Kontrol Vanası Aktüatörleri ve Konumlayıcıları

Kontrol vanalarının çalışması için aktüatörlere ihtiyaç vardır. Bu kısa eğitim, elektrik ve pnömatik aktüatörler arasındaki farkları, doğrudan etkili ve ters etkili terminolojisi arasındaki ilişkiyi ve bunun bir vananın kontrol etkisini nasıl etkilediğini kısaca tartışmaktadır. Konumlayıcıların önemi, ne yaptıkları ve birçok uygulama için neden gerekli oldukları açısından ele alınmaktadır.

Aktüatörler Blok 5 ‘Kontrol Teorisi’nde, basit proses kontrolünü tanımlamak için bir benzetme kullanılmıştı:

• Kol kası ve el (aktüatör) vanayı - (kontrol edilen cihazı) döndürdü.

Kontrol cihazlarının bir biçimi olan kontrol vanası artık ele alınmıştır. Aktüatör, bir sonraki mantıklı ilgi alanıdır.

Bir kontrol vanasının çalışması, hareketli parçasını (tapa, bıçak veya kanat) vananın sabit oturağına göre konumlandırmayı içerir. Vana aktüatörünün amacı, vana tapasını kontrol sinyali tarafından belirlenen bir konuma doğru bir şekilde yerleştirmektir.

Aktüatör, kontrol sisteminden bir sinyal alır ve buna yanıt olarak vanayı tam açık veya tam kapalı konuma ya da daha açık veya daha kapalı bir konuma taşır (‘aç/kapa’ veya ‘sürekli’ kontrol eylemi kullanılıp kullanılmadığına bağlı olarak).

Bu aktüasyonu sağlamak için birkaç yol vardır. Bu Modül, ikisine odaklanacaktır:

• Pnömatik.
• Elektrikli. Diğer önemli aktüatörler arasında hidrolik ve doğrudan etkili tipler bulunur. Bunlar Blok 7 ‘Kontrol Ekipmanları: Kendiliğinden Çalışan Kontroller’de ele alınmaktadır.

Pnömatik aktüatörler – çalışma ve seçenekler Pnömatik aktüatörler, kontrol vanalarını çalıştırmak için yaygın olarak kullanılır ve iki ana formda mevcuttur; piston aktüatörler (Şekil 6.6.1) ve diyafram aktüatörler (Şekil 6.6.2)

Piston aktüatörler Piston aktüatörler genellikle bir diyafram aktüatörün strokunun çok kısa veya itme kuvvetinin çok küçük olduğu durumlarda kullanılır. Sıkıştırılmış hava, sağlam bir silindir içinde bulunan sağlam bir pistona uygulanır. Piston aktüatörler tek etkili veya çift etkili olabilir, daha yüksek giriş basınçlarına dayanabilir ve yüksek hızda çalışabilen daha küçük silindir hacimleri sunabilir. Diyafram aktüatörler Diyafram aktüatörlerde sıkıştırılmış hava, diyafram adı verilen esnek bir membrana uygulanır. Şekil 6.6.2’de, etkin diyafram alanının aktüatör stroku boyunca neredeyse sabit olduğu bir yuvarlanma diyaframı gösterilmektedir. Bu tip aktüatörler tek etkilidir, yani hava yalnızca diyaframın bir tarafına beslenir ve doğrudan etkili (yay-geri-çekme) veya ters etkili (yay-uzatma) olabilirler. Ters etkili (yay-uzatma) Çalışma kuvveti, esnek bir diyaframa uygulanan sıkıştırılmış hava basıncından elde edilir. Aktüatör, hava basıncından kaynaklanan kuvvetin diyafram alanı ile çarpılmasının, yay(lar)ın uyguladığı kuvveti (zıt yönde) yenecek şekilde tasarlanmıştır.

Diyafram (Şekil 6.6.2) yukarı doğru itilerek mil yukarı çekilir ve mil doğrudan etkili bir vanaya bağlıysa, tapa açılır. Aktüatör, belirli bir hava basıncı değişikliği ile milin, vanayı tam kapalıdan tam açık konumuna kadar tam strok boyunca hareket edecek kadar hareket edecek şekilde tasarlanmıştır.

Hava basıncı azaldıkça, yay(lar) mili zıt yönde hareket ettirir. Hava basıncı aralığı, belirtilen aktüatör yay derecesine eşittir, örneğin 0,2 - 1 bar.

Daha büyük bir vana ve/veya çalışılması gereken daha yüksek bir diferansiyel basınç ile, tam vana hareketi elde etmek için daha fazla kuvvet gereklidir.

