پوزیشنر ولو Valve Positioner
در اکچویتورهای ولو، به منظور تبدیل نیروی مکانیکی به حرکت مکانیکی (قانون هوک، F= kx)، فقط در شرایطی می‌توان گفت فنر به کار رفته در اکچویتور بسیار خوب کار می‌کند که تنها نیروی پیستون یا دیافراگم با نیروی مقاومت فنر درگیر باشد. اگر هر نیروی دیگری بر روی سیستم اعمال شود، رابطه ی بین فشار سیال محرک و حرکت ساقهی ولو قطعا متناسب نخواهد بود.
متأسفانه، علاوه بر نیروی فشار سیال محرک و نیروی عکس العمل فنر، نیروهای دیگری نیز بر روی ساقهی ولو اعمال میشود. یکی از این نیروهای اضافی اصطکاک پکینگ ساقه، و دیگری نیروی عکس العمل پلاگ ولو ناشی از فشار تفاضلی دو طرف سطح پلاگ میباشد. این نیروها دست به دست هم داده و موقعیت ساقه را تغییر می‌دهند، به طوری که حرکت ساقه دیگر وابستگی دقیقی با فشار سیال محرک نخواهد داشت.
یکی از راه حل‌های رایج برای رفع این مشکل، اضافه کردن یک پوزیشتر به اسمبلی کنترل ولو میباشد. پوزیشنر ولو Valve Positioner یک دستگاه کنترل حرکت است که فعالانه موقعیت ساقه را با سیگنال کنترلی مقایسه کرده و آنقدر فشار ارسالی برای دیافراگم یا پیستون اکچویتور را تنظیم می‌کند تا به موقعیت درست ساقه برسد.
خوب است که بدانید یکی از راه‌های به حداقل رساندن نیروهای دینامیک روی پلاگ ولو کروی، استفاده از طرح پلاگ دو پورتی و یا استفاده از یک پلاگ متعادل شدهی قرار گرفته بر روی ولوکروی قفس راهنما میباشد. هر چند، یکی از نقطه ضعف‌های این دو طرح پلاگ ولو نیز، دشواری بیشتر برای دستیابی به بستن کامل و محكم ولو میباشد.
پوزیشترها ذاتا دارای یک سیستم کنترلی داخلی می‌باشند، به طوری که موقعیت ساقهی ولو همان متغیر فرآیند (PV)، سیگنال فرمان دریافتی پوزیشنر همان نقطه‌ی تنظیم (SP)، و سیگنال خروجی پوزیشنر ولو Valve Positioner که برای اکچویتور ولو ارسال میشود همان متغیر دست کاری شده (MV) یا در واقع همان خروجی میباشد.
به این ترتیب، هنگامی که کنترلر فرآیند یک سیگنال فرمان را برای یک ولو مجهز به پوزیشتر ارسال می‌کند، پوزیشنر ولو Valve Positioner آن سیگنال فرمان را دریافت کرده و برای دستیابی به موقعیت مطلوب ساقه فشار هوای بیشتر یا کمتر مورد نیاز را به اکچویتور اعمال می‌کند. بنابراین، پوزیشنر ولو Valve Positioner برای دستیابی به موقعیت یابی دقیق و قطعی ساقه و البته مطابق با سیگنال فرمان، در برابر هر نیروی اضافی اعمال شده بر روی ساقه ی ولو مقاومت می‌کند. یک پوزیشتر با عملکرد مناسب تضمین خواهد کرد که کنترل ولو به خوبی رفتار کرده و مطیع سیگنال فرمان میباشد.
خوب است بدانید اصطلاح فنی سیستم کنترلی استفاده شده در انواع پوزیشنر ولو Valve Positioner، سیستم کنترلی آبشاری (Cascade) میباشد. در سیستم‌های کنترلی آبشاری، خروجی یک کنترلر نقطه‌ی تنظیم یک کنترلر دیگر میشود. پوزیشنر ولو Valve Positioner نیز نقطه‌ی تنظیم موقعیت ولو را از کنترلر اصلی فرآیند دریافت می‌کند.
تصویر نشان داده شده در شكل زیر یک پوزیشتر نیوماتیکی مدل 3582 شرکت Fisher نصب شده بر روی یک کنترل ولو را نمایش میدهد. پوزیشنر همان جعبه‌ی خاکستری میباشد که سه گیج فشار در طرف راست آن قرار گرفته است.
می‌توانید در طرف چپ این پوزیشنر ولو Valve Positioner قسمتی از مکانیزم فیدبک را مشاهده کنید. همانطور که می‌بینید، یک براکت فلزی به اتصال دهنده‌ی ساقهی ولو پیچ شده، و بازوی بیرون آمده از سمت چپ پوزیشنر ولو Valve Positioner را به اتصال دهنده‌ی ساقه متصل کرده است. هر پوزیشنر کنترل ولو باید روشی برای حس کردن موقعیت ولو داشته باشد، و این تنها راهی است که آن را قادر می‌سازد موقعیت ساقهی ولو را با سیگنال فرمان مقایسه کند.
