Control Valves (၉) - Control Valve Actuators and Positioners

control valves ေတြမွာ movable parts ေတြၿဖစ္တဲ႔၊ plug, ball သို႔မဟုတ္ vane နဲ႔ stationary part ၿဖစ္တဲ႔ seat တို႔ပါဝင္ပါတယ္။ actuator ဟာ control signal ကိုလက္ခံၿပီး၊ movable part ၿဖစ္တဲ႔ plug ရဲ႕ position ကိုေၿပာင္းလဲေစၿခင္းၿဖင္႔၊ control valve ကို၊ operate လုပ္ပါတယ္။ actuator မွ၊ control valve ကို fully-open, fully-closed, more open နဲ႔ more closed အစရိွတဲ႔ အေနအထား position အမၽိဳးမၽိဳး၊ ေၿပာင္းလဲေဆာင္ရြက္ေစ ပါတယ္။ actuators ေတြကို၊ Pneumatic, Electric, hydraulic နဲ႔ direct acting type ဆိုၿပီး ခြဲၿခားနိဳင္ပါတယ္။

Fig. Pneumatic piston actuators  

Pneumatic actuators ေတြကို၊ piston actuator နဲ႔ diaphragm actuator ဆိုၿပီးထပ္မံခြဲၿခားပါတယ္။ piston actuator ရဲ႕ stroke နဲ႔ thrust ဟာ၊ diaphragm actuator ရဲ႕ stroke နဲ႔ thrust ထက္ပိုႀကီးၿပီး၊ single acting နဲ႔ double acting actuators ေတြအၿဖစ္ေတြ႔နိဳင္ ပါတယ္။ cylinder အတြင္းမွ၊ solid piston ေပါါသို႔၊ compressed air ေပးသြင္းၿပီး၊ actuator stem ကိုေရြွ႕လၽားေစပါတယ္။ cylinder volume ေသးငယ္တဲ႔ အတြက္၊ ၿမင္႔မားတဲ႔ higher input pressure ကိုေပးသြင္းလိုက္တဲ႔အခါ၊ piston ဟာ လၽွင္ၿမန္စြာေရြွ႕လၽွားသြားပါတယ္။

Fig. Pneumatic diaphragm actuator

diaphragm actuators ေတြမွာ၊ flexible membrane လို႔ေခါါတဲ႔ diaphragm သို႔၊ compressed air ေပးသြင္းၿပီး၊ spring မွတဆင္႔ actuator stem ကိုေရြွ႕လၽားေစပါတယ္။ diaphragm သို႔၊ compressed air ေပးသြင္းကာ၊ stem ကိုေရြွ႕လွၽားေစၿခင္းကို၊ reverse acting (spring-to-extend) နဲ႔ direct acting (spring-to-retract) ဆိုၿပီး၊ ခြဲၿခားသတ္မွတ္ထားပါတယ္။

Reverse acting (spring-to-extend) - diaphragm အေပါါမွာ၊ spring တတ္ထားတဲ႔၊ actuators ေတြကို၊ reverse acting actuators ေတြအၿဖစ္သတ္မွတ္ပါတယ္။ spring မွ valve spindle ကိုတြန္းခၽထားတဲ႔႔အတြက္္၊ plug ဟာ seat အေပါါမွာ ထိုင္ေနပါတယ္။ compressed air ကို၊ flexible diaphragm ေအာက္မွ၊ operating force ၿဖင္႔ သက္ေရာက္ေစတဲ႔အခါ၊ spring ဟာ exerted အေနနဲ႔ မူလရိွေနတဲ႔ေနရာရဲ႕ အေပါါဖက္သို႔၊ ဆန္႔ကၽင္ဖက္ opposite direction နဲ႕ ေရြွ႕သြားပါတယ္။ control valve မွာ "direct acting plug" တတ္္ဆင္ ထားတဲ႔႔အတြက္၊ diaphragm ကိုအေပါါသို႔၊ တြန္းတင္ လိုက္တဲ႔အခါ၊ spindle နဲ႔အတူ plug ပါအေပါါသို႔ ႀကြတက္သြားၿပီး၊ normally closed အၿဖစ္ ပိတ္ေနတဲ႔ valve ဟာ၊ open အေနနဲ႔ ပြင္႔သြားပါတယ္။ 

