Đặc tính của van điều khiển

Một phần của tài liệu 27749 (Trang 32)

1.3.1. Kiểu tác động của van

- Van đóng an toàn (fail-closed, FC hoặc air-to-open, AO)

Chiều mũi tên hƣớng xuống thân van. Màng chắn của van dịch chuyển đến vị trí đóng khi nguồn năng lƣợng của cơ cấu chấp hành mất.

- Van mở an toàn (fail-open, FO hoặc air-to-close, AC)

Chiểu mũi tên hƣớng lên cơ cấu chấp hành. Màng chắn của van dịch chuyển đến vị trí mở khi nguồn năng lƣợng của cơ cấu chấp hành mất.

Hình 1.18. Kiểu tác động của van - Dự phòng an toàn (fail – safe)

Đặc tính của van và cơ cấu chấp hành của nó, năng lƣợng cung cấp cho cơ cấu chấp hành bị mất sẽ dẫn đến màng chắn của van đƣợc đóng hoàn toàn, mở hoàn toàn hoặc giữ lại ở vị trí trƣớc đó đƣợc xác định cần để bảo vệ quá trình. Dự phòng an toàn có thể liên quan đến việc sử dụng kết nối điều khiển phụ đến cơ cấu chấp hành.

Sự lựa chọn kiểu tác động của van điều khiển ảnh hƣởng tới việc lựa chọn hệ số khuếch đại của bộ điều khiển phản hồị Van đóng an toàn có độ mở van lớn hơn khi tín hiệu điều khiển tăng, trong khi van mở an toàn có độ mở an toàn nhỏ hơn khi tín hiệu điều khiển tăng. Chiều tác động thuận đƣợc định nghĩa là độ mở van giảm khi tín hiệu điều khiển tăng ( có nghĩa là cần van chuyển động theo chiều thuận từ trên xuống dƣới đối với van trƣợt). Chiều tác động nghịch đƣợc định nghĩa là độ mở van tăng lên khi tín hiệu điều khiển tăng (cần van chuyển động theo chiều nghịch từ dƣới lên trên đối với van trƣợt).

1.3.2. Đặc tính thời gian của van

ạ Hiện tượng dải chết (Deadband) của van

Deadband là nguyên nhân chủ yếu dẫn đến sự dƣ thừa của biến quá trình. Các nguyên nhân gây ra hiện tƣợng Deadband là: ma sát , khe hở, dải chết,..

Deadband là hiện tƣợng mà ở đó một khoảng giá trị đầu ra của bộ điều khiển (CO) không đúng để tạo ra sự thay đổi trong quá trình (PV) khi tín hiệu đầu vào đổi phƣơng. Khi có nhiễu tải, biến quá trình (PV) chệch khỏi giá trị đặt. Sự lệch lạc này

khởi đầu một diễn biến đúng qua bộ điều khiển và quá trình ngƣợc lạị Tuy nhiên, một sự thay đổi trong đầu ra của bộ điều khiển có thể tạo ra sự thay đổi tƣơng ứng không chính xác trong biến quá trình. Chỉ khi đầu ra bộ điều khiển thay đổi một lƣợng đủ để qua dải chết thì mới có sự thay đổi tƣơng ứng trong biến quá trình

Hình 1.19. Hiện tƣợng deadband

Bất kì khi nào đầu ra của bộ điểu khiển thay đổi phƣơng, tín hiệu bộ điều khiển phải vƣợt qua dải chết trƣớc bất kì sự thay đổi tƣơng thích trong biến quá trình diễn rạ Sự có mặt của dải chết trong quá trình để bảo đảm biến quá trình chệch khỏi giá trị đặt sẽ tăng đến khi đủ lớn để vƣợt qua dải chết. Chỉ sau đó một quá trình đúng diễn rạ