در تصویر نشان داده شده در شکل زیر یک پوزیشنر ولو Valve Positioner مدرن تر نمایش داده شده است (جعبه‌ی خاکستری رنگ که در طرف راست آن چند گیج فشار قرار گرفته است. این یک پوزیشنر ولو Valve Positioner مدل DVC6000 شرکت Fisher میباشد.
مانند مدل قدیمی تر 3582 پوزیشنر ولو Valve Positioner ولو Valve Positioner مدل DVC6000 نیز برای حس کردن موقعیت ساقهی ولو از یک اتصال فیدیک (Feedback linkage) استفاده می‌کند. در مدل جدیدتر DVC6200 بر روی ساقهی ولو یک آهنربا نصب شده است که با حرکت ساقه جابه جا میشود. برای حس کردن و تعیین موقعیت این آهنربای پیچ شده بر روی ساقهی ولو از یک سنسور اثر هال استفاده شده است. این طرح فیدبک موقعیت غیر مکانیکی، عواملی چون فرسودگی، واکنش شدید، تداخل، و سایر مشکلات بالقوه‌ی مربوط به لینک‌های مکانیکی را حذف می‌کند. باید توجه داشت که همیشه برای موقعیت یابی بهتر ولو، لازم است فیدبک بهتری داشته باشیم.
پوزیشنرهای کنترل ولو معمولا به گونه‌ای ساخته می‌شوند که نرخ‌های فلوی بالای Vent و منبع را نیز ساپورت می‌کنند. در واقع، پوزیشنر وظیفه‌ی یک تقویت کنندهی حجم را نیز انجام میدهد. به این ترتیب، یک پوزیشنر ولو Valve Positioner نه تنها موقعیت یابی ساقهی ولو دقیق تری را ممکن می‌سازد، بلکه با استفاده از آن، سرعت ساقه سریعتر (و تأخیر زمانی کوتاهتر از حالتی خواهد بود که اکچویتور ولو مستقیما توسط یک ترانسدیوسر IP تغذیه شده باشد.
البته این بدان معنا نیست که پوزیشنرهای ولو به تقویت کننده‌های حجم (Volume booster) خارجی نیازی ندارند، بلکه گویای این مطلب است که ظرفیت فلوی هوای محرک یک پوزیشنر ولو Valve Positioner معمول تا حد زیادی بیشتر از ظرفیت فلوی هوای یک ترانسدیوسر I/P معمول است.
یکی دیگر از مزیت‌های پوزیشتر در تحریک کنترل ولو، نشستن بهتر ولو( Superior valve seating) است که در واقع بستن محکم مسیر را به دنبال دارد. شاید در نگاه اول این مزیت آشکار نباشد، بنابراین ارائه‌ی برخی توضیحات در این باره می‌تواند مفید واقع شود.
خوب است بدانید که صرفا تماس بین پلاگ و نشیمنگاه درون یک ولو ساقه کشویی برای اطمینان از بسته شدن محکم مسیر عبور فلو کافی نمی‌باشد، بلکه به منظور قطع کامل فلوی عبوری از ولو، پلاگ باید با قوت بر روی نشیمنگاه فشار وارد کند. هر کس که تا به حال دسته‌ی روی یک شیر آب باغچهی در حال نشت را سفت کرده، به طور قابل لمسی این اصل را درک کرده است. در واقع برای تغیر شکل اندک پلاگ و نشیمنگاه و در نتیجه فرم دادن آنها در جهت بستن کامل مسیر سیال، به مقدار معینی از نیروی تماس بین پلاگ و نشیمنگاه نیاز است. اصطلاح فنی این نیاز مکانیکی، بار نشیمنگاه ( Seat load) میباشد.
یک کنترل ولو ساقه کشویی، دیافراگمی، Air to open با رنج Bench set معادل PSI 3 -15 را تصور کنید. در زمانی که فشار PSI 3 به اکچویتور اعمال شده است، دیافراگم تنها نیروی کافی برای غلبه بر نیروی فنر از پیش بارگذاری شده را تولید می‌کند، اما برای حرکت پلاگ از روی نشیمنگاه این نیرو کافی نمی‌باشد. به عبارت دیگر، در فشار دیافراگم PSI 3، پلاگ در تماس با نشیمنگاه است، اما نیرویی نداشته و یا نیروی آن بسیار کم است، به طوری که فراهم کردن یک آب بندی محکم مقدور نمی‌باشد. اگر کنترل ولو مستقیما توسط یک ترانسدیوسر I/P با رنج کالیبره شدهی PSI 3 - 15 تغذیه شود، به این معنی است که ولو در مقدار سیگنال %0 (PSI 3) به جای اینکه سفت و محکم بسته شود، تنها اندکی بسته میشود. به منظور وارد نمودن فشار پلاگ ولو بر روی نشیمنگاه و در جهت دستیابی به یک آب بندی محکم، باید تمام فشار هوای روی دیافراگم Vent شود، به طوری که هیچگونه نیروی دیافراگم مخالفت کننده با نیروی فنر وجود نداشته باشد و این کار با استفاده از یک ترانسدیوسر I/P با رنج کالیبره PSI 3 - 15 غیر ممکن است.
