Hướng dẫn kỹ thuật về van điều khiển lưu lượng bù áp

Van điều khiển lưu lượng bù áp là thiết bị điều chỉnh một tiết lưu bên trong để lưu lượng đã đặt ít thay đổi hơn khi áp suất vào hoặc áp suất hạ lưu thay đổi. Van không giữ lưu lượng không đổi trong mọi điều kiện. Thiết bị phải làm việc trong các giới hạn quy định về áp suất, chênh áp, lưu lượng, nhiệt độ và môi chất. Điểm phân biệt này đặc biệt quan trọng trong khí nén. Khối lượng riêng của khí thay đổi theo áp suất và nhiệt độ, còn dòng qua một đường tiết lưu có thể tiến tới trạng thái nghẹt. Vì vậy, datasheet hữu ích phải nêu rõ lưu lượng là thể tích thực, thể tích tiêu chuẩn hay lưu lượng khối lượng, kèm theo các điều kiện quy chiếu. Chỉ một giá trị Cv không thể chứng minh khả năng bù áp.

Điểm chính cần nhớ: Bù áp giữ chênh áp qua tiết lưu định lượng gần với giá trị thiết kế, chứ không bảo đảm trong mọi điều kiện. Một mẫu thương mại tương thích với khí nén sử dụng chênh áp 10 psi được cài đặt tại nhà máy. Trước khi chọn, hãy kiểm tra dung sai lưu lượng, điều kiện quy chiếu của khí, giới hạn áp suất vào và ra, chiều dòng cùng đáp ứng quá độ của van.

Hướng dẫn này tập trung vào cách nhận biết, lựa chọn và thử nghiệm thiết bị điều khiển lưu lượng khí nén có bù áp. Để so sánh rộng hơn giữa tiết lưu, van một chiều và điều khiển đường xả, hãy bắt đầu với hướng dẫn tổng quan về van điều khiển lưu lượng khí nén.

Nội dung hướng dẫn: đại lượng mà cơ cấu bù áp kiểm soát, nguyên lý hoạt động của cơ cấu, giới hạn của vùng bù áp, khác biệt giữa các nhóm thiết bị, cách lựa chọn, chiều mạch, nghiệm thu đưa vào vận hành và câu hỏi thường gặp.

Cơ cấu bù áp thực sự kiểm soát đại lượng nào?

Festo phân biệt van tiết lưu thông thường, có lưu lượng phụ thuộc vào chênh áp, với van điều khiển lưu lượng bù áp, có nhiệm vụ duy trì lưu lượng thể tích đã đặt khi độ sụt áp thay đổi. Đại lượng được kiểm soát là chênh áp qua phần tử định lượng, không phải riêng áp suất vào (Van điều khiển lưu lượng của Festo).

Trong van bù áp thụ động, núm điều chỉnh xác lập diện tích định lượng. Một màng hoặc con trượt cảm nhận áp suất ở hai phía của tiết lưu đó và dịch chuyển một cửa mở biến thiên thứ hai. Khi chênh áp khả dụng tăng, cơ cấu bù khép lại vừa đủ để giữ chênh áp định lượng gần giá trị thiết kế. Khi chênh áp giảm, cơ cấu mở ra.

Quan hệ quen thuộc của dòng qua lỗ tiết lưu giải thích nguyên lý này:

Q \propto A_o \sqrt{\Delta p_o}

Trong đó, $Q$ là lưu lượng, $A_o$ là diện tích định lượng đã chọn và $\Delta p_o$ là chênh áp qua phần tử định lượng đó. Khi giữ $\Delta p_o$ gần như không đổi, $Q$ chủ yếu trở thành hàm của giá trị đặt $A_o$ .

