Compréhension des positionneurs de soupape dans cet article

Le positionneur de soupape est un dispositif utilisé pour contrôler et régler avec précision la position d'une soupape de commande.il ajuste l'ouverture de la vanne au point de réglage souhaité, assurant ainsi que les paramètres du procédé (p. ex. pression, température, débit, etc.) restent dans des plages prédéterminées.et sont largement utilisés dans le pétrole et le gaz, chimique, pharmaceutique, traitement des eaux et autres industries.

La position de la tige d'une soupape de commande pneumatique est linéairement liée à la pression d'air appliquée à l'actionneur, car les ressorts mécaniques ont tendance à suivre la loi de Hooke,qui indique que la quantité de mouvement du ressort (x) est directement proportionnelle à la force appliquée (F=kx)La force appliquée par un actionneur pneumatique est fonction de la pression de l'air et de la surface du piston/diaphragme (F=PA), et le ressort, à son tour, se compresse ou s'étire.produisant une force de réaction égale et opposéeLe résultat final est que la pression de l'actionneur est traduite linéairement en mouvement de la tige (x=PA/k).

1Positionneur de soupape de commande

Cette relation linéaire et répétable entre la pression du signal pneumatique et la position de la tige n'est vraie que si, et seulement si,le diaphragme/piston d'action et le ressort sont les seules forces agissant sur la tigeSi une autre force agit sur le mécanisme, la relation entre la pression du signal et la position de la tige ne sera plus idéale.

Malheureusement, il y a beaucoup d'autres forces qui agissent sur la tige en plus des forces d'action et des forces de réaction du ressort.et la force de réaction sur la bobine causée par la pression différentielle dans la zone de bobine est une autreCes forces se combinent pour repositionner la tige de sorte que le déplacement de la tige n'est pas précisément lié à la pression du fluide d'actionnement.

Une solution commune à ce dilemme est d'ajouter un positionneur de vanne à l'assemblage de la vanne de commande. A valve positioner is a motion control device designed to actively compare the stem position to a control signal and adjust the actuator diaphragm or piston pressure until the correct stem position is achieved:

Le positionneur de soupape lui-même est essentiellement un système de commande: la position de la soupape est la variable de processus (PV), le signal de commande au positionneur est le point de réglage (SP),et le signal du positionneur à l'actionneur de vanne est la variable manipulée (MV) ou la sortieAinsi, lorsque le contrôleur de processus envoie un signal de commande à la vanne équipée d'un positionneur,le positionneur reçoit ce signal de commande et applique à l'actionneur la pression d'air nécessaire pour atteindre la position de la tige souhaitéeAinsi, le positionneur “batte” toute autre force agissant sur la tige de la vanne pour obtenir un positionnement clair et précis de la tige conformément au signal de commande.Un positionneur fonctionnant correctement garantit que la vanne de commande “se comporte” selon le signal de commande.

2Exemple de positionneur de soupape pneumatique

L'image suivante montre un positionneur pneumatique Fisher modèle 3582 monté sur une vanne de commande. Le positionneur est une boîte grise avec trois manomètres sur le côté droit:

Une partie du mécanisme de rétroaction peut être vue sur le côté gauche de ce positionneur: un support métallique boulonné au connecteur de tige qui se fixe à un bras qui s'étend du côté du positionneur.Chaque positionneur de soupape de commande doit être équipé d'un moyen de détecter la position de la tige., sinon le positionneur ne serait pas en mesure de comparer la position de la tige avec le signal de commande.

Un positionneur plus moderne, le Fisher DVC6200 (encore une fois dans une boîte grise avec une jauge de pression sur le côté droit), apparaît sur la photo suivante:

Comme le positionneur précédent du modèle 3582, ce DVC6000 utilise une liaison de rétroaction sur le côté gauche pour détecter la position de la tige de soupape.Le nouveau DVC6200 utilise un capteur d'effet Hall magnétique pour détecter la position d'un aimant boulonné à la tigeCette conception de rétroaction de position non mécanique élimine les réactions négatives, l'usure, les interférences et autres problèmes potentiels associés aux liaisons mécaniques.Une meilleure rétroaction est essentielle pour un meilleur positionnement des vannes.