حال همان کنترل ولو را در حالی که به یک پوزیشنر ولو Valve Positioner مجهز شده است تصور کنید، به طوری که سیگنال PSI 3 - 15 را از یک I/P گرفته و از آن به عنوان یک فرمان (نقطه‌ی تنظیم) برای موقعیت یابی ساقهی ولو استفاده می‌کند. در اینجا پوزیشتر نیز برای دستیابی به موقعیت مطلوب ساقه، فشار هوای بیشتر یا کمتر مورد نیاز را به اکچویتور اعمال می‌کند. کالیبراسیون مناسب پوزیشنر ولو Valve Positioner به گونه‌ای است که تا زمانی که سیگنال فرمان کمی بالاتر از %0 نرفته باشد، ساقهی ولو نیز بلند کردن پلاگ را شروع نکند. این بدان معنی است که در %0 (mA 4)، پوزیشتر سعی خواهد کرد که ولو را به اجبار در یک موقعیت ساقهی کمی منفی قرار دهد (یعنی کاری کند که پلاگ بر روی نشیمنگاه فشار وارد کند). در تلاش برای دستیابی به این تقاضا، خروجی پوزیشتر اشباع پایین شده، هیچ فشاری را بر روی دیافراگم اکچویتور اعمال نکرده، و در نتیجه نیروی کامل فنر از طریق پلاگ بر روی نشیمنگاه اعمال میشود.
در حالی که پوزیشنر ولو Valve Positioner برای اکچویتورهای ولو مجهز به فنر مفید می‌باشند، استفاده از آنها برای سبک‌های دیگر اکچویتور نیز کاملا ضروری به نظر می‌رسد. یک نمونه از اکچویتورهایی که برای عملکرد مناسب به پوزیشتر نیاز دارد، اکچویتور پیستونی نیوماتیکی Double acting بدون فنر میباشد. تصویر نشان داده شده در شکل زیریک نمونه‌ی برش خورده از این نوع اکچویتورها را نشان میدهد. همانطور که مشاهده می‌کنید یک پوزیشتر به این اکچویتور متصل شده و یک ولو دروازه‌ای را تحریک می‌کند.
اکچویتورهای کنترل ولوهای الکتریکی کلاس دیگری از طرح‌های مختلف اکچویتورها می‌باشند که همواره به نوعی از سیستم پوزیشتر نیاز دارند، زیرا موتور الکتریکی در حالت عادی از موقعیت شافت خود آگاه نبوده و در نتیجه نمی‌تواند یک کنترل ولو را با دقت حرکت دهد. به این ترتیب، مدار پوزیشنر ولو Valve Positioner با استفاده از یک پتانسیومتر یا سنسور LVDT / RVDT موقعیت ساقهی ولو را آشکار کرده، و برای درایو کردن موتور از مجموعه‌ای از ترانزیستورهای خروجی استفاده می‌کند. با این کار یک اکچویتور الکتریکی واکنش پذیر به یک سیگنال کنترلی آنالوگ ایجاد میشود.
پوزیشنرهای نیوماتیکی تعادل نیرو (Force balance pneumatic positioners)
در شکل زیر یک طرح ساده از پوزیشنر ولو Valve Positionerولو نیوماتیکی تعادل نیرو نشان داده شده است.
سیگنال کنترلی دریافتی پوزیشنر ولو Valve Positioner یک سیگنال نیوماتیکی PSI 315 میباشد که از طرف یک I/P یا یک کنترلر نیوماتیکی می‌آید. فشار این سیگنال کنترلی به یک بیلوز (Bellows) اعمال شده و در نتیجه یک نیروی رو به بالا را بر روی میله‌ی نیرو (Force beam) اعمال می‌کند. این نیروی رو به بالا باعث نزدیکتر شدن تیغه (Baffle) به نازل میشود. با نزدیک شدن تیغه به نازل، فشار پشت (Backpressure) نازل افزایش می‌یابد. افزایش فشار پشت نازل سبب میشود که رله‌ی تقویت کنندهی نیوماتیکی فشار هوای بیشتری را برای اکچویتور ولو ارسال کرده و در نتیجه باعث بالا رفتن ساقهی ولو شود (ولو باز شود). وقتی که ساقهی ولو بلند شده و به طرف بالا حرکت می‌کند، فنر اتصال دهنده‌ی Force beam به ساقهی ولو بیشتر کشیده شده، و یک نیروی اضافی را بر روی طرف راست Force beam اعمال می‌کند. هنگامی که این نیروی اضافی با نیروی بیلوز به توازن می‌رسد، سیستم در یک تعادل جدید تثبیت میشود.
