制御バルブとは何か?制御バルブはどう機能する?

制御弁はどのように機能しますか？

現代の工業生産において、流体（ガス、蒸気、水、または化学混合物など）の流量、圧力、温度、液面を正確に制御することは、生産効率、製品品質、運転の安全性、環境保護を確保するために不可欠です。工業用自動化システムにおける「最終制御要素」として、制御弁は、この複雑で精密な制御チェーンにおいて中心的な役割を果たします。単なるオン/オフデバイスではなく、コントローラーからの信号に応答して流路のサイズを変更し、それによってプロセス変数を直接的かつ正確に調整します。制御弁の性能は、工業プロセスの経済効率、安全性、環境への影響に直接影響するため、単なる機器の購入ではなく、戦略的な投資となります。

Xiangjingは、中国最大の制御弁およびバルブポジショナーのサプライヤーの1つとして、業界が効率的、安全、インテリジェントな流体制御を実現できるよう、高品質な制御弁ソリューションを提供することに尽力しています。詳細については、公式ウェブサイトをご覧ください：www.shgongboshi.com。制御弁の基本コンポーネント

制御弁は単一のコンポーネントではなく、連携して動作する複数の精密コンポーネントで構成される統合システムです。その主要コンポーネントには、バルブ本体、バルブ内部部品、アクチュエーター、バルブポジショナーが含まれ、コンバーター、空気供給圧力レギュレーター、手動操作器、ダンパー、リミットスイッチなどのさまざまなアクセサリも含まれます。

バルブ本体：流体経路と耐圧コンポーネント

バルブ本体は制御弁の主要な構造コンポーネントであり、その設計はバルブ内の流体の流路を決定します。入口ポートと出口ポートを備えた圧力容器として機能し、流体はポートとバルブ本体内の開口部またはオリフィスを介して流れます。バルブ本体の主な機能は、流体圧に耐え、バルブ内部部品のサポートと密閉された環境を提供することです。さらに、バルブ本体の構造は、流体抵抗と圧力降下の特性がバルブ本体内の内部通路の設計と密接に関連しているため、間接的に流量調整特性に影響を与えます。

バルブ内部部品：流体に直接接触するコンポーネント、流量調整のコアコンポーネント

バルブ内部部品は、制御される流体に直接接触する制御弁の一部であり、流量調整を実現するためのコアコンポーネントです。通常、バルブシート、バルブディスク（またはバルブプラグ）、およびバルブステムで構成されています。バルブ内部部品は、バルブシートとの相対的な位置とクリアランスを変更することにより、通過する流体の量を正確に制御します。たとえば、バルブディスクまたはプラグが持ち上げられたり回転したりすると、流路面積がそれに応じて変化し、それによって流体流量が調整されます。バルブ内部部品の形状と材料の選択は、その流量特性、耐摩耗性、耐食性、およびシール性能に決定的な影響を与えます。

アクチュエーター：バルブ操作に駆動力を提供

アクチュエーターは制御弁の「筋肉」であり、制御システムからの抽象的な信号を機械力に変換して、バルブ内部部品を物理的に動かす役割を担います。制御信号を受信すると、バルブをそれに応じて駆動して、全開、全閉、または任意の中間位置を実現し、それによって流体流量の正確な絞り制御を実現します。

アクチュエーターは、その動力源と動作モードに基づいてさまざまなタイプに分類できます。

動作モードによる分類：

リニアアクチュエーター：

• グローブバルブ、ゲートバルブ、ダイヤフラムバルブなど、バルブステムを上下に動かす必要があるバルブに適した、線形プッシュプルモーションを生成します。ロータリーアクチュエーター：
• ボールバルブ、バタフライバルブ、プラグバルブなど、バルブディスクまたはボールを回転させる必要があるバルブに適した、回転運動を生成します。フィッシャー空気圧制御弁

動力源による分類：

空気圧アクチュエーター：

• 動作原理：

• 加圧された流体（通常は油圧オイル）を動力源として使用して、流体圧を機械運動に変換します。油圧オイルの非圧縮性により、安定した信頼性の高いバルブ位置決めが保証され、通常、ダイヤフラムではなくピストンを使用して強力な推力を生成します。利点：
• シンプルな設計と構造：