Les positionneurs de soupape de commande sont généralement conçus pour générer et décharger des flux d'air élevés, de sorte que le positionneur fonctionne également comme un amplificateur de volume850.le positionneur assure non seulement un positionnement plus précis de la tige, mais aussi des vitesses de tige plus rapides (délais de temps plus courts) que les actionneurs de vannes qui sont “alimentés” directement par le capteur I/P.

3La soupape est en position.

Un autre avantage de l'ajout d'un positionneur de vanne à une vanne de commande pneumatique est que la vanne scelle (se ferme bien) mieux.Cet avantage n'est pas évident à première vue et nécessite donc une explication..

Tout d'abord, il faut comprendre que dans une soupape de commande, le contact entre la bobine et le siège ne suffit pas à lui seul à assurer une fermeture serrée.la bobine doit être pressée fortement contre le siège pour couper complètement tout le flux à travers la vanne. Quiconque a déjà serré la poignée d'un robinet qui fuit comprend ce principe intuitivement:une certaine force de contact est nécessaire entre la fiche et le siège afin de déformer légèrement les deux partiesLe terme technique désignant cette exigence mécanique est "chargement du siège".

Imaginez une soupape pneumatique d'ouverture directe et actionnée par un diaphragme avec un réglage de 3 à 15 psi.le diaphragme génère juste assez de force pour surmonter la précharge du ressort d'actionnement, mais pas assez pour déplacer la bobine du siège.

En d'autres termes, à une pression de diaphragme de 3 psi, la bobine entre en contact avec le siège, mais il y aura peu de force pour fournir un joint étanche.Si cette soupape de commande est alimentée directement par un capteur I/P calibré de 3 à 15 PsiPour que la bobine soit complètement assise pour une étanchéité étroite, il est préférable d'utiliser une boucle d'étanchéité de 3 psi.toute la pression de l'air doit être retirée du diaphragme pour s'assurer qu'il n'y a pas de force du diaphragme contre le ressortCeci n'est pas possible pour une entrée/sortie avec une plage d'étalonnage de 3 à 15 psi.

Maintenant, imaginez que la même valve est équipée d'un positionneur qui reçoit un signal de 3 à 15 Psi de l'I / P et l'utilise comme une commande (point de réglage) pour la position de la tige,appliquant autant ou aussi peu de pression sur le diaphragme que nécessaire pour atteindre la position de la tige désiréeLa façon correcte de calibrer le positionneur est que la tige ne commence à se soulever que lorsque le signal est légèrement supérieur à 0%,ce qui signifie qu'à 0% (4mA) le positionneur va essayer de forcer la vanne à une position légèrement négative de la tigePour tenter d'atteindre cette exigence impossible, la sortie du positionneur atteindra une faible saturation, n'exerçant aucune pression sur le diaphragme d'actionnement,résultant de l'exécution de la force de ressort complète sur le siège de la soupape par la tige de soupapeUne comparaison des deux scénarios est présentée dans le tableau ci-dessous:

Bien que les positionneurs soient utiles pour les actionneurs de soupapes à ressort, ils sont absolument essentiels pour certains autres types d'actionneurs.Considérez l'actionneur pneumatique à double action sans ressorts suivant:

Sans un ressort pour fournir une force de retenue pour ramener la vanne à la position de sécurité, il n'y a pas de relation de la loi de Hooke entre la pression d'air appliquée et la position de la tige.Le positionneur doit appliquer alternativement une pression d'air sur les deux surfaces du piston pour soulever et abaisser la tige.