Biểu thức này minh họa nguyên lý, không phải phương trình tính cỡ cho khí nén. Khối lượng riêng của khí, áp suất tuyệt đối, nhiệt độ, đặc tính xả và trạng thái nghẹt đều ảnh hưởng đến lưu lượng khí nén. ISO 6358-3 đề cập đến đặc tính lưu lượng ở trạng thái ổn định của cụm linh kiện khí nén trong điều kiện dưới âm và dòng nghẹt; vì vậy, việc tính cỡ cuối cùng phải dựa trên dữ liệu lưu lượng khí và điều kiện quy chiếu do nhà sản xuất công bố (ISO 6358-3:2014).

Cách kiểm tra catalog nhanh nhất là tìm chênh áp bù hoặc độ sụt áp được kiểm soát có giá trị cụ thể. Ví dụ, PCFCD của Beswick dùng chênh áp 10 psi cài sẵn tại nhà máy qua lỗ tiết lưu có thể điều chỉnh và công bố riêng một dải lưu lượng khí. Đây là bằng chứng về chức năng bù áp. Tên sản phẩm có chứa từ “chính xác” hoặc “bộ điều chỉnh tốc độ” thì không đủ (Beswick PCFCD).

Cơ cấu bù thụ động thay đổi một cửa mở bên trong để ổn định chênh áp qua phần tử định lượng có thể điều chỉnh. Đây là sơ đồ chức năng, không phải bản vẽ kết cấu dùng chung cho mọi loại van.

Cơ cấu bù giữ lưu lượng gần giá trị đặt như thế nào?

Một thiết kế thụ động thương mại sử dụng màng ma sát thấp, chênh áp điều khiển 10 psi được cài sẵn tại nhà máy và áp suất vào tối đa 135 psig ở 70°F. Beswick cũng nêu rằng PCFCD này chủ yếu dành cho chất lỏng. Điều kiện đó phải được xem xét trước khi dùng một van tưởng như phù hợp cho khí nén (Beswick PCFCD).

Giả sử lực cản ở hạ lưu tăng trong khi áp suất vào giữ ổn định. Phần áp suất khả dụng qua van sẽ giảm. Cơ cấu bù dịch chuyển theo hướng mở rộng đường dẫn bên trong, nhờ đó để lại nhiều hơn độ sụt áp khả dụng trên tiết diện đã đặt cố định. Nếu áp suất hạ lưu giảm, cơ cấu bù sẽ tiết lưu đường dẫn biến thiên để ngăn chênh áp định lượng tăng theo tỷ lệ. Cơ cấu này không thể tạo thêm áp suất. Nếu áp suất vào giảm quá gần áp suất ra, đường dẫn biến thiên cuối cùng sẽ mở hết. Từ điểm đó, lưu lượng giảm theo chênh áp còn lại. Ở đầu ngược lại của dải làm việc, áp suất, nhiệt độ, lực lò xo, ma sát, đặc tính của phớt và khả năng của đường dẫn sẽ tạo ra giới hạn trên. Vì vậy, một công bố đặc tính đầy đủ cần bốn phần: lưu lượng đặt, dải áp suất vào, dải áp suất ra hoặc áp suất ngược cho phép, và độ chính xác hoặc dải sai lệch lưu lượng. Nếu catalog chỉ nêu áp suất tối đa và cỡ cổng, catalog đó chưa mô tả khả năng bù áp.

Vùng bù áp kết thúc ở đâu?

Ví dụ của Beswick công bố áp suất vào tối đa 135 psig ở 70°F, chênh áp điều khiển 10 psi cài sẵn và một dải lưu lượng khí riêng từ 0 đến 20 feet khối tiêu chuẩn mỗi giờ. Đây là dữ liệu của sản phẩm, không phải giới hạn chung cho van khí nén. Tổ hợp thông số này xác định một vùng vận hành cụ thể chứ không phải quy tắc của toàn ngành (Beswick PCFCD).

