График расхода клапана (Cv): как читать и интерпретировать

График расходной характеристики клапана (Cv) — это опубликованный изготовителем график или таблица, связывающие коэффициент расхода клапана с положением клапана, условиями давления, размером модели или конкретным путем между портами. Перед использованием любого числа прочитайте заголовок, оси, легенду, условия испытаний и путь потока. Одна надпись «график Cv» сама по себе не определяет метод расчета.

Почему это различие важно? В одном каталоге для каждой модели может быть указан единственный Cv при полном открытии. В другом может быть показана зависимость расхода воздуха от давления до и после клапана. На графике для технологического регулирования может быть показан относительный Cv в зависимости от хода клапана. Эти материалы отвечают на разные вопросы, даже если на каждой странице используется один и тот же символ коэффициента.

Основные выводы

Cv определяется для воды при 60°F и перепаде давления 1 psi.

На воздушном графике Parker для Cv 1.0 получается около 56 SCFM при 100 psig и полном перепаде давления.

Перед сравнением моделей проверьте номинальный путь потока.

Для расчета сжатого воздуха используйте пневматические данные испытаний.

Что нужно определить до чтения графика Cv клапана?

Сначала определите 1 из 3 форматов графика: таблица коэффициентов при полном открытии, кривая «давление–расход» или характеристика хода клапана. Parker публикует кривые «давление–расход» для теоретического клапана с Cv 1.0, SMC публикует таблицы моделей с Cv, проводимостью и данными по критическому давлению, а Emerson документирует характеристики хода (Parker; SMC; Emerson).

Используйте эту классификацию до чтения кривой:

Формат данных	Типичные оси или столбцы	На какой вопрос отвечает	На какой вопрос сам по себе не отвечает
Таблица Cv при полном открытии	модель, путь между портами, Cv	Какой из указанных путей имеет большую номинальную пропускную способность?	Расход воздуха при неуказанных условиях давления
Кривая «давление–расход»	давление на входе, давление на выходе или перепад давления, SCFM	Какому расходу соответствуют указанные на графике условия?	Скорость цилиндра во всей установленной системе
Характеристика хода	ход или команда клапана, относительный Cv или расход	Как меняется пропускная способность при открытии регулирующего клапана?	Пневматический расход при полном открытии без данных о размере и давлении

Swagelok определяет Cv как расход воды в галлонах США в минуту при 60°F, проходящей через клапан при перепаде давления 1 psi (Swagelok). Для несжимаемой жидкости при таком эталонном соглашении:

Q = C_v \sqrt{\frac{\Delta P}{\mathrm{SG}}}

Здесь $Q$ — расход жидкости в US gpm, $C_v$ — коэффициент расхода, $\Delta P$ — перепад давления в psi, а $\mathrm{SG}$ — относительная плотность жидкости по сравнению с водой. Это уравнение объясняет определение коэффициента. Оно не является полным уравнением подбора для сжатого воздуха.

Никогда не переносите число без его контекста данных.

В проверяемой записи чтения графика следует сохранить редакцию каталога, модель клапана, вариант золотника или трим-элемент, путь между портами, положение клапана, рабочую среду, давление на входе, давление на выходе, температуру и эталонные условия для стандартного расхода. Зафиксируйте, было ли значение напечатано непосредственно, снято с кривой или интерполировано. Сохраните также единицы графика и любой множитель, указанный рядом с осью. Это важно, когда другой инженер сопоставляет таблицу Cv с таблицей проводимости ISO 6358 или заявленным значением SCFM. Без окружающих полей число невозможно воспроизвести или проверить. ISA отмечает, что опубликованные коэффициенты расхода могут зависеть от метода оценки даже у клапанов с похожими путями потока (ISA).

Таблица коэффициентов, кривая «давление–расход» и характеристика хода используют связанные с Cv данные, но отвечают на разные инженерные вопросы.

Заголовок графика не является определяющей информацией. Смысл графика задают переменные осей и примечание об условиях испытаний. Если эти элементы отсутствуют, считайте рисунок иллюстрацией, а не данными для подбора.

Как читать оси, легенду и путь потока?

