اکچویتورها

هدف اکچویتور کنترل ولو تأمین نیروی محرکه‌ی لازم برای به کار انداختن مکانیزم ولو می‌باشد. کنترل ولوهای ساقه کشویی و چرخشی هر دو از اکچویتورهای یکسانی بهره می‌برند، که از آن جمله می‌توان اکچویتور نیوماتیکی، هیدرولیکی، موتور الکتریکی، و دستی را نام برد.

در پست مربوط به کنترل ولو نیز میتوانید مطالب بسیار سودمندی را مطالعه بفرمایید.

 اکچویتورهای نیوماتیکی (Pneumatic actuators)

اکچویتورهای نیوماتیکی با تحت فشار قرار دادن یک دیافراگم انعطاف پذیر (یا یک پیستون) توسط فشار هوا، مکانیزم یک ولو را حرکت می‌دهند. تصویر نشان داده شده در شکل زیر یک کنترل ولو برش خورده را نشان می‌دهد. همانطور که می‌بینید یک اکچویتور دیافراگمی نیوماتیکی در بالای بدنه‌ی ولو نصب شده است. شما می‌توانید فنر پیچشی (Coil spring) بزرگی را در قسمت اکچویتور ببینید. این فنر پیچشی موقعیت پیش فرض ولو را تأمین می‌کند، به طوری که فشار هوای اعمال شده به دیافراگم، ولو را در جهت مخالف با نیروی فنر حرکت می‌دهد. دیافراگم لاستیکی نیز در بالاترین نقطه‌ی اکچویتور قرار گرفته است. فشار هوای اعمال شده به طرف پایین دیافراگم، ساقه‌ی کشویی ولو را در جهت رو به بالا بلند می‌کند، در مقابل نیز این نیروی فنر است که سعی می‌کند ساقه را به طرف پایین هل دهد.

 یک کنترل ولو برش خورده با اکچویتور دیافراگمی نیوماتیکی
 یک کنترل ولو برش خورده با اکچویتور دیافراگمی نیوماتیکی

 

فشار هوای مورد نیاز برای تحریک اکچویتور نیوماتیکی ممکن است مستقیما از خروجی یک کنترلر نیوماتیکی آمده، و یا از طریق یک مبدل سیگنال (Signal transducer) که یک سیگنال الکتریکی را به یک سیگنال فشار هوا تبدیل می‌کند، تأمین شود. این قبیل مبدل ها معمولا با عنوان I/P یا تبدیل کننده‌ی I به P شناخته می‌شوند. این نامگذاری از این جهت است که به طور معمول I/P ها یک سیگنال جریان الکتریکی (1) mA DC 4 - 20 را به یک سیگنال فشار هوای PSI(P) 3 - 15 ترجمه می‌کنند.

تصاویر نشان داده شده در شکل زیر  مبدل I/P با مدل ها و سازنده‌های مختلف را نشان می‌دهد. یک I/P مدل 846 شرکت Fisher را در تصویر بالا سمت چپ مشاهده می‌کنید، در حالی که مدل قدیمی تر 546 شرکت Fisher که درپوش آن برداشته شده را در تصویر بالا سمت راست می‌بینید. یک I/P مدل E69F شرکت Foxboro در تصویر پایین سمت چپ دیده شده و یک مدل IPT شرکت Moore Industries در تصویر پایین سمت راست قابل مشاهده است.

 

 

 چند مبدل I/P با مدل ها و سازنده‌های مختلف
 چند مبدل I/P با مدل ها و سازنده‌های مختلف

 

با وجود طرح ها و ظاهرهای مختلف، وظیفه‌ی همه‌ی آنها یکسان است، به طوری که در ورودی همه‌ی این مدل‌ها یک سیگنال جریان DC آنالوگ و یک فشار هوای منبع (Supply air pressure ) در حدود PSI 20 دریافت شده، و یک سیگنال فشار هوای متغیر متناسب با جریان الکتریکی ورودی در خروجی ایجاد می‌شود. از ویژگی‌های جالب توجه برای مقایسه‌ی بین این چهار مبدل I/P استحکام آنها می‌باشد. همهی مبدل‌های نشان داده شده بجز مدل Moore Industries (تصویر پایین سمت راست) به صورت مقاوم و قابل نصب در محیط پروسه طراحی شده اند، به طوری که بدنه‌ی آنها و اتصالات مجرای سیم‌های الکتریکی از جنس فلز ریخته گری سنگین ساخته شده است. دستگاه Moore Industries برای یک محل و موقعیت محافظت شده در نظر گرفته شده است و می‌تواند برای تشکیل یک بانک جمع و جور از مبدل ها به یک منیفولد با چندین مبدل I/P دیگر متصل شود. اینگونه بانکهای مبدل قادرند سیگنال‌های فشار هوای چندین اکچویتور ولو را درایو کنند.

 

برخی از اکچویتورهای نیوماتیکی به یک جک دستی (Hand jack) مجهز شده اند که در صورت خرابی فشار هوا می‌توان توسط آن به طور دستی موقعیت ولو را تغییر داد. در شکل زیر یک کنترل ولو ساقه کشویی مجهز به اکچویتور دیافراگمی نیوماتیکی نشان داده شده، که در بالای آن یک چرخ دستی (Handwheel) قرار گرفته است.