Có thể dự kiến chức năng bù áp suy yếu hoặc mất hẳn trong các điều kiện sau:

Chênh áp không đủ. Khi cơ cấu bù đã mở hết, nó không còn khả năng bảo vệ lưu lượng.
Lưu lượng nằm ngoài dải hiệu chuẩn. Độ mở rất nhỏ trở nên nhạy với nhiễm bẩn. Ở đầu kia của dải, phần tử định lượng mở hết có thể vượt quá khả năng điều chỉnh của cơ cấu bù, khiến giá trị đặt không còn độ phân giải hữu ích.
Áp suất ngược quá cao. Bộ giảm thanh bị cản, van xả quá nhỏ, manifold dùng chung hoặc ống dài có thể tiêu hao phần chênh áp khả dụng.
Áp suất hoặc nhiệt độ vượt định mức. Đặc tính lò xo, lực màng, khối lượng riêng của khí, phớt và ứng suất vỏ không còn phù hợp với vùng đã công bố.
Quá độ nhanh. Phần tử cơ khí thụ động cần thời gian và hành trình để đáp ứng. Hành trình xi lanh ngắn có thể kết thúc trước khi lưu lượng ổn định.

Không nên chỉ dùng áp suất cấp để đánh giá dự trữ; hãy đo $p_1$ ngay trước van điều khiển lưu lượng và $p_2$ ngay sau van trong khi cơ cấu chuyển động. Chênh áp khả dụng qua van là $\Delta p_v = p_1 - p_2$ . Đồng hồ áp suất tĩnh, giá trị đặt của bộ điều áp và áp suất bình chứa máy nén đều có thể che khuất điều kiện động tại chỗ.

Để tìm hiểu thêm các nguyên nhân thượng lưu làm mất chênh áp, hãy xem hướng dẫn về tính cỡ đường ống khí nén và sụt áp.

Bù áp thụ động, van kim và điều khiển điện tử

Datasheet VPCF điện tử của Festo công bố độ chính xác lặp lại bằng 0,5% toàn thang đo, độ chính xác tuyệt đối bằng 3% toàn thang đo và độ trễ bằng 0,8% toàn thang đo cho các biến thể được nêu. Thiết bị tích hợp cảm biến cùng mạch điều khiển, không cho phép đảo chiều và cho thấy bộ tài liệu vòng kín phải trình bày những gì; các giá trị riêng của mẫu đó không áp dụng cho van thụ động (Datasheet Festo VPCF).

Ba nhóm thiết bị giải quyết những bài toán khác nhau:

Thiết bị	Phần thay đổi bên trong	Phản hồi chính	Ý nghĩa của giá trị đặt	Giới hạn điển hình
Van kim hoặc bộ điều chỉnh tốc độ một chiều	Tiết lưu do người dùng đặt giữ cố định	Không có	Độ mở hoặc vị trí núm có vạch chia	Lưu lượng thay đổi theo chênh áp
Van bù áp thụ động	Cơ cấu bù thay đổi một đường dẫn thứ hai	Cân bằng áp suất cơ khí	Lưu lượng hiệu chuẩn hoặc danh định	Chỉ hoạt động trong vùng bù áp
Bộ điều khiển lưu lượng điện tử	Phần tử tỷ lệ dịch chuyển theo điều khiển cảm biến	Lưu lượng đo được và mạch điện tử	Giá trị lưu lượng được ra lệnh	Cần nguồn điện, giao diện tín hiệu đúng và đủ thời gian đáp ứng

Van tỷ lệ điện tử không tự động trở thành bộ điều khiển lưu lượng; nó có thể chỉ điều khiển vị trí con trượt mà không đo lưu lượng. Hướng dẫn về van tỷ lệ giải thích sự khác nhau giữa lệnh tỷ lệ vòng hở và đại lượng được điều khiển theo vòng kín.

Lộ trình lựa chọn thực tế: tiết lưu cố định kiểm soát độ mở, van bù áp thụ động kiểm soát chênh áp bên trong, còn bộ điều khiển điện tử dùng phản hồi đo được.

Nên chọn van cho khí nén như thế nào?

