Was ist ein pneumatischer Membranantrieb eines Regelventils?
Was ist ein Membran-Antrieb?
Ventile allein können einen Prozess nicht steuern. Manuelle Ventile müssen von einem Bediener positioniert werden, um eine Prozessvariable zu steuern. Ventile, die ferngesteuert und automatisch bedient werden müssen, erfordern spezielle Geräte, um sie zu bewegen. Diese Geräte werden als Aktuatoren bezeichnet.
Aktuatoren können pneumatische, hydraulische oder elektrische Magnetspulen oder Motoren sein.
Membranantriebe werden pneumatisch betrieben und nutzen eine Luftzufuhr vom Steuersystem oder anderen Quellen. Membranantriebe werden normalerweise für Steuerventile verwendet, eine Art Durchgangsventil, das typischerweise zur Regulierung der Flüssigkeit verwendet wird, um einige Prozessvariablen wie Druck, Temperatur oder Durchflussrate anzupassen. Membranantriebe werden in allen Bereichen der Öl- und Gasindustrie außer unter Wasser eingesetzt. Die gängigsten Arten von Membranantrieben sind als „direktwirkend“ und „umgekehrtwirkend“ bekannt.
Pneumatische Membranantriebe
Ein vereinfachtes Diagramm eines pneumatischen Antriebs. Er arbeitet mit einer Kombination aus Luft- und Federkraft. Der Antrieb positioniert ein Steuerventil, indem er seine Bewegung durch den Schaft überträgt.
Eine Gummimembran trennt das Antriebsgehäuse in zwei Luftkammern. Die obere Kammer erhält Zuluft durch eine Öffnung oben im Gehäuse.
Die untere Kammer enthält eine Feder, die die Membran gegen mechanische Anschläge in der oberen Kammer drückt. Schließlich ist eine lokale Anzeige mit dem Schaft verbunden, um die Position des Ventils anzuzeigen.
Die Position des Ventils wird durch den unterschiedlichen Luftdruck in der oberen Kammer gesteuert. Dies führt zu einer unterschiedlichen Kraft auf der Oberseite der Membran. Wenn zunächst keine Luftzufuhr erfolgt, drückt die Feder die Membran nach oben gegen die mechanischen Anschläge und hält das Ventil vollständig geöffnet.
Wenn der Druck der Versorgungsluft von Null an ansteigt, beginnt die Kraft auf die Membran die Gegenkraft der Feder zu überwinden. Dadurch bewegt sich die Membran nach unten und das Steuerventil schließt sich. Bei steigendem Luftdruck bewegt sich die Membran weiter nach unten und drückt die Feder zusammen, bis das Steuerventil vollständig geschlossen ist.
Umgekehrt beginnt die Feder bei verringertem Versorgungsluftdruck, die Membran nach oben zu drücken und das Steuerventil zu öffnen. Darüber hinaus wird das Ventil in eine Zwischenposition gebracht, wenn der Versorgungsluftdruck konstant auf einem Wert zwischen Null und Maximum gehalten wird. Daher kann das Ventil als Reaktion auf Änderungen des Versorgungsluftdrucks überall zwischen vollständig geöffnet und vollständig geschlossen positioniert werden.
Ein Stellungsregler ist ein Gerät, das die Luftdruckzufuhr zu einem pneumatischen Antrieb regelt. Dies geschieht durch Vergleichen der gewünschten Stellung des Antriebs mit der tatsächlichen Stellung des Steuerventils.
Die gewünschte Position wird durch ein pneumatisches oder elektrisches Steuersignal von einem Regler an den Stellungsregler übermittelt. Der pneumatische Antrieb aus Abbildung 1 ist in Abbildung 2 mit einem zusätzlichen Regler und Stellungsregler dargestellt.
Der Regler erzeugt ein Ausgangssignal, das die gewünschte Position darstellt. Dieses Signal wird an den Stellungsregler gesendet. Extern besteht der Stellungsregler aus einem Eingangsanschluss für das Steuersignal (4-20 mA), einem Eingangsanschluss für die Instrumentenzuluft, einem Ausgangsanschluss für die Zuluft, einem Anschluss für die Zuluftentlüftung und einer Rückmeldeverbindung.