Fig. Valve and actuator configurations - Reverse acting (spring-to-extend) 

diaphragm အေပါါသက္ေရာက္မယ္႔၊ air pressure ပမာဏ အနည္းအမၽား၊ အေၿပာင္းအလဲေပါါ၊ မူတည္ၿပီး၊ spindle movement အနည္းနဲ႔ အမၽား ၿဖစ္ေပါါပါတယ္။ fully-closed အပိတ္ အေနအထားမွ၊ fully-open အပြင္႔အေနအထားသို႔၊ complete stroke အၿဖစ္၊ spindle ေရြွ႕လၽွား သြားေစဖို႔၊ လံုေလာက္တဲ႔ compressed air pressure ပမာဏတခုကို၊ ေပးသြင္းရပါတယ္။ air pressure ပမာဏအနည္းအမၽား range ဟာ၊ actuator spring ေရြွ႕လၽွားနိဳင္မယ္႔ rating နံွဳးပမာဏနဲ႔ တိုက္ရိုက္အခၽိဳးကၽပါတယ္။ air pressure ကၽသြားတဲ႔အခါ၊ spring ဟာ၊ extend အေနနဲ႔ ၿပန္ဆန္႔ထြက္လာၿပီး၊ spindle ကို opposite direction အေနနဲ႔၊ ၿပန္လည္ေရြွ႕လၽွားေစ ပါတယ္။ အရြယ္အစားႀကီးမားတဲ႔ control valves ေတြနဲ႔ differential pressure ၿမင္႔မားတဲ႔ control valves ေတြမွာ၊ full valve movement အတြက္၊ compressed air pressure ပမာဏ ပိုမိုလိုအပ္ပါတယ္။ တနည္းအားၿဖင္႔ spindle ေရြွ႕လၽွားသြားေစဖို႔၊ diaphragm အေပါါ သက္ေရာက္မယ္႔၊ air pressure ပမာဏပိုမို၊ လိုအပ္လာမွာ ၿဖစ္ပါတယ္။

Direct acting actuator (spring-to-retract) - diaphragm ရဲ႕ ေအာက္မွာ၊ spring တတ္ထားတဲ႔၊ actuators ေတြကို၊ direct acting actuators ေတြအၿဖစ္သတ္မွတ္ပါတယ္။ spring မွ valve spindle ကို 'မ' တင္ထားတဲ႔႔အတြက္္၊ plug ဟာ seat အေပါါမွ 'ႀကြ' တက္ေန ပါတယ္။ compressed air ကို၊ flexible diaphragm အေပါါမွ၊ operating force ၿဖင္႔ သက္ေရာက္ေစတဲ႔ အခါ၊ spring ဟာ retract အေနနဲ႔ မူလရိွေနတဲ႔ေနရာရဲ႕ ေအာက္ဖက္သို႔၊ ေရြွ႕သြားပါတယ္။  

Fig. Valve and actuator configurations - Direct acting actuator (spring-to-retract)

control valve မွာ "direct acting plug" တတ္္ဆင္ထားတဲ႔႔အတြက္၊ diaphragm ကိုေအာက္သို႔၊ တြန္းခၽ လိုက္တဲ႔အခါ၊ spindle နဲ႔အတူ plug ပါေအာက္ဖက္သို႔၊ ဆင္းသြားၿပီး၊ normally open အၿဖစ္ ပြင္႔ေနတဲ႔ valve ဟာ၊ close အေနနဲ႔ ပိတ္သြားပါတယ္။ 

Fig. Direct acting actuator and reverse acting control valve

ေယဘုယၽအားၿဖင္႔ direct acting actuators ေတြကို၊ direct acting plugs ေတြတတ္ဆင္ထားတဲ႔၊ direct acting control valves ေတြနဲ႔၊ တြဲဖက္အသံုးၿပဳႀကသလို၊ တခါတရံ reverse acting plugs ေတြတတ္ဆင္ ထားတဲ႔၊ reverse acting control vales ေတြနဲ႔လည္း၊ တြဲဖက္ အသံုးၿပဳႀကပါတယ္။ 

