Nguyên lý hoạt động của van bướm khí nén

Để hiểu rõ cách van bướm điều khiển khí nén hoạt động, chúng ta cần đi sâu vào từng giai đoạn và cơ chế vận hành của nó. Về cơ bản, quá trình hoạt động của van bướm điều khiển khí nén là sự phối hợp giữa năng lượng khí nén và cơ cấu cơ khí để thực hiện việc đóng, mở hoặc điều tiết dòng chảy. Dưới đây là mô tả chi tiết về hoạt động của van bướm điều khiển khí nén, chia theo các giai đoạn chính.

Giai đoạn chuẩn bị (Trạng thái ban đầu)

• Van ở trạng thái chờ: Khi hệ thống ở trạng thái bình thường hoặc chưa có tín hiệu điều khiển, van bướm điều khiển khí nén sẽ ở một vị trí xác định, thường là đóng (đối với van tác động đơn thường đóng – NC) hoặc mở (đối với van tác động đơn thường mở – NO) hoặc ở vị trí cuối cùng được điều khiển (đối với van tác động kép).
• Khí nén sẵn sàng: Hệ thống khí nén (máy nén khí, bộ lọc, bộ điều chỉnh áp suất, van điện từ – nếu có) đã được chuẩn bị và sẵn sàng cung cấp khí nén theo yêu cầu.
• Tín hiệu điều khiển: Hệ thống điều khiển (PLC, DCS, rơ-le, công tắc tay…) sẵn sàng phát tín hiệu để điều khiển van điện từ (nếu có), từ đó điều khiển van bướm.

Giai đoạn Mở van (Open Operation):

Quá trình mở van sẽ khác nhau tùy thuộc vào loại bộ truyền động khí nén (tác động đơn hay tác động kép).

Đối với Van bướm điều khiển khí nén tác động đơn (Single Acting)

Tác động đơn thường đóng (Normally Closed – NC)

• Cấp khí nén: Khi có tín hiệu điều khiển (ví dụ: tín hiệu điện từ PLC đến van điện từ), van điện từ sẽ mở đường khí nén đến cổng cấp khí của bộ truyền động khí nén.
• Khí nén tác động lên Piston/Màng: Khí nén được dẫn vào xi lanh khí nén, tạo áp suất và tác động lên piston hoặc màng ngăn.
• Piston/Màng di chuyển: Áp suất khí nén thắng lực lò xo và đẩy piston di chuyển theo phương tuyến tính (trong xi lanh) hoặc làm màng bị biến dạng.
• Cơ cấu truyền động chuyển đổi chuyển động: Chuyển động tuyến tính của piston hoặc màng được cơ cấu truyền động (ví dụ: thanh răng – bánh răng hoặc cơ cấu Scotch Yoke) chuyển đổi thành chuyển động xoay.
• Trục van xoay và Đĩa van mở: Cơ cấu truyền động xoay trục van, làm cho đĩa van (cánh bướm) xoay theo. Đĩa van xoay từ vị trí vuông góc với dòng chảy (đóng) sang vị trí song song với dòng chảy (mở).
• Van mở hoàn toàn (hoặc đến vị trí mong muốn): Khi đĩa van song song với dòng chảy, van đạt trạng thái mở hoàn toàn, cho phép dòng chảy đi qua mà không bị cản trở. Nếu sử dụng bộ định vị van (positioner), van sẽ mở đến một vị trí trung gian theo tín hiệu điều khiển, để điều tiết lưu lượng dòng chảy.
• Duy trì trạng thái mở: Van sẽ duy trì trạng thái mở cho đến khi ngừng cấp khí nén.

Tác động đơn thường mở (Normally Open – NO):

• Cấp khí nén: Khi có tín hiệu điều khiển, van điện từ sẽ mở đường khí nén đến cổng cấp khí của bộ truyền động khí nén.
• Khí nén tác động lên Piston/Màng: Tương tự như loại thường đóng, khí nén tạo áp suất và tác động lên piston hoặc màng.
• Piston/Màng di chuyển và nén lò xo: Áp suất khí nén đẩy piston/màng di chuyển, nén lò xo lại.
• Cơ cấu truyền động chuyển đổi chuyển động: Chuyển động tuyến tính được chuyển đổi thành chuyển động xoay.
• Trục van xoay và Đĩa van đóng: Trục van xoay, làm đĩa van xoay từ vị trí song song (mở) sang vị trí vuông góc (đóng).
• Van đóng hoàn toàn (hoặc đến vị trí mong muốn): Khi đĩa van vuông góc, van đạt trạng thái đóng hoàn toàn, chặn dòng chảy.
• Duy trì trạng thái đóng: Van sẽ duy trì trạng thái đóng cho đến khi ngừng cấp khí nén.

