1 阀门定位器的作用

    阀门定位器与气动执行机构和阀本体组成调节阀（控制阀），由于调节阀行程动作受填料密封摩擦产生死区和回差，定位器的核心作用是将上述对调节阀的影响量，自动增加或减小，纠正阀杆行程产生的偏差，使其回复到控制信号与阀杆行程的对应关系上，将调节系统干扰、超调量、滞后等不利影响减至*小，提升被调对象的品质。

    2 阀门定位器的选择

    阀门定位器是调节阀*重要的附件，正确合理选择定位器应考虑以下要素：

    （1）输入信号分类、范围：

    a）气动输入信号：200~100KPa；（0.2~1kg/cm²）  （0.2~1bar） （3~15psi）

    分程输入信号：20~60；60~100 KPa

    b）电流输入信号：4~20mA；

    分程输入信号：4~12；12~20mA

    c）智能定位器输入信号： FF，PROFIBOS；4~20 Ma+HART

    （2）输出压力分类、范围：

    a）单输出：（配直行程膜片弹簧式执行机构）

    根据所配执行机构的弹簧范围来确定，此时定位器的气源压力有以下要求：
    20~100KPa时，气源压力：140KPa
    40~200；80~200；80~240KPa时，
    气源压力：300KPa
    120~300KPa时，气源压力：340KPa

    b）双输出：（配旋转式无弹簧或有弹簧活塞式执行机构）

    其输出特点是定位器输出可随气源压力而变。
    输出范围：0~600KPa
    双输出定位器的气源压力应达到输出压力的上限值。
    0~600KPa（可设定）

    （3）定位器位置反馈分类、范围：

    a）直行程位置反馈：

    0~10；0~16；0~25；0~40；0~60；
    0~100mm（国产调节阀行程系列）
    0~14.3；0~20；0~25；0~30；0~38（40）；0~50；0~60；0~70（75） ；0~80；0~100；0~110mm（国外调节阀行程系列）
    b）转角位置反馈：
    0~90°；（球阀、蝶阀）
    0~60°；0~70°（蝶阀）
    0~50°；0~60°（偏心旋转阀）

    由于定位器位置反馈— 直行程、转角反馈量的大小由定位器的连杆臂长度和凸轮的转角来决定，各厂家介绍的死点有：30°；45°；70°，故超过定位器位置反馈范围时，则需要有连杆角度的放大机构。

    （4）输出特性的选择：

    阀门定位器输入信号与输出特性“关系曲线”

    如图1所示，以反作用为例。

    图1中曲线（1）线性特性，产生效果如下：

    a）调节阀线性阀芯，构成的流量特性为线性；

    b）调节阀等百分比阀芯，构成的流量特性为等百分比。

    图1中曲线（2）快开特性；图中曲线（3）等百分比特性。

    上述定位器的输出特性与调节阀组配为硬件的静态特性，在实际使用中，影响调节系统特性的因素很多，如一线性阀芯的凋节阀在低S值运行时的流量特性会畸变成快开特性。此时，我们可用定位器输出特性曲线（3）来修正合成线性的调节系统。当然，如果系统设计已采用了调节阀等百分比阀芯时，就不必考虑定位器的输出特性修正问题，仍应采用线性特性。有几个问题须指出：

    定位器的等百分比修正凸轮使用时，应注意它有正作用和反作用之分，如图1所示。

    有些用户误认为等百分比阀芯的调节阀也应配用等百分比修正凸轮的定位器，这就等于进行了二次修正，会给系统带来极不稳定的后果。

    有专家论证指出，机械结构式等百分比输出特性的定位器不宜应用在自控系统中，因定位器凸轮的加工精度达不到负反馈的要求，使调节系统产生发散。可采用智能式的阀门定位器来修正。