Fig. Net effect of various combinations for two-port valves

Fig. Net effect of the two combinations for three-port valves

direct acting သို႔မဟုတ္ reverse acting plugs ေတြတတ္ဆင္ထားတဲ႔၊ control valves ေတြကို၊ direct acting သို႔မဟုတ္ reverse acting actuators ေတြနဲ႔၊ တြဲဖက္အသံုးၿပဳတဲ႔အခါ compressed air supply ၿပတ္ေတာက္သြားစဥ္၊ valve မူလရိွခဲ႔တဲ႔ close သို႔မဟုတ္ open position သို႔ၿပန္လည္ေရာက္ရိွသြားရမယ္႔ အခၽက္ကိုအေၿခခံကာ ေရြးခၽယ္ရပါတယ္။ တနည္းအားၿဖင္႔ process applications ေတြရဲ႕ nature နဲ႔ safety requirements တို႔ကို၊ အေၿခခံကာေရြးခၽယ္ၿခင္းၿဖစ္သလို၊ process အေပါါသက္ေရာက္မယ္႔ "net effect" တခုလံုးကို၊ ထည္႔သြင္းစဥ္းစားကာ၊ ေရြးခၽယ္ၿခင္းလည္းၿဖစ္ပါတယ္။ cooling applications ေတြ မွာ၊ compressed air supply ၿပတ္ေတာက္သြားတဲ႔အခါ၊ valve 'ပြင္႔' သြားေစမယ္႔၊ actuators ေတြနဲ႔၊ တြဲဖက္ အသံုးၿပဳၿပီး၊ steam systems ေတြမွာေတာ႔၊ valve 'ပိတ္' သြားမယ္႔၊ actuators ေတြနဲ႔၊ တြဲဖက္ အသံုးၿပဳပါတယ္။

Effect of differential pressure on the valve lift - pneumatic controller မွ၊ diaphragm သို႔၊ feed air အေနနဲ႔ ေပးသြင္းတဲ႔၊ compressed air ပမာဏဟာ၊ (0.2 ~ 1.0 bar) range အတြင္း မွာသာ ရိွ ၿပီး၊ spring ဟာ (0.2 ~ 1.0 bar) rating အတြင္း ေရြွ႕လၽွားပါတယ္။ spring-to extend အေနနဲ႔၊ plug အေပါါသို႔ 'ႀကြ' တက္သြားမယ္႔၊ reverse acting actuator တလံုးကို၊ direct acting control valve နဲ႔ တြဲဖက္အသံုးၿပဳတဲ႔ အခါ၊ ေပါါေပါက္လာမယ္႔ "differential pressure effect" ကို၊ ေဖာ္ၿပပါ ဦးမယ္။

actuator နဲ႔ valve ကို၊ 'bench set' အၿဖစ္၊ calibrated အေနနဲ႔ ခၽိန္ညွိထားတဲ႔အခါ၊ feed air ကို (0. 2 bar) ထက္ပိုေပးသြင္းလိုက္တာနဲ႔ seat မွာထိုင္ေနတဲ႔ valve plug ဟာ၊ စတင္ 'ႀကြ' တက္ ပါတယ္။ ေအာက္မွ diaphragm ကို တြန္းတဲ႔ အားဟာ၊ valve plug ကို အေပါါမွတြန္းဖိထားတဲ႔၊ spring ရဲ႕ ဖိအားထက္၊ ပိုလာတဲ႔အတြက္၊ plug ဟာ 'ႀကြ' တက္သြားၿခင္း ၿဖစ္ပါတယ္။ feed air pressure တိုးလာတာနဲ႔အမၽွ၊ valve plug ဟာ၊ အေပါါသို႔ ဆက္တက္သြားမွာၿဖစ္ၿပီး၊ air pressure  (1. 0 bar) ပမာဏသို႔၊ ေရာက္သြားတဲ႔ အခါ၊ ရာနံွဳးၿပည္႔ (100 %) fully open အၿဖစ္ control valve 'ပြင္႔' သြား ပါတယ္။ actuator နဲ႔ control valve assembly ကို၊ pipeline အတြင္းမွာ၊ pressure reduction application အေနနဲ႔ တတ္ဆင္အသံုးၿပဳတဲ႔ အခါမွာေတာ႔၊ valve 'ပြင္႔' တဲ႔ percentage ဟာ၊ differential pressure effect ေႀကာင္႔၊ 'bench set' အေနနဲ႔ရိွစဥ္၊ valve 'ပြင္႔' တဲ႔ percentage နဲ႔ အနည္းငယ္ ၿခားနားသြားတာ၊ ေတြ႔ရပါတယ္။