Im Inneren enthält es ein komplexes Netzwerk aus elektrischen Wandlern, Luftleitungen, Ventilen, Verbindungen und notwendigen Einstellungen. Andere Stellungsregler können auch Steuerelemente für die lokale Ventilpositionierung und Messgeräte zur Anzeige des Versorgungsluftdrucks und des Steuerluftdrucks (für pneumatische Regler – alte Steuermethoden) enthalten.
Der Regler reagiert auf eine Abweichung einer Regelgröße vom Sollwert und variiert das Regelausgangssignal entsprechend, um die Abweichung zu korrigieren. Das Regelausgangssignal wird an den Stellungsregler gesendet, der darauf reagiert, indem er die Luftzufuhr zum Stellantrieb erhöht oder verringert.
Die Positionierung des Stellantriebs und des Regelventils wird über die Rückkopplungsverbindung an den Stellungsregler zurückgemeldet. Wenn das Ventil die vom Regler geforderte Position erreicht hat, stoppt der Stellungsregler die Änderung des Versorgungsluftdrucks und hält das Ventil in der neuen Position. Dies wiederum korrigiert die Abweichung der Regelgröße vom Sollwert.
Wenn beispielsweise das Steuersignal zunimmt, lässt ein Ventil im Stellungsregler mehr Zuluft zum Antrieb durch. Dadurch bewegt sich das Steuerventil nach unten. Die Verbindung überträgt die Informationen zur Ventilposition zurück an den Stellungsregler.
Dadurch entsteht eine kleine interne Rückkopplungsschleife für den Aktuator. Wenn das Ventil die Position erreicht, die dem Steuersignal entspricht, stoppt die Verbindung die Luftzufuhr zum Aktuator.
Dies führt dazu, dass der Aktuator anhält. Wenn andererseits das Steuersignal abnimmt, öffnet sich ein anderes Ventil im Stellungsregler und ermöglicht durch Ablassen der Versorgungsluft eine Abnahme des Versorgungsluftdrucks. Dies führt dazu, dass sich das Ventil nach oben bewegt und öffnet. Wenn das Ventil die richtige Position erreicht hat, stoppt der Stellungsregler die Ableitung von Luft aus dem Aktuator und stoppt die Bewegung des Steuerventils.
Vorteile pneumatischer Membranantriebe
Die Vorteile pneumatischer Antriebe liegen in ihrer Einfachheit.
Die typischen Anwendungsgebiete pneumatischer Antriebe liegen in Bereichen mit extremen Temperaturen; ein typischer Temperaturbereich liegt zwischen -40 °F und 250 °F.
In puncto Sicherheit und Inspektion vermeidet der Einsatz von Luft- und Pneumatikantrieben den Einsatz gefährlicher Stoffe. Sie erfüllen zudem die Anforderungen an Explosionsschutz und Maschinensicherheit, da sie aufgrund fehlender Motoren keine magnetischen Störungen verursachen.
Darüber hinaus sind pneumatische Antriebe leicht, erfordern nur minimale Wartung und verfügen über langlebige Komponenten, die die Pneumatik zu einer kostengünstigen Antriebsmethode machen.
Nachteile pneumatischer Membranantriebe
Druckverluste und die Kompressibilität der Luft machen die Pneumatik weniger effizient als andere Methoden. Kompressor- und Luftzufuhrbeschränkungen bedeuten, dass bei niedrigerem Druck geringere Kräfte und langsamere Geschwindigkeiten auftreten.
Um wirklich effizient zu sein, müssen pneumatische Antriebe für eine bestimmte Aufgabe dimensioniert sein. Daher können sie nicht für andere Anwendungen verwendet werden.
Auch wenn die Luft leicht verfügbar ist, kann sie durch Öl oder Schmiermittel verunreinigt sein, was zu Ausfallzeiten und Wartungsaufwand führt. Unternehmen müssen weiterhin für Druckluft bezahlen, was sie zu einem Verbrauchsgut macht, zusammen mit den Kosten für die Wartung des Kompressors und der Leitung.
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