Daha fazla kuvvet oluşturmak için, daha büyük bir diyafram alanı veya daha yüksek bir yay aralığı gereklidir. Bu nedenle kontrol üreticileri, artan diyafram alanları ve farklı kuvvetler oluşturmak için çeşitli yay aralıkları seçeneği içeren, bir dizi vanaya uygun pnömatik aktüatör serisi sunmaktadır.

Şekil 6.6.3’teki diyagramlar, temel bir pnömatik aktüatörün bileşenlerini ve artan hava basıncıyla mil hareket yönünü göstermektedir. Doğrudan etkili aktüatör (yay-geri-çekme) Doğrudan etkili aktüatörde, yay diyaframın altında bulunur ve hava diyaframın üstündeki alana beslenir. Sonuç olarak, artan hava basıncıyla mil hareketi, ters etkili aktüatörün tersi yönde gerçekleşir.

Bu hareketin vana açıklığı üzerindeki etkisi, kullanılan vananın tasarımına ve türüne bağlıdır ve Şekil 6.6.3’te gösterilmiştir.

Ancak, Şekil 6.6.4’te gösterilen bir alternatif daha vardır. Doğrudan etkili bir pnömatik aktüatör, ters etkili bir tapaya (bazen ‘asma tapa’ olarak adlandırılır) sahip bir kontrol vanasına bağlanmıştır. Doğrudan etkili ve ters etkili pnömatik kontroller arasındaki seçim, sıkıştırılmış hava beslemesinin arızalanması durumunda vananın hangi konuma dönmesi gerektiğine bağlıdır. Vana kapanmalı mı yoksa tam açık mı olmalı? Bu seçim, uygulamanın doğasına ve güvenlik gereksinimlerine bağlıdır. Buhar vanalarının hava arızasında kapanması, soğutma vanalarının ise hava arızasında açılması mantıklıdır. Aktüatör ve vana tipi kombinasyonu göz önünde bulundurulmalıdır. Şekil 6.6.5 ve Şekil 6.6.6, çeşitli kombinasyonların net etkisini göstermektedir. Diferansiyel basıncın vana kaldırma üzerindeki etkisi Diyafram odasına beslenen hava, pnömatik kontrolörden gelen kontrol sinyalidir. En yaygın kullanılan sinyal hava basıncı 0,2 bar ile 1 bar arasındadır. Standart 0,2 ile 1,0 bar yay(lı) ile donatılmış, doğrudan etkili bir vanaya (Şekil 6.6.7) monte edilmiş ters etkili bir aktüatör (yay-uzatma) düşünün. Vana ve aktüatör montajı ayarlandığında (veya ‘tezgah ayarı’ yapıldığında), 0,2 bar hava basıncının yayların direncini yenmeye başlaması ve vana tapasını oturağından uzaklaştırması için ayarlanır.

Hava basıncı artırıldıkça, vana tapası oturağından giderek daha fazla uzaklaşır ve sonunda 1 bar hava basıncında vana %100 açık olur. Bu, Şekil 6.6.7’de grafik olarak gösterilmektedir.

Şimdi bu montajın bir boru hattında, basınç düşürme uygulamasında, üst tarafta 10 bar g ve alt basıncı 4 bar g olarak kontrol edecek şekilde kurulduğunu düşünün.

Vanadaki diferansiyel basınç 10 - 4 = 6 bar’dır. Bu basınç, vana tapasının alt tarafına etki ederek vanayı açma eğiliminde bir kuvvet sağlar. Bu kuvvet, aktüatördeki hava basıncının sağladığı kuvvete ek bir kuvvettir.

Bu nedenle, aktüatöre örneğin 0,6 bar hava beslenirse (0,2 ile 1 bar’ın ortası), vana beklenen %50 açık konumu almak yerine, diferansiyel basıncın sağladığı ekstra kuvvet nedeniyle gerçek açıklık daha büyük olacaktır.

Ayrıca, bu ek kuvvet, vananın 0,2 bar’da kapanmadığı anlamına gelir. Bu örnekte vanayı kapatmak için kontrol sinyali yaklaşık 0,1 bar’a düşürülmelidir.

Durum, bir ısı eşanjöründe sıcaklığı kontrol eden bir buhar vanası için biraz farklıdır, çünkü vanadaki diferansiyel basınç şu değerler arasında değişecektir:

• Minimum, süreç maksimum ısı talep ettiğinde ve kontrol vanası %100 açık olduğunda.
• Maksimum, süreç sıcaklığına ulaştığında ve kontrol vanası kapalı olduğunda. Isı eşanjöründeki buhar basıncı, ısı yükü arttıkça artar. Bu, Modül 6.5, Örnek 6.5.3 ve Tablo 6.5.7’de görülebilir.

Kontrol vanasının üst tarafındaki basınç sabit kalırsa, ısı eşanjöründeki buhar basıncı yükseldikçe, vanadaki diferansiyel basınç azalmalıdır.