 

کنترل ولو دیافراگمی نیوماتیکی به همراه دو ولو دستی مسدود کننده و یک ولو دستی بای پس
کنترل ولو دیافراگمی نیوماتیکی به همراه دو ولو دستی مسدود کننده و یک ولو دستی بای پس

 

همانطور که در تصویر قبلی مشاهده نمودید، در اطراف کنترل ولو سه ولو دستی قرار گرفته است به طوری که در مواقع خرابی یا نیاز کنترل ولو به تعمیر و نگهداری، برای مسدود کردن فلوی عبوری از کنترل ولو، دو ولو دستی کناری بسته شده و به منظور دور زدن (Bypass) فلو از گرداگرد کنترل ولو، ولو بالایی باز می‌شود. ولوهای دستی نشان داده شده در این تصویر از نوع دروازه‌ای و با طرح اکچویتور ساقه بالارونده (Rising - stem) می‌باشند، به طوری که با توجه به موقعیت ساقه می‌توان وضعیت ولو را تشخیص داد (ساقه‌ی بیرون زده = ولو باز و ساقهی مخفی = ولو بسته). در فرآیندهای صنعتی‌ای که کنترل ولوها نقش حیاتی داشته و در شرایط اضطراری نیاز به یک کنترل دستی باشد، این قبیل چیدمان ولوهای دستی مسدود کننده و بای پس کاملا رایج می‌باشد. اگر به تصویر قبل توجه کنید، می‌بینید که تیوب فشار هوای بین اکچویتور ولوو لوله‌ی منبع هوا به صورت یک حلقه خم شده است. این خمیدگی اصطلاحا حلقهی ارتعاش (Vibration loop) نامیده شده و در واقع برای به حداقل رساندن فشار روی تیوب‌های فلزی که ناشی از وقوع ارتعاشات احتمالی می‌باشد ایجاد شده است.

اکچویتورهای نیوماتیکی ممکن است به صورت پیستونی باشند و نه دیافراگمی برای مقایسه، تصویر هر دو نوع اکچویتور نیوماتیکی در شکل زیرنشان داده شده است.

 

 اکچویتور دیافراگمی نیوماتیکی (تصویر چپ) و پیستونی نیوماتیکی (تصویر راست)
 اکچویتور دیافراگمی نیوماتیکی (تصویر چپ) و پیستونی نیوماتیکی (تصویر راست)

 

معمولا اکچویتورهای پیستونی نسبت به اکچویتورهای دیافراگمی طول حرکت (Stroke length) بیشتری دارند، و قادر هستند که در فشارهای هوای بسیار بیشتری کار کنند. رتبه‌ی فشار بیشتر یک اکچویتور پیستونی از این واقعیت نشات می‌گیرد که تنها جزء نرم آن یک حلقه‌ی آب بندی است که مدام در معرض فشار زیاد قرار گرفته و نسبت به دیافراگم لاستیکی سطح بسیار کوچکتری دارد. این امر سبب می‌شود که فشار بسیار کمتری بر روی حلقه ى الاستیک (Elastic Ring) ایجاد شود (نسبت به آنجایی که می‌خواهیم یک دیافراگم الاستیک را در معرض همان فشار قرار دهیم)

 در حقیقت، می‌توان گفت که در اکچویتورهای پیستونی هیچ محدودیت طول حرکتی‌ای وجود ندارد، این در حالی است که طول حرکتی اکچویتورهای دیافراگمی محدود می‌باشد. با این تفاصیل، امکان ساخت اکچویتور پیستونی‌ای با طول یک مایل نیز وجود خواهد داشت، اما چنین شاهکاری برای یک اکچویتور دیافراگمی غیر ممکن است، چرا که دیافراگم باید کل طول حرکتی را کش بیاید؟

از آنجایی که نیروی اکچویتور تابعی از فشار سیال و سطح اکچویتور است (F= PA)، می‌توان گفت که اکچویتورهای پیستونی قادر به تولید نیروی بیشتری نسبت به اکچویتورهای دیافراگمی‌ای با همان قطر می‌باشند. اگر یک دیافراگم 14 اینچی در فشار حداکثر PSI 35 کار کند، 5388 پوند نیرو تولید می‌کند، در حالی که اگر یک پیستون با همان اندازه در فشار حداکثر PSI 150 به کار گرفته شود، 23091 پوند نیرو تولید خواهد کرد. از آنجایی که کار مکانیکی از نیرو و جابه جایی تولید می‌شود (W=Fx)، ترکیبی از نیروی بیشتر و جابه جایی بزرگتر، پتانسیل کاری افزونتری را برای اکچویتورهای پیستونی نسبت به اکچویتورهای دیافراگمی‌ای با همان اندازه حاصل می‌کند.

اکچویتورهای دیافراگمی نسبت به اکچویتورهای پیستونی اصطکاک کمتری ایجاد می‌کنند که این خود یک مزیت محسوب می‌شود. اصطکاک کمتر به معنای دقت بیشتر در موقعیت یابی ساقه‌ی ولو می‌باشد، در نتیجه، در کاربردهایی که موقعیت یابی دقیق ولو مهم و حیاتی است، استفاده از اکچویتور دیافراگمی مزیت بیشتری نسبت به اکچویتور پیستونی خواهد داشت.