Đối với Van bướm điều khiển khí nén tác động kép (Double Acting)

• Cấp khí nén vào cổng ‘Mở’: Khi có tín hiệu điều khiển, van điện từ sẽ mở đường khí nén đến cổng ‘Mở’ (Open Port) của bộ truyền động khí nén. Đồng thời, cổng ‘Đóng’ (Close Port) có thể được xả khí hoặc duy trì áp suất thấp hơn.
• Khí nén tác động lên Piston/Màng: Khí nén được dẫn vào xi lanh khí nén, tạo áp suất và tác động lên piston hoặc màng ở phía cổng ‘Mở’.
• Piston/Màng di chuyển: Áp suất khí nén đẩy piston/màng di chuyển theo chiều mở van.
• Cơ cấu truyền động chuyển đổi chuyển động: Chuyển động tuyến tính được chuyển đổi thành chuyển động xoay.
• Trục van xoay và Đĩa van mở: Trục van xoay, làm đĩa van xoay từ vị trí đóng sang vị trí mở.
• Van mở hoàn toàn (hoặc đến vị trí mong muốn): Khi đĩa van song song, van đạt trạng thái mở hoàn toàn.
• Duy trì trạng thái mở: Van sẽ duy trì trạng thái mở cho đến khi có tín hiệu đóng van.

Giai đoạn Đóng van (Close Operation)

Để đi sâu hơn vào “Giai đoạn Đóng van (Close Operation)” của van bướm điều khiển khí nén, chúng ta sẽ xem xét chi tiết các cơ chế và diễn biến xảy ra trong quá trình này, đặc biệt phân biệt giữa van tác động đơn và tác động kép.

Đối với Van bướm điều khiển khí nén tác động đơn (Single Acting)

Như đã đề cập trước đó, van tác động đơn sử dụng một nguồn năng lượng (khí nén) để thực hiện một chiều tác động (mở hoặc đóng), và sử dụng một cơ chế lò xo để thực hiện chiều tác động ngược lại (đóng hoặc mở).

• Ngừng cấp khí nén: Khi tín hiệu điều khiển ngừng (ví dụ: van điện từ đóng lại, chặn đường khí nén).
• Lực lò xo hồi vị: Không còn áp suất khí nén, lực lò xo trong bộ truyền động sẽ đẩy piston/màng trở về vị trí ban đầu.
• Cơ cấu truyền động chuyển đổi chuyển động ngược lại: Chuyển động tuyến tính ngược lại của piston/màng được cơ cấu truyền động chuyển đổi thành chuyển động xoay ngược chiều.
• Trục van xoay và Đĩa van đóng: Trục van xoay ngược lại, làm đĩa van xoay từ vị trí song song (mở) sang vị trí vuông góc (đóng).
• Van đóng hoàn toàn: Khi đĩa van vuông góc với dòng chảy, van đạt trạng thái đóng hoàn toàn, chặn dòng chảy.

Đối với Van bướm điều khiển khí nén tác động kép (Double Acting)

Van tác động kép sử dụng khí nén để điều khiển cả quá trình mở và đóng van. Không có lò xo hồi vị trong loại này.

• Cấp khí nén vào cổng ‘Đóng’: Khi có tín hiệu điều khiển đóng van, van điện từ sẽ mở đường khí nén đến cổng ‘Đóng’ (Close Port) của bộ truyền động khí nén. Đồng thời, cổng ‘Mở’ (Open Port) có thể được xả khí hoặc duy trì áp suất thấp hơn.
• Khí nén tác động lên Piston/Màng ở phía ‘Đóng’: Khí nén được dẫn vào xi lanh, tạo áp suất và tác động lên piston hoặc màng ở phía cổng ‘Đóng’.
• Piston/Màng di chuyển theo chiều đóng van: Áp suất khí nén đẩy piston/màng di chuyển theo chiều đóng van.
• Cơ cấu truyền động chuyển đổi chuyển động: Chuyển động tuyến tính được chuyển đổi thành chuyển động xoay.
• Trục van xoay và Đĩa van đóng: Trục van xoay, làm đĩa van xoay từ vị trí mở sang vị trí đóng.
• Van đóng hoàn toàn: Khi đĩa van vuông góc, van đạt trạng thái đóng hoàn toàn.