مانند تمام سیستم‌های تعادل نیرو، حرکت Force beam تا حد زیادی توسط نیروهای متعادل کننده محدود شده است، به طوری که برای تمامی اهداف و مقاصد عملی این حرکت ناچیز خواهد بود. همانطور که دیدید، در پایان کار، تعادل مورد نظر بواسطهی یک نیروی متعادل کنندهی دیگر به دست آمده است. این قضیه مانند دو تیم از افراد است که به طور مخالف یک طناب دراز را می‌کشند. مادامی که نیروهای دو تیم در جهت مخالف مساوی باشند، طناب از موقعیت اصلی خود منحرف نخواهد شد
شكل زیر یک پوزیشتر تعادل نیروی مدل 1500 شرکت PMV را نشان میدهد که برای یک اکچویتور ولو چرخشی استفاده شده است.
سیگنال کنترلی نیوماتیکی PSI 3 - 15 وارد بیلوز شده و Force beam افقی (به رنگ سیاه) را به طرف پایین هل میدهد. اسمبلی ولو پایلوت نیوماتیکی قرار گرفته در سمت چپ Force beam هرگونه حرکت را آشکار می‌کند. با آشکار شدن هر حرکت رو به پایین، فشار هوای ارسالی برای دیافراگم اکچویتور ولو افزایش یافته، و با آشکار شدن هر حرکت رو به بالا، فشار هوای ارسالی برای دیافراگم اکچویتور ولو کاهش می‌یابد.
هنگامی که این اسمبلی ولو پایلوت اجازه‌ی ورود هوای فشرده به اکچویتور ولو را میدهد، ولو چرخشی شروع به گردش کرده و ولو را باز می‌کند. حرکت چرخشی شافت، در داخل پوزیشتر به وسیله‌ی یک بادامک (Cam) به یک حرکت خطی تبدیل میشود. این بادامک در واقع یک دیسک با شعاع نامنظم است که یک جابه جایی زاویه‌ای را به یک جابه جایی خطی تبدیل می‌کند.
یک دنبال کنندهی غلتکی (Follower) که در انتهای یک Beam طلایی رنگ قرار گرفته است در امتداد محیط بادامک گردش می‌کند. با فشردگی یک فنر پیچشی در جهت مخالف نیروی بیلوز اعمال شده بر روی Force beam حرکت بادامک به نیروی خطی تبدیل میشود. هنگامی که به منظور فشرده سازی کافی فتر برای ایجاد تعادل با نیروی اضافی تولید شده توسط بیلوز، بادامک به اندازهی کافی حرکت کند، Force beam به موقعیت تعادل خود بازگشته (این موقعیت بسیار نزدیک به جایی است که از آن شروع به حرکت کرده است) و ولو نیز از حرکت باز می‌ایستد.
اگر با دقت به تصویر نشان داده شده در شكل زیر نگاه کنید، می‌توانید پیچ تنظیم صفر پوزیشنر ولو Valve Positioner را ببینید. پیچ تنظیم صفر همان پیچ رزوه دار بیرون آمده از زیر Beam طلایی رنگ میباشد. این پیچ تنظیم مقدار فشردگی فنر را بایاس می‌کند، و در واقع کاری می‌کند که مکانیزم پوزیشتر فکر کند بادامک در یک موقعیت متفاوت قرار گرفته است. به عنوان مثال، اگر این پیچ تنظیم را در جهت عقربه‌های ساعت بچرخانیم، فشردگی فنر بیشتر شده و با نیروی بیشتری بر روی میله‌ی سیاه رنگ (Force beam) فشار وارد می‌کند، به طوری که اثر این کار مثل این است که بادامک در خلاف جهت عقربه‌های ساعت اندکی گردش کرده باشد. این امر باعث میشود که پوزیشتر برای جبران سازی کاری کند که بادامک در جهت عقربه‌های ساعت گردش کرده و به موقعیت %0 ساقهی ولو نزدیکتر شود.
حتی اگر بادامک و دنبال کنندهی درون این مکانیزم پوزیشتر به طور واقعی با حرکت ساقهی ولو حرکت کنند، هنوز هم یک مکانیزم تعادل نیرو در نظر گرفته شده است، زیرا Beam متصل به ولو پایلوت حرکت محسوسی ندارد. بواسطهی متعادل شدن نیروها بر روی Beam، ولو پایلوت همیشه در موقعیت تعادل خود باقی می‌ماند.