    （5）防爆定位器的选择：

    阀门定位器系现场安装仪表，对于气动阀门定位器来说无引爆源存在，且定位器没有发热元件，是一天然防爆仪表。

    电/气阀门定位器有电信号存在，如没有防爆措施，则爆炸危险场所是禁止使用的。目前国内外常见的防爆电/气阀门定位器有：

    a）本质安全型（本安型）防爆阀门定位器，采用限止电火花和热效应两个可能的点燃源的防爆原理构成的阀门定位器。防爆标志：Ex ia Ⅱ CT6适用于0区、1区、2区的场所。

    b）隔爆型阀门定位器，采用定位器外壳内发生爆炸时具有隔离的措施，不至于传爆到外壳以外的危险性气体以免引起爆炸。防爆标志：Ex d Ⅱ BT6适用于1区、2区的场所。

    c）增安型阀门定位器，采用定位器表面温度控制在温度组别以下，满足电气间隙和爬电距离防爆要求，以及定位器的外壳和接线盒的防护等级不低于IP54防护能力的要求。防爆标志：Ex e Ⅱ T6同样适用于在正常运行条件下不会产生电弧或火花的1区、2区的场所。

    （6）输入阻抗：

    电气阀门定位器的输入阻抗值下表所示，它由定位器生产厂发布，选用时应考虑定位器的输入阻抗与调节仪表或DCS阻抗匹配问题，原则上定位器的输入阻抗不应大于调节仪表的负载电阻。在有分程控制的系统，一般有二个或二个以上的定位器串联使用，其定位器的输入阻抗Σ不应大于调节仪表的负载电阻。

    （7）阀门定位器的作用方式：

    a）正作用－－定位器的输入信号增加时，输出压力也增加的；

    b）反作用－－定位器的输入信号增加时，输出压力为减小。

    一般定位器的出厂状态均为正作用，但当现场的调节阀已选定为B（正作用）的作用方式，而系统要求为K（反作用）的作用方式时，可用反作用定位器来实现系统的要求。反之，通过定位器将系统改变为正作用。

    （8）定位器“手动”“自动”切换：

    定位器在正常使用时其“手、自动”切换开关置于“自动”档，当输入信号中断时，仍要求调节阀在线工作，则可临时将“手、自动”切换开关从自动挡改为置于“手动”位置，用定位器配用的空气减压阀来调节阀门的行程，从而保证调节系统正常运行。当信号恢复后，再将“手动”切换到“自动”位置。

    （9）性能定义：

    a）基本误差（非线性）－－输入信号引起阀杆移动的实际“信号－－行程”曲线与理论曲线之间的偏差。

    b）回差（滞后）－－同一输入信号下，正、反行程之间的偏差。

    c）死区（灵敏度）－－能使动作反向的*小信号区间。

    d）耗气量（空气消耗量）－－在额定供气压力下（50%行程，稳态状态下），定位器1小时的空气消耗量（升/小时）。因为定位器的输出有单输出、双输出之分，所以它的耗气量也有所不同。

    定位器的耗气量实际上是一个能耗指标，由定位器的气动功率放大器设计结构所决定，耗气式功放特点是输出比较稳定，但耗气量大。小耗气式功放特点是耗气量小，但稳定性稍差。随着定位器制造技求的提高，有些小耗气量的定位器也已做到稳定和小耗气二者兼有，是降耗节省运行成本的产品。

    e）定位器的负载特性一指在动态使用条件下，定位器纠正和克服调节阀在介质负荷影响下所产生阀位变化的能力。这一特性对调节系统的控制品质有非常明显的作用，因为定位器纠差能力越强，调节阀的阀位就越接近“控制信号与阀位”的理想值，调节阀超调引起的系统扰动可得到有效扼制，直到*终达到消除被调量周期性变化的目的。

    f）定位器运行可靠性一指定位器平均无故障时阀 MTBF。

    影响定位器可靠性，有以下几个方面的因素：

    ①定位器能承受环境考验的能力，如温度、湿度、机械振动，以及核电用抗地震等。
    ②长期使用、至少一个检修周期内，定位器的“零位、行程”不发生漂移，否则应经常地去对定位进行重调校正。一般机械式定位器很难做到这一点。但是，的智能式定位器因有自检和诊断功能，确保定位器的“零位、行程”不会发生漂移。
    ③定位器的机械反馈连接应牢固、可靠，如反馈杆松动和脱落都会引起定位器失效，给调节系统酿成事故。
    ④定位器气源质量能否达到仪表用气源标准的要求，对定位器使用可靠性有着密切的关系，其气源必须是按要求除尘埃、水汽和油污。