Motorized control valve actuators are another actuator design that absolutely requires some form of positioner system because the motorized unit cannot “sense” the position of its own shaft to move the control valve accuratelyPar conséquent, a positioner circuit using a potentiometer or LVDT/RVDT transducer to detect the position of the valve stem and a set of transistor outputs to drive the motor is required to enable the electric actuator to respond to analog control signals.

4. Pneumatique de positionnement de l' équilibre de force

Une conception simple du positionneur de soupape pneumatique équilibré par la force est illustrée ci-dessous:

Le signal de commande de cette soupape est un signal pneumatique de 3 à 15 psi provenant d'un capteur I/P ou d'un contrôleur pneumatique (ni l'un ni l'autre ne figure sur le diagramme).Cette pression du signal de commande exerce une force ascendante sur le faisceau de forceL'augmentation de la contre-pression dans la buse entraîne le relais d'amplification pneumatique à produire plus de pression d'air vers l'actionneur de la vanne,qui à son tour soulève la tige de la vanne (ouvre la vanne)Au fur et à mesure que la tige de la vanne se soulève, le ressort reliant l'actionneur à la tige de la vanne s'étire davantage, appliquant une force supplémentaire sur le côté droit de l'actionneur.Lorsque cette force supplémentaire est équilibrée avec la force des soufflets, le système se stabilise à un nouveau point d'équilibre.

Comme pour tous les systèmes équilibrés par la force, le mouvement de la tige est limité par la force d'équilibrage, de sorte que son mouvement est négligeable dans la pratique.l' équilibre est atteint par une force équilibrant une autre, comme deux équipes de personnes tirant sur une corde: tant que les forces des deux équipes sont égales en magnitude et en direction opposée, la corde ne déviera pas de sa position initiale.

Le schéma ci-dessous montre le positionneur d'équilibre de force PMV 1500 pour positionner un actionneur de soupape rotative avec le couvercle sur (en haut) et sous (en bas):

Un signal de commande pneumatique de 3 à 15 psi pénètre dans le soufflet et pousse vers le bas sur le faisceau de force horizontal (noir).L'ensemble de la vanne pilote pneumatique sur le côté gauche du faisceau de force détecte tout mouvement et augmente la pression de l'air au diaphragme d'actionnement de la vanne si un mouvement vers le bas est détecté, et libère la pression d'air vers l'actionneur si un mouvement ascendant est détecté:

Lorsque l'air comprimé pénètre dans l'actionneur de la vanne par l'assemblage de la vanne pilote, la vanne rotative commence à tourner dans la direction ouverte.Le mouvement rotatif de l'arbre est converti en mouvement linéaire à l'intérieur du positionneur au moyen d'une came: la cam est un disque d'un rayon irrégulier conçu pour produire un déplacement linéaire à partir d'un déplacement angulaire:

Un suiveur de rouleaux situé à l'extrémité du faisceau doré se déplace le long de la circonférence de la caméra.Le mouvement de cam est converti en une force de course droite par compression du ressort de la bobine directement contre la force des soufflets pneumatiques sur le faisceau de forceLorsque le mouvement de la tige est suffisant pour comprimer le ressort suffisamment pour contrebalancer la force supplémentaire générée par les soufflets pneumatiques,le faisceau de force retourne à la position d'équilibre (très proche de la position de départ) et la vanne cesse de bouger.

Si vous regardez attentivement la dernière photo, vous verrez la vis de mise à zéro du positionneur: une tige filetée qui s'étend sous le faisceau doré.Cette vis ajuste la compression du ressort de biais de sorte que l'unité de positionnement pense que la came est dans une position différentePar exemple, en tournant cette tige filetée dans le sens des aiguilles d'une montre (vu de l'extrémité en fente de l'embrayage du tournevis) le ressort est comprimé davantage, ce qui pousse la tige plus foncée vers le haut avec plus de force.obtenant le même effet qu'une légère rotation en sens inverse des aiguilles d'une montreCela provoque l'action du positionneur et la rotation de la came dans le sens des aiguilles d'une montre pour compenser, ce qui la rapproche de la position de la tige de 0%.