پوزیشنرهای نیوماتیکی تعادل حرکتی (Motion balance pneumatic positioners)
در این نوع از پوزیشنر ولو Valve Positioner، حرکت ساقهی ولو با حرکت (و نه نیرو) یک المان دیگر مقابله می‌کند. تصویر نشان داده شده در شکل زیر، نحوه ی عملکرد یک پوزیشتر تعادل حرکتی ساده را نشان میدهد.
در این مکانیزم، افزایش فشار سیگنال کنترلی (Control signal) سبب میشود که بیلوز منبسط شده و Beam را به سمت نازل (Nozzle) هل دهد. نزدیکتر شدن Beam به نازل باعث میشود که فشار پشت نازل افزایش یافته و در نتیجه رله‌ی تقویت کنندهی نیوماتیکی فشار هوای بیشتری را برای اکچویتور ولو ارسال کند. این امر سبب میشود که ساقهی ولو بلند شده و به طرف بالا حرکت کند. این حرکت رو به بالا توسط اتصالات Link به سمت راست Beam اعمال شده و در نتیجه Beam کمی از نازل دورتر میشود. از اینرو حرکت Beam که ناشی از افزایش سیگنال ورودی میباشد، برخلاف حرکت Beam ناشی از بالا رفتن ساقهی ولو عمل می‌کند. در نهایت، هنگامی که به حالت تعادل می‌رسیم، Beam در یک موقعیت زاویه دار قرار داشته و حرکت بیلوز با حرکت ساقهی ولو به تعادل رسیده اند.
تصویر نشان داده شده در شکل زیر نمای نزدیک یک مکانیزم پوزیشنر نیوماتیکی تعادل حرکتی مدل 3582 شرکت Fisher را نمایش میدهد.
در مرکز این مکانیزم یک حلقه‌ی فلزی D شکل (D- ring) قرار گرفته است که حرکت بیلوز و حرکت ساقهی ولو را به حرکت فلاپر (تیغه) ترجمه می‌کند. این حلقه‌ی D شکل همان Beam سیستم پوزیشنر ما میباشد. هنگامی که بیلوز (که در زیر گوشه‌ی بالای سمت راست حلقه‌ی D شکل قرار گرفته است) با افزایش فشار سیگنال نیوماتیکی منبسط میشود، Beam را در امتداد محور عمودی خود حرکت میدهد. با فرض اینکه پوزیشتر را برای عملکرد Direct acting تنظیم کرده باشیم، این حرکت گهواره‌ای Beam باعث میشود که فلاپر به نازل نزدیکتر شده، فشار پشت نازل افزایش یافته و در نتیجه فشار هوای بیشتری برای اکچویتور ولو ارسال شود.
هنگامی که ساقهی ولو حرکت می‌کند، یک اهرم فیدبک (Feedback lever) یک بادامک را که در زیر پایین ترین قسمت حلقه‌ی D شکل قرار گرفته است، می‌چرخاند. یک دنبال کنندهی غلتکی بر روی بادامک سوار شده و حرکت ساقهی ولو را به یک حرکت گهواره‌ای (Rocking motion) دیگر Beam ترجمه می‌کند اما این بار در امتداد یک محور افقی). بسته به اینکه بادامک چگونه بر روی شافت فیدیک ثابت شده باشد، این حرکت گهواره‌ای می‌تواند فلاپر را به نازل نزدیکتر و یا از آن دورتر کند. این جهت گیری بادامک باید به گونه‌ای انتخاب شود که با عملکرد اکچویتور (Direct یا Reverse) مطابقت داشته باشد.
این حلقه‌ی D شکل مکانیزم نسبتا هوشمندانه‌ای دارد، چرا که با زاویه دار کردن اسمبلی فلاپر (Flapper assembly) در نقاط مختلف طول محيط حلقه می‌توان به راحتی Span را تنظیم کرد. اگر فلاپر موازی با سطح افقی تنظیم شده باشد، حداکثر حساسیت را به حرکت بیلوز و حداقل حساسیت را به حرکت ساقهی ولو خواهد داشت، به طوری که برای ایجاد تعادل با حرکات کوچک بیلوز، ولو را مجبور می‌کند که حرکت بیشتری داشته باشد (Long stroke length).
در مقابل، اگر فلاپر موازی با سطح عمودی تنظیم شده باشد، حداکثر حساسیت را به حرکت ساقهی ولو و حداقل حساسیت را به حرکت بیلوز خواهد داشت، به طوری که در نهایت یک حرکت کم ولو نتیجه میشود (یعنی برای ایجاد تعادل با یک مقدار کوچک از حرکت ساقه، نیاز است که بیلوز بیشتر منبسط شود).