    3 电气阀门定位器综合评价

    3.1 定位器发展历史

    我国阀门定位器早在50年代从苏联引进仿制Ⅱ-1型气动的阀门定位器，取而代之的是英国FISHER公司3560型和日本横河生产的C型气动阀门定位器。

    1964年我国定位器进行联合设计，产物是ZPQ型气动阀门定位器，70年代电子调节器的发展，ZPD型电气阀门定位器也随之而生，这些产品一直沿用至今。

    改革开放以来，国民经济飞跃发展，许多大型化、高参数、高可靠性装置如雨后春笋般的出现，国产的定位器渐渐淡出这些装置，以引进国外品牌定位器技术，国内生产的产品和全进口的阀门定位器填充市场，以上是我国阀门定位器产品的基本现状。

    国外新颖定位器很多，主要是采用了模块化的结构和的电子线路，还有多种防爆结构。国内定位器亦在向这方面发展，下面以春新集团上海长成自控设备有限公司生产的CCCX系列电/气阀门定位器为例来对新颖定位器的结构优势予以详细的分析和综合评价。

    该产品是在总结了以往定位器生产发展道路的经验，瞄准上技术，而研发的新一代产品。它集中体现了多功能、用途广、可靠性高、使用方便等诸多特点，产品获得的认证：

    ·USA CA；CE品质认证；
    ·Ex is Ⅱ CT6 ；Ex d Ⅱ BT6；
    ·Ex e Ⅱ T6防爆认证；
    ·IP55及IP56防护等级认证。

    3.2 结构模块化设计的应用

    CCCX型定位器的结构分解如图2所示。它由以下模块组成：

    口序号1-1~1-11基础模块组件，它有底座、罩壳、压力表、反馈弹簧、负载控制弹簧以及标准紧固件等。从图中可看出设计布局合理，将定位器进、出气路、显示压力表与气动放大器安置在定位器的下端，特点是：

    ①气路相对集中，气路也较短，气阻小，输出流量大。
    ②便于采用金属印刷气路的压铸，消除了定位器气路间的串气和漏气。
    ③定位器底座、罩壳采用铝合金压铸工艺，外观光滑平正，适宜批量生产，成本也比手工制作低。
    ④定位器气源、输出接口设计成多支路，便于气管任意方向的连接，减少不必要管道拐弯。
    ⑤定位器的气源接口，可与小型空气过滤减压阀直接配套连接构成一体，简化空气管路的连接。

    口序号2-1气动功率放大器模块组件，它是双向（双输出）膜片结构不耗气式放大器。特点是：

    ①双向输出结构，即放大器背压增加时，出口端1输出压力也增加（正向放大）；出口端2输出压力减少（反向放大）；实际上双向放大器是一个正向放大器和一个反向放大器的组合件。

    ②配用了双向放大器的定位器，增加了定位器具有双输出的功能，可应用在单输出要求，配弹簧膜片式气动执行和有双输出要求，配气动活塞式（无弹簧或带复位弹簧）执行机构。

    ③由于双向放大器背压室弹性元件采用橡胶夹布波纹膜片，这给定位器带来二大好处。

    一是，放大器能承受较高的背压，所以定位器的气源压力可达到0.7MPa（7kg/cm²），是一般金属膜片式放大器气源压力的3倍，这就大大扩大了定位器的应用范围，也给气动执行机构增大输出力（力矩），提供了强大的工作能源；二是，膜片式双向放大器比滑阀式双向放大器灵敏度高、稳定性好，阀芯、推杆等可动部件无摩擦力存在，基本消除了滑阀式放大器存在的输出爬行、高耗气（耗气小时滑阀的配合间隙小，摩擦增大，死区也增大）的弊端。