Dải chết có nhiều nguyên nhân nhƣ ma sát và khe hở trong van điều khiển đi kèm với sự cuộn trục trong van quay và trễ vùng chết là một vài dạng chung nữạ Bởi vì hầu hết các hoạt động điều khiển cho điều chỉnh chứa sự thay đổi nhỏ (1% hoặc nhỏ hơn), một van điều khiển với dải chết quá rộng thậm chí không đáp ứng những sự thay đổi nàỵ Một van kỹ thuật tốt sẽ đáp ứng tín hiệu 1% hoặc nhỏ hơn để đƣa sự giảm có hiệu quả trong biến quá trình. Tuy nhiên, thƣờng ít gặp cho một số van đƣa ra dải chết nhƣ 5% hoặc hơn. Trong cuộc khảo sát gần đây, 30% các van có dải chết lớn hơn 4%. Trên 65% mạch vòng đƣợc kiểm nghiệm có dải chết lớn hơn 2%. Để có chất lƣợng tốt nhất trong giảm biến quá trình, toàn bộ dải chết trong tổ hợp van phải là 1% hoặc nhỏ hơn. Lý tƣởng nó phải thấp nhƣ 0.25%.

Hình 1.20 chỉ ra làm thế nào để kết hợp ảnh hƣởng của Deadband nếu có thể. Một mô hình vòng lặp mở đƣa ra kiểm tra trên 3 van khác nhau dƣới điều kiện bình thƣờng. Dải tín hiệu vào van thay đổi từ 0,5% đến 10% . Các bƣớc kiểm tra van dƣới điều kiện dòng chảy nhƣ vậy là cần thiết. Cả 3 van đều có đáp ứng với sự thay đổi từ tín hiệu vào, tuy nhiên khả năng đáp ứng với sự thay đổi từ tín hiệu vào trên từng van khác nhaụ

Với van A, đại lƣợng cần điều khiển đáp ứng tốt với tín hiệu vào là 0.5

Van B yêu cầu tín hiệu đầu vào thay đổi lớn nhất là 5% trƣớc khi có đáp ứng từ đại lƣợng cần điều khiển, còn với van C, tín hiệu đầu vào thay đổi lớn nhất là 10%.

Dải chết có nhiều nguyên nhân, nhƣng bản chất là do ma sát, do khe hở giữa các thành phần cơ khí.

Để giảm ma sát, ngƣời ta thƣờng dùng dầu bôi trơn chốt van, các phần tiếp xúc cơ khí. Tuy nhiên, sau một vài trăm chu kỳ, chất lƣợng dầu bôi trơn mất. Cùng với áp lực của tải, ma sát có thể tăng đến 400% hoặc hơn với một số thiết kế van.

Van B, C minh họa cho ảnh hƣởng của ma sát cao đến van, tín hiệu vào van thay dổi một lƣợng lớn trƣớc khi đáp ứng từ đại lƣợng cần điều khiển ổn định với sự thay đổi của tín hiệu vàọ

Hình 1.20. Ảnh hƣởng của deadband đến hiệu suất van [5]

b. Thời gian đáp ứng của van (Valve respostion time)

Để kiểm soát tối ƣu của nhiều quy trình, điều quan trọng là các van đạt đƣợc một vị trí cụ thể một cách nhanh chóng. Phản ứng nhanh với thay đổi một tín hiệu nhỏ (1% hoặc ít hơn) là một trong những yếu tố quan trọng trong việc tối ƣu điều khiển quá trình. Tốc độ đáp ứng của van nhanh thì chất lƣợng của quá trình đƣợc cải thiện đáng kể.

Thời gian đáp ứng của van bị ảnh hƣởng bởi những khâu thiết kế bộ định vị, cơ cấu truyền động và các yếu tố phụ khác, do đó để nâng cao tốc độ đáp ứng của van thì phải nâng cao tốc độ đáp ứng ở những khâu trên.