پوزیشنرهای الکترونیکی (Electronic positioners)
همانطور که به یاد دارید، هدف یک پوزیشنر ولو Valve Positioner اطمینان همیشگی از مطابقت موقعیت ولو مکانیکی با سیگنال فرمان میباشد. به این ترتیب، می‌توان گفت که یک پوزیشنر ولو Valve Positioner در واقع یک سیستم کنترلی حلقه بسته است که به منظور دستیابی به موقعیت ساقهی ولو مطلوب (فرمان داده شده)، فشار بیشتر و یا کمتری را به اکچویتور اعمال می‌کند. پوزیشنرهای مکانیکی برای دستیابی به این لوپ بسته‌ی کنترلی از اهرمها، بادامکها، و دیگر اجزاء فیزیکی استفاده می‌کنند.
پوزیشنر ولو Valve Positioner الکترونیکی، همچون مدل DVC6000 شرکت Fisher، برای آشکارسازی موقعیت ساقه ولو از یک سنسور الکتریکی استفاده می‌کنند، به طوری که یک میکروپروسسور برای مقایسه‌ی بین موقعیت ساقهی آشکار شده و سیگنال فرمان از تفریق ریاضی استفاده کرده (خطا = موقعیت - سیگنال)، و سپس یک مبدل سیگنال نیوماتیکی و یک یا چند رله یک فشار هوا را برای اکچویتور ولو ارسال می‌کنند. در شکل زیر یک دیاگرام ساده شدهی پوزیشتر الکترونیکی نشان داده شده است.
همانطور که در این دیاگرام مشاهده می‌کنید، در داخل یک پوزیشنر ولو Valve Positioner الکترونیکی المان‌های زیادی وجود دارد. در اینجا دو الگوریتم کنترلی وجود دارد که برای حفظ موقعیت مناسب ولو با یکدیگر کار می‌کنند. یکی از الگوریتمها وظیفه‌ی مانیتور کردن و کنترل کردن فشار اعمال شده به اکچویتور و البته جبران سازی تغییرات فشار منبع هوا که می‌تواند یکی از دلایل تغییرات موقعیت ولو باشد را به عهده داشته، و دیگری برای مانیتور کردن و کنترل کردن موقعیت ساقه یک سیگنال کنترلی آبشاری را به اجزاء کنترل فشار ارسال می‌کند.
سیگنال فرمان که از طرف کنترلر، PLC، یا دیگر سیستم‌های کنترل لوپ فرآیند فرستاده شده است به پوزیشتر می‌گوید که ساقهی ولو باید در کجا قرار داده شود. اولین کنترلر قرار گرفته در داخل پوزیشنر ولو Valve Positioner مقدار فشار هوای مورد نیاز اکچویتور برای دستیابی به موقعیت ساقهی درخواست شده را محاسبه می‌کند. کنترلر بعدی (PID) مبدل I/P را در جهت دستیابی به آن فشار به مقدار لازم درایو می‌کند. اگر هر چیزی سبب شود که ساقهی ولو در موقعیت فرمان داده شده قرار نگیرد، هر دو کنترلر درون پوزیشنر با یکدیگر همکاری کرده و به زور ولو را در موقعیت صحیح خود قرار می‌دهند.
نه تنها پوزیشنرهای الکترونیکی کنترل موقعیت برتری را نسبت به پوزیشنرهای مکانیکی ارائه می‌دهند، بلکه آرایش سنسورها و توانایی ارتباط دیجیتال این پوزیشنرها یک سطح جدید از داده‌های تشخیصی (Diagnostic data) را برای پرسنل تعمیر و نگهداری و ناظران سیستم کنترلی فراهم می‌کند. نمونه هایی از داده‌های تشخیصی که توسط پوزیشنرهای الکترونیکی فراهم میشود عبارتند از:
• فشار هوای منبع
• فشار هوای اکچویتور
• دمای محیط
• خطاهای فشار و موقعیت
• کل حرکت ساقهی ولو (مانند یک کیلومتر شمار درون اتومبیل)
علاوه بر این، میکروپروسسور جاسازی شده در داخل پوزیشنر الکترونیکی قادر به انجام خودآزمایی (Self tests)، خود کالیبراسیونی (Self calibration)، و روتین‌های معمول دیگری میباشد که به طور سنتی توسط تکنسین‌های ابزاردقیق بر روی پوزیشنر ولو Valve Positioner مکانیکی انجام میشود. همچنین امکان اندازه گیری کل حرکت ساقهی ولو این اجازه را میدهد که یک پوزیشنر الکترونیکی بتواند زمان فرسودگی پکینگ را محاسبه و در نتیجه آن را پیش بینی کند، و زمانی که پکینگ ساقهی ولو نیاز به تعویض داشته باشد، برای اطلاع دادن به اپراتور و یا تکنسین ابزاردقیق به طور اتوماتیک یک آلارم تعمیر و نگهداری (Maintenance alarm) را فعال کند.