1. 本質的に安全：電気に依存せず、火花を発生させないため、可燃性および爆発性の危険な環境に非常に適しています。 
2. 構造がシンプルで軽量、設置とメンテナンスが容易：通常、コストが低くなります。 
3. 出力力と動作速度の調整が容易。 
4. 高い信頼性と長い耐用年数。 
5. エネルギーを蓄積し、集中空気供給を可能にし、エネルギーを迅速に放出して高速応答を実現できます。
6. 衝撃負荷と過負荷に対する強力な適応性。 
7. 高温環境で使用できます。 
8. 欠点： 

• 空気圧ポジショナーよりも複雑です。 

1. 比較的低い精度：空気の圧縮性により、シリンダーの動作速度は負荷の変化の影響を受けやすく、低速安定性は油圧シリンダーよりも劣ります。 
2. 圧縮空気供給システムが必要です：これには、コンプレッサーと配管の追加コストが含まれます。
3. コンプレッサーの故障は、すべての空気圧アクチュエーターの誤動作を引き起こす可能性があります：ただし、このリスクはバックアップコンプレッサーシステムによって軽減できます。 
4. 迅速なサイクリングはウォーターハンマー効果を引き起こす可能性があります。 
5. 性能は水と極端な温度の影響を受けやすい。 
6. 典型的な用途：高速動作と防爆性能が要求されるプロセス制御、化学、食品および飲料、廃水処理、電力、鉱業、および原子力産業で広く使用されています。

• 電気アクチュエーター：

• 動作原理：

• 利点： 利点：
• シンプルな設計と構造：

1. プログラミングと統合が容易：デジタル制御システムとシームレスに接続し、複雑なモーションパターンを実現するようにプログラムできます。
2. 高いエネルギー効率：静的負荷アプリケーションでは、通常、油圧または空気圧アクチュエーターよりも少ないエネルギーを消費します。
3. 低メンテナンス要件：部品が少なく、流体システムが関与しないため、メンテナンス要件は非常に低いです。
4. 静かな動作。
5. 電圧と周波数の変動の影響を受けません。
6. 調整可能な回転速度。
7. 欠点： 

• 空気圧ポジショナーよりも複雑です。 

1. 比較的遅い速度：特に高推力が必要なアプリケーションでは。
2. 電源に依存：停電時に安全を確保するために、バックアップ電源またはスプリングリターン機構が必要です。
3. 爆発性環境には適していません：爆発保護用に特別に設計されていない限り。
4. 複雑な設計で、設置とメンテナンスには専門知識が必要です。
5. 典型的な用途：

• デジタルポジショナー： 油圧アクチュエーター：

• 動作原理：

• 加圧された流体（通常は油圧オイル）を動力源として使用して、流体圧を機械運動に変換します。油圧オイルの非圧縮性により、安定した信頼性の高いバルブ位置決めが保証され、通常、ダイヤフラムではなくピストンを使用して強力な推力を生成します。利点： 
• 例外的な精度と制御機能を提供します。 

1. 高精度位置決め：油圧オイルの非圧縮性により、非常に正確で安定したバルブ位置決めが可能になります。 
2. 高速応答速度：緊急停止（ESD）および迅速な動作を必要とするバルブアプリケーションに適しています。
3. 耐久性と堅牢性があり、比較的低いメンテナンス要件と長い耐用年数。 
4. 故障保護機構を実装できます。 
5. 欠点： 

• 空気圧ポジショナーよりも複雑です。 

1. 流体漏れの危険性：油圧オイルの漏れを防ぐために、定期的なメンテナンスが必要です。 
2. すべての環境に適しているわけではありません：特定の設計には制限がある場合があります。
3. 典型的な用途：

• タイプ電気油圧アクチュエーター：

• これらのアクチュエーターは、電気モーターと油圧動力ユニットの利点を組み合わせ、電気制御の精度を達成しながら、油圧システムの高い出力力を提供します。これらは、正確なバルブ位置制御を必要とする遠隔地で特に適しています。次の表は、さまざまなタイプのアクチュエーターを比較しています：

タイプ

バルブポジショナーは、制御弁が高精度、応答性、および安定性を実現するための重要な「頭脳」として機能します。特に、バルブが絞り制御を必要とする場合、制御弁アセンブリ内で不可欠な役割を果たします。

エマーソンフィッシャーバルブポジショナー

バルブポジショナーの機能と重要性

バルブポジショナーのコア機能は、バルブステムまたはバルブシャフトの実際の位置が、制御システムから発行されたコマンド信号と正確に一致するようにすることです。バルブの実際の位置を継続的に監視し、修正を加えることにより、バルブステムパッキングからの摩擦、アクチュエーターの遅延、流体によるバルブプラグへの不均衡な力など、バルブ内の固有の機械的制限を効果的に克服します。