- Đặc tính thời gian của van T63: là hằng số thời gian τν của van. Là một thƣớc

đo đáp ứng của thiết bị. T63 đƣợc đo từ khi bắt đầu có tín hiệu vào van đến khi van

đạt 63% giá trị xác lập

- Thời gian chết Td của van ( Deadtime) : Là một trong những đặc tính của hệ

thống vật lý, không phụ thuộc đặc tính tín hiệu vàọ Do ma sát của van, phụ thuộc cơ cấu chấp hành của van. Là khoảng thời gian không nhận đƣợc đáp ứng từ van khi đã có tín hiệu vào, nó cũng chính là sai số của van, thƣờng từ 0,25 % đến 5%.

Thời gian chết càng nhỏ càng tốt. Nói chung thời gian chết nên không nhiều hơn một phần ba của tổng thời gian phản ứng của van.

Hình 1.21. Thời gian Td và τν của van

Nghiên cứu trên 3 van A, B, C ở trên, ta quan sát đƣợc sự khác biệt đáng kể

Hình 1.22. Tóm tắt thời gian đáp ứng của van [5]

1.3.3. Đặc tính lưu lượng của các loại van

Đặc tính lƣu lƣợng của van điều khiển là mối quan hệ giữa lƣu lƣợng tƣơng đối của môi chất đi qua van điều chỉnh và độ mở tƣơng đối của cửa van, tức là:

ax ax m m F L f F L        Trong đó: + ax m F

F là lƣu lƣợng tƣơng đối của môi chất đi qua van, là tỉ số

giữa lƣu lƣợng môi chất đi qua van ở 1 độ mở nào đó so với lƣu lƣợng cực đại môi chất có thể đi qua van.

+ ax .100% m F f F

 là lƣu lƣợng tƣơng đối tính theo %

+ ax .100% m L m L

 là độ mở tƣơng đối của cửa van, là tỷ số

giữa hành trình của trục van ở 1 độ mở nào đó so với toàn bộ hành trình của van (tính theo %)

Hình 1.23. Cấu trúc van điều khiển Trong đó:

+ m là tín hiệu điều khiển, đầu vào cơ cấu chấp hành

+ I/P: bộ chuyển đổi tín hiệu điện khí nén, tích hợp bên trong hoặc tách riêng bên ngoàị

+ α : độ mở van, hay sự thay đổi của chốt van.

Chuẩn tín hiệu:

- Điện: 0-20mA, 4-20mA, 10-50mA, 0-5V, 1-5V, ... - Khí nén: 0.2-1bar (3-15 psig)

Van điều khiển gồm hai thành phần chính là thân van và cơ cấu chấp hành van. Trong đó cơ cấu chấp hành quyết định quan hệ giữa tín hiệu điều khiển và độ mở van còn thân van quyết định quan hệ giữa độ mở van và lƣu lƣợng qua van.

Hàm α trong công thức trên quyết định tới đặc tính dòng chảy cố hữụ Có ba loại đặc tính cố hữu của van là

- Van tuyến tính( linear) : α = m,

- Van mở nhanh ( Quick Open): α = m

- Van phần trăm đều( Equal Percentage): α= (20< = <= 50) ; R là dải điều chỉnh của van

Hình 1.24. Đƣờng cong đặc tính của van

* Van tuyến tính ( linear vavle)

Van tuyến tính thể hiện đặc tính tuyến tính của dòng chảy qua van. - Đƣợc sử dụng ở mức chất lỏng hoặc chảy vòng

- Đƣợc sử dụng trong các hệ thống nơi mà các sụt áp qua van dự kiến sẽ vẫn tƣơng đối ổn định (ví dụ các hệ thống trạng thái ổn định)

Đƣờng cong đặc tính lƣu lƣợng tuyến tính cho thấy, tốc độ thay đổi lƣu lƣợng tỷ lệ trực tiếp với độ mở van. Mối quan hệ tỷ lệ này tạo ra những đƣờng đặc tính có độ dốc là không đổi nghĩa là với sụt áp là không đổị Hệ số khuếch đại của van là đồng nhất với mọi lƣu lƣợng. Chốt van tuyến tính thông thƣờng đƣợc dùng cho các ứng dụng điều khiển mức chất lỏng và cho những ứng dụng điều khiển lƣu lƣợng chắc chắn mà nó yêu cầu hệ số khuếch đại là không đổị

