狀態(tài)，此時輸入信號與閥位成對應比例關系。當輸入信號變化時，力平衡系統(tǒng)的平衡狀態(tài)被打破，磁電組件的作用力與因閥桿位置變化引起的反饋回路產(chǎn)生的作用力就處于不平衡狀態(tài)，這樣通過使擋板對于噴嘴產(chǎn)生微小的位移變化轉(zhuǎn)換成為相應的氣壓信號。噴嘴擋板機構(gòu)由噴嘴和擋板組成的變節(jié)流元件恒節(jié)流孔以及背壓室所組成。
氣源進噴嘴擋板機構(gòu)后，首先遇到的是恒節(jié)流孔。該恒節(jié)流孔對氣流造成了很大的阻力，只能讓一部分氣流通過。通過的一部分氣流進入背壓室，然后從噴嘴排入大氣。正對著噴嘴，垂直安裝著一個擋板。當擋板靠近噴嘴時，使氣阻增大，氣流不易排出，最后使背壓室內(nèi)的壓力上升；當擋板離開噴嘴時，使氣阻減小，氣流排出，最后使背壓室內(nèi)的壓力下降。擋板對通過恒節(jié)流孔的氣流造成了第二次阻力，這阻力是隨著擋板位置的不同而變化的。噴嘴和擋板不同的間距產(chǎn)生不同的背壓。由于噴嘴和擋板作用，通過氣動放大器完成功率放大的作用。在氣動放大器的作用下使定位器氣源輸出壓力發(fā)生變化，執(zhí)行機構(gòu)氣室壓力的變化推動執(zhí)行機構(gòu)運動，使閥桿定位到新位置，重新與輸入信號相對應，達到新的平衡狀態(tài)。在使用中改變定位器的反饋桿的結(jié)構(gòu)（如凸輪曲線），可以改變調(diào)節(jié)閥的正、反作用，流量特性等，實現(xiàn)對調(diào)節(jié)閥性能的提升。
2.2 智能電氣閥門定位器的性能與傳統(tǒng)閥門定位器相比有了一個大的飛躍
智能電氣閥門定位器的定位精度更高，適用范圍更廣，而且使用更加簡便和可靠。但是在具體的應用中還要從符合安全要求、更好的控制效果、與調(diào)節(jié)回路的匹配、適應特殊環(huán)境要求、延長使用壽命等方面合理選擇定位器的類型，并進行其功能參數(shù)設置和調(diào)校。
隨著電子技術的發(fā)展智能閥門定位器成為用于氣動執(zhí)行機構(gòu)的閥門定位器的主流。它集自校正功能、自診斷功能、故障報警功能、閥位模擬信號反饋功能及多種特性修正功能于一身，菜單操作，便于現(xiàn)場安裝、調(diào)試。
智能閥門定位器采用了HART協(xié)議完成了數(shù)據(jù)通訊功能，同時利用脈寬調(diào)制（PWM）技術替代磁鋼、彈簧的杠桿力平衡結(jié)構(gòu)，使用壓電閥取代了噴嘴、擋板，用導電塑料電位器替代反饋凸輪，這樣就使定位器的精度得以提高。具體的做法是：
首先增加了HART協(xié)議數(shù)據(jù)通訊功能，HART協(xié)議采用基于Bell202標準的FSK頻移鍵控信號，在低頻的4－20mA模擬信號上疊加幅度為0.5mA的音頻數(shù)字信號進行雙向數(shù)字通訊，數(shù)據(jù)傳輸率為1.2Mbp。2200Hz為1，1100Hz為0．由于FSK信號的平均值為0，不影響傳送給控制系統(tǒng)模擬信號的大小，保證了與現(xiàn)有模擬系統(tǒng)的兼容性。
其次：使用壓電閥取代了噴嘴、擋板用，導電塑料電位器替代反饋凸輪壓電閥的主導元件是一個壓電柔韌開關閥，也稱作硅微控制閥，由于其質(zhì)量小，開關慣性非常小，可以執(zhí)行很高的開關頻率，因而作為一個高頻率的脈沖閥，對輸出氣路壓力進行控制，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，可以達到很高的閥門定位精度。壓電閥利用功能壓電陶瓷的陶瓷片在電壓作用下產(chǎn)生彎曲變形原理制成的一種兩位式（或比例式）控制閥?？刂茐弘婇y動作只需提供足夠的電壓，電功耗幾乎為零。閥位反饋元件是一個結(jié)構(gòu)簡單、高精度、高可靠性的導電塑料電位器，將執(zhí)行機構(gòu)的直線或轉(zhuǎn)角位移轉(zhuǎn)換為電阻信號，因而可以精確的檢測閥位并且可以方便的對閥門進行零位，滿度及閥門流量特性曲線的定位。
由于新型控制元件如導電塑料和壓電閥的使用，可以使閥門定位達到很高精度，由于微處理的使用，可以使定位器的調(diào)校以及適用范圍有大的改善。
第三：脈寬調(diào)制（PWM）技術替代磁鋼、彈簧的杠桿力平衡結(jié)構(gòu)，而脈寬調(diào)制（PWM）技術是指：