    ④由于膜片式双向放大器替代了单输出型和滑阀式双向放大器，这使得用户减少备品件的库存，同时使生产制造厂压缩了放大器的生产品种，对降低运行和生产成本具积极的经济意义。

    ⑤定位器的耗气指标也是设计院和用户选择定位器的重要依据，它不仅能给空压站、气源净化设备减少投资，还给常年累月节省空气消耗、节约运行成本创造了极为有利的条件。

    口序号3-1比例杠杆组件，它是实现定位器负反馈行程大小的调节装置，由反馈弹簧、比例调节旋钮组成，有以下特点：

    ①调节比例带宽，配标准反馈杆，行程可调范围12~100mm，配加长反馈杆，行程可达410mm。
    ②设有调节旋钮，可实现行程微调，有助于将定位器调整到*佳精度，且操作非常简单，实用。

    口序号4-1反馈凸轮机构组件，它由反馈凸轮、支架、转轴及反馈杆等组成，特点是：

    ①积木式模块化反馈凸轮机构组件，分直行程和角行程二个组件，根据订单和实际使用要求，选择其中的一种与所用的执行机构（直行程的，还是角行程的）互换使用，这一功能也是CCCX型定位器的核心技术，它体现了定位器人性化设计思想，为使用者实现定位器一仪多用，考虑得十分周到。

    ②反馈凸轮如图3所示，从图中可看出，它是一组多曲线集合体，为正、反作用定位器选择安装面，标识有“A面”和“B面”字样。为反馈杆的回转角，标识有45度、90度转角。改变了以往定位器一个曲线一个凸轮板的设置，大大方便了定位器的使用效果。

    ③定位器的输出特性有“快开、线性、等百分比”三种，是由定位器凸轮曲线的形状来决定的。为使用者提供了用定位器来修正调节阀流量特性的选择。注意的是等百分比特性凸轮只是适用于过程慢的对象如温度系统。

    ④反馈杆是对外与调节阀连接的比例杠杆，其杆的臂长与调节阀所配用的行程有关，它有标准和加长的反馈杆供用户选用，外露的反馈杆材料是采用不锈钢制的，防腐性能好，耐用。

    口序号5-1调零组件，它由调节旋钮和负载控制弹簧等组成，特点是：

    ①调节螺杆采用细牙螺纹，可进行定位器“零位”微调，结构上设有防喘动机构，可保持定位器“零位”不漂移。

    ②负载控制弹簧有A，B，C，D四种尺寸，根据所配执行机构的大小和执行机构（单动、双动）来确定，实际上负载控制弹簧是以不同的弹簧刚度（kg/mm）与调节阀接受定位器输出增益相匹配，以求达到定位器*佳工作特性。

    口序号6-1力矩马达和接线端子盒组件，它是定位器的心脏部件，其作用是将电流信号经力矩马达生成电磁力。特点是：

    ①它把电流信号从输入端（接线盒）和力矩马达非常巧妙地组合在一起，构成一个功能模块，用几个紧固螺钉很方便地连接到定位器的底座上，有助于定位器的维护和检修，根本上消除了过去当定位器的力矩马达分解时，输入信号线容易造成割断和短路现象的发生，大大增加了定位器的可靠性和安全系数。

    ②力矩马达特性与选用的材料有着密切的关系，要确保永久磁钢不产生磁老化，否则将会引起定位器在线使用时，输出范围（量程）变化。还要确保力矩马达可动衔铁的软磁合金，具有较高的初始导磁率和较小的磁滞回线（剩磁），否则会引起定位器的灵敏度降低和回差增大。如CCCX定位器对内在质量进行严格的控制，就能确保定位器长期工作的稳定性。