Đặc tính dòng chảy tuyến tính cung cấp lƣu lƣợng tốt hơn trong suốt quá trình. Độ nhạy của một van điều khiển với đặc tính dòng chảy tuyến tính luôn luôn không đổị Ở điều kiện áp suất sụt trên van là không đổi, các van sẽ giống nhau ở tất cả các dòng chảỵ

* Van mở nhanh ( Quick open vavle: QO)

- Đƣợc sử dụng trong trƣờng hợp đóng – mở thƣờng xuyên

- Đƣợc sử dụng cho các quá trình trong đó "ngay lập tức" dòng chảy lớn là cần thiết giống nhƣ van xả(ví dụ hệ thống an toàn hoặc các hệ thống nƣớc làm mát)

Van mở nhanh thể hiện sự thay đổi nhanh chóng lƣu lƣợng qua van khi độ mở van là nhỏ. Việc tăng độ mở của van gây ra giảm mạnh tốc độ dòng. Khi đó chốt van gần vị trí mở rộng, sự thay đổi tốc độ dòng khi này tiến tới 0. Trong đó các van điều khiển chốt van mở nhanh đƣợc sử dụng chính trong các thiết bị cần các kiểu van dạng On- Off . Nhƣng nó cũng phù hợp rất nhiều ứng dụng, những ứng dụng mà chốt van tuyến tính thông thƣờng có thể xác định rõ.

* Van phần trăm đều ( Equal percentage vavle: EP)

Chiếm tới khoảng 90% các ứng dụng van điều khiển bởi đặc tính động gần tuyến tính.

- Đƣợc sử dụng trong quá trình thay đổi lƣu lƣợng lớnvới độ sụt áp dự kiến - Đƣợc sử dụng trong quá trình mà một tỷ lệ nhỏ trong tổng sụt áp cho phép van

Đƣờng đặc tính lƣu lƣợng phần trăm đều, độ tăng bằng nhau về độ mở của van tạo ra những phần thay đổi nhƣ nhau trong các lƣu lƣợng cho trƣớc. Những sự thay đổi về tốc độ của lƣu lƣợng luôn tỷ lệ với những sự thay đổi về tốc độ dòng trƣớc những sự thay đổi ở vị trí trong chốt, đĩa hoặc bóng van. Khi bóng đĩa, hoặc chốt van gần vị trí đặt của nó thì khi đó lƣu lƣợng là nhỏ nhất. Với một lƣu lƣợng lớn, sự thay đổi của tốc độ của lƣu lƣợng sẽ lớn.

b. Hệ số khuếch đại của van

Van là cơ cấu chấp hành trong hệ điều khiển quá trình. Điều chỉnh góc mở của van, ta điều chỉnh đƣợc lƣu lƣợng của môi chất qua van. Vì vậy hệ số khuếch đại của van là tỷ số giữa lƣu lƣợng cực đại đầu ra và % góc mở lớn nhất của van:

Kv = % 100 max F (1.2) Nhận thấy khi độ mở van tăng lên thì hệ số khuếch đại của một van mở nhanh

giảm dần, của một van phần trăm bằng nhau tăng dần, của một van tuyến tính thì không thay đổị

Với van % đều, quan hệ lƣu lƣợng với góc mở van là

F ~ (1.3) trong đó m là tín hiệu điều khiển của van; R là dải điều chỉnh của van

Hình 1.25. là quan hệ f(m) ở đơn vị tƣơng đối của van điều khiển với R=50:1 với sụt áp trên van là không đổi tức là f = 0,02 tại m=0 là giá trị cực tiểu của lƣu lƣợng, tại đó van hầu nhƣ khóa hoàn toàn.