В руководстве Parker для ручных клапанов используются эталонные кривые Cv 1.0 и приводится около 56 SCFM при 100 psig и полном перепаде давления. Далее инструкция требует умножить расход с этого графика на Cv выбранного типа клапана и пути потока (руководство Parker Valvair).

Кривая «давление–расход» — это график, связывающий указанные условия давления на входе и выходе с соответствующим расходом при объявленных эталонных условиях. Ее нужно читать как зависимость координат, а не как самостоятельную отметку максимального расхода.

Читайте график «давление–расход» в таком порядке:

Подтвердите обе оси и их единицы. Горизонтальной осью могут быть давление на выходе, перепад давления, отношение давлений, ход клапана или командный сигнал. Вертикальной осью могут быть SCFM, L/min, Cv или относительная пропускная способность.
Выберите правильное семейство кривых. Семейство с обозначениями 40, 60, 80 и 100 psig обычно представляет разные давления на входе. Не считывайте эти обозначения как размеры клапана, если легенда этого не подтверждает.
Проследите одну пару координат. Начните с известного условия на выходе, перейдите к выбранной кривой давления на входе, затем выйдите на ось расхода. Если график построен иначе, следуйте указанному изготовителем направлению.
Примените масштабный коэффициент. Эталонная кривая Parker нормирована на Cv 1.0, поэтому показание графика нужно умножить на фактический Cv пути.
Проверьте заявленные стандартные условия. Для этого воздушного графика Parker указывает 68°F, 14.7 psia и относительную влажность 36%. В другом каталоге могут использоваться иные эталонные условия.

Сначала прочитайте легенду, затем ведите взгляд по линии.

В таблицах распределительных клапанов пути обычно обозначаются номерами портов или буквами, например «подача–рабочий порт» и «рабочий порт–выхлоп». Сопоставьте эти символы с принципиальной схемой клапана в каждом состоянии управления. Затем перенесите коэффициент из точной строки, включая примечания о коллекторе, уплотнении или опции, которые меняют номинал. Если таблица объединяет несколько серий, не считайте, что ближайшее число относится к выбранной модели. Например, SMC обозначает номинальный путь SYJ как 2→3 (A→R), тогда как другие семейства клапанов могут публиковать отдельные значения для подачи и выхлопа (SMC SYJ). Обозначение пути является частью данных, а не сноской.

Путь потока входит в номинальную характеристику. Parker прямо отмечает, что каждый путь через распределительный клапан может иметь собственный Cv (инженерные данные Parker). Если в каталоге приведены оба значения, отдельно проверьте путь «вход–рабочий порт» и путь «рабочий порт–выхлоп».

Один номер модели может содержать несколько ответов о пропускной способности. Например, путь подачи пятиходового распределительного клапана может соответствовать цели, а один из путей выхлопа оставаться ограничивающим. Запись только максимального Cv может скрыть путь, который определяет более медленный ход.

Какую форму кривой вы видите?

Emerson документирует 3 собственные расходные характеристики: линейную, равнопроцентную и быстрого открытия. Линейная характеристика делает расход пропорциональным ходу при постоянном перепаде давления; одинаковые приращения хода у равнопроцентного трим-элемента дают одинаковые процентные изменения уже существующего расхода. Эти определения относятся к поведению регулирующего клапана (справочник регулирующих клапанов Emerson).

Собственная расходная характеристика — это зависимость между ходом клапана и расходом, измеренная при постоянном перепаде давления на клапане. Установленная характеристика может измениться, потому что остальные элементы системы потребляют меняющуюся долю доступного перепада давления.

При открытии клапана кривые должны расти:

Линейная: одинаковые приращения хода дают примерно одинаковые приращения пропускной способности при указанном испытании с постоянным перепадом давления.
Равнопроцентная: одинаковые приращения хода дают изменения, пропорциональные расходу, существовавшему до приращения; поэтому при росте доступной пропускной способности кривая сначала поднимается медленно, а затем все круче.
Быстрого открытия: большая доля пропускной способности появляется в начале хода, после чего верхняя часть становится более пологой.

Форма кривой не является категорией клапана.