Bien que la came et le suiveur dans ce mécanisme de positionnement se déplacent en réponse au mouvement de la tige,Il peut encore être considéré comme un mécanisme d'équilibrage de force puisque le membre transversal fixé à la vanne pilote ne bouge pas sensiblementEn équilibrant les forces sur le faisceau, la vanne pilote est toujours en position équilibrée.

5Positionneur pneumatique d'équilibrage dynamique

Il existe également des conceptions de positionneurs pneumatiques de soupape d'équilibrage du mouvement, où le mouvement de la tige de soupape contrecarre le mouvement (pas la force) d'un autre élément.Le schéma ci-dessous montre comment fonctionne un simple positionneur équilibré par mouvement:

Dans ce mécanisme, une augmentation de la pression du signal fait avancer le faisceau vers la buse, ce qui entraîne une contre-pression plus élevée de la buse,qui à son tour provoque le relais d'amplification pneumatique pour fournir plus de pression d'air à l'actionneur de vanneLorsque la souche de soupape se soulève, le mouvement vers le haut de l'extrémité droite du faisceau compense l'avance précédente du faisceau vers l'embout.le faisceau sera en position inclinée où le mouvement du soufflet est équilibré par le mouvement de la tige.

La photographie suivante montre une vue rapprochée du mécanisme de positionnement de l'équilibre pneumatique FISHER modèle 3582:

Au cœur du mécanisme se trouve un anneau métallique en forme de D qui traduit le mouvement du soufflet et le mouvement de la tige en mouvement de déflecteur.le soufflet (situé en dessous du coin supérieur droit de l'anneau D) se dilateLorsque le positionneur est réglé sur action directe, ce mouvement d'oscillation pousse le baffle plus près de la buse.qui augmente la contre-pression et fournit plus d'air comprimé à l'actionneur de vanne:

Au fur et à mesure que la tige se déplace, le levier de rétroaction fait pivoter la came au bas de l'anneau en D.Le rouleau de suivi sur cette came traduit le mouvement de la souche de vanne dans un autre mouvement de balancement sur le faisceauEn fonction de la façon dont la came est fixée à l'arbre de rétroaction, ce mouvement peut provoquer le basculement de la vanne plus loin ou plus près de l'embout.La direction de cam doit être choisie pour correspondre à l'action de l'actionneur: directe (l'air étend la tige de la vanne) ou inverse (l'air retire la tige de la vanne).

Le mécanisme D-ring est assez ingénieux en ce qu'il permet un ajustement facile de la portée en ajustant l'angle de l'assemblage de déflecteur (bouchon) à divers points le long de la circonférence de l'anneau.Si l'assemblage de déflecteur est placé près de l'horizontale, il sera le plus sensible au mouvement du soufflet et le moins sensible au mouvement de la tige, obligeant la vanne à se déplacer plus loin pour équilibrer le petit mouvement du soufflet (longueur de course).si l'ensemble de la vanne est placé près de la verticale, il sera maximalement sensible au mouvement de la tige et minimalement sensible au mouvement du soufflet, ce qui entraînera une très faible course de vanne (c'est-à-direles soufflets devront s'étendre considérablement pour équilibrer la petite quantité de mouvement de la tige).

6Positionneur de soupape numérique

Rappelons que le but d'un positionneur de vanne est de s'assurer que la position d'une vanne mécanique correspond toujours au signal commandé.le positionneur de vanne lui-même est en fait un système de commande en boucle fermée: l'application d'une pression aussi grande ou aussi faible que possible sur l'actionneur afin d'atteindre toujours la position de la tige commandée.et d'autres composants physiques pour réaliser ce contrôle en boucle fermée.

Les positionneurs numériques de vannes (comme le modèle Fisher DVC6000) utilisent des capteurs électroniques pour détecter la position de la tige,un microprocesseur pour comparer la position de la tige détectée avec un signal de contrôle par soustraction mathématique (erreur = position - signal), puis un convertisseur de signal pneumatique et un relais pour envoyer la pression d'air à l'actionneur de la vanne.