Đạo hàm phƣơng trình (1.3) có:

df/dm = f .ln R (1.4) Giá trị biến đổi lƣu lƣợng ở đơn vị tƣơng đối

f df

ứng với sự thay đổi góc mở dm là một trong nguyên nhân để đặt tên cho van là van phần trăm đềụ Hệ số khuếch đại của van cân bằng đƣợc tính:

Kv = f .ln R. % 100 max F (1.5) Hệ số khuếch đại của van có sự thay đổi theo lƣu lƣợng đầu rạ Sự thay đổi rất lớn trong phạm vi điều chỉnh R. Vì vậy trong cấu trúc điều khiển ngƣời ta thƣờng dùng tuyến tính hóa đặc tính tĩnh của van. Một trong phƣơng pháp tuyến tính hóa đƣợc trình bày trên hình 1.26.

Hình 1.26. Tuyến tính hóa đặc tính điều khiển van f(m) = m z z my ) 1 (   (1.6)

Tín hiệu điều khiển van trƣớc khi đƣa đến van đƣợc xử lý qua bộ tuyến tính hóa hình. Ngƣời ta gọi là bộ chia điều chỉnh tham số.

Khi y=1 công thức đƣợc biến đổi thành: f(m) = m z z m ) 1 (   (1)

Hàm f(m) đi qua 2 điểm (0,0) và (1,1) với mọi giá trị của z. Hình là đặc tính hàm f(m) ứng với trƣờng hợp z = 0,1; 0,2; 0,3

Độ dốc của đƣờng cong đƣợc xác định theo công thức

(1.8)

Khi m=0, độ dốc bằng 1/z và khi m=1 độ dốc bằng z. Vì vậy phạm vi thay đổi dộ dốc là:

R = 12

z (1.9) Ví dụ khi z= 0,1 ta có R=100

Do đặc tính van phụ thuộc vào dòng chảy nên phạm vi thay đổi độ dốc cũng thay đổi theọ Khi sử dụng bộ chia để bù đặc tính phi tuyến của van thì hệ số của bộ chia thay đổi theo cùng một lƣợng đó.

Hình 1.27. Đặc tính bộ chia với các hệ số điều chỉnh z khác nhau

Chẳng hạn khi biết phạm vi thay đổi độ dốc của van ta tìm đƣợc giá trị z theo công thức:

Ví dụ: R=50 z= 0,141

Khi đƣa khâu tuyến tính hóa nối tiếp với tín hiệu điều khiển hệ số khuếch đại chung của van sẽ là hằng số. Khi có thể để từ đó có thể duy trì đƣợc quá trình hoạt động tối ƣu của hệ thống.

Tối ƣu hóa quá trình yêu cầu giữ hệ số khuếch đại quá trình nằm trong giới hạn cho phép của hệ số khuếch đại thông qua dải rộng nhất có thể. Bởi vì biến quá trình tối thiểu hóa phụ thuộc vào việc duy trì các dạng hệ số khuếch đạị Van khi đó hoạt động ở trong giới hạn cho phép của hệ số khuếch đại và đƣợc biết đến nhƣ là dải điều khiển của van.

c. Phạm vi điều chỉnh của van

Liên quan tới điều khiển lƣu lƣợng và đặc tính lƣu lƣợng là phạm vi biến thiên của van ( Rangeability) , đƣợc định nghĩa bằng tỷ lệ lƣu lƣợng tối đa và nhỏ nhất mà van cho phép đi qua sau khi nhận tín hiệu tín hiệu từ bộ điều khiển:

R = min max F F (1.11)

Lƣu lƣợng dòng chảy nhỏ nhất ở đây không phải là dòng rò ( dòng có thể xuất hiện mặc dù đóng van). Các nhà sản xuất thƣờng yêu cầu một dải điều chỉnh 50: 1 với một van phần trăm đều, 33: 1 cho một van tuyến tính và 20: 1 cho một van mở nhanh. Đối với van quay, cụ thể là van bi hình chữ V, dải điều chỉnh lên tới 200:1,

Một phần của tài liệu 27749 (Trang 32)

Tải bản đầy đủ (PDF)

(109 trang)