پوزیشنرهای هوشمند (Smart positioners) علاوه بر موقعیت ساقه، بر روی فشار هوای اکچویتور نیز نظارت دارند، از اینرو حتی در صورت خرابی سنسور موقعیت ساقه نیز کنترل مناسب و معقول ولو را حفظ می‌کنند، که این تنها یکی از قابلیت‌های مفید آنها محسوب میشود. اگر میکروپروسسور یک سیگنال فیدبک موقعیت خراب (خارج از مقیاس) را آشکار کند، ممکن است به گونه‌ای برنامه ریزی شده باشد که تنها بر پایه‌ی فشار به کار خود ادامه داده و ولو را درایو کند، به طوری که با توجه به تابع فشار و تابع موقعیتی که در گذشته ثبت شده است فشار هوای اعمال شده به اکچویتور ولو را تنظیم می‌کند. از آنجایی که این پوزیشنر ولو Valve Positioner نمی‌تواند موقعیت ساقهی ولو را حس کند دیگر دقیق عملکرد یک پوزیشنر ولو Valve Positioner را ندارد، اما هنوز هم می‌تواند نقش خود را به عنوان یک تقویت کنندهی حجم ایفا کرده و یک کنترل معقولانه را بر روی ولو ارائه دهد. این در حالی است که اگر پوزیشنرهای غیر هوشمند فیدبک موقعیت خود را از دست دهند، شرایط بسیار بدی را به وجود خواهند آورد، به طوری که در صورت استفاده از هر پوزیشنر کاملا مکانیکی، اگر اتصال فیدبک موقعیت ساقه بیفتد، معمولا کنترل ولو به موقعیت کاملا باز یا کاملا بسته خواهد رفت.
شاید پر اهمیت ترین دادهی تشخیصی ارائه شده توسط یک پوزیشنر ولو Valve Positioner الکترونیکی، مقایسه‌ی فشار اکچویتور در مقابل موقعیت ساقه است که معمولا در قالب یک نمودار بیان میشود. از آنجایی که رابطه‌ی بین نیرو و فشار برای یک پیستون یا یک دیافراگم به سادگی F= PA میباشد این در حالی است که سطح (A) ثابت است)، می‌توان گفت که فشار اکچویتور بازتاب مستقیمی از نیروی اعمالی اکچویتور به ساقهی ولو است. به این ترتیب، مقایسه‌ی فشار هوای اکچویتور در مقابل موقعیت ساقه، در واقع یک بیان از نیرو در مقابل موقعیت ولو است. این نمودار که به اصطلاح امضای ولو (Valve signature) نامیده میشود، به طوری باور نکردنی در تشخیص و تصحیح مشکلاتی چون اصطکاک بیش از حد پکینگ، تداخل تریم ولو، و مشکلات انطباق پلاگ و نشیمنگاه مفید واقع خواهد شد. شکل زیر یک گراف ولو میباشد که رفتار یک ولو کروی E - body نوع Air to open شرکت Fisher را نشان میدهد. این نمودار از یک نرم افزار محصول شرکت Emerson که Valve Link نامیده میشود، گرفته شده است.
در این گراف، دو پلات از فشار اکچویتور در مقابل موقعیت ساقه ترسیم شده است، که یکی از پلاتها به رنگ آبی و دیگری به رنگ قرمز میباشد. گراف قرمز پاسخ ولو را در جهت باز شدن نشان میدهد، جایی که برای غلبه بر اصطکاک پکینگ و حرکت رو به بالای ولو نیاز به فشار بیشتری میباشد. گراف آبی رنگ شرایطی که ولو بسته میشود را نشان میدهد، به طوری که اعمال فشار کمتر به دیافراگم باعث میشود که فشردگی فنر بر اصطکاک پکینگ غلبه کرده و ولو به سمت بسته شدن (پایین) و وضعیت ایستای خود حرکت کند. خمیدگی‌های تیزی که در هر دو انتهای این گراف وجود دارد، جایی را نشان میدهد که ساقهی ولو به موقعیت انتهایی خود رسیده و با وجود تغییرات بیشتر در فشار، اکچویتور نمی‌تواند بیشتر حرکت کند.