ポジショナーは、その内部の閉ループフィードバック制御機構を使用して、アクチュエーターに印加される圧力を継続的に調整し、それによってバルブステムに作用する他の力を「打ち消し」、バルブが「適切に動作」し、「制御信号に従う」ようにします。この正確な制御機能は、以下を含む制御システムの全体的な性能を大幅に向上させます：

制御精度の向上：実際の流量が制御信号と正確に一致するようにすることは、わずかな偏差にも敏感なプロセスにとって重要です。

より速い応答時間：

• 高速なロードとベントにより、バルブ応答プロセスが変化するのに必要な時間が短縮されます。 プロセスの安定性の向上：
• プロセス条件の変化（圧力変動や流量の変化など）を補正することで、一貫した制御を維持します。これは、製品品質とシステムの安全性にとって重要です。 廃棄物の削減と安全性の向上：
• 正確な制御を通じて、資源の利用を最適化し、事故のリスクを軽減します。  バルブの寿命の延長とメンテナンスコストの削減：
• 時間の経過に伴うバルブ性能の変化を補正することにより摩耗を最小限に抑え、予測メンテナンスを可能にします。  信号増幅：
• ポジショナーはより高い空気流量を処理できるため、ボリュームブースターとしても機能し、バルブステムの速度を向上させ、時間遅延を短縮します。 緊密なシャットオフを実現：
• 出力を0％信号で最小限に飽和させることにより、バルブプラグがシートにしっかりと押し付けられ、信頼性の高いゼロリークシャットオフが保証されます。 スプリングレス複動ピストンアクチュエーターおよび固有の位置感知機能のない電気アクチュエーターにとって重要です。
• バルブポジショナーの動作原理：閉ループフィードバック制御

バルブポジショナーの動作の核心は、その閉ループフィードバック制御システムです。制御システムから入力信号（設定値）を受信し、機械的または電子的な手段を介してバルブステムまたはバルブシャフトの実際の位置（フィードバック信号）を測定します。ポジショナー内のコントローラーは、設定値と実際の位置の差を比較し、誤差信号を計算し、この誤差に基づいてアクチュエーターに送信される出力信号（通常は空気圧）を調整し、それによってバルブを目的の位置に移動させ、誤差がなくなるまで移動させます。

空気圧ポジショナーの詳細な動作原理：

• 空気圧ポジショナーは、通常、力のバランスの原理に基づいて動作します。計器空気信号が増加すると、信号ダイヤフラムに作用し、信号ダイヤフラムと接続されたプレートに接続されたバルブステムを右に動かします。これにより、供給空気プレートが開き、供給空気圧がアクチュエーターダイヤフラムに接続された出力端に入り、排気プレートは閉じたままになります。アクチュエーター内の内部圧力の増加により、バルブステムが下向きに押され、ポジショナーレバーが時計回りに回転し、カムを介して範囲スプリングを圧縮します。バルブステムは、コントローラーで指定された位置に達するまで移動し続け、その時点で範囲スプリングの圧縮力は信号ダイヤフラムによって生成された力とバランスが取れ、供給ダンパーと排気ダンパーの両方が閉じて、バルブの動きが停止します。逆に、制御信号が減少すると、信号ダイヤフラムによって加えられる力が減少し、範囲スプリングの力により、ダンパーに接続されたバルブステムが左に押され、排気ダンパーが開き、アクチュエーター圧力が減少し、バルブステムが上向きに移動し、新しい力のバランスが確立されるまで移動します。
  デジタルポジショナーの動作原理：

• デジタルポジショナーは、機械的なバランスビーム、カム、およびダンパーアセンブリの代わりに、マイクロプロセッサを使用して位置制御アルゴリズムを実行します。マイクロプロセッサは制御信号を読み取り、デジタルアルゴリズムを介して処理し、I/Pコンバーターに送信される駆動電流信号に変換します。I/Pコンバーターは、電流信号を空気圧信号に変換し、空気圧増幅リレーを介してアクチュエーターに送信します。バルブ位置のフィードバック（通常はホール効果センサーなどの非接触センサーを介して）がマイクロプロセッサに送り返されます。バルブステムは、正しい位置に達するまで移動し続け、その時点でマイクロプロセッサはI/Pコンバーターへの駆動信号を安定させ、正確なバランスを実現します。
  バルブポジショナーの分類と特性