تصویر نشان داده شده در شکل زیر یک ولو اکسیژن مناسب برای فشارهای فوق العاده بالا را نشان می‌دهد که دارای یک اکچویتور پیستونی نیوماتیکی بزرگ و بدنه‌ی ولو نسبتا کوچکی می‌باشد.

 

 ولو اکسیژن فشار فوق العاده بالا با اکچویتور پیستونی نیوماتیکی بزرگ و بدنه‌ی نسبتا کوچک
 ولو اکسیژن فشار فوق العاده بالا با اکچویتور پیستونی نیوماتیکی بزرگ و بدنه‌ی نسبتا کوچک

 

از آنجایی که تنها توجیه برای انتخاب چنین اکچویتور پیستونی بزرگی تولید یک نیروی محرکهی بزرگ می‌باشد، ما می‌توانیم نتیجه بگیریم که برای تحریک این بدنه‌ی ولو نسبتا کوچک نیاز به یک نیروی بزرگ غیر معمول می‌باشد. در واقع افت فشاری که در این کاربرد در دو طرف تریم ولو اتفاق می‌افتد چیزی در حدود چندین هزار PSI است. با اینکه این اختلاف فشار بزرگ در دو طرف یک پلاگ ولو کوچک اتفاق افتاده، ولی همچنان نیروی قابل توجهی را ایجاد می‌کند. برای اینکه اکچویتور بتواند ولو را با موفقیت حرکت دهد، باید بتواند نیروی بیشتری نسبت به این نیرو تولید کند، و این کار را باید در حالی انجام دهد که مقدار فشار هوای معمول ابزار دقیق PSI 100 است. به این ترتیب، تنها راهی که اکچویتور می‌تواند یک نیروی بزرگتر از نیروی پلاگ را تولید کند (در حالی که با فشار سیال بسیار کمتری کار می‌کند، این است که پیستون اکچویتور با سطحی بسیار بزرگتر از پلاگ طراحی شده باشد. در شکل زیر یک اکچویتور نیوماتیکی دو پیستونی (Double - piston pneumatic actuator) نشان داده شده است که نیروی مکانیکی مورد نیاز برای چرخش یک ولو پروانه‌ای on/ off را فراهم می‌کند.

 

 اکچویتور نیوماتیکی دو پیستونی
 اکچویتور نیوماتیکی دو پیستونی

 در این طرح اکچویتور خاص، برای تبدیل حرکت خطی پیستون به حرکت چرخشی شافت و در نتیجه حرکت تریم ولو پروانه ای، یک جفت پیستون با تحریک نیوماتیکی یک مکانیزم رک و پینیون (میلهی دندانه دار و چرخ دندانه کوچک) را حرکت می‌دهند. توجه داشته باشید که نشان دهنده‌ی دوار (به رنگ زرد) قرار گرفته در انتهای ساقه ولو چرخشی، موقعیت ولو پروانه‌ای را نشان می‌دهد. همچنین، جعبه سوئیچ حرکت (به رنگ مشکی) که چندین لیمیت سوئیچ را در خود جای داده است، یک نشان دهندهی از راه دور (Remote indication) از موقعیت ولو را برای اتاق کنترل فراهم می‌کند.

در شکل زیر یک مکانیزم رک و پینیون نشان داده شده است.

 

 مکانیزم رک و پینیون
 مکانیزم رک و پینیون

 

 هوای فشرده‌ی اعمال شده به تیوب پایینی (در حالی که تیوب بالایی Vent شده است) هر دو پیستون را به سمت مرکز هل داده، و چرخ دنده‌ی پینیون را خلاف عقربه‌های ساعت می‌چرخاند، با اعمال هوای فشرده به تیوب بالایی (در حالی که تیوب پایینی Vent شده است) هر دو پیستون به بیرون هل داده شده، و چرخ دنده‌ی پینیون در جهت عقربه‌های ساعت می‌چرخد.

یک نسخه‌ی کوچکتر و برش خورده از این طرح اکچویتور در شکل زیر نشان داده شده است.

 

 اکچویتور دو پیستونی برش خورده
 اکچویتور دو پیستونی برش خورده

 

یکی دیگر از طرح‌های اکچویتور پیستونی نیوماتیکی به جای مجموعه دنده‌ی رک و پینیون از یک میل لنگ اهرمی ساده (Crank lever) استفاده کرده و حرکت پیستونی را به حرکت چرخشی تبدیل می‌کند. تصویر نشان داده شده در شکل زیر نمونه‌ای از این اکچویتور پیستونی را که به یک ولو توپی با بریدگی V شکل متصل شده، نشان می‌دهد.

 

 

 اکچویتور پیستونی نیوماتیکی مجهز به میل لنگ اهرمی متصل شده به ولو توپی با بریدگی V شکل
 اکچویتور پیستونی نیوماتیکی مجهز به میل لنگ اهرمی متصل شده به ولو توپی با بریدگی V شکل

 

شاید بزرگترین نقطه ضعف اکچویتورهای پیستونی به کار رفته برای کنترل ولو، اصطکاک بین حلقه‌ی آب بندی فشاری پیستون و دیواره‌ی سیلندر باشد. هر چند برای یک کنترل ولو on/ off این یک مشکل محسوب نمی‌شود، اما برای یک ولو Throttling یعنی جایی که موقعیت یابی دقیق مطلوب است، این مسئله می‌تواند مهم باشد. اکچویتورهای دیافراگمی به اندازهی اکچویتورهای پیستونی از خود اصطکاک تولید نمی‌کنند، چرا که به جای سایش حلقه‌های آب بندی پیستون بر روی یک سطح ثابت، دیافراگم الاستیک خمیده و یا رول می‌شود.