Fig. Reverse acting actuator, air-to-open, direct acting valve - normally closed

upstream အဝင္မွာ၊ pressure (10 bar) ပမာဏရိွတဲ႔ flow ကို၊ downstream အထြက္မွာ (4 bar) အၿဖစ္၊ control လုပ္တဲ႔အခါ၊ control valve မွာၿဖစ္ေပါါမယ္႔၊ differential pressure ပမာဏဟာ (6 bar) ရိွပါတယ္။ differential pressure ဟာ၊ control valve အတြင္းမွ၊ plug ရဲ႕ ေအာက္ဖက္ underside မွာရိွေနၿပီး၊ valve ကို 'ပြင္႔' ေစဖို႔ force tending အေနနဲ႔၊ ေအာက္မွ တြန္းေနပါတယ္။ differential pressure ဟာ၊ control valve အတြင္းမွ၊ plug ရဲ႕ ေအာက္ဖက္ underside မွာရိွေနၿပီး၊ valve ကို 'ပြင္႔' ေစဖို႔ force tending အေနနဲ႔၊ အေပါါသို႔ တြန္းေန ပါတယ္။ ေအာက္မွတြန္းေနတဲ႔ differential pressure ရဲ႕ tending force ဟာ၊ actuator အတြင္းမွ feed air pressure ကိုလည္း၊ additional force အေနနဲ႔ ထပ္ေပါင္းေပးေနပါတယ္။ pneumatic controller မွ ေပးသြင္းတဲ႔ feed air pressure ပမာဏ (0. 6 bar) သို႔ေရာက္ရိွစဥ္မွာ၊ control valve ဟာ၊ တဝက္ (50 %) ခန္႔သာ 'ပြင္႔' ရမွာၿဖစ္ေပမယ္႔၊ additional force ေႀကာင္႔ တဝက္ထက္ ပို 'ပြင္႔' တာ၊ ေတြ႔ရပါတယ္။ အလားတူ controller မွ ေပးသြင္းတဲ႔ feed air pressure ပမာဏကို၊ (0. 2 bar) အထိၿပန္ေလၽွာ႔တဲ႔အခါ၊ ရာနံွဳးၿပည္႔ (100 %) 'ပိတ္' ရမွာၿဖစ္ေပမယ္႔၊ မပိတ္ေသးပဲ (0. 1 bar) ပမာဏအထိ ေလၽွာ႔မွသာ၊ fully close အေနနဲ႔ 'ပိတ္' မွာ ၿဖစ္ပါတယ္။

steam applications ေတြမွာေတာ႔၊ process ရဲ႕ load demand အေပါါမူတည္ၿပီး၊ differential pressure effect ၿဖစ္ေပါါပါတယ္။ load demand ၿမင္႔တက္လာတဲ႔အခါ၊ heat exchanger မွ steam pressure ဟာလည္း၊ ၿမင္႔တက္လာမွာ ၿဖစ္ပါတယ္။ valve အဝင္၊ upstream pressure ဟာ၊ constant အေနနဲ႔ ရိွေနၿပီး၊ heat exchanger မွာ steam pressure ၿမင္႔ေစဖို႔၊ control valve ရဲ႕ differential pressure ကိုေလၽွာ႔ခၽရပါတယ္။ heat exchanger ရဲ႕ load demand အေပါါမူတည္ၿပီး၊ control valve ရဲ႕ differential pressure ဟာ၊ အနည္းဆံုး minimum နဲ႔ အမၽားဆံုး maximum ပမာဏ အတြင္းမွာ၊ ေၿပာင္းလဲပါတယ္။ process ရဲ႕ load demand ၿမင္႔တက္လာတဲ႔အခါ ရာနံွဳးၿပည္႔ (100 %) 'ပြင္႔' ရမွာၿဖစ္ၿပီး၊ control valve ရဲ႕ differential pressure ဟာ၊ အနည္းဆံုး minimum အေနနဲ႔ ရိွေနမွာၿဖစ္ၿပီး၊ process မွာ temperature လံုးဝမလိုအပ္ေတာ႔တဲ႔အခါမွာေတာ႔၊ control valve ဟာ 'ပိတ္' သြားမွာၿဖစ္ၿပီး၊ differential pressure ကေတာ႔ maximum အေနနဲ႔ အမၽားဆံုး ပမာဏအတြင္းမွာ၊ ရိွေနပါတယ္။

