随着能源效率成为可持续性的支柱之一，现在更加重视对与热交换系统相关的压力和温度变量进行更严格的控制。通过紧密控制那些系统中加热和冷却介质的压力和温度，使用自动控制阀可以帮助确保有效的热传递。
自18世纪以来，控制阀的设计和控制系统内流体的概念就已经存在。特别地，在过程中已经使用了上升杆，线性调节类型来精确控制流体的流量和压力。但是，根据下游系统需求变化手动设置和更改阀门位置变得不切实际。在引入可靠的执行器设计和自动控制器之后，通过远程信号的气动或电动执行器得到了普及。根据控制器的设定点自动移动阀门的位置，从而提高了系统精度。这极大地影响了产品质量并减少了与制造过程相关的浪费。当将特定的传感器添加到与制造过程有关的“反馈”信息到控制器中并控制变量后，系统精度再次提高。现在，控制器，传感器和自动阀之间的控制回路已关闭。
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尽管通过使用闭环控制系统可以提高性能，但控制阀和执行器的设计决定了系统的总体精度。执行器内滚动或回旋的隔膜和低摩擦O形圈的设计有所帮助，但并未显着改变控制精度。阀门定位器的添加从根本上改变了致动控制阀在过程控制回路中的响应方式。通过在阀门上添加气动或电动气动定位器，可以精确定位和控制单作用和双作用执行器。阀门可以成为数控系统的组成部分，该系统可以中继阀门健康状况和诊断信息，以确保环路将设定点保持在所需的精度内。
控制阀基础
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| 图1.与控制阀进行热交换。 |
控制阀的操作涉及将其塞子相对于阀内的固定座进行定位。致动器通过阀杆直接连接到阀芯，并将阀芯移动到所需的控制位置。通常使用气动或电动执行器来控制该阀芯的位置。气动控制阀具有气开或气关功能。空气打开阀通常通过弹簧保持关闭状态，并且需要气压来打开，而空气关闭阀通常通过弹簧保持打开状态，并需要气压来关闭它们。阀门和执行器组合的机械设计确定了执行器的运行方式，但所需的故障安全条件则确定了采用哪种类型（如果工厂仪表出现空气故障）。
计算机，控制器，PLC，恒温器或其他电气控制设备将模拟电气信号直接发送到电动执行器，或通过电流/电压-气动转换器，或通过电动气动定位器发送到气动执行器。该信号基于所需的系统设定点，并线性地以更大程度或更大程度地调节阀门。通过以这种方式使阀自动化，它们可用于直接和/或间接控制开环或闭环系统内的温度，压力和流量。
热交换器是一种常见的闭环控制应用，其中气动和电动控制阀均可用于调节水，蒸汽和冷凝水。图1显示了使用控制阀的典型热交换器的部分图形表示。
为了使气动阀与控制设备生成的电控制信号相接口，有三种控制阀位置的方法：
电流/电压-气动转换器（I / P或E / P）
转换器和气动定位器的组合
电动气动阀门定位器
与仅使用变频器相比，选择阀门定位器进行控制具有许多明显的优势。
阀门定位器
由于现代热交换系统设计要求更高的效率，因此它需要最佳的控制阀性能。热交换器的性能与过程系统的要求紧密匹配，同时产生的废料最少，可实现真正的节省。阀门的精确调节和控制可在设定点的2％之内提供快速响应和准确度，加起来减少了废蒸汽和冷凝水的掉落和清除。使用阀门定位器的一些优点包括以下功能：
响应速度更快
控制跨阀的较高或可变压差
大隔膜/活塞执行器的控制
控制动作变更
分范围能力
控制阀流量特性的变化
有限的行程，降低的举升
数字通信/诊断能力
响应速度更快
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| 图2.定位器信号与阀门行程之间的关系 |
诸如由于不正确地使用热水或蒸汽阀或阀执行器之类的简单原因，导致了对过程负荷变化/蒸汽系统故障造成的温度变化反应不够快的热交换器。从不良的系统或管道的重新设计，到设施扩建引起的需求增加，一切都可能导致这种缓慢的响应。如果换热器仍能满足设备容量的要求，从使用定位器的电动阀切换为气动阀有时会有所不同。使用尺寸正确的气动执行器，该阀的反应比其电动执行器的反应更快，并且可以适应快速变化的热水需求。
控制阀上更高或变化的压差