 

 اکچویتورهای هیدرولیکی (Hydraulic actuators)

اکچویتورهای هیدرولیکی برای حرکت مکانیزم ولو به جای فشار گاز از فشار مایع استفاده می‌کنند. تقریبا همه‌ی طرح‌های اکچویتور هیدرولیکی با استفاده از یک پیستون (به جای دیافراگم) فشار سیال را به نیروی مکانیکی تبدیل می‌کنند. رتبه‌ی فشار بالای اکچویتورهای پیستونی مزایای خود را از فشارهای سیستم هیدرولیک معمول عاریه گرفته است، و ماهیت روان کنندگی روغن هیدرولیک به چیره شدن بر خاصیت اصطکاک اکچویتورهای نوع پیستونی کمک می‌کند. با توجه به این موضوع که اکثر پیستون‌های هیدرولیکی با نرخ‌های فشار بالایی کار می‌کنند، می‌توان گفت که حتی اگر سطح پیستون نسبتا کم باشد، باز هم ایجاد یک نیرو محرکهی شگرف و عظیم توسط اکچویتور هیدرولیکی امکان پذیر است. به عنوان مثال، فشار هیدرولیکی PSI 2000 اعمال شده به یک طرف پیستونی با قطر ۳ اینچ، فشار محوری خطی‌ای بیش از ۱۴۰۰۰ پوند (۷ تن) را تولید خواهد کرد

علاوه بر این، اکچویتورهای هیدرولیکی قادر هستند که به سادگی نیروهای بسیار بزرگی را تولید کرده، و همچنین بعلت عدم تراکم پذیری روغن هیدرولیک، موقعیت یابی بسیار پایداری را ارائه دهند. برخلاف اکچویتورهای نیوماتیکی که سیال محرک (هوا) آنها حالت الاستیکی دارد، روغن درون یک سیلندر اکچویتور هیدرولیکی تحت فشار عملکرد محسوسی را از خود نشان نمی‌دهد. اگر با استفاده از یک ولو کوچک ورود و خروج روغن به یک سیلندر هیدرولیکی را مسدود کنیم، اکچویتور به طور محکم در موقعیت خود قفل می‌شود. مسلما این یک خصیصه‌ی مهم برای کاربردهای تثبیت موقعیت ولو خواهد بود، جایی که اکچویتور باید وضعیت ولو را به طور محکم در یک موقعیت نگه دارد.

برخی اکچویتور‌های هیدرولیکی برای فراهم کردن قدرت سیال، خود دارای پمپ‌های الکتریکی کنترل شده هستند، به طوری که ولو عملا توسط یک سیگنال الکتریکی کنترل می‌شود. سایر اکچویتورهای هیدرولیکی با تکیه بر یک سیستم قدرت سیال جداگانه (پمپ، مخزن، کولر، ولوهای سولونوئیدی یا دستی، و غیره) فشار هیدرولیک مورد نیاز را فراهم می‌کنند. با این حال، سیستم‌های منبع فشار هیدرولیک، بعلت نیاز به تیوب کشی با دیوارهای ضخیم (برای اینکه حاوی روغن با فشار بالاست، و نیاز به پاکسازی سیستم از هر گونه حباب هواء و مشکل حفظ یک شبکه توزیع عاری از هر گونه نشتی، نسبت به سیستم‌های توزیع نیوماتیکی تمایل به محدوده (Span) فیزیکی محدودتری دارند. معمولا ساخت یک منبع روغن هیدرولیک کاربردی نبوده و سیستم توزیع به اندازهای بزرگ است که می‌تواند كل تأسیسات صنعتی را پوشش دهد. یکی دیگر از معایب سیستم هیدرولیکی در مقایسه با سیستم نیوماتیکی، عدم ذخیره سازی قدرت ذاتی می‌باشد. سیستم‌های هوای فشرده شده، بواسطه‌ی تراکم پذیری هوا (قابلیت ارتجاع)، به طور طبیعی انرژی درون هر حجم فشرده شده را ذخیره می‌کنند، و در نتیجه در صورت Shut down شدن کمپرسور اصلی، یک درجه‌ی مشخص از قدرت ذخیره شده را فراهم می‌کند. سیستم‌های هیدرولیکی به طور طبیعی این خصیصه‌ی مطلوب را ارائه نمی‌دهند.

همانطور که در تصویر نشان داده شده در شکل زیر مشاهده می‌کنید یک اکچویتور پیستونی هیدرولیکی به یک ولو Shut - off بزرگ متصل شده است (برای استفاده در کنترل on/ off و نه Throttling). دو سیلندر هیدرولیکی را می‌توان در بالای بدنه‌ی گرد ولو مشاهده کرد که به صورت افقی نصب شده اند. مانند ولو پیستونی نیوماتیکی‌ای که قبلا نشان داده شد، این اکچویتور نیز برای تبدیل حرکت خطی پیستون نیوماتیکی به حرکت چرخشی مورد نیاز برای چرخاندن تریم ولو، از یک مکانیزم رک و پینیون استفاده می‌کند.

