Regulační ventily, jejich pohony a základní vlastnosti

Regulační ventily, jejich pohony a základní vlastnosti Jaroslav Hlava

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií

Tento materiál vznikl v rámci projektu ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0247 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření, který je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem ČR

Regulační ventily Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření

Schematické uspořádání ventilu s pneumatickým pohonem



Místo pneumatického může být elektrický pohon Typicky dvoufázový asynchronní servopohon


Kaskádní řízení polohy ventilu s podřazeným třípolohovým regulátorem

Jiná možnost např. krokový PI regulátor



Solenoidové ventily Přímo ovládaný solenoid (normálně uzavřený NC) • Při připojení elektrického napětí je kuželka zvednuta a ventilem může procházet tekutina • Při odpojení se el. napětí se kuželka působením pružiny

vrací zpět


Přímo ovládaný solenoid (normálně otevřený NO)

• Po přivedení elektrického napětí dojde ke zvednutí talířového sedla a uzavření toku tekutiny • Návrat zpět po odpojení od zdroje el. napájení je zabezpečen pružinou


Zejména pro malé průtoky existují i proporcionální solenoidové ventily, u nichž nedochází pouze k přesunu kuželky mezi krajními polohami, ale poloha kuželky se mění spojitě. Tato poloha se ustavuje na základě silové rovnováhy podobně jako u pneumaticky ovládaných ventilů. Jde ovšem nikoliv o rovnováhu mezi působením pružiny a silou danou tlakem působícím na membránu, ale mezi působením pružiny a silovým působením elektromagnetu. Ovládací elektronika musí obsahovat proudový regulátor, který zabezpečí, že při daném požadavku na polohu ventilu je proud konstantní. Při napájení ze zdroje napětí by v důsledku ohřevu cívky došlo ke změně odporu a tím i proudu a tedy také magnetického toku a nakonec i polohy ventilu 1 Cívka elektromagnetu 2 Pružina Obr. Fluid Automation Systems

3 Táhlo 4 Magnetické pole


Třícestné ventily


Ostatní regulační armatury:

Klapky:

Kohouty:


Připojení armatury - jmenovitá světlost DN (Diameter Nominal) udává přibližně vnitřní světlost vstupního a výstupního hrdla v milimetrech. Odstupňování: DN 15; 20; 25; 32; 40; 50; 65; 80; 100; 125; 150 atd.

Jmenovitý tlak PN (Pressure Nominal) udává tlakovou třídu armatury, obvykle souhlasí s maximálním pracovním přetlakem v barech ne však vždy, neboť ten závisí i na pracovní teplotě média a materiálu, z něhož jsou vyrobeny hlavní díly armatury Odstupňování: PN 2,5; 6; 10; 16; 25; 40 atd.


Průtokový součinitel Kv Objemový průtok vody v m3.h-1 který proteče regulačním ventilem za referenčních podmínek (tlakový spád na ventilu 1 bar, teplota vody 15°C, rozvinuté turbulentní proudění, dostatečný statický tlak vylučující za uvedených podmínek možnost vzniku kavitace) 1 ρ Kv = Q 100 ∆p

[m h ] 3 −1

Q je objemový průtok m3.h-1, ρ je hustota kg.m-3, ∆p je tlaková ztráta armatury v MPa (1 bar=100 kPa=0,1MPa) Analogicky je definován průtokový součinitel Cv užívaný v anglosaské literatuře: množství US galonů vody 60°F teplé, které proteče armaturou za 1 minutu při tlakovém spádu 1 psi (1 US galon=3,7854 litru, 1 psi=6894,8 Pa), hustota v librách na krychlovou stopu (1 lb.ft-3=16,018 kg.m-3)

Kv=0,865Cv

Cv=1,16 Kv


Kvs - jmenovitá hodnota Kv zcela otevřeného ventilu specifikovaná pro příslušný typ v katalogu, hodnoty vyráběných Kvs jsou uspořádány do normou předepsané řady

Kv100 - hodnota Kv zcela otevřeného ventilu změřená pro konkrétní ventil, může se lišit až o ±10% od Kvs Kv0- hodnota Kv zcela uzavřeného ventilu odpovídající jeho konstrukční průtočné charakteristice, od skutečné hodnoty Kv při zcela uzavřeném ventilu se většinou výrazně liší K vs S = Teoretický regulační poměr v 0 K v0

Obvyklé hodnoty Sv0 jsou 20,25,30,50


Průtočná charakteristika: Definována jako funkční závislost průtokového součinitele na poloze uzávěru regulačního prvku K v = K v (H ) Kv Často specifikováno v poměrných veličinách Φ = K vs Φ = Φ (h)

