關于控制閥“死區”的分析

死區是造成超大過程偏差度的主要原因。由于各種各樣的原因，如摩擦力、空程、閥軸扭轉、放大器或滑閥的死區等，控制閥是一個儀表回路里死區的主要來源。

死區是一種常見現象，指的是當輸入信號改變方向時，不能使得被測過程變量產生變化的控制器輸出值的范圍或寬度。當一個負載擾動發生時，過程變量會偏離設定點。這個偏差會通過控制器產生一個糾正性動作，并回復到過程中。然而，控制器輸出的一個初始變化可能不會產生一個相應的過程變量的糾正性的改變。只有當控制器的輸出變化量大得足以克服死區的改變時，一個相應的過程變量的改變才會發生。

如果控制器輸出改變方向，控制器的信號必須克服死區，才能產生過程變量的糾正性改變。工藝過程里死區的存在使控制器的輸出必須增加到大得足于克服死區，只有這時一個糾正性的動作才會發生。

死區的成因

死區有很多原因，但是控制閥的摩擦力和空程、旋轉閥閥軸的扭轉以及放大器的死區是幾種常見的形式。由于大部分的調節式控制的動作是由小信號改變（1%或更小）組成的，一個有超大死區的控制閥可能根本不會對這么多的小信號改變作出響應。一個制造精良的閥門應該能夠對1%或更小的信號作出響應以有效地減小過程偏差度。然而，也常見有些閥門出現有5%或更大的死區。在最近的一次工廠審計里，發現30%的閥門有超過4%的死區。超過65%的被審計的控制回路有大于2%的死區。

死區造成的影響

這個圖代表正常過程條件下三個不同的控制閥的開環回路測試。這些閥門接受一系列一系列從0.5% 到10% 的階躍輸入。流體工況下的階躍測試很有必要，因為這些工況可以評估整個控制閥組件的性能，而不像大部分的標準測試一樣僅僅評估閥門執行機構的性能。

死區對于閥門性能的影響

性能測試

有些對控制閥性能的測試，僅局限于比較輸入信號和執行機構推桿的行程。這是一種誤導，因為它忽略了閥門本身的性能。

關鍵的是測量流體工況下閥門的動態性能，這樣，過程變量的改變才能與閥門組件的輸入信號改變相比較。如果只有閥桿對于閥門輸入信號的改變作出響應，那么這種測試的意義不大，因為如果沒有相應的控制變量的改變，也就沒有對于過程偏差的糾正。

在所有三個閥門測試里，執行機構推桿的運動都能對輸入信號的改變作出很好的響應。另一方面，這些閥門在對應于輸入信號的改變而改變流量的能力方面卻有很大的不同。

閥門A，過程變量（流速）能對小到  0.5% 的輸入信號作出很好的響應。

閥門B ，要求輸入信號的改變大于5%，才開始對每一個輸入信號階躍作出很好的響應。

閥門C ，明顯更差，要求信號改變大于10%，才開始對每一個輸入信號階躍作出很好的響應。

總的來說，閥門B或C 的改善過程偏差度的能力是非常差的。

摩擦力

摩擦力是造成控制閥死區的一個主要原因。旋轉閥對于密封要求的高的閥座負載引起的摩擦力非常敏感。對于有些密封型式，高的閥座負載是為了獲得關閉等級所必需的。由于高的摩擦力和低的驅動應變剛度，閥軸會扭轉，無法把運動傳遞給控制元件。結果是，一個設計很差的旋轉閥可能會展示出很大的死區，這個死區明顯對過程偏差度有決定性的影響。

制造商們通常會在制造過程中潤滑旋轉閥的密封，但是經過只有幾百次的循環動作之后，潤滑層就會磨損掉。另外，壓力引起的負載也會導致密封磨損。結果是，對于某些閥門型式，閥門的摩擦力可能會增加400% 或更多。這就說明在力矩穩定之前，通過使用標準類型的數據來評估閥門而得出的性能方面的結論是誤導。閥門B 和C表明這些較高的摩擦力矩因素會對一個控制閥的性能產生毀滅性的影響。

填料摩擦力是直行程控制閥的摩擦力的主要來源。在這些類型的閥門里，測量得到的摩擦力可能會隨著閥門形式和填料結構的不同而有很大的差別。

當裝置改變方向時，這種間隙會引起運動的不連續性。間隙通常發生在具有各種各樣配置的齒輪驅動的裝置里。齒條齒輪執行機構由于間隙特別容易產生死區。有些閥軸的連接也有死區的問題。

盡管摩擦力可以通過優良的閥門設計而大幅減小，但是要完全消除它卻是一個困難的問題。一個設計制造精良的控制閥應該能夠消除由于間隙而引起的死區。為了在減小過程偏差度方面取得最佳效果，整個閥門組件的總死區應該小于或等于1%，最理想的結果是低至0.25%。

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