Fig. Direct acting actuator, air-to-close, direct acting valve - normally open

direct acting actuator တလံုးကို၊ direct acting control valve နဲ႔ တြဲဖက္အသံုးၿပဳတဲ႔ အခါ၊ plug ရဲ႕ ေအာက္ဖက္ underside မွာ ရိွေနတဲ႔ differential pressure ဟာ၊ against force အေနနဲ႔၊ အေပါါသို႔ တြန္းေနမွာၿဖစ္ပါတယ္။ pneumatic controller မွတဆင္႔ diaphragm ရဲ႕ အေပါါဖက္သို႔ feed air pressure ေပးသြင္းၿပီး၊ valve plug ကို ေအာက္ဖက္သို႔ေရြွ႕လၽွားေစတဲ႔အခါ၊ အေပါါသို႔ တြန္းေနတဲ႔ against force ေႀကာင္႔၊ (0. 6 bar) သို႔ေရာက္ရိွစဥ္၊ control valve တဝက္ (50 %) ခန္႔ 'ပြင္႔' ရမွာၿဖစ္ေပမယ္႔၊ တဝက္အထိ မ 'ပြင္႔' တာ၊ ေတြ႔ရ ပါတယ္။ အလားတူ controller မွ ေပးသြင္းတဲ႔ feed air pressure ပမာဏကို၊ (1.0 bar) အထိ တိုးတဲ႔အခါ၊ ရာနံွဳးၿပည္႔ (100 %) 'ပိတ္' ရမွာ ၿဖစ္ေပမယ္႔၊ မပိတ္ေသးပဲ (1. 1 bar) ပမာဏအထိ တိုးမွသာ၊ fully close အေနနဲ႔ 'ပိတ္' မွာၿဖစ္ပါတယ္။

actuator နဲ႔ control valve assembly ကို၊ pipeline အတြင္းမွာ၊ တတ္ဆင္အသံုးၿပဳတဲ႔ အခါ၊ differential pressure effect ရိွေနတဲ႔ အတြက္၊ recalibrate အေနနဲ႔ ၿပန္လည္ခၽိန္ညွိဖို႔ လိုတာေတြ႔ရပါတယ္။ အရြယ္အစားေသးငယ္တဲ႔ small control valves ေတြနဲ႔၊ အေသးစိတ္ တိကၽဖို႔ မလိုတဲ႔ "imprecise control applications" ေတြမွာေတာ႔၊ actuator combination မွ spring အရြယ္အစားကို၊ ေၿပာင္းလဲတတ္ဆင္ၿပီး၊ အသံုးၿပဳႀကပါတယ္။ တနည္းအားၿဖင္႔ spring ရဲ႕ range နဲ႔ rating တန္ဖိုး အရ ေၿပာင္းလဲတတ္ဆင္ၿခင္း ၿဖစ္ပါတယ္။

Fig. Two and three-port control valve ""thrust available" formula 

Fig. Typical manufacturer’s valve/ actuator selection chart

valves နဲ႔ actuators ေတြမွာ၊ frictions ေတြၿဖစ္ေပါါေလ႔ရိွၿပီး၊ friction ေႀကာင္႔ valve position မွာလည္း 'hysteresis' ေတြြေပါါေပါက္ လာရ ပါတယ္။ အရြယ္အစားေသးငယ္တဲ႔ control valves ေတြနဲ႔ actuator combinations ေတြမွာ၊ friction ပိုမၽားပါတယ္။ recalibrate အေနနဲ႔ ၿပန္လည္မခၽိန္ညွိပဲ၊ spring အရြယ္အစားကို၊ ေၿပာင္းလဲ ထားတဲ႔ control valves ေတြကို တတ္ဆင္တဲ႔အခါ၊ "thrust available" တန္ဖိုးမွတဆင္႔၊ spring ရဲ႕ range နဲ႔ rating တန္ဖိုးကို၊ အေၿခခံကာ ေရြးခၽယ္ႀကပါတယ္။ အရြယ္အစား ႀကီးမားတဲ႔ control valves ေတြမွာေတာ႔၊ differential pressure effect ဟာ၊ ပိုမၽားမွာ ၿဖစ္သလို၊ valve position မွာလည္း effect ၿဖစ္ေပါါမွဳပိုမၽားလာမွာၿဖစ္ပါတယ္။ vlave ေရြွ႕လၽွားတဲ႔အခါ၊ valve position ကို၊ အတိအကၽသိေစဖို႔ positioner ကို၊ တတ္ဆင္အသံုးၿပဳႀကပါတယ္။

Reference and image credit to : Control Valve Actuators and Positioners - ကိုထြန္း, Steam Engineering Tutorials,

Remark : All images herein this website are for use of educational purpose only. The owner of this web site is not responsible for the consequences in case of violation to copyright, trademark, patent or other intellectual property rights of any third party.