在不加電狀態(tài)或兩個壓電閥加低電平下，壓電陶瓷進氣閥關閉，排氣閥打開。（排氣）①進氣閥電開閥，開度隨PWM占空比的增大而增大；②排氣閥電關閥，開度隨PWM占空比的增大而減小。
在進氣狀態(tài)下，應使兩個壓電閥加高電平，使進氣閥打開，排氣閥關閉。
在閥位保持狀態(tài)下，應使進氣壓電閥加低電平，排氣壓電閥加高電平，使進氣閥與排氣閥均關閉。
設定閥位與反饋閥位偏差較大時，進氣壓電閥加寬脈沖，進氣閥開大進氣量，排氣壓電閥加寬脈沖，排氣閥基本關閉。
偏差較小時，使進氣壓電閥加窄脈沖，進氣閥開度減小，排氣壓電閥加寬脈沖，排氣閥基本關閉。
偏差基本為0時，進氣壓電閥低電平、排氣壓電閥高電平，進氣和排氣閥關閉。保持壓力和閥位。
微處理器輸出變占空比的PWM脈沖信號，經(jīng)過升壓驅(qū)動電路控制進氣和排氣壓電閥的開度，改變進氣量和排氣量。
3 常規(guī)定位器存在的不足
常規(guī)定位器多為機械力平衡原理，它采用噴嘴擋板機構(gòu)，可動件較多，容易受溫度波動、外界振動等干擾的影響，耐環(huán)境性差；彈簧的彈性系數(shù)在惡劣環(huán)境下能發(fā)生改變，會造成調(diào)節(jié)閥非線性，導致控制質(zhì)量下降；外界振動傳到力平衡機構(gòu)，易造成部件磨損以及零點和行程漂移，使定位器精度受很大影響；
由于噴嘴本身的特性，執(zhí)行器在穩(wěn)定狀態(tài)時也要大量排氣，若使用執(zhí)行器數(shù)量較多，能耗較大；而且噴咀本身是一個潛在故障源；
常規(guī)定位器手動調(diào)校時需要使用專用設備、不隔離控制回路是不可能的，且零點和行程的調(diào)整互相影響，須反復整定，非線性嚴重時，則更難調(diào)整。
4 智能定位器在應用中要根據(jù)現(xiàn)場控制要求合理選型，正確安裝，重點注意的要求
雖然智能定位器使用簡單，功能強大；安裝簡易，可以進行自動調(diào)校，組態(tài)簡單、靈活；具有智能通訊和現(xiàn)場顯示功能，便于維修人員對定位器工作情況進行檢查維修；具有豐富的自診斷功能等優(yōu)點。但在工程應用中還是應注意一些問題，以使其可靠的工作，發(fā)揮出更好的控制作用，延長其使用壽命。
由于智能定位器的壓電陶瓷閥的結(jié)構(gòu)特點使定位器的排氣量極小。傳統(tǒng)定位器的噴嘴、擋板系統(tǒng)是連續(xù)排氣。智能定位器只有在減小輸出壓力時，才向外排氣，因此在大部分時間內(nèi)處于非耗氣狀態(tài)，相對于傳統(tǒng)定位器來說可以忽略不計，因此會對氣源的質(zhì)量要求比較高對于氣源中的塵土、水分都要盡量的減少。
定位器2/4線接線方式的選擇由于智能閥門定位器的輸入阻抗較高，而且隨輸入電流的增加而增大。在選用智能電氣閥門定位器時一定要核對調(diào)節(jié)器輸出控制信號的帶負載能力，應大于500歐姆，才能保證大開度時定位器的正常工作。
合理設置定位器的動作死區(qū)。死區(qū)設置越小，相應的壓電閥及反饋連桿等運動部件的動作越頻繁，有時會引起閥門振蕩，增大機械磨損，影響定位器控制品質(zhì)和調(diào)節(jié)閥壽命，故定位器的死區(qū)設置不宜過小。
合理設置控制周期調(diào)節(jié)器輸出改變周期設置在1.0s左右比較合適。
智能定位器流量特性的選擇。智能定位器均具有流量特性選擇設定功能。但在實際使用中，要根據(jù)所配閥門的流量特性與工藝具體要求來合理確定。
防爆環(huán)境中的應用現(xiàn)場安裝方式則應符合隔爆電氣設備的安裝規(guī)范要求。
惡劣現(xiàn)場條件下的應用在一些惡劣現(xiàn)場工況環(huán)境中，可以將閥位傳感器與智能定位器進行分離式安裝。電纜連接應采用屏蔽電纜，并在智能定位器中使用EMC濾波器來抑制惡劣環(huán)境產(chǎn)生的干擾因素。
綜上所述定位器在控制系統(tǒng)中的作用非常重要，隨著技術的發(fā)展完善，智能定位器以其特有的優(yōu)勢，將是今后定位器的發(fā)展方向，也將更加廣泛的應用到各行各業(yè)的控制領域中。我公司所使用智能定位器主要有梅索里蘭、西門子山武智能定位器，經(jīng)過5年來使用，憑著可靠性能，特別是閥門在小范圍調(diào)節(jié)中尤其顯現(xiàn)出定位器高精確度，保證閥門在工況使用中能及時反映控制信號變化，驅(qū)動閥門動作進行品質(zhì)調(diào)節(jié)。