H h= H 100

Lineární průtočná charakteristika Φ = Φ 0 + mh Teoretický regulační poměr

Sv0

Φ max 1 = = Φ min Φ 0

není totožný se skutečně dosažitelným regulačním poměrem – doporučeno používat ventil v rozsahu cca od 10 do 80% maximálního otevření Parametry Φ0 a m jsou jednoznačně spjaty v důsledku skutečnosti, že při plném otevření ventilu (h=1) musí být také relativní průtokový součinitel Φ roven jedné ⇒1= Φ0 +m ⇒ m=1- Φ0


Rovnoprocentní (ekviprocentní) průtočná charakteristika Stejné procentní přírůstky poměrného zdvihu h vyvolají stejné procentní přírůstky poměrného průtokového součinitele Φ Φ = Φ 0 e nh

U regulačních ventilů nejčastěji 4-procentní charakteristika (n=4). Na základě stejné úvahy jako u lin. ventilů lze obecně říci, že 1= Φ0 en ⇒ n=ln(1/ Φ0) Parabolická průtočná charakteristika Φ = Φ 0 + nh 2

používána méně často, kompromis mezi vlastnostmi rovnoprocentní a lineární charakteristiky Charakteristika s rychlým otevřením Φ = Φ0 + m h



Pásmo povolených odchylek od udaného průběhu průtočné charakteristiky 0, 2 1   Φ Max. Φ odch max % = ±10   Φ odch.±% Dále definována maximální odchylka sklonu: 0,02 21,97 mezi body 0,05; 0,1; 0,2; 0,3 …1 je maximální 0,05 18,2 sklon 2b a minimální 0,5b kde b = ∆Φ ∆h 0,1 15,8 příslušného úseku charakteristiky 0,2 13,8 0,3 12,7 Kvr je nejmenší hodnota Kv, při níž je ještě dodržena 0,4 12,0 předepsaná maximální odchylka sklonu, tato hodnota 0,5 11,5 nesmí překročit hodnotu Kv při 10% otevření ventilu 0,6 11,1 K vs 0,7 10,7 Praktický regulační poměr S v = K 0,8 10,4 vr 0,9 10,2 1 10


Instalovaná charakteristika ventilu U q = U1 + U 2 ∆p0 = ∆p1 + ∆p2

1 ρ Kv = Q 100 ∆p

Q = 100 K v

∆p

ρ

Q2 ρ ∆p = 2 4 K v 10

U q = R1i + R2i ⇒ i =

Uq

R1 + R2 Obdobně, ale podstatně složitěji, to lze vyjádřit i v hydraulickém obvodu

K v21 ( H ) K v22 Q2 ρ Q2 ρ ∆p0 = 2 + 2 ⇒ Q = 100 4 4 K v1 ( H ) 10 K v 2 10 K v21 ( H ) + K v22

∆p0

ρ


K v21 ( H ) K v22 Q = 100 K v21 ( H ) + K v22

Pro průtok celou soustavou platí:

Q = 100 K v

Pro průtok jednotlivým ventilem platí:

∆p0

ρ

∆p

ρ

Ve srovnání obou vztahů lze hovořit o celkovém kv celé soustavy v obdobném smyslu jako o kv jednotlivého ventilu Toto celkové kv lze vyjádřit jako a převést ho rovněž do bezrozměrného popisu v relativních hodnotách

K vc =

K v21 ( H ) K v22 K v21 ( H ) + K v22

K vc Φc = K vc max


Aby bylo možné tento popis vyjádřit v přehledném tvaru zavedeme veličinu autorita ventilu ∆pQ max ∆pQ max - tlaková ztráta na zcela otevřeném ventilu a= ∆pQ 0 - tlaková ztráta na zcela uzavřeném ventilu ∆pQ 0 Při zcela otevřeném ventilu je průtok Qmax Odpovídající tlaková ztráta na ventilu

K vs2 K v22 = 100 K vs2 + K v22

∆pQ max

Při zcela uzavřeném ventilu je tlaková ztráta

Lze tedy psát

K v22 = ∆p0 2 K vs + K v22

∆pQ 0 = ∆p0

K v22 a 2 2 a= 2 ⇒ K = K v2 vs 2 K vs + K v 2 1− a

∆p0

ρ


S využitím tohoto vztahu a po zavedení poměrného otevření ventilu Φc lze pro celkový průtokový součinitel celé soustavy psát a K vc = K vs K vc max = K vs a a 1− a + Φ ( h) 2 K vc 1 Obecně: Φ c ( h) = = K vc max 1 1 + a( − 1) 2 Φ ( h) K vc 1 Φ c ( h) = = Pro lineární charakteristiku: K vc max 1 1 + a( − 1) 2 (Φ 0 + nh) Pro ekviprocentní charakteristiku: Φ c ( h) = K vc = K vc max

