اکچویتور نیوماتیکی Pneumatic Actuator
اکچویتور نیوماتیکی Pneumatic Actuator 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 نیوماتیکی Pneumatic Actuator 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.
مقدار نیروی (F) (در واحد پوند) تولید شده توسط هر سیال فشرده شده در برابر هر سطح، برابر با فشار سیال (P) (در واحد PSI) ضرب در مساحت سطح (A) (در واحد اینچ مربع) می‌باشد (F=PA). در مورد دیافراگم‌های دایره‌ای با مساحتی برابر با ar، فرمول کامل نیرو F=P خواهد بود. به عنوان مثال، یک دیافراگم کنترل ولو با قطر 14 اینچ (شعاع = 7 اینچ) و با یک فشار هوای اعمالی PSI 15، یک نیروی خطی 2309 پوندی را ایجاد می‌کند.
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 چند 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.
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. همه ی 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 نیوماتیکی Pneumatic Actuator ولو را درایو کنند.
برخی از اکچویتور نیوماتیکی Pneumatic Actuator 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 نیوماتیکی Pneumatic Actuator دیافراگمی نشان داده شده، که در بالای آن یک چرخ دستی (Handwheel) قرار گرفته است.
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 نیوماتیکی Pneumatic Actuator 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.
اکچویتور نیوماتیکی Pneumatic Actuator ممکن است به صورت پیستونی باشند و نه دیافراگمی برای مقایسه، تصویر هر دو نوع اکچویتور نیوماتیکی در شکل زیر نشان داده شده است.
معمولا اکچویتور نیوماتیکی Pneumatic Actuator پیستونی نسبت به اکچویتور نیوماتیکی Pneumatic Actuator دیافراگمی طول حرکت (Stroke length) بیشتری دارند، و قادر هستند که در فشارهای هوای بسیار بیشتری کار کنند. رتبه‌ی فشار بیشتر یک اکچویتور نیوماتیکی Pneumatic Actuator 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.
از آنجایی که نیروی اکچویتور نیوماتیکی Pneumatic Actuator تابعی از فشار سیال و سطح اکچویتور نیوماتیکی Pneumatic Actuator 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.
اکچویتور نیوماتیکی Pneumatic Actuator 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.
از آنجایی که تنها توجیه برای انتخاب چنین اکچویتور نیوماتیکی Pneumatic Actuator 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 ااکچویتور نیوماتیکی Pneumatic Actuator 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.
در این طرح اکچویتور نیوماتیکی Pneumatic Actuatorخاص، 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.
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.
یکی دیگر از طرح‌های اکچویتور نیوماتیکی Pneumatic Actuator 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 نیوماتیکی Pneumatic Actuator پیستونی را که به یک ولو توپی با بریدگی V شکل متصل شده، نشان می‌دهد.
شاید بزرگترین نقطه ضعف اکچویتور نیوماتیکی Pneumatic Actuator 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 اندازه ی اکچویتور نیوماتیکی Pneumatic Actuator 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.