Şekil 6.6.8, havanın doğrudan etkili bir aktüatöre uygulandığı durumu göstermektedir. Bu durumda, diferansiyel basınç tarafından yaratılan vana tapasındaki kuvvet hava basıncına karşı çalışır. Etkisi şudur: aktüatöre örneğin 0,6 bar hava beslenirse, vana beklenen %50 açık konumu almak yerine, diferansiyel basıncın sağladığı ekstra kuvvet nedeniyle açıklık yüzdesi daha büyük olacaktır. Bu durumda, vanayı tamamen kapatmak için kontrol sinyali yaklaşık 1,1 bar’a artırılmalıdır. Vana ve aktüatörü diferansiyel basınçtan kaynaklanan kuvvetleri hesaba katacak şekilde yeniden ayarlamak veya belki farklı yaylar, hava basıncı ve aktüatör kombinasyonları kullanmak mümkün olabilir. Bu yaklaşım, küçük vanalarda, düşük diferansiyel basınçlarda ve hassas kontrolün gerekli olmadığı durumlarda ekonomik bir çözüm sağlayabilir. Ancak, pratikte şunlar söz konusudur:

• Daha büyük vanaların diferansiyel basıncın etki edeceği daha geniş alanları vardır, bu da üretilen kuvvetleri artırır ve vana konumu üzerinde artan bir etkiye sahip olur.
• Daha yüksek diferansiyel basınçlar, daha yüksek kuvvetlerin üretildiği anlamına gelir.
• Vanalar ve aktüatörler sürtünme oluşturarak histerezise neden olur. Daha küçük vanalar, toplam kuvvetlere kıyasla daha fazla sürtünmeye sahip olma eğilimindedir. Çözüm, vana/aktüatör montajına bir konumlayıcı takmaktır. (Konumlayıcılar hakkında daha fazla bilgi bu Modülün ilerleyen bölümlerinde verilmektedir.)

Not: Yukarıdaki örnekler basitlik açısından bir konumlayıcı kullanılmadığını ve histerezisin sıfır olduğunu varsayar.

Çeşitli vana ve aktüatör kombinasyonları için vanayı oturağında tutmak için kullanılabilir itme kuvvetini belirlemek amacıyla kullanılan formüller Şekil 6.6.9’da gösterilmektedir.

Burada:

A = Diyaframın etkin alanı

Pmax = Aktüatöre maksimum basınç (normalde 1,2 bar)

Smax = Yayın maksimum tezgah ayarı

Pmin = Aktüatöre minimum basınç (normalde 0 bar)

Smin = Yayın minimum tezgah ayarı

Vanayı kapatmak için kullanılabilir itme kuvveti üç işlevi yerine getirmelidir:

1. Kapalı konumdaki akışkan diferansiyel basıncını yenmek.
2. Vana ve aktüatördeki sürtünmeyi yenmek, öncelikle vana ve aktüatör milindeki conta bölgelerinde.
3. Gerekli sıkılık derecesini sağlamak için vana tapası ve vana oturağı arasında bir conta yükü sağlamak. Kontrol vanası üreticileri, çeşitli vana ve aktüatör/yay kombinasyonlarının çalışacağı maksimum diferansiyel basınçların tam detaylarını normalde sağlarlar; Şekil 6.6.10’daki Tablo bu verilere bir örnektir.

Not: Konumlayıcı kullanırken, minimum ve maksimum hava basınçları için üreticinin dokümanlarına başvurmak gereklidir.

Konumlayıcılar Birçok uygulamada, diyafram odasındaki 0,2 ile 1 bar arasındaki basınç, sürtünme ve yüksek diferansiyel basınçlarla başa çıkmak için yeterli olmayabilir. Daha yüksek bir kontrol basıncı ve daha güçlü yaylar kullanılabilir, ancak pratik çözüm bir konumlayıcı kullanmaktır.

Bu, genellikle aktüatörün ayağına veya sütunlarına monte edilen ek bir parçadır (bkz. Şekil 6.6.11) ve vana konumunu izlemek için bir geri bildirim koluyla aktüatörün miline bağlıdır. Vanayı konumlandırmak için kullandığı, daha yüksek basınçlı kendi hava beslemesine ihtiyaç duyar. Bir vana konumlayıcı, giriş sinyali ile vana konumunu ilişkilendirir ve bu ilişkiyi sağlamak için vananın gereksinimlerine ve maksimum besleme basıncı sınırlamaları dahilinde aktüatöre gerekli her çıkış basıncını sağlar. Bir konumlayıcı, bir ‘hava ile açılan’ vana ve aktüatör düzenine takıldığında, yay aralığı kapatma kuvvetini artırmak için artırılabilir ve böylece belirli bir vananın tolerans gösterebileceği maksimum diferansiyel basınç artırılabilir. Hava basıncı ayrıca sürtünmeyi yenmek için gerektiği gibi ayarlanacak ve böylece histerezis etkileri azaltılacaktır. Örnek: DN50 vanaya takılmış bir PN5400 serisi aktüatör alın (bkz. Şekil 6.6.10’daki Tablo)

