一種調節閥誤差限檢測系統設計

曾南強

（國家閥門產品質量檢驗檢測中心（福建））

調節閥又稱控制閥， 是一種通過電/液/氣來驅動啟閉件（閥芯）處在關閉與全開啟之間的任何位置，使通路截面積得以改變，用以調節流量、壓力或溫度等參數的閥門，因此調節閥閥芯的控制非常重要。 工業生產過程涉及流體的產品與調節閥息息相關，一臺質量好、性能優的調節閥在整個流體輸送過程中發揮著至關重要的作用。 調節閥相關標準中對其控制的相關參數用誤差限表示，主要通過基本誤差、回差、死區、額定行程偏差及始終點偏差（針對氣動調節閥）等參數來衡量一臺調節閥控制性能的好壞。 基于閥桿和閥芯作為一個整體，其行程會隨著輸入信號的改變而改變的狀況，筆者開發了一種調節閥閥桿位置可靠性檢測系統，以便于評判調節閥誤差限的優良程度。

1 調節閥誤差限的測量原理

典型的氣動調節閥工作原理如下：當信號發生器將電信號傳遞給調節閥后，調節閥執行機構驅動閥桿上下運動， 當到達電信號對應的位置時，執行機構保持在當前位置，從而改變通路截面積，起到對壓力、溫度、流量及液位等工藝參數的調節作用。

根據GB/T 4213—2008、GB/T 10869—2008及JB/T 7387—2014等標準對于調節閥誤差限的定義， 誤差限的測量就是對閥芯位置變化量的測量。 根據上述標準的規定，調節閥行程的測量誤差應在額定行程的±0.5%以內，因此，所設計的誤差限測量系統應具有精度高、誤差小的特點。

常規誤差測量方法為采用游標卡尺測量，以國內型號為ZHBP的調節閥為例（圖1），公稱通徑DN20～DN300 mm對應的額定行程為10～100 mm，測量儀器的誤差值不得超過±0.05 mm，理論上精度為±0.02 mm、量程200 mm的游標卡尺就能滿足測量要求。 然而，實際測量過程中游標卡尺測量會因閥門結構和人員操作的不確定性造成較大誤差， 并且誤差值往往超過±0.05 mm的要求，對于結構緊湊的閥門甚至無空間進行測量。 鑒于這種情況，有必要設計一種能夠穩定檢測誤差限的系統，避免調節閥的結構和人為因素影響誤差限的檢測結果。

圖1 ZHBP型氣動調節閥閥門結構

2 檢測系統的建立和參數的測量

根據調節閥標準的要求建立了如圖2所示的調節閥誤差限檢測系統。

圖2 調節閥誤差限檢測系統結構

系統中各元件的要求為：

a. 系統的各個連接位置應當緊固連接，檢測過程中相對位置不得發生變化。

b. 傳感器的選型應充分考慮傳感器的響應時間、精度以及分辨率等多項參數。 例如，在進行死區測量時， 當輸入信號已經使閥門有了響應，而傳感器檢測不到該變化，導致試驗人員繼續加大信號直到傳感器檢測出該變化，那么測得的數據就是傳感器的分辨率而非調節閥的死區。

c. 所有誤差限的結果都用額定行程的百分比表示。

2.1 基本誤差的測量

基本誤差就是實際上升、下降特性曲線與規定特性曲線之間的最大極限偏差［1］。

將閥門固定在底座上，閥桿同步裝置緊固安裝于閥桿上，使得同步裝置與閥桿不發生相對運動。 調整磁力座和傳感器支架的位置，使得閥桿的整個行程都在傳感器的最佳測量范圍內。 從信號的0位開始到100%， 將規定的輸入信號平穩地按增大方向輸入執行機構，測量至少包括信號范圍的0、25%、50%、75%、100%這5個點所對應的行程值，并記錄下這些值，然后按輸入信號減小的方向將信號輸入執行機構，記錄下同樣位置的行程值。重復上述步驟至少3次。將得到的數據代入式（1）計算實際“信號-行程”關系與理論關系之間的各點偏差，取最大值為基本偏差［2～4］：

式中 L——閥門的額定行程；

li——第i點任意一次測量的實際行程；

Li——第i點的理論行程；

δi——第i點的偏差。

死區特性是控制閥中零部件松動引起的一種非線性特性，在輸入輸出特性上表現為輸入與輸出存在偏差，該偏差在同一個方向上是一個常數［5］。由于死區特性的存在，測試時將信號平穩地按一個方向改變， 不得任意增大或減小輸入信號，以便消除該偏差。