Не предполагайте, что у каждого пневматического распределительного клапана есть одна из этих дросселирующих характеристик. Во многих каталогах соленоидных клапанов публикуется только пропускная способность при полном открытии для дискретных состояний золотника. Пропорциональный пневмоклапан может иметь кривую «команда–расход», но ее интерпретацию определяют оси, условия давления, гистерезис, мертвая зона и нагрузка. Проверьте, показывает ли вертикальная ось фактический расход, нормированный расход, Cv или процент номинального расхода. Проверьте, означает ли горизонтальная ось механический ход, ток катушки, напряжение или цифровую команду. График, измеренный при одном фиксированном давлении на входе и выходе, не может предсказать другое условие давления без метода изготовителя. Собственные характеристики Emerson предполагают постоянный перепад давления на клапане, поэтому установленная система может дать другую реакцию (Emerson).

«Собственная» и «установленная» характеристики также различаются. Собственная кривая измеряется при заданном перепаде давления на клапане. В машине трубопровод и другие ограничения меняют распределение общего перепада давления при изменении расхода. Emerson отмечает, что равнопроцентную собственную характеристику можно выбрать для получения более близкой к линейной установленной реакции в подходящих системах.

Для контекста функций клапана сначала сравните типы пневматических клапанов регулирования расхода, а затем переносите терминологию технологического регулирования на дискретный распределительный клапан.

Чем графики пневматических клапанов отличаются от графиков жидкостного Cv?

ISO 6358-1 устанавливает испытания в установившемся режиме для пневматических компонентов, по которым проходят сжимаемые среды, а SMC указывает 3 значения вместе для семейств клапанов SYJ: звуковую проводимость $C$ , критическое отношение давлений $b$ и Cv. Такое сочетание показывает, почему одного определения Cv на основе воды недостаточно для прогноза расхода сжатого воздуха (ISO 6358-1; SMC SYJ).

Таблица SMC показывает, как читать связанные значения, не считая их взаимозаменяемыми:

Серия	Номинальный путь	$C$ [dm³/(s·bar)]	$b$	Cv
SYJ300	2→3 (A→R)	0.36	0.31	0.089
SYJ500	2→3 (A→R)	1.2	0.48	0.34
SYJ700	2→3 (A→R)	2.7	0.34	0.69

Не разделяйте столбцы.

Это значения каталога, зависящие от модели и пути, а не универсальные преобразования между $C$ , $b$ и $C_v$ . Звуковая проводимость $C$ описывает пропускную способность в критическом режиме по методу ISO, а $b$ обозначает параметр критического отношения давлений, используемый для перехода между режимами течения. Cv остается отдельным соглашением о коэффициенте. Не делите и не умножайте столбцы, чтобы придумать преобразование. Вместо этого выберите один полный метод и перенесите в расчет его единицы, абсолютные давления, температуру и условия газа. ISO 6358-1 определяет структуру испытаний компонентов в установившемся режиме, а ISO 6358-3 рассматривает системы из компонентов и трубопроводов с известными характеристиками (ISO 6358-1; ISO 6358-3). При изменении опций каталога или конфигурации коллектора предпочтительнее использовать ПО изготовителя.

Cv и Kv — коэффициенты на основе воды, выраженные в разных эталонных единицах. Bürkert приводит распространенное каталожное преобразование $K_v \approx 0.865C_v$ на странице руководства по соленоидным клапанам (Bürkert). Конвертер Cv/Kv помогает сравнивать коэффициенты, но преобразование не превращает ни один из них в полный прогноз расхода сжатого воздуха.

Для полного процесса подбора используйте руководство по подбору пневматических клапанов регулирования расхода. Оно начинается с потребности привода, а затем проверяет клапан, трубки, фитинги и выхлоп как единый путь.

Пример чтения графика Cv

На эталонном графике Parker для Cv 1.0 получается примерно 56 SCFM при давлении на входе 100 psig и полном перепаде давления. График основан на 68°F, 14.7 psia и относительной влажности 36%, поэтому в примере нужно сохранить эти заявленные стандартные условия (руководство Parker Valvair).

Предположим, что в таблице выбранного клапана для требуемого пути между портами указан Cv 0.80. Метод Parker масштабирует нормированное показание графика коэффициентом этого пути:

Q_{\mathrm{path}} = Q_{\mathrm{chart}} \cdot C_{v,\mathrm{path}}

Для примера с графиком:

Q_{\mathrm{path}} = 56\ \mathrm{SCFM} \cdot 0.80 = 44.8\ \mathrm{SCFM}

$Q_{\mathrm{chart}}$ — расход, считанный с графика изготовителя для Cv 1.0, а $C_{v,\mathrm{path}}$ — коэффициент выбранного пути клапана. В результате получается около 44.8 SCFM при указанных на графике эталонных условиях и давлениях. Это не гарантия расхода в установленном цилиндре.