 

 

اکچویتور پیستونی هیدرولیکی متصل شده به یک ولو Shut- off
اکچویتور پیستونی هیدرولیکی متصل شده به یک ولو Shut- off

 

از ویژگی‌هایی که در این تصویر آشکار نمی‌باشد، یک پمپ دستی هیدرولیکی است که در صورت خرابی سیستم هیدرولیکی می‌توان به وسیله آن به صورت دستی ولو را تحریک کرد.

 

 

 ولوهای خود عمل کننده (Self - operated valves)

این ولوها به خودی خود یک نوع اکچویتور محسوب نمی‌شوند، و در واقع در جایی که فشار سیال فرآیند خود یک مکانیزم ولو را تحریک می‌کند به عنوان یک فرم تحریک شناخته می‌شوند. این اصول خودکار (Self operating) می‌تواند در کاربردهای Throttling یا کاربردهای on/ off و در سرویس‌های گاز یا مایع مورد استفاده قرار گیرد. سیال فرآیند می‌تواند به طور مستقیم به المان تحریک کننده (دیافراگم یا پیستون) تیوب کشی شده باشد، یا برای تنظیم فشار آن قبل از رسیدن به اکچویتور ولو از میان یک مکانیزم کوچک که پایلوت (Pilot) نامیده می‌شود، عبور کند. طرح دوم (استفاده از پایلوت) این امکان را به وجود می‌آورد که حرکت ولو اصلی توسط یک دستگاه قابل تنظیم (پایلوت) کنترل شود.

یک کاربرد بسیار رایج برای کنترل ولوهایی که با پایلوت کار می‌کنند، تنظیم فشار گاز می‌باشد. این کنترل ولوها مخصوصا برای سوختهای گازی همچون پروپان یا گاز طبیعی استفاده شده برای سوخت مشعلهای بزرگ صنعتی کاربرد دارند. تصویر نشان داده شده در شکل ۳-۱۱ یک رگولاتور فشار گاز Fisher را نمایش میدهد که برای تنظیم فشار سوخت رسانی گاز طبیعی یک مشعل صنعتی استفاده شده است.

 

 یک رگولاتور فشار گاز ساخت شرکت Fisher
 یک رگولاتور فشار گاز ساخت شرکت Fisher

 

 

دیاگرام زیر نحوه‌ی عملکرد یک ولو تنظیم فشار گاز خود عمل کننده (Self operated) با فنر بارگذاری شده (Spring loaded) را نشان می‌دهد.

 

 دیاگرام یک ولو تنظیم فشار گاز خود عمل کننده یا فنر بارگذاری شده
 دیاگرام یک ولو تنظیم فشار گاز خود عمل کننده یا فنر بارگذاری شده

 

فنر سعی می‌کند که به زور پلاگ را از نشیمنگاه دور کند، در حالی که فشار گاز فیدبک آمده از طرف پایین دست ولو (Downstream) بر روی یک دیافراگم انعطاف پذیر اعمال شده و پلاگ را به سمت نشیمنگاه حرکت می‌دهد. با فشار پایین دست کمتر، تریم ولو بیشتر باز می‌شود و با فشار پایین دست بیشتر، تریم ولو بیشتر بسته می‌شود. این فنر مقدار نقطه‌ی تنظیم (Setpoint) میزان فشار را برای رگولاتور ایجاد می‌کند. اگر یک نقطه‌ی تنظیم متفاوت مطلوب باشد، باید فنر را با فنر دیگری که خشکی و سفتی متفاوتی دارد، تعویض کرد.

یک تغییر در این موضوع، رگولاتور فشار پایلوت بارگذاری شده (Pilot loaded) یا از خارج بارگذاری شده (Externally loaded) می‌باشد، که با استفاده از یک منبع فشار گاز خارجی نقطهی تنظیم تعدیل فشار را ایجاد می‌کند. در اینجا (شکل زیر)، یک رگولاتور فشار با تنظیم دستی ساده برای ارسال یک فشار بارگذاری (Loading pressure) بر روی دیافراگم تحریک کننده‌ی رگولاتور اصلی به عنوان دستگاه پایلوت بکار رفته است.

 

 رگولاتور فشار پایلوت بارگذاری شده
 رگولاتور فشار پایلوت بارگذاری شده

 

در این طرح به جای سفت کردن فنر داخلی ایجاد کننده‌ی نقطه‌ی تنظیم فشار رگولاتور، می‌توان با تنظیم فشار بارگذاری شده که از خارج تأمین می‌شود، رگولاتور اصلی را به راحتی تنظیم کرد. در واقع، از آنجایی که این فشار بارگذاری به سادگی با چرخاندن دستگیره‌ی روی رگولاتور فشار تنظیم می‌شود، اکنون رگولاتور اصلی قابل تنظیم نیز می‌باشد. مکانیزم پایلوت، اجزاء مکانیکی تنظیم گاز اصلی را کنترل می‌کند، و دقیقا به همین دلیل است که آن را پایلوت (رهبر یا خلبان) می‌نامند.

شکل زیر یک ولو با پایلوت راه انداز (Pilot operated valve) را نشان می‌دهد که در یک سرویس مایع (فاضلاب) استفاده شده است.