動作原理と受信する信号の種類に基づいて、バルブポジショナーは次のカテゴリに分類できます：

空気圧ポジショナー：

• 動作原理：

• 空気圧信号（通常は3〜15 psiまたは6〜30 psi）を受信し、対応する空気圧を空気圧アクチュエーターに提供して、バルブステムまたはバルブシャフトの位置が空気圧入力信号に比例するようにします。 利点：
• シンプルな設計と構造：

1. 製造とメンテナンスが容易。 低コスト：
2. 通常、他のタイプよりも経済的です。 信頼性の高い動作：
3. 信頼性の高い性能で知られています。 本質的に安全：
4. 電気は不要で、火花が発生しないため、爆発性環境に適しています。  バルブを閉じるための高い推力を提供できます。 
5. 欠点： 

• 力のバランス（フラッパーノズル） 典型的な用途：

1. 制御信号とバルブアクチュエーターの両方が空気圧であり、電気を利用できないか、爆発のリスクがある環境（化学プラントや製油所など）など、シンプルで堅牢なアプリケーションに適しています。

• 電気空気圧ポジショナー： 動作原理：

• 電気制御信号（通常は4〜20 mAまたは0〜10 VDC）を空気圧出力信号に変換し、それによってバルブアクチュエーターを制御します。多くのプロセス制御ユニットは、4〜20 mA DC信号を使用して制御弁を調整するため、電気空気圧ポジショナー（I/Pポジショナーまたはセンサーとも呼ばれます）は、電子電流信号を空気圧信号に変換する役割を担います。 

• 利点：  より高い精度と分解能：純粋な空気圧ポジショナーよりも高い精度を提供します。 
• 例外的な精度と制御機能を提供します。 

1. 多用途性：電子制御の精度と空気圧動作の堅牢性と安全性を組み合わせます。 
2. 制御精度と応答時間の向上。 
3. 欠点： 
4. より複雑な設計と構造：

• 空気圧ポジショナーよりも複雑です。 

1. より高いコスト： 空気圧ポジショナーよりも高価です。 
2. 典型的な用途： 電気と空気圧の両方のインフラストラクチャを備えた産業環境、およびより高い精度と複雑な制御戦略を必要とするプロセスで広く使用されています。

• デジタルポジショナー：  動作原理：

• これらのデバイスは、高度なデジタル技術を利用して、マイクロプロセッサを使用してバルブアクチュエーターを配置し、データを監視および記録します。電気信号（4〜20 mA、またはHART、Foundation Fieldbus、Profibusなどのデジタル通信プロトコルなど）を受信します。

• 利点：  高精度と分解能：
• 例外的な精度と制御機能を提供します。 

1. 高度な診断機能： バルブの異常と劣化の兆候を検出し、自己診断を実行し、予測メンテナンスをサポートして、メンテナンスコストを削減します。 
2. 自己校正およびリモート監視機能： セットアップと操作を簡素化し、ユーザーがいつでもどこでも設定を調整および構成できるようにします。
3. 低空気消費量： アナログポジショナーよりもエネルギー効率が高くなっています。 
4. 機械的摩耗がなく、ヒステリシスが最小限： 非接触フィードバック技術を使用する場合、機械的摩耗、緩み、腐食、振動による損傷などの問題を排除し、信頼性と寿命を大幅に向上させます。 
5. シンプルで信頼性の高い構造で、長い動作寿命。  費用対効果が高い：
6. 初期費用は高くなりますが、長期的には、最適化された操作とダウンタイムの削減を通じて大幅なコストを節約できます。
7. 欠点： より高いコスト：

• 力のバランス（フラッパーノズル） 非接触フィードバック技術を使用しない場合、機械的摩耗の問題がまだ存在する可能性があります。

1. 典型的な用途： 石油およびガス、精製、電力、化学、パルプおよび製紙、ライフサイエンス、食品および飲料、鉱業などの、高精度、高度に自動化された、複雑で重要なアプリケーションで、データ収集とIoT統合が必要な場合に適しています。
2. 次の表は、さまざまなタイプのバルブポジショナーを比較しています：

• タイプ入力信号

動作原理

一部のポジショナーは、特定の範囲の入力信号に応答できるため、単一のコントローラーで2つ以上のバルブを制御して、より正確な制御を行うことができます。

ゼロとスパンの調整の利便性：

1. 一部のポジショナーでは、カバーを開けずにゼロとスパンの調整を行うことができますが、安全上の理由から、そのような調整は慎重に使用するか、禁止する必要があります。 ゼロとスパンの安定性：
2. 温度、振動、時間、または入力圧力の変