Если давление на выходе должно оставаться выше нулевого манометрического давления, не используйте конечную точку при полном перепаде. Найдите требуемое давление на выходе на графике, пересеките кривую входного давления 100 psig, считайте меньшее нормированное значение расхода и затем примените Cv 0.80. Так сохраняется условие давления, необходимое приводу.

Пример Parker показывает метод чтения графика, а не универсальную константу SCFM на Cv для любого давления.

По опыту проверки применений клапанов, наиболее полезный результат — не фраза «клапан пропускает 44.8 SCFM». Сначала мы указываем, что при заявленных на графике условиях для пути оценен расход 44.8 SCFM. Затем сохраняем эту оговорку при выборе, чтобы результат при эталонных условиях не превратился в необоснованное обещание характеристик машины.

Что можно интерполировать и когда нужно остановиться?

Пневматическое уравнение Parker для докритического режима требует, чтобы абсолютное давление на выходе оставалось выше 0.53 абсолютного давления на входе. Ниже этой границы ту же зависимость нельзя просто продолжить; используйте область критического расхода в каталоге или другой указанный метод расчета сжимаемого потока (инженерные данные Parker).

Интерполяция допустима только внутри опубликованного диапазона графика. Если требуемое давление на входе находится между двумя кривыми, оценивайте между ними только тогда, когда изготовитель представляет кривые как непрерывное семейство и между ними нет границы или разрыва. Ясно обозначайте результат как приблизительный.

Остановитесь и получите более качественные данные, если:

рабочее давление, температура или среда выходят за пределы примечания к графику;
требуемая точка находится за последней отметкой оси или ниже указанного критического отношения давлений;
на графике не указано, относится ли расход к стандартному или фактическому объему;
выбранный путь золотника отсутствует в таблице коэффициентов;
работа на коллекторе или одновременное использование клапанов может изменить опубликованный номинал одиночного клапана;
рисунок является маркетинговой иллюстрацией без единиц, условий испытаний, источника, указанной среды, границы давления, воспроизводимого метода, идентификатора модели, определений осей или контроля редакции; запросите испытательную кривую до использования.

Не экстраполируйте прямую линию по двум удобным точкам на кривой сжимаемого потока. Также не выводите минимальный регулируемый расход из таблицы Cv при полном открытии. Для минимального стабильного расхода нужны диапазон регулирования клапана, разрешение привода, трение, гистерезис и сведения об установленной системе, которых в таблице нет.

В отдельном руководстве по критическому течению в пневматических системах объясняется, почему давление на выходе в определенный момент перестает изменять массовый расход прежним образом.

Какие ошибки приводят к неправильному выбору клапана?

Пять проверок предотвращают большинство ошибок чтения графика: определите тип графика, сохраните его единицы, выберите правильный путь, не выходите за пределы давления и отделяйте каталожную пропускную способность от характеристик установленной системы. ISO 6358-3 рассматривает пневматическую систему как соединенные компоненты с известными характеристиками, а не как один коэффициент клапана в изоляции (ISO 6358-3).

Ошибка	Почему она приводит к ошибке	Что проверить лучше
Считать размер порта пропускной способностью	Внутренние каналы у разных конструкций различаются	Сравнить Cv или данные ISO 6358 для фактического пути
Использовать уравнение для жидкости для воздуха	Оно не учитывает сжимаемость и поведение критического потока	Использовать пневматический метод изготовителя
Считать максимальный Cv в таблице	Другой путь подачи или выхлопа может управлять движением	Проследить активное состояние золотника и пару портов
Перепутать ход клапана с отношением давлений	Оба показателя могут находиться на горизонтальной оси	Прочитать название оси и единицы до чтения кривой
Добавить фиксированный коэффициент запаса	Он скрывает неопределенность, а не определяет ее	Проверить минимальную подачу, нагрузку, время и допустимую потерю давления
Предположить, что расход на графике равен расходу цилиндра	Трубки, фитинги, органы управления и глушители добавляют ограничения	Проверить динамическое давление и время движения после выбора

Увеличенный по размеру клапан вкл./выкл. не обязательно потребляет больше воздуха за завершенный цикл цилиндра при тех же конечных давлениях в полостях. Он может изменить ускорение, удар, шум, стоимость и компоновку. Недостаточный по размеру путь может создать динамическую потерю давления. Оценивайте эти последствия напрямую, а не применяйте универсальный множитель 20% или 30%.