 

 ولو با پایلوت راه انداز
 ولو با پایلوت راه انداز

 

 

یکی از کاربردهای معمول ولو با پایلوت راه اندازی کنترل سیستم آبیاری می‌باشد، جایی که سولنوئید ولوهای بکار رفته برای سوئیچ (On و Off) فلوی آب سر آبپاش ها، به جای مستقیم عمل کردن مکانیزم ولو با نیروی مغناطیسی، از مکانیزم پایلوت استفاده می‌کنند. برای ارسال فشار آب به یک دیافراگم تحریک کننده، یک سولنوئید ولو کوچک باز و بسته می‌شود، که پس از آن مکانیزم ولو بزرگ برای شروع و متوقف کردن فلوی آب آب پاش بکار می‌افتد. استفاده از پایلوت میزان توان الکتریکی مورد نیاز برای تحریک سولنوئید را به حداقل می‌رساند.

یکی از موارد مخصوص ولو خود عمل کننده، ولو فرونشانی فشار (Pressure Relief Valve) یا ولو اطمینان فشار (Pressure Safety Valve) می‌باشد. این ولوها در حالت نرمال بسته هستند و تنها زمانی باز می‌شوند که فشار سیال کافی‌ای بر روی آنها ایجاد شود. اینگونه ولوها برای آزاد کردن فشار سیال فرآیند و در نتیجه حفاظت از بالادست مخازن و لوله ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. مانند دیگر ولوهای خود عمل کننده، این ولوهای اطمینان می‌توانند مستقیما با استفاده از فشار سیال فرآیند تحریک شوند، و یا ممکن است با یک مکانیزم پایلوت که تنها فشارهای سیال فرآیند بالاتر از یک فشار خاص را برای اکچویتور ارسال می‌کند، راه اندازی شوند. ولوهای فرونشانی‌ای که از پایلوت استفاده می‌کنند دارای مزیت گستره‌ی زیاد تنظیم پذیری هستند، در حالی که ولوهای اطمینان بدون پایلوت معمولا دارای رنجهای تنظیم محدودی می‌باشند.

 

 اکچویتورهای الکتریکی (Electric actuators)

موتورهای الکتریکی از مدت ها قبل برای تحریک ولوهای بزرگ و به خصوص ولوهای on/ off مورد استفاده قرار می‌گرفتند. پیشرفت‌های حاصل شده در طراحی موتورها و مدارات کنترل موتور، تکنولوژی ولو با راه انداز موتوری (MOV) را به ارمغان آورده که در حال حاضر در رقابت با تکنولوژی‌های سنتی چون اکچویتور نیوماتیکی می‌باشد. اکثر اکچویتورهای ولو الکتریکی به منظور کاهش سرعت بالای چرخش موتور الکتریکی و در جهت چرخش آرام مناسب برای حرکت دادن یک مکانیزم ولو بزرگ، از یک مجموعه چرخ دنده‌ی حلزونی (Worm gear) استفاده می‌کنند. تصویری از مجموعه چرخ دنده‌ی حلزونی در شکل زیر نشان داده شده است.

 

 مجموعه چرخ دنده حلزونی
 مجموعه چرخ دنده حلزونی

 

پیچ حلزونی (Worm screw) بسیار شبیه به یک بست رزوه دار است، به طوری که رزوه‌های آن به نحوی منظم گام بندی شده تا با چرخ دنده‌ی حلزونی (Worm wheel) درگیر شود. هنگامی که پیچ حلزونی می‌چرخد، محیط چرخ دنده‌ی حلزونی را به آرامی هل داده و یا می‌کشد، که در نتیجه یک نسبت چرخ دنده‌ی (Gear ratio) بزرگ حاصل می‌شود (یعنی لازم است پیچ حلزونی چرخش‌های بسیاری انجام دهد تا چرخ دنده‌ی حلزونی یک دور بچرخد). این گردش آرام چرخ دنده می‌تواند مستقیما برای گردش یک ولو چرخشی (به عنوان مثال، ولو پروانه ای، ولو توپی، ولو سماوری) مورد استفاده قرار گیرد و یا بوسیله‌ی یک شافت رزوه دار می‌توان از آن برای حرکت یک ولو با ساقه‌ی کشویی استفاده کرد.

در شکل زیر یک اکچویتور الکتریکی نشان داده شده است که باعث تحریک چرخشی یک ولو توپی می‌شود. این اکچویتور الکتریکی خاص به یک میل لنگ دستی (Hand crank) مجهز شده است. در واقع، هرگاه موتور الکتریکی خراب شده و یا برق قطع شود می‌توان توسط این میل لنگ دستی ولورا باز و بسته کرد.

 

 اکچویتور الکتریکی متصل شده به یک ولو توپی
 اکچویتور الکتریکی متصل شده به یک ولو توپی

 

اهرم کوچک قرار گرفته در سمت چپ میل لنگ دستی (اهرم آبی رنگ) به منظور درگیر کردن یا خلاص کردن مکانیزم ولو از موتور الکتریکی و چرخ دستی، یک مکانیزم کلاچ را تحریک می‌کند. این کلاچ به منظور جلوگیری از گردش چرخ دستی به همراه چرخش موتور، از بین موتور یا چرخ دستی یکی را به عنوان محرک اصلی ولو انتخاب می‌کند. اگر قبل از تعیین موقعیت دستی، این اهرم تحریک نشود، با چرخاندن چرخ دستی هیچ کاری انجام نخواهد شد.

