控制阀“死区”问题的解决方案： 形状记忆合金执行机构

控制阀“死区”问题的解决方案： 形状记忆合金执行机构

在工业环境中，控制阀是一种关键部件，用于调节和调制流体流量，以确保工艺流程在所需参数范围内运行。尽管使用广泛，但控制阀，尤其是由传统电动或气动执行器操作的控制阀，面临着一个 共同的挑战：死区 （图 1）。这种现象是指控制信号在一定范围内无法产生输出，会严重影响系统性能。

死区通常出现在采用电动或气动执行器的系统中，这是由于自然的机械作用或有意的设计决定造成的。设计者可能会有意在系统流程中引入死区，以减少电机占空比，从而维持电机的安全温度，或减少气动控制器中仪表空气的消耗。死区对受控过程的影响是多方面的，会导致响应延迟、效率低下、振荡，并有可能增加部件磨损，从而导致更频繁的维护。

在天然气等需要精确处理高价值和易挥发物质的行业中，最大限度地减少死区不仅关系到效率，还关系到安全和经济可行性。

图 1：开环阀门控制应用中的死区示例

形状记忆合金 (SMA) 执行机构在行业中的引入和采用为死区问题提供了解决方案。这些执行机构得益于 SMA 技术的独特特性，精度高、响应快。与典型的电动和气动推杆不同，SMA推杆能够在100%占空比下工作，不会产生反向间隙或滑动，从而有效地将死区的影响降至最低。目前，天然气行业正在利用这种能力来提高控制系统的性能和可靠性。

死区造成的控制阀问题

阀门控制系统中的死区现象带来了一系列挑战，直接影响到过程控制的运行效率、精度和可靠性。死区是指在一定范围内的控制信号输入无法引起阀门位置的任何调整，是维持最佳工艺条件的障碍。以下是与死区相关的主要挑战，每个挑战都强调了在工业环境中对精细控制机制的迫切需要。

图 2：由 SMA 供电的 Kinitics KVA38 手套阀执行机构

◆降低对控制信号变化的敏感度 ：死区的存在会削弱控制系统对控制信号变化做出反应的能力。灵敏度的降低会导致无法将过程变量保持在很小的公差范围内，而这对于需要严格控制压力和流速等参数的过程来说是至关重要的。

◆对工艺控制的响应延迟 ：死区会导致阀门对工艺条件变化的响应延迟。在需要快速调整的动态环境中，这种延迟会导致工艺效率低下、浪费、安全风险增加和运行不稳定。

◆增加滞后 ：死区的一个直接后果是阀门控制系统中的滞后增加。滞后的特点是执行点根据信号的变化方向而变化，从而导致控制不准确，使实现精确工艺管理的任务变得更加复杂。

◆能效降低 ：死区带来的低效率可能导致流程过度运行或运行不足，因为人们试图抵消不精确性，从而增加了运营成本和能源使用量。

◆增加振荡风险 ：系统中存在的死区会增加振荡和系统不稳定的可能性。如果不适当调整控制策略以适应死区效应，系统可能会出现不希望出现的振荡，从而破坏过程控制的稳定性和可靠性。

“死区”的来源

“死区”会影响阀门控制系统的精度和效率。了解并解决这些来源对于提高系统精度和响应速度至关重要。

◆机械反向间隙 ：通常存在于气动和电动阀门中，机械反向间隙（执行器传动系统中的松动）会带来死区的延迟特性。执行器的初始运动无法直接转化为阀门调节，从而导致控制输入无法产生预期结果。

◆摩擦 ：摩擦是一个普遍存在的难题，它发生在阀门机构内部，特别是阀杆和填料之间，此外还有气动或电动马达执行机构的几个典型运动部件产生的摩擦。这种摩擦需要额外的力来启动和维持运动，从而导致死区，即在达到更高的输入阈值之前延迟启动。

◆定位器问题 ：阀门定位器是根据控制信号调整执行器运行的关键，如果定位器出现问题，死区就会明显扩大。这个问题对于气动执行器尤为重要，因为定位器的精度对于将气压变化转换为精确的阀门运动至关重要。

◆占空比限制 ：典型的电动马达不能连续运行（例如，占空比低于 100%），以保持安全运行温度，防止马达故障。可有意引入死区，以防止电动执行器在寻找过程设定点时连续运动。

形状记忆合金执行机构：

提高阀门控制精度和响应速度

SMA 执行机构（图 2）代表了工业阀门控制技术的进步。SMA 执行机构具有在通电时恢复其原始形状的非凡能力，SMA 执行机构利用这一特性以高精度和高准确度平稳控制阀门位置。

SMA 执行机构的工作原理

形状记忆合金 (SMA) 是一类能够 “记忆 ”预定形状的金属合金。

这种双向形状记忆效应可实现精确一致的形状操作。作为 SMA 执行器的一种，SMA 成束线执行机构的核心功能来自于 SMA 线在通电后的收缩和机械弹簧的偏压。这种动力可将电能转化为机械运动。

这种动力可将电能转化为机械运动，从而根据控制信号对阀门进行精确、平稳的调节。对这些导线施加电流会触发形状记忆效应，使导线克服弹簧力而缩短。当这种收缩与阀杆相连时，就能实现阀门位置的精确调节。这种精确控制能力可实现极其精细的响应，最大限度地减少控制阀应用中出现的死区（图 4）。

使用形状记忆合金执行器最大限度地减少死区

SMA 执行机构具有一系列优势，可直接解决死区问题：

◆100% 占空比 ：SMA执行机构在连续节流操作方面表现出色，无需暂停或停机，这对于需要不间断控制的工艺至关重要。这种持续的可操作性可确保在控制输入和执行器响应之间没有滞后，从而有效消除因操作暂停而造成的死区。

◆微米级精度 ：通过对 SMA 长度调整的精确控制，这些致动器可以实现令人难以置信的高定位精度。这种能力可确保阀门运动和定位精确跟踪指令信号，从而直接消除死区。

◆机械高效可靠 ：市场上的 SMA 执行机构（图 2）的特点是传动系统中的单个运动部件与阀杆同线运动，从而最大限度地减少了内部部件（如齿轮、轴承等--典型的电动或气动设备）造成的摩擦损失。此外，没有高速旋转部件可减少磨损，最大限度地缩短维护时间，并延长执行机构的使用寿命。

结论

SMA执行机构是应对控制阀系统死区挑战的一种解决方案。SMA技术通过机械高效的传动系统，能够在100% 占空比下连续运行。当应用于过程控制时，SMA 执行机构可提供精度和响应速度，从而减轻死区对系统性能的负面影响。SMA 执行机构正被用于关键的工业应用中，包括天然气行业（图 3）。

它们的使用为该行业的过程控制提供了可靠的解决方案，该行业的目标是实现电气化操作，包括采用电动控制阀执行机构。

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