Для испытаний динамического давления используйте руководство по влиянию Cv клапана на характеристики системы, а для определения потребности привода до сравнения пропускной способности клапанов — руководство по расчету расхода пневматической системы.

Часто задаваемые вопросы о графиках Cv клапанов

Эти 5 ответов различают определение Cv, тип графика, данные пневматических испытаний, преобразование коэффициентов и проверку установленной системы. Swagelok определяет Cv при 60°F и перепаде давления воды 1 psi, а ISO 6358-1 устанавливает испытания в установившемся режиме для пневматических компонентов со сжимаемыми средами (Swagelok; ISO 6358-1).

Что означает более высокий Cv на графике клапана?

Более высокий Cv означает большую номинальную пропускную способность по эталонному методу определения коэффициента. Сам по себе он не сообщает о расходе воздуха в установленной системе. Перед сравнением ожидаемого результата машины подтвердите испытанный путь клапана, давления на входе и выходе, температуру, эталонные условия для газа и то, относится ли число к полному открытию или зависит от положения.

Можно ли сравнивать значения Cv разных изготовителей?

Да, как первое сравнение, если оба значения относятся к одной и той же условной среде, положению клапана и пути между портами. Затем сравните метод испытаний каждого поставщика и пневматические данные расхода. Разные коллекторы, пути выхлопа, фитинги, эталонные условия или правила округления могут сделать две похожие отметки Cv неполными доказательствами для закупки.

То же ли график открытия клапана, что и график расхода воздуха?

Нет. График открытия клапана обычно показывает, как меняется относительная пропускная способность при изменении хода или команды. График расхода воздуха связывает расход с условиями давления, часто для заданного Cv. Чтобы превратить относительную характеристику хода в оценку пневматического расхода, нужны размер клапана, данные о давлении и условия испытания.

Можно ли использовать уравнение жидкостного Cv для сжатого воздуха?

Не как полный метод расчета расхода воздуха. Уравнение для воды определяет и сравнивает Cv, но прогноз сжатого воздуха также зависит от абсолютных давлений на входе и выходе, температуры, свойств газа и поведения критического потока. Вместо этого используйте пневматическую кривую, уравнение, ПО изготовителя или данные проводимости ISO 6358.

Использовать для пневматического клапана Cv или данные ISO 6358?

Используйте данные и метод расчета, предоставленные для точного клапана. Cv удобен для сравнения по каталогу, а проводимость и данные критического давления ISO 6358 непосредственно описывают испытания сжимаемого потока. Не объединяйте Cv одного пути, критическое отношение другой модели и эталонные условия третьего каталога.

Инженерный вывод

Читайте каждый график Cv через 4 вопроса: что находится на каждой оси, какой путь клапана номинирован, какие условия испытания действуют и где заканчивается метод. Кривые «давление–расход» Parker, таблицы $C$ / $b$ /Cv SMC и характеристики хода Emerson показывают, почему для каждого графика нужен свой порядок чтения (Parker; SMC; Emerson).

Начинайте с собственных обозначений графика, а не с формулы, которую помните. Сохраните направление потока, выберите правильную кривую, удержите все эталонные условия и запишите результат вместе с допущениями. Если отсутствует хотя бы один из этих пунктов, запросите у изготовителя исходные пневматические данные расхода.

Наконец, отделяйте чтение графика от выбора. График может оценить пропускную способность одного пути клапана. Машине по-прежнему нужно достаточное динамическое давление через FRL, коллектор, трубки, фитинги, регуляторы скорости, порты привода и выхлоп. Проверьте выбранный клапан при минимальном давлении подачи и максимальной производственной нагрузке.

Как читать и интерпретировать график расхода клапана (Cv)

Eric Zhou