ISO 6358-1 quy định phương pháp thử trạng thái ổn định cho linh kiện dòng nén được có đường dẫn lưu lượng cố định hoặc biến thiên, nhưng phạm vi tiêu chuẩn loại trừ các linh kiện mà phản hồi bên trong làm hệ số không ổn định, chẳng hạn bộ điều áp. Thay vì giả định một hệ số bao quát mọi điều kiện, hãy hỏi phương pháp thử và đường cong riêng của sản phẩm nào được dùng để chứng minh dữ liệu của van bù áp (ISO 6358-1:2013).

Hãy bắt đầu bản yêu cầu kỹ thuật bằng kết quả cần kiểm soát. Nêu lưu lượng yêu cầu và sai lệch cho phép tại áp suất vào động tối thiểu và tối đa của máy, sau đó nêu dải áp suất hạ lưu hoặc áp suất ngược. Với đơn vị lưu lượng khí, phải kèm tiêu chuẩn quy chiếu và nhiệt độ. “500 L/min” là chưa đầy đủ nếu người mua không biết đó là lưu lượng tiêu chuẩn, lưu lượng ở điều kiện quy ước khác, lưu lượng khí tự do hay lưu lượng thể tích thực.

Sau đó đối chiếu các thuộc tính sau với đúng mã linh kiện:

Môi chất và độ sạch: khả năng tương thích với khí nén, yêu cầu lọc, chính sách bôi trơn và khả năng chịu ẩm.
Vùng bù áp: áp suất vào tối thiểu, áp suất vào tối đa, áp suất ra cho phép, chênh áp tối thiểu qua van và dải lưu lượng hiệu chuẩn.
Định nghĩa đặc tính: dung sai lưu lượng, độ trễ, độ lặp lại, ảnh hưởng nhiệt độ, đặc tính đáp ứng và điều kiện thử làm cơ sở cho từng giá trị.
Khả năng khí nén: đường cong lưu lượng khí của nhà sản xuất, độ dẫn âm hoặc Cv nếu được cung cấp, cỡ cổng, cỡ ống và lực cản hạ lưu. Hướng dẫn riêng về Cv của van giải thích cách tính khả năng lưu lượng, nhưng khả năng lưu lượng không phải độ chính xác bù áp.
Đặc tính mạch: chiều ưu tiên, khả năng lưu lượng ngược, van một chiều tích hợp, trạng thái khi đóng, trạng thái khi khởi động lại và việc có cho phép dùng hai chiều hay không.
Tích hợp cơ khí: tiêu chuẩn ren, vật liệu phớt, hướng lắp, khóa điều chỉnh, khả năng chống can thiệp, định mức nhiệt độ và không gian bảo trì.

Không cộng tùy ý một tỷ lệ phần trăm làm “hệ số an toàn”. Chọn van quá lớn có thể đẩy điểm vận hành xuống đầu thấp của dải điều chỉnh, nơi độ phân giải có thể kém. Hãy giữ lưu lượng yêu cầu trong vùng điều khiển hữu ích của nhà sản xuất và bảo đảm đủ chênh áp động khi các tải đồng thời ở tình huống bất lợi nhất.

Đặc tính meter-in, meter-out và dòng ngược

SMC mô tả điều khiển meter-out tương đối ổn định trước biến động tải vì áp suất phía xả ghìm piston, đồng thời lưu ý rằng meter-in nhạy hơn với tải. Các sản phẩm AS-R và AS-Q của hãng cũng cho thấy mọi công bố về năng lượng và tốc độ đều phụ thuộc vào mạch cùng ứng dụng đã xác định, chứ không chỉ dựa vào cụm từ “điều khiển lưu lượng” (Tài liệu kỹ thuật SMC AS-R/AS-Q).