1 1 1 + a ( 2 2 nh − 1) Φ0e


Deformace lineární průtočné charakteristiky ventilu


Deformace ekviprocentní průtočné charakteristiky ventilu


Regulační charakteristika procesu (statická charakteristika) Instalovaná charakteristika ventilu bude statickou charakteristikou regulovaného procesu pouze v případě, že regulovanou veličinou je průtok (a celkový tlakový spád na soustavě je konstantní). Obvykle však je regulace průtoku jenom prostředkem k ovlivňování nějaké jiné významnější veličiny a je tedy nutné uvažovat i statický vztah mezi průtokem a konečnou regulovanou veličinou. Příkladem může být např. situace, kdy měníme průtok primárním okruhem výměníku tepla s cílem měnit tepelný výkon předávaný sekundárnímu okruhu. Typická statická charakteristika výměníku tepla může být přibližně popsána následující rovnicí (b je parametr závislý na konstrukci výměníku a vstupních a výstupních teplotách, pohybuje se od 0,1 do 1,2, nejčastěji od 0,3 do 0,5; P je předávaný tepelný výkon) P 1 = Pmax 1 + b 1 − Q Qmax Q Qmax


Graficky lze tyto charakteristiky znázornit následovně

Výsledná statická charakteristika tak vznikne složením těchto dílčích charakteristik, přičemž podstatné je její blízkost linearitě nikoliv linearita jednotlivých komponent)


Příklad: ventil s ekviprocentní charakteristikou, teoretickým regulačním poměrem 50, autoritou a=0,5 připojený k výměníku b=0,3

Výsledky dosažené s lineárním ventilem by byly podstatně horší.


Pomocná zařízení v obvodech s regulačními ventily 1. Elektropneumatický převodník základem jeho funkce je nejčastěji systém tryska-klapka

Tento systém je vlastně pneumatický zesilovač s vysokým zesílením (pneumatická analogie operačního zesilovače), jeho charakteristika v pracovní oblasti je přibližně lineární, z jeho výstupu je však možné odebírat jen velmi omezený průtok tlakového vzduchu Normalizované tlakové signály: napájecí tlak 140 kPa, pracovní rozsah 20 až 100 kPa


Systém tryska-klapka musí být doplněn o pneumatický výkonový zesilovač Zesilovač je s napájením spojen přímo bez clony na vstupu. Výstup ze systému tryska klapka (p2) je spojen s dolní částí komory zesilovače a kolísání tlaku p2 se přenáší na průhyb membrány (y). Pokud p2 vzroste, membrána se prohne vzhůru, zablokuje se odvzdušňovací otvor, tlak vzduchu na výstupu stoupá. Pokles p2 vede k pohybu membrány směrem dolů, blokování napájecího vedení a propojení s odvzdušňovacím otvorem. Tlak na výstupu klesá.


Konečně musí být doplněn o zápornou zpětnou vazbu z obdobného důvodu jako elektronický OZ

Z podmínky momentové rovnováhy plyne AB1a F0 pi AB1a + F0b = p0 AB 2b ⇒ p0 = pi + AB 2b AB 2


Elektropneumatický převodník je v principu obdobný, namísto vstupního vlnovce je elektromagnet, který vyvíjí proměnnou sílu závislou na vstupním proudovém signálu


Příklad skutečného provedení: převodník T6000 SPA Praha


2. Ovládací obvody proporcionálního solenoidového ventilu – typické zapojení

přidaný dither redukuje problémy vznikající v důsledku možného uváznutí ventilu a hystereze, podstatnou součástí zapojení je proudový regulátor (podle článku Electronics in the Mobile Industry)


Ovládací obvody solenoidových proporcionálních ventilů bývají často kombinovány ještě s řadou pokročilejších regulačních funkcí

Tato řídicí jednotka (výrobce Numatics) zároveň může fungovat jako jednosmyčkový či kaskádní PID regulátor


Internetové zdroje http://www.documentation.frco.com/groups/public/documents/book/cvh99.pdf Control Valve Handbook http://www.ldm.sk/, text Regulačné armatúry

Regulační ventily, jejich pohony a základní vlastnosti

Recommend Documents