Comme vous pouvez le voir sur le diagramme, la structure interne d'un positionneur de soupape numérique est très complexe.mais deux algorithmes de commande travaillant en tandem pour maintenir la bonne position de la vanne: on surveille et on contrôle la pression appliquée à l'actionneur (compensant les variations de pression d'alimentation pouvant affecter la position de la vanne),et l'autre surveille et contrôle la position de la soupape elle-même, en envoyant des signaux de commande en cascade à l'ensemble de commande de pression.

Un signal de commande (provenant d'un contrôleur de boucle de procédé, d'un PLC ou d'un autre système de commande) indique au positionneur la position de la tige de soupape.Le premier contrôleur (PI) dans le positionneur calcule la pression d'air dont l'actionneur a besoin pour atteindre la position de la tige requise. Le contrôleur suivant (PID) entraîne le convertisseur I/P (courant-pression) au besoin pour atteindre cette pression.les deux contrôleurs dans le positionneur travailleront ensemble pour forcer la vanne à la bonne position.

Non seulement un positionneur de vanne numérique offre un contrôle de position supérieur par rapport à un positionneur de vanne mécanique, but its array of sensors and digital communication capabilities provide a higher level of diagnostic data for maintenance personnel and supervisory control systems (if programmed to monitor and act on that data).

Les données diagnostiques fournies par le positionneur de soupape numérique comprennent:

- Pression d'alimentation en air

- pression de l'air dans l'actionneur

--Température ambiante

--Erreur de position et de pression

-Trajet total de la tige (similaire à un compteur d'heures d'une automobile)

En outre, le microprocesseur intégré au positionneur de soupape numérique est capable d'effectuer des auto-tests, l'auto-étalonnage,et autres procédures de routine traditionnellement effectuées par des techniciens en instrumentation sur des positionneurs mécaniques de vannes. The digital valve positioner also captures measurements such as total stem travel to predict when the packing will wear out and automatically sends out maintenance alerts to notify the operator and/or instrument technician when the stem packing needs to be replaced!

7- Une défectuosité du capteur de position.

Certains positionneurs de soupape "intelligents" surveillent la pression de l'air de l'actionneur en plus de la position de la tige,et ont donc une caractéristique utile de maintenir un certain degré de contrôle de la vanne en cas de panne du capteur de position de la tigeSi le microprocesseur détecte une défaillance du signal de rétroaction de position (hors plage), il peut être programmé pour continuer à faire fonctionner la vanne en fonction de la pression seulement:

C'est-à-dire que la pression de l'air vers l'actionneur de soupape est réglée en fonction de la fonction pression/position enregistrée dans le passé.il ne fonctionne plus strictement comme un positionneur, mais peut toujours fonctionner comme un booster (par rapport au débit d'une I/P typique) et fournir un contrôle raisonnable de la vanne,alors que tout autre positionneur de vanne (non intelligent) aggrave la situation lorsqu'il perd la rétroaction de la position de la tige.

Avec tout positionnateur purement mécanique, si le lien de rétroaction de la position de la tige est délogé, la vanne de commande se saturera généralement et s'ouvrira complètement ou se fermera complètement.Ce n'est pas le cas des meilleurs positionneurs "intelligents".!

8. Pression de l'actionneur et position de la tige

Les données diagnostiques les plus importantes fournies par un positionneur de soupape numérique sont probablement la comparaison de la pression de l'actionneur avec la position de la tige, généralement représentée graphiquement.La pression de l'actionneur est un reflet direct de la force appliquée à la tige par l'actionneur, puisque la relation entre la force du piston ou du diaphragme et la pression est simplement F=PA, où la surface (A) est une constante.la comparaison de la pression de l'air de l'actionneur à la position de la tige est en fait une expression de la force et de la position de la vanneCette caractérisation dite de la vanne est très utile pour identifier et corriger des problèmes tels que le frottement excessif de l'emballage, les interférences avec l'intérieur de la vanne et les problèmes d'ajustement de la bobine/du siège.