همانطور که از فیزیک پایه به یاد می‌آورید، نیروی اصطکاک همیشه با جهت حرکت مخالفت می‌کند. به این ترتیب، هنگامی که ولو باز میشود، اصطکاک با فشار هوای اکچویتور مخالفت کرده (با فرض Air to open)، و از این رو برای حفظ حرکت فشار هوای بیشتری لازم است. هر چند، هنگامی که ولو بسته میشود، اصطکاک پکینگ نیز در همان جهت اثر گذاشته و در نتیجه فشار هوای اکچویتور کمک می‌کند که ولو بازتر از آن چه که باید باشد، بماند. به همین دلیل است که وقتی ولو برای رسیدن به یک موقعیت معین به طرف بسته شدن حرکت می‌کند، پوزیشنر ولو Valve Positioner باید فشار هوای اکچویتور کمتری را حفظ کند. تفاوت فشار هوای باز شدن در مقابل بسته شدن، در هر موقعیت ساقهی معین، متناسب با دو برابر اصطکاک دینامیک پکینگ میباشد. به بیان ریاضی:
Fpacking = (Popening – Pclosing) A
به موجب قانون هوک (F = kx، نیروی اعمال شده به فنر با فشردگی فنر نسبت مستقیم دارد) هر دو پلات تقریباً خطی میباشد. هرگونه انحراف از یک پلات خطی نشان دهنده‌ی این است که نیرو یا نیروهای دیگری بجز فشردگی فنر بر روی ساقهی ولو اعمال شده است. به همین دلیل است که ما در این گراف دو پلات عمودی را که با یکدیگر آفست دارند مشاهده می‌کنیم، به طوری که علاوه بر فشردگی فنر اصطکاک پکینگ نیز نیروی دیگری است که بر روی ساقهی ولو اعمال میشود. مقدار نسبتا کم این آفست و همچنین ثبات آن نشان دهنده‌ی سلامت اصطکاک پکینگ در این ولو است. در نقطه‌ای که این دو پلات بیشترین آفست عمودی را داشته باشند، این ولو بیشترین اصطکاک پکینگ را تجربه می‌کند.
خمیدگی تیز رو به پایینی که در انتهای چپ این گراف وجود دارد، همان جایی است که پلاگ ولو با نشیمنگاه تماس پیدا کرده است. این خمیدگی اصطلاحا پروفایل نشستن (Seating profile) نامیده میشود. در واقع، در انتهای پلات جایی که ولو بسته میشود، پروفایل نشستن اطلاعات بسیار مفیدی را درباره‌ی شرایط فیزیکی پلاگ و نشیمنگاه در خود نگه می‌دارد. هرگاه قطعات تریم درون یک کنترل ولو فرسوده شوند، مطابق با آن شکل این پروفایل نشستن تغییر می‌کند. پروفایل‌های نشستن نامنظم ممکن است بر اثر فرسایش نشیمنگاه، سائیدگی، و یا چندین اختلال دیگر به وجود آمده باشند. با زوم کردن بر روی انتهای پایین سمت چپ این گراف امضای ولو، می‌توان جزئیات دقیق این پروفایل نشستن را مورد بررسی قرار داد. در شکلزیر پروفایل نشستن گرفته شده از یک ولو کروی E-body شرکت Fisher نشان داده شده است.
اگر کارکنان تعمیر و نگهداری پس از مونتاژ یا بازسازی کنترل ولوها از امکانات خاصی برای ثبت و ذخیره‌ی امضای ولوها استفاده کنند، می‌توان امضای اصلی هر کنترل ولو خاص را با امضای همان کنترل ولو که در هر زمان بعد از آن گرفته شده است، مقایسه کرد. با این مقایسه، بدون اینکه نیازی به دمونتاژ کردن ولو و بازرسی آن باشد می‌توان مقدار فرسودگی را تعیین کرد.
خوب است بدانید که این رابطه‌ی بین فشار (نیرو) اکچویتور در مقابل موقعیت ساقه، در انواع پوزیشنر ولو Valve Positioner الکترونیکی‌ای که برای برخی از ولوهای الکتریکی (موتوری) مدرن استفاده شده اند، نیز موجود است. در یک اکچویتور الکتریکی، نیروی اعمال شده به ساقهی ولو با جریان موتور نسبت مستقیم دارد، که از اینرو پپوزیشنر ولو Valve Positioner الکترونیکی با اندازه گیری جریان موتور به راحتی می‌تواند نیروی اعمال شده به ساقه را اندازه گیری و تفسیر کند. به این ترتیب، حتی با یک تکنولوژی اکچویتور متفاوت، به منظور آسان تر شدن تشخیص مشکلات ولو می‌توان همان نوع از داده‌های تشخیصی را به شکل ترسیمی و گرافیکی فراهم کرد. این امکانات عیب یابی حتی برای ولوهایی با راه انداز موتوری open/ close نیز به کار بسته میشود، اما استفاده از آنها در سرویس‌های Throttling متداول نمی‌باشد. این امکانات به خصوص برای ولوهای Shut off نوع دروازه ای، سماوری، و توپی مفید هستند، چرا که در این ولوها برای محکم بستن مسیر، درگیری نشیمنگاه و پلاگ بسیار مهم و قابل توجه است.