    上述，定位器模块化设计的应用，定位器的功能增多了，性能提高了，使用的面扩大了，定位器的生产简化了，成本也降低了，起到一举多得佳绩。

    3.3 定位器的防爆措施

    CCCX定位器具有多种防爆结构和优异的防爆性能，防爆定位器设计、制造按国家标准和等效采用IEC标准执行。其标准号为：

    GB 3836.1-2000 eqv IEC 60079-0：1998《爆炸性气体环境用电气设备、第1部分：通用要求》
    GB 3836.2-2000 eqv IEC 60079-1：1990《爆炸性气体环境用电气设备、第2部分：隔爆型“d”》
    GB 3836.3-2000 eqv IEC 60079-7：1990《爆炸性气体环境用电气设备、第3部分：增安型“e”》
    GB 3836.4-2000 eqv IEC 60079-11：1999《爆炸性气体环境用电气设备、第4部分：本质安全型》

    a）隔爆型电气阀门定位器Ex d Ⅱ BT6

    定位器可能引起周围爆炸性环境的部件，是力矩马达中的线圈，采取的防爆措施是将输入信号的引线和线圈部件，封装在由铝合金压铸的线圈骨架中，构成整体的隔爆部件（隔爆主腔），并与接线腔（防爆接线盒部件）连接在一起，构成隔爆结构。有效阻止了线圈可能产生的火花在隔爆腔内引爆时，不会传爆到隔爆腔外面，从而起到了隔离防爆的作用，因隔爆腔内发生爆炸的瞬间会产生较高的压力，所以隔爆腔要有一定的机械强度，其耐压应大于爆炸压力。

    隔爆主腔的隔爆接合面是经过机械精加工的，表面光滑平整，其隔爆接合面应符合ⅡB标准的要求，因为当隔爆腔内爆炸时的腔内温度，使通过隔爆接合面的宽度和间隙由里往外成温度梯度下降，从而不足以引燃隔爆腔外围爆炸性环境发生传爆，这就是隔爆定位器的防爆原理。当检修或分解隔爆部件时应注意，不能碰伤隔爆接合面和异物夹在隔爆接合面中，否则将起不到隔爆的作用，防爆失效。

    隔爆定位器设计结构有整体式隔爆和部件式隔爆之分：

    整体式，是将定位器各部件，包括危险部件集中放置在一个大的隔爆腔内，使定位器的体积和重量大增，小尺寸的调节阀安装难以适应，结构也比较复杂，又不允许在现场通电情况下开盖对定位器零位、行程范围进行调整。因此，定位器的使用领域受到较多因素的限止，逐渐被小型防爆功能全的定位器所替代。

    部件隔爆式，只是将定位器的危险元件置于隔爆腔内，体积和重量大大减小，结构相对简单，大小尺寸的调节阀安装使用方便，它允许在现场防爆区域内带电情况下，打开定位器的盖子进行零位、行程范围的调整，这种定位器防爆构思深得用户高度评价。

    b）增安型电气阀门定位器Ex eⅡ T6

    定位器输入信号接线端子的电气间隙和爬电距离、定位器外壳表面温度、定位器的外壳和接线盒防护等级是构成增安型防爆定位器三要素。以防止定位器产生高温、电弧和火花的可能性，大大提高了定位器的安全程度。

    定位器接线端子板裸导体的电气间隙和爬电距离、以及绝缘材料的选用应符合GB3836.3标准的规定。定位器线圈长时间通电检测的温升小于85℃，所以定位器外壳的表面温度符合增安型自燃温度T6组别的要求。定位器带裸导体接线盒和定位器的外壳防护等级为IP54，也是户外防水型产品。

    c）本质安全型电气阀门定位器

    Ex is Ⅱ CT6

    ①本质安全型定位器的防爆原理如图4所示。

    在力矩马达线圈的两端并联二只“保护性元件”（稳压二极管）D1，D2，定位器正常工作时，力矩马达线圈通过4~20mA电流信号，D1，D2处于截止状态。当定位器处于故障状态下（信号引接线突然断开瞬间），此时电感线圈产生反向电动势，通过D1，D2正向导通构成泄放回路，将储能线圈的能量进行泄放，使引接线断开处不产生电火花或使其点火能量降低到安全火花范围之内。