2.2 回差的測量

回差是同一信號上升和下降的兩個相應行程之間的最大差值［2～4］。

在2.1節中已經測得了上升和下降信號時的5個行程的位移值，回差用最大差值的絕對值除以額定行程計算得到，該數值用百分比表示。

2.3 死區的測量

死區是輸入信號正、反方向變化不一致引起行程有任何可察覺變化的有限區間［1］。 死區的測量應覆蓋輸入信號范圍的25%、50%、75%這3個點以上。 緩慢增大輸入信號，當位移的顯示值改變時，記下當前的信號值；緩慢地減小輸入信號，當位移的顯示值改變時， 記下當前的信號值，增大和減小信號的差值占信號范圍的百分比就是死區的偏差值［2～4］。

2.4 始終點偏差的測量

始終點偏差主要針對氣動調節閥而言，將輸入信號的上、下限值分別輸入到氣動執行機構氣室（或定位器）中，待閥桿執行到相應位置時測取相應的行程值，根據式（1）計算始終點偏差［2］。 當調節閥無定位器時，氣開式調節閥只需測量始點偏差，氣關式調節閥只需測量終點偏差，即通路截面積最小時的狀態。 帶定位器的調節閥則兩者都需要測量。

2.5 額定行程偏差

將輸入信號輸入執行機構，使閥桿走完全行程，測得該行程值即實際行程，然后確定該行程與閥門額定行程的差值，即偏差［2～4］，標準規定實際行程應大于額定行程。 當實際行程小于額定行程時，會直接導致調節閥無法達到最大調節量。

3 檢測系統數據產生偏差的原因和不確定度的計算

對于圖2所示的這類檢測系統， 數據產生偏差主要有以下幾種原因。

原因1 傳感器精度引起的偏差。 筆者建立的檢測系統選用型號為ZX-LD100和ZX-LD40的激光型位移傳感器來對位移量進行測量。 查閱說明書可知，前者的測量范圍是±40 mm，后者的測量范圍是±10 mm，傳感器的精度是0.2%FS。 兩個位移傳感器偏差引入的不確定度分量分別為u11（l）和u12（l），以矩形分布估計［6］：

原因2 位移傳感器安裝不水平產生的偏差，即由于圖3中角θ1的存在，系統測得的實際行程lj1不等于理論行程li1。 兩者的關系為：

圖3 傳感器安裝偏差示意圖

因此， 由位移傳感器不水平而產生的偏差Δi為：

由于lj1是理論值， 因此位移傳感器與水平夾角θ1的大小直接決定了Δi的值， 使用常規水平儀較容易實現校準θ1至其值小于1°。 同類裝置的角度偏差可根據實際使用的角度校準儀的精度進行計算，本設計取θ1=1°，因ZX-LD100和ZX-LD40的測量最大行程分別為80 mm和20 mm， 即兩個傳感器對應的lj1的最大值分別為80 mm和20 mm。因此由該偏差引入的不確定度分量為u21（l）和u22（l），同樣以矩形分布估計［6］：

對于驅動執行機構動作的信號發生器產生的誤差不屬于該檢測系統的誤差， 此處不作討論，為避免其精度帶來的影響，要求閥門檢驗人員進行閥門誤差限的檢測時應使用精度高于調節閥的信號發生器。

使用ZX-LD100時合成的標準不確定度為：

設定包含因子k=2， 此時兩者的擴展不確定度為：

在第1節中， 提到標準規定閥行程的測量偏差應在額定行程的±0.5%以內，因此，ZX-LD100適用于額定行程為18.6～80.0 mm的閥門，ZX-LD40適用于額定行程為4.8～20.0 mm的閥門。

4 結束語

通過建立一套穩定且重復性高的誤差限檢測系統，較好地避免了傳統用游標卡尺測試調節閥誤差限帶來的數據不穩定和重復性低的弊端，可為日后檢驗員和閥門安裝人員對調節閥的檢驗和調試提供強有力的技術支撐。 下一步，將會給系統引入工業控制模塊，結合信號輸入端子進行自動檢測和數據的計算，屆時可大幅縮短安裝前的調節閥測試時間。