Trong điều khiển tốc độ xi lanh thông thường, meter-out thường là cấu hình khởi đầu vì nó duy trì áp suất ngược trong buồng đang xả. Áp suất ngược đó rất quan trọng. Nó làm giảm chênh áp khả dụng qua van bù áp đặt ở hạ lưu; bộ giảm thanh hoặc đường xả trong van có thể tiếp tục làm giảm chênh áp, vì vậy phải kiểm tra vùng bù trong khi cơ cấu chuyển động. Meter-in có thể phù hợp với tải cản, mạch tiết kiệm khí hoặc sản phẩm được thiết kế riêng để điều khiển phía cấp. Tuy nhiên, đây là lựa chọn mặc định không phù hợp cho tải có xu hướng tự chạy vì cơ cấu chấp hành có thể chuyển động nhanh hơn khả năng kiểm soát của dòng khí đi vào. Trục đứng và các tải được trọng lực hỗ trợ cần chiến lược giữ tải và an toàn được thiết kế riêng.

Dòng ngược là đặc tính của từng sản phẩm, không phải điều có thể mặc nhiên giả định. Nhiều bộ điều chỉnh tốc độ khí nén thông thường kết hợp một chiều tiết lưu với chiều hồi tự do qua van một chiều, như trong catalog điều khiển lưu lượng tiêu chuẩn của Parker (Bộ điều khiển lưu lượng khí nén Parker). Ngược lại, thiết bị bù áp thụ động có thể chỉ làm việc một chiều, làm việc hai chiều với đường cong khác nhau hoặc bị hư hỏng bởi chênh áp ngược. Hãy vẽ mũi tên chiều dự kiến trên sơ đồ và kiểm tra datasheet.

Hướng dẫn riêng về meter-in và meter-out trình bày chi tiết hơn về đặc tính tải.

Nghiệm thu van điều khiển lưu lượng bù áp như thế nào?

VPCF điện tử của Festo công bố riêng độ chính xác lặp lại bằng 0,5% toàn thang đo, độ chính xác tuyệt đối bằng 3% toàn thang đo và độ trễ bằng 0,8% toàn thang đo. Van thụ động có thể công bố ít trường hơn, nhưng logic nghiệm thu vẫn giống nhau: tái tạo các điều kiện biên đã nêu và so sánh lưu lượng đo được với dải cho phép (Datasheet Festo VPCF).

Lắp các điểm đo áp suất tạm thời ngay trước và sau thiết bị, sau đó đặt lưu lượng kế khí phù hợp ở hạ lưu theo đúng vị trí và hướng do nhà sản xuất thiết bị đo yêu cầu. Ghi lại cơ sở quy chiếu của lưu lượng kế để các kết quả đo về sau vẫn có thể so sánh.

Thực hiện nghiệm thu theo trình tự sau:

Xác nhận đúng linh kiện, mũi tên chiều dòng, môi chất và bộ lọc.
Thiết lập giá trị bình thường ở điều kiện vận hành ổn định giữa dải. Ghi lại $p_1$ , $p_2$ , lưu lượng, nhiệt độ, thời gian chu kỳ của cơ cấu chấp hành và vị trí điều chỉnh.
Tái tạo áp suất vào động tối thiểu trong khi mọi thiết bị dự kiến hoạt động đồng thời đều đang tiêu thụ khí. Không dùng số chỉ của đồng hồ trên bộ điều áp khi không có lưu lượng để thay thế.
Tái tạo áp suất ngược tối đa dự kiến, bao gồm van phân phối, ống, đầu nối, bộ giảm thanh và đường xả dùng chung đã lắp.
Thử khởi động, dừng, khởi động lại và cả hai chiều được ra lệnh. Theo dõi hiện tượng quá tốc tức thời hoặc phục hồi chậm mà một giá trị lưu lượng ổn định có thể bỏ sót.
Lặp lại ở điều kiện áp suất vào phía trên của dải và so sánh mọi kết quả với dải dung sai do nhà sản xuất công bố.
Khóa cơ cấu điều chỉnh, đánh dấu vị trí đã chấp nhận và lưu áp suất, cơ sở quy chiếu lưu lượng, nhiệt độ, kết quả chu kỳ, mã nhận dạng thiết bị đo cùng giá trị cài đặt cuối vào hồ sơ máy.