Điều tiết dòng chảy (Modulating Operation – khi có Bộ định vị van)

1. Hệ thống điều khiển phát tín hiệu điều khiển PLC hoặc DCS (hệ thống điều khiển) phát ra tín hiệu điều khiển vị trí van (ví dụ: tín hiệu 4-20mA tương ứng với vị trí van mong muốn từ 0% đến 100%).

2. Bộ định vị van nhận tín hiệu và đo vị trí thực tế: Bộ định vị van nhận tín hiệu điều khiển vị trí và đồng thời sử dụng cảm biến vị trí để đo vị trí góc xoay thực tế của trục van.

3. So sánh và Tính toán sai lệch: Bộ định vị van so sánh vị trí mong muốn với vị trí thực tế. Ví dụ:

• Vị trí mong muốn: 60% mở (tín hiệu điều khiển tương ứng).
• Vị trí thực tế đo được: 40% mở.
• Sai lệch vị trí: 20% (van cần mở thêm 20%).

4. Bộ định vị van điều khiển Van điện từ: Dựa trên sai lệch vị trí, bộ định vị van sẽ điều khiển van điện từ (tích hợp bên trong hoặc bên ngoài bộ định vị).

• Tăng áp suất khí nén: Trong ví dụ trên (sai lệch 20% cần mở thêm), bộ định vị sẽ mở van điện từ để cấp thêm khí nén vào bộ truyền động khí nén (ví dụ, vào cổng ‘Mở’ của van tác động kép, hoặc cổng cấp khí của van tác động đơn).
• Giảm áp suất khí nén : Nếu van đang mở quá mức so với vị trí mong muốn, bộ định vị sẽ điều khiển van điện từ để xả bớt khí nén từ bộ truyền động hoặc giảm áp suất khí nén cấp vào.

5. Van bướm di chuyển đến vị trí mới: Áp suất khí nén thay đổi tác động lên bộ truyền động, làm xoay trục van và đĩa van di chuyển đến vị trí mới.

6. Vòng lặp phản hồi liên tục: Quá trình từ bước 2 đến bước 5 lặp lại liên tục với tốc độ cao. Bộ định vị van liên tục đo vị trí, so sánh với vị trí mong muốn và điều chỉnh khí nén cho đến khi sai lệch vị trí đạt mức chấp nhận được (rất nhỏ hoặc bằng 0). Lúc này, van sẽ ổn định ở vị trí mong muốn và duy trì lưu lượng dòng chảy tương ứng.

Ví dụ minh họa hoạt động đơn giản

Hình dung bạn cần điều khiển dòng nước trong một đường ống bằng van bướm điều khiển khí nén tác động đơn thường đóng.

1. Ban đầu: Van đóng, nước không chảy qua.
2. Để mở van: Bạn kích hoạt hệ thống khí nén. Khí nén được cấp vào bộ truyền động, đẩy piston di chuyển và xoay đĩa van đến vị trí mở. Nước bắt đầu chảy qua van.
3. Để điều tiết lưu lượng: Nếu bạn muốn giảm lưu lượng nước, bạn có thể sử dụng bộ định vị van để điều chỉnh vị trí mở của đĩa van một phần.
4. Để đóng van: Bạn ngừng cấp khí nén. Lò xo trong bộ truyền động sẽ đẩy piston trở về vị trí ban đầu, xoay đĩa van về vị trí đóng. Nước ngừng chảy qua van.

Hoạt động của van bướm điều khiển khí nén dựa trên nguyên lý chuyển đổi năng lượng khí nén thành chuyển động cơ học để xoay đĩa van, đóng, mở hoặc điều tiết dòng chảy. Sự kết hợp giữa bộ truyền động khí nén và van bướm cơ khí mang lại một giải pháp điều khiển dòng chảy hiệu quả, tin cậy và linh hoạt trong nhiều ứng dụng công nghiệp.

Nguồn: vangiare.vn