    ②本质安全定位器使用时，还必须与关联设备（安全栅）配套构成本质安全防爆系统，如图4所示，此系统还应取得防爆检验机构的检验和试验，简称联合取证。

    CCCX型定位器已与MTL，KFD2-LD-EX，Z715、MK31-11EXO-Li、LB928、GS8087-EX、JDS9042，JIB7040，KN9760，KNGLS3040等多家国内外型号的关联设备联合取证：一般安全栅均能应用。

    ③本质安全定位器安装现场布线有规定要求：其电缆分布电容/电感参数应控制在0.1μF/0.5mH以内。

    综观CCCX系列防爆定位器特点：

    一是，具有较完善的防爆型式：有本质安全型、隔爆型（耐压防爆型）和增安型（防水型），三种型式的防爆定位器共用一个防爆接线盒、共用一个线圈隔爆部件（本安型保护性元件胶封在线圈隔爆部件中）为用户选型提供了较大的选择余地。
    二是，具有较高的防爆级别：Ex is Ⅱ CT6本质安全型定位器（同类产品的级别是Ex is Ⅱ CT5 ） ；Ex d ⅡBT6隔爆型定位器（同类产品的防爆级别是Ex dⅡ BT4 ），用户要求可供Ex dⅡ CT6更高级别的防爆定位器，将使防爆定位器应用范围更宽。
    三是，本安型定位器与本安型关联设备组成的本质安全系统，是经过国家防爆检验机构认可的，并获联合取证证书。已与英国测量技术公司、德国P+F公司、德国图尔克、龙飞集团有限公司等厂商多种型号的关联设备联合取证。

    4 定位器的性价比

    设计院、使用单位在选择阀门定位器时。总希望定位器的性能要好，价格要适中，定位器性价比的概念由此产生。现将CCCX系列定位器的性能和售价作以下评价：（见表1，国内外定位器性价比汇总表）

    4.1 技术参数和性能指标，见表1。

    4.2 CCCX系列定位器的性价比

    通过上表国内外阀门定位器性能和价格（略）汇总比较，CCCX型定位器的技术参数和性能指标与上同类产品基本接近，产品在多功能、多用途、灵敏度高、耗气量小、输出流量大等方面优于国外产品，而产品的平均售价是国外产品的40~50%，换句话说，以较低的价格优势，使用到高性能的产品。而且在产品的售后服务和备品、备件的提供将得到充
分的保存证。

表1 国内外阀门定位器性价比汇总表

    6 智能阀门定位器应用注意

    6.1 输入阻抗大

    一般4~20mA阀门定位器输入阻抗为250Ω，而智能阀门定位器由于功能丰富，功耗大，阻抗这400~600Ω。

    DCS输入阻抗为750Ω，因此在一个回路里只能用一个阀门，不能同时串联二个阀门，特别应该注意的是，有的智能阀门定位器如果输入阻抗超过750SZ，则肯定不适合应用的。

    6.2 智能阀门定位器的信号

    智能阀门定位器的信号有：

    ·4~20mA+HART；
    ·Fielelbus Fanda tia（FF）；
    ·PEOFIBUS。

    等等，适用于各种系统。特别应注意的是有的智能阀门定位器价格较低，有自动调校的功能，但没有HART、FF、PEOFIBUS等功能，用户必须搞清楚。

    7 结束语

    本文对定位器从其结构的改进来论述其性能的提高，国内的产品如能稳定，其性能与国外一般产品是可以相当的。

    本文为用户从性能来评价产品，提出指标和判别方法，供大家参考。

原创作者：浙江金锋自动化仪表有限公司