تصویر بعدی  یک اکچویتور ولو الکتریکی را نشان می‌دهد که به یک ولو پروانه‌ای بزرگ متصل شده است. اگرچه هیچ نشانه‌ای در این تصویر وجود ندارد که ماهیت سیگنال دریافتی این اکچویتور را فاش کند، اما خوب است بدانید که سیگنال دریافتی این اکچویتور از نوع دیجیتال است، به طوری که فرمان‌های موقعیت از طریق یک شبکه‌ی دیجیتال Profibus و نه یک سیگنال جریان mA 4-20 آنالوگ دریافت می‌شود.

 

 یک اکچویتور ولو الکتریکی متصل شده به یک ولو پروانه‌ای بزرگ
 یک اکچویتور ولو الکتریکی متصل شده به یک ولو پروانه‌ای بزرگ

شکل بدنه‌ی فلزی اکچویتور نشان می‌دهد که درایور چرخ دنده‌ی نهایی این اکچویتور به صورت یک مجموعه چرخ دنده‌ی حلزونی می‌باشد. به شکل گرد بدنه جایی که نشان دهنده‌ی باز / بسته (open / close) قرار گرفته است، توجه کنید (در خط مرکزی ساقه‌ی ولو پروانه ای): این قسمت حاوی چرخ دنده‌ی حلزونی می‌باشد. حال به سمت چپ بدنه‌ی گرد توجه کنید که شبیه یک سیلندر عمودی است: این قسمت محتوی پیچ حلزونی می‌باشد که با دندانه‌های چرخ دنده‌ی حلزونی درگیر شده است. بالای پیچ حلزونی یک مجموعه چرخ دنده با شافت موازی قرار دارد که برای کاهش سرعت موتور الکتریکی اکچویتور مورد استفاده قرار گرفته اند: شافت موتور در یک چرخ دندهی کوچک پایان یافته است، و این چرخ دندهی کوچک نیز با یک چرخ دنده‌ی بزرگ که با شافت پیچ حلزونی می‌چرخد، درگیر شده است. در بالای مجموعه چرخ دنده با شافت موازی بدنه‌ی اصلی اکچویتور قرار گرفته است، که در حقیقت محتوی مجموعه چرخ دنده‌ی حلزونی مخصوص به خود می‌باشد. این کاهش دندهی چند مرحله‌ای بدان معنی است که موتور در مقایسه با المان پروانه‌ای درون ولو بسیار سریع می‌چرخد، و آن المان پروانه‌ای قادر است که یک مقدار گشتاور فوق العاده را (در مقایسه با نرخ گشتاور موتور الکتریکی) اعمال کند.

موتورهای الکتریکی برخلاف اکچویتورهای هیدرولیکی یا نیوماتیکی برای کار کردن به هیچگونه سیستم انرژی سیال خارجی نیازی نداشته و تمام نیاز آنها یک منبع انرژی الکتریکی است (اغلب ۴۸۰ ولت AC سه فاز). برخی از اکچویتورهای ولو الکتریکی حتی این قابلیت را دارند که با بسته‌های باتری کار کنند. این قابلیت یک عملکرد قابل اطمینان را در صورت بروز قطعی برق ایجاد می‌کند.

تقریبا همه‌ی اکچویتورهای ولو الکتریکی برای نشان دادن موقعیت ولو نیازمند برخی از روشهای فیدبک می‌باشند. این اکچویتورها حداقل دارای دو لیمیت سوئیچ هستند که یکی وضعیت کاملا بسته‌ی ولو و دیگری وضعیت کاملا باز ولو را نشان می‌دهد. برای سرویس‌های Throttling، اکچویتور الکتریکی نیازمند یک سنسور موقعیت ولو واقعی می‌باشد، تا بتوان ولو را برای هر موقعیت مطلوب با دقت تنظیم کرد. این سنسور می‌تواند به صورت یک پتانسیومتر، یا یک ترانسفورماتور تفاضلی متغیر (LVDT or RVDT)، یا پالس انکودر باشد. MOV نشان داده شده در شکل زیر که با نام تجاری Rotork شناخته می‌شود دارای یک صفحه نمایش دیجیتالی است که وضعیت بسته‌ی ولو را هم به صورت متنی (Closed Limit) و هم به صورت نمادین (با خط قائم، که قراردادی برای نمایش یک المان پروانه‌ای بسته شده می‌باشد) نشان می‌دهد.

 

 صفحه نمایش دیجیتال یک کنترل ولو الکتریکی Rotork
 صفحه نمایش دیجیتال یک کنترل ولو الکتریکی Rotork

اکچویتورهای ولو الکتریکی علاوه بر نشان دهنده‌های بصری موقعیت، معمولا کانتکت‌های (Contacts) الکتریکی کمکی‌ای را نیز برای علامت دهی (Signaling) موقعیت‌های کاملا باز و کاملا بسته ارائه می‌دهند، که ممکن است برای تحریک چراغ‌های یک نشان دهنده‌ی راه دور و یا کانال‌های ورودی گسسته‌ی سیستم‌های کنترلی (مثلا PLC) مورد استفاده قرار گیرد. MOVهای مخصوص سرویس‌های Throttling نیز در جهت درایو کردن یک نشان دهنده‌ی راه دور و یا فراهم کردن فیدبک برای یک سیستم کنترل الکتریکی، یک سیگنال آنالوگ (و یا دیجیتال) متناسب با موقعیت ساقه‌ی ولو را فراهم می‌کنند.