On voit ici une capture d'écran montrant la caractérisation de la vanne (tirée du produit logiciel ValveLink d'Emerson,une partie de sa suite AMS) du comportement d'une vanne de commande directe Fisher E-body ouverte à l'air:

Ce graphique montre deux graphiques de la pression de l'actionneur par rapport à la position de la tige, l'un en rouge et l'autre en bleu.

Le graphique rouge montre la réponse de la vanne dans la direction ouverte, lorsque la vanne est ouverte (en haut), une pression supplémentaire est nécessaire pour surmonter le frottement de l'emballage.

Le graphique bleu montre la vanne fermée, avec moins de pression appliquée maintenant sur le diaphragme pour permettre à la compression du ressort de surmonter le frottement de l'emballage lorsque la vanne se ferme (vers le bas) pour se reposer.

Les virages brusques aux extrémités de ce schéma indiquent la position où la tige de la vanne atteint sa position finale et ne peut pas avancer malgré de nouveaux changements de pression de l'actionneur.

Selon la loi de Hooke, qui décrit le comportement des ressorts de soupape, chaque graphe est à peu près linéaire,dont la force exercée sur le ressort est proportionnelle au déplacement (compression) de ce ressort: F=kx. Toute déviation par rapport aux graphes linéaires indique que des forces autres que la compression du ressort et la pression de l'air agissent sur la tige.C'est pourquoi nous voyons un décalage vertical dans les deux parcelles: le frottement d'emballage est une autre force agissant sur la tige en plus de la compression du ressort et de la force exercée par la pression de l'air sur le diaphragme de l'actionneur.L'ampleur de ce décalage est relativement faible, et sa consistance indique que le frottement d'emballage est "sant" dans cette vanne. Plus le frottement d'emballage subi par la vanne est élevé, plus le décalage vertical des deux tableaux est grand.

La chute brusque à l'extrémité gauche du graphique où la prise de vanne entre en contact avec le siège de la vanne est appelée le profil du siège.Le profil du siège est situé à la fin du diagramme où la vanne est fermée et contient de nombreuses informations utiles sur l'état physique de la prise de vanne et du siège. Au fur et à mesure que ces éléments internes de la vanne s'usent dans une vanne de commande, la forme du profil du siège change.

Les contours des sièges peuvent être examinés en détail en zoomant sur l'extrémité inférieure gauche du dessin des caractéristiques de la vanne.La figure suivante montre le profil du siège d'une vanne de commande directe Fisher E-body en bon état.:

Si le personnel d'entretien d'une installation est suffisamment diligent pour enregistrer les caractéristiques des vannes de ses vannes de commande après leur assemblage ou leur reconstruction,les caractéristiques “originales” d'une vanne de commande donnée peuvent être comparées aux caractéristiques de la même vanne de commande à une date ultérieure, permettant de déterminer l'usure sans avoir à démonter la vanne pour inspection.

Il est intéressant de noter que cette relation entre la pression (force) de l'actionneur et la position de la tige s'applique également aux positionneurs de vannes numériques utilisés dans certaines vannes motorisées modernes.la force appliquée à la tige de la vanne est directement liée au courant du moteur, qui peut être facilement mesurée et interprétée par le positionneur de soupape numérique.

En conséquence, le même type de données diagnostiques peut être présenté graphiquement, même lorsque différentes technologies d'actionnement sont utilisées, pour faciliter le diagnostic des problèmes de vanne.Ces diagnostics s'appliquent même aux soupapes motorisées d'ouverture/fermeture qui ne sont pas utilisées dans le service d'étranglement et sont particulièrement applicables à la porte, des vannes de commande à prise et à prise directe, où l'engagement du siège est important pour une fermeture serrée.