Elektrikli aktüatörler Pnömatik besleme mevcut değilse veya tercih edilmiyorsa, vanayı kontrol etmek için bir elektrikli aktüatör kullanmak mümkündür. Elektrikli aktüatörler, aşağıdaki aralıkta voltaj gereksinimleri olan bir elektrik motoru kullanır: 230 Vac, 110 Vac, 24 Vac ve 24 Vdc. İki tür elektrikli aktüatör vardır; VMD (Vana Motor Sürücü) ve Modülasyonlu.

VMD (Vana Motor Sürücü) Elektrikli aktüatörün bu temel versiyonunun üç durumu vardır:

1. Vanayı açmaya sürmek.
2. Vanayı kapatmaya sürmek.
3. Hareket yok. Şekil 6.6.20, aktüatörün ileri ve geri hareketinin herhangi bir harici 3 konumlu veya iki 2 konumlu anahtar ünitesinden doğrudan kontrol edildiği VMD sistemini göstermektedir. Anahtarlar aktüatör voltajı için derecelendirilmiştir ve uygun rölelerle değiştirilebilir.

VMD aktüatörlerde motorları aşırı hareket hasarından korumak için sınırlayıcı cihazlar takılmıştır. Bu cihazlar ya maksimum motor torku ya da fiziksel konum sınırlama anahtarlarına dayanır. Her iki cihaz da motor güç kaynağını keserek motor sürüşünü durdurur.

• Konum sınırlama anahtarları, aşırı boyutlu vanalarda vana stroklarını sınırlamak için ayarlanabilme avantajına sahiptir.
• Tork anahtarları, vana oturağında tanımlı bir kapatma kuvveti verme ve vana milinin sıkışması durumunda aktüatörü koruma avantajına sahiptir.
• Yalnızca konum sınırlama anahtarları kullanılıyorsa, sıkı vana kapanışını sağlamak için yay yüklü bir kaplin ile birleştirilebilirler. Bir VMD aktüatör, aç/kapa aktüasyonu veya modülasyonlu kontrol için kullanılabilir. Kontrolör, vanayı belirli bir süre açarak veya kapatarak konumlandırır ve istenen konuma ulaşmasını sağlar. Bazı kontrolörlerle vana konumu geri bildirimi kullanılabilir Modülasyonlu Sistem gereksinimlerine yanıt olarak kontrol vanasını konumlandırmak için modülasyonlu bir aktüatör kullanılabilir. Bu üniteler daha yüksek güçlü motorlara (tipik olarak 1.200 başlatma/saat) sahip olabilir ve yerleşik elektronik içerebilir.

Modülasyonlu aktüatörde, tipik olarak 0-10 V veya 4-20 mA olan analog kontrol sinyalini kabul eden bir konumlandırma devresi bulunabilir. Aktüatör daha sonra bu kontrol sinyalini, limit anahtarları arasındaki vana konumu olarak yorumlar.

Bunu başarmak için, aktüatörde gerçek vana konumunu konumlandırma devresine geri besleyen bir konum sensörü (genellikle bir potansiyometre) bulunur. Bu şekilde aktüatör, kontrol sinyaliyle orantılı olarak stroku boyunca konumlandırılabilir. Modülasyonlu aktüatörün şematik diyagramı Şekil 6.6.21’de gösterilmektedir. Pnömatik aktüatörler, yerleşik bir arıza-güvenli özelliğine sahiptir; hava beslemesi veya kontrol sinyali arızalanırsa vana kapanır. Elektrikli aktüatörlerde bu işlevi sağlamak için, güç veya kontrol sinyali arızasında vanayı açacak veya kapatacak ‘yay yedekli’ versiyonlar mevcuttur. Alternatif olarak, arıza-güvenli özelliği pil gücüyle sağlanabilir.

Elektrikli aktüatörler belirtilen kuvvetler sunar; bunlar yay yedekli versiyonlarda sınırlı olabilir. Seçim sırasında her zaman üreticinin çizelgelerine başvurulmalıdır.

Bir aktüatör boyutlandırırken, vanadaki maksimum diferansiyel basınç için üreticinin teknik veri sayfalarına başvurmak akıllıca olacaktır (bkz. Şekil 6.6.22).

Elektrikli aktüatörün bir diğer sınırlaması, 4 saniye/mm kadar düşük olabilen vana hareket hızıdır; bu, hızla değişen sistemlerde çok yavaş olabilir.