Nếu tốc độ xi lanh vẫn thay đổi trong khi lưu lượng đo qua van còn nằm trong dung sai, van có thể vẫn đang thực hiện đúng chức năng. Chuyển động còn phụ thuộc vào các biến khác. Hãy kiểm tra lực tải, ma sát phớt, giảm chấn, áp suất buồng, quá trình chuyển van, hạn chế đường xả và hiện tượng dính-trượt. Độ lặp lại lưu lượng và độ lặp lại chuyển động có liên quan, nhưng không phải cùng một đại lượng được kiểm soát.

Câu hỏi thường gặp về van điều khiển lưu lượng bù áp

Festo nêu rằng van điều khiển lưu lượng bù áp duy trì lưu lượng thể tích đã đặt khi độ sụt áp thay đổi, còn datasheet VPCF điện tử công bố riêng độ chính xác, độ trễ, chiều dòng và giới hạn vận hành. Những chi tiết này là cơ sở cho các câu trả lời dưới đây: bù áp là một công bố đặc tính có giới hạn, không phải lời hứa về chuyển động giống hệt nhau trong mọi mạch khí nén (Van điều khiển lưu lượng của Festo).

Bộ điều chỉnh tốc độ khí nén thông thường có bù áp không?

Thông thường là không. Bộ điều chỉnh tốc độ kiểu van kim giữ cố định một độ mở, nên lưu lượng thay đổi khi chênh áp thay đổi. Van bù áp đúng nghĩa dùng phản hồi áp suất để thay đổi một đường dẫn bên trong khác và phải công bố vùng bù áp, chênh áp được kiểm soát, dung sai lưu lượng hoặc đường cong đặc tính. Hãy kiểm tra đúng datasheet thay vì chỉ dựa vào các từ như “chính xác” hoặc “tốc độ không đổi”.

Bù áp có giữ tốc độ xi lanh hoàn toàn không đổi không?

Không. Bù áp chỉ làm giảm biến động lưu lượng trong phạm vi làm việc và dung sai do nhà sản xuất công bố. Tốc độ xi lanh vẫn có thể thay đổi theo tải, ma sát, giảm chấn, áp suất buồng, thời điểm chuyển van, hạn chế đường xả, nhiệt độ hoặc hiện tượng dính-trượt. Cần kiểm tra cả lưu lượng đo qua van và thời gian chu kỳ thực tế ở điều kiện vận hành tối thiểu và tối đa của máy.

Cùng một van có thể điều khiển lưu lượng theo cả hai chiều không?

Chỉ khi nhà sản xuất cho phép. Một số van bù áp theo một chiều và cho dòng hồi tự do đi qua van một chiều. Một số khác không cho phép đảo chiều hoặc có đường cong khác nhau theo từng chiều. Trước khi lắp đặt, phải đối chiếu mũi tên trên sơ đồ, định mức áp suất ngược và dữ liệu lưu lượng ngược với mạch tiến và lùi.

Chỉ dùng Cv có đủ để chọn van khí nén bù áp không?

Không. Cv mô tả khả năng lưu lượng theo quy ước thử nghiệm xác định; nó không cho biết van duy trì lưu lượng đặt sát đến mức nào khi áp suất vào hoặc áp suất ngược thay đổi. Việc lựa chọn còn cần điều kiện quy chiếu của khí, dải lưu lượng hiệu chuẩn, chênh áp tối thiểu, độ chính xác bù áp, độ trễ, chiều dòng, nhiệt độ và đường cong đặc tính khí nén của nhà sản xuất.

Van bù áp có giúp tiết kiệm năng lượng khí nén không?

Không phải tự thân nó. Bù áp thụ động vẫn dùng tiết lưu và tiêu hao một chênh áp. Van có thể ngăn lưu lượng vượt mức khi áp suất cấp tăng, nhưng muốn khẳng định tiết kiệm năng lượng phải đo được mức giảm tiêu thụ khí, áp suất, rò rỉ hoặc nhu cầu theo chu kỳ. Hãy so sánh lượng khí sử dụng ở cấp máy trước và sau khi thay đổi thay vì mặc nhiên cho rằng loại van này sẽ tiết kiệm.