 

اکچویتورهای دستی (Hand actuators)

 ممکن است ولوها تنها به صورت دستی تحریک شوند. ولوهای نشان داده شده در شکل زیر همگی ولوهای دستی (Manual valves) هستند که برای تحریک نیازمند مداخله‌ی یک اپراتور انسانی می‌باشند.

 

ولو دستی
ولو دستی

 

 

به ساقه‌ی رزوه دار ولو دستی نشان داده شده در شکل زیر، تصویر پایین، سمت چپ توجه کنید. با چرخاندن دسته‌ی ولو این ساقه به بالا و پایین حرکت می‌کند، به طوری که یک نشانه‌ی بصری از موقعیت ولو را ارائه میدهد. چنین اکچویتورهایی را طرح ساقه‌ی بالا رونده (Rising stem design) می‌نامند.

 

تنظیم نشستن اکچویتور (Actuator bench-set)

همانطور که میدانید، اکچویتور نیروی مورد نیاز برای حرکت تریم کنترل ولو را فراهم می‌کند. برای موقعیت یابی دقیق یک کنترل ولو، باید رابطه‌ی بین نیروی اعمال شده و موقعیت ولو کالیبره شده باشد. اکثر اکچویتورهای نیوماتیکی برای تبدیل فشار هوای اعمال شده به موقعیت ساقه‌ی ولو از قانون هوک (Hooke) استفاده می‌کنند.

F = kx

F = نیروی اعمال شده به فنر در واحد نیوتن (متریک) یا پوند (انگلیسی)

K = ثابتی از الاستیسیته، یا ضریب فنریت با واحد نیوتن در متر (متریک) یا پوند در هر فوت (انگلیسی)

X = جابه جایی فنر در واحد متر (متریک) یا فوت (انگلیسی)

قانون هوک یک تابع خطی می‌باشد، به این معنی که حرکت فنر با نیروی اعمال شده از طرف المان اکچویتور (پیستون یا دیافراگم) ارتباط خطی دارد. از آنجایی که مساحت کاری یک دیافراگم یا پیستون ثابت است، رابطهی بین فشار سیال محرک و نیرو یک تناسب ساده خواهد بود (F= PA). می‌توان با جایگزینی جبری قانون هوک را تغییر داد تا سطح و فشار را نیز شامل شود:

F = kx

PA = ka

 

 

 یک اکچویتور دیافراگمی نیوماتیکی
 یک اکچویتور دیافراگمی نیوماتیکی

از آنجایی که یک کنترل ولو با اسمبل کردن یک اکچویتور و یک بدنه‌ی ولو ایجاد می‌شود، هر دو مکانیزم باید به گونه‌ای با هم کوپل شوند که با یک رنج قابل انتظار از فشارهای هوا، ولوبین موقعیت کاملا باز و کاملا بسته‌ی خود حرکت کند. یک استاندارد مشترک برای اکچویتورهای کنترل ولو نیوماتیکی، PSI 3 - 15 است.

بسته به اینکه چه فرمی از اکچویتور با چه فرمی از بدنه‌ی ولو کوپل شده است، ممکن است PSI 3 به معنای کاملا بسته و PSI 15 به معنای کاملا باز باشد، و یا برعکس، یک اکچویتور Direct acting کوپل شده به یک بدنه‌ی ولو Direct acting، در فشار پایین (PSI 3) باز و در فشار بالا (PSI 15) بسته خواهد بود، و یک عملکرد Air to close را در پی خواهد داشت، به طوری که با افزایش فشار هوا ساقه‌ی ولو به سمت بدنه هل داده شده و تریم ولو بسته تر می‌شود. در اینجا معکوس کردن نوع ولو يا اکچویتور یک عملکرد Air to open را حاصل خواهد کرد (به عنوان مثال اکچویتور معکوس با ولو مستقیم یا اکچویتور مستقیم با ولو معکوس)

هنگامی که یک اکچویتور دیافراگمی نیوماتیکی را به یک ولو ساقه کشویی کوپل کرده باشیم، تنها به دو تنظیم مکانیکی نیاز خواهیم داشت. این دو تنظیم باید بر روی اتصال دهنده‌ی ساقه (Stem connector) و تنظیم کننده‌ی فنر (Spring adjuster) اعمال شود. اتصال دهنده‌ی ساقه، ساقه‌های کشویی اکچویتور و بدنه‌ی ولو را به طور مکانیکی به یکدیگر متصل می‌کند، به طوری که پس از برقراری اتصال، آنها به صورت یک ساقه‌ی واحد با یکدیگر حرکت می‌کنند. این اتصال دهنده باید به گونه‌ای تنظیم شود که نه اکچویتور و نه تریم ولو از حرکت کامل تریم ولو جلوگیری نکنند.

همچنین میتوانید کالاهای قابل تامین این شرکت را در این پست ببینید.