如果阀塞上的较高压差或变化的压差导致阀位置发生变化，则定位器会根据控制信号自动调整执行器的气压，以“重新定位”阀芯。使用定位器时，该阀具有基于输入信号和阀杆位置反馈的自身闭环控制。这是通过阀杆位置反馈连杆，气动放大继电器以及根据输入控制信号调节至执行器的输出压力来实现的。该闭环控制电路是定位器必不可少的部分，因此可以保持一致的关闭力和打开力（推力），该力由差速器和阀门位置决定。
大型隔膜/活塞执行器的控制
较大的隔膜或活塞致动控制阀可能需要增加风量，增加正向和反向流量以及传统转换器（I / P或E / P）无法产生的增加的气压。例如，较大的气动膜片式执行器可能具有0.30 ft3（立方英尺）的内部容积，必须填充该内部容积才能将阀完全移动到打开或关闭位置。如果使用的定位器的前进和后退流量额定值为0.07 scfs（标准立方英尺/秒），则该阀门将在4.3秒内打开或关闭。不使用定位器，打开或关闭时间大大减少。大多数I / P和E / P转换器的额定正向流量仅为0.02 scfs，反向流量甚至更低。
定位器还以等于或接近其供应压力的方式向执行器供应空气压力，以将阀门移至所需位置。无论执行器需要多少空气（PSI）以便将阀移动到需要达到力平衡平衡的位置，它们都将成为“动力”。I / P或E / P转换器不能也不以这种方式运行。转换器仅基于线性电气控制输入信号提供输出压力。通常，它们的压力范围在30 PSI以内，正常工作范围为3-15、3-27或6-30。这些空气输送压力只能通过2-3 PSI进行更改。尽管电动气动定位器可以接收相同类型的线性电气控制输入信号，但不受校准的工作范围限制的约束。
能够提供这些较高的压力非常有帮助，特别是在克服较大的执行器和阀门组合中始终存在的磁滞和死区的负面影响方面。摩擦是造成这些负面影响的最常见原因，并且总是与动态条件下控制信号产生的气压相反。定位器始终将所需的设定点与阀杆位置进行比较，并调节执行机构的气压，以使摩擦效果最小。
控制动作变更
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| 图3.基于微处理器的控制阀定位器 |
通过考虑安装有电动气动定位器的气动打开的气动控制阀，可以更容易地理解控制动作的概念。在直接控制作用下，随着到定位器的电输入信号增加，从定位器到执行器的气动输出也将增加。阀门打开并按比例调节，同时流经阀门的流量相应增加或减少。
在反向控制作用下，随着定位器的电输入信号增加，从定位器到执行器的气动输出减少。有时，由于管路重新路由或控制器，计算机或DDC内的控制逻辑更改而导致系统设计更改时，需要控制阀以这种方式运行。虽然使用定位器不能改变阀门的功能，但可以将其控制动作从直接切换到反向，反之亦然。
分档能力
许多家用热水热交换器在同一控制回路上安装了两个不同尺寸的控制阀，以应对广泛的系统流量需求变化。这些阀门的分档设置是定位器使之成为可能的校准和设置的常用方法。其灵活的跨度和零位调节使阀门的行程和冲程可在其范围内移动。在正常操作中，控制阀的全行程将跟随输入控制信号的全量程。例如，接受4mA至20mA模拟输入电流的电动气动定位器通常会使控制阀的行程分别从行程的0％到100％。如果定位器是分量程的，则阀门将以仅4mA至12mA的相应输入电流行进0％至100％。但是它也可以分段设置，以使阀在相应的12mA至20mA输入电流下行进0％至100％。在两个示例中，阀门的跨度都相对于输入电流信号发生了变化。
如上所述，对阀门定位器进行分量程，可以在系统需求较低时控制一个阀门（较小的阀门），而在系统需求较高时控制另一个阀门（较大的阀门）。
图2显示了两个控制阀定位器分档时定位器输入信号与阀行程之间的关系。请注意，直到定位器的输入信号达到量程的50％时，第二个阀才开始打开。
控制阀流量特性的变化
控制阀的安装固有流量特性（设计特性）由所使用的阀塞，阀座，阀笼等的类型决定。有时，非线性流量特性的线性化是必需的，以便无论控制器输出如何，过程阀增益都是恒定的。必须更改或调整流量曲线，以加强控制精度并提高性能。根据定位器的设计和类型，可以通过切换机械凸轮或通过数字/电子方式将新的性能曲线重新编程到定位器中来实现线性化。与安装新阀或更换阀内件相比，使用定位器更改固有流量特性可能是一种更具成本效益的解决方案。
行程有限，升力降低
出于性能或安全原因，有时在控制系统中需要减少升程量或限制阀门行程。有时会错误地将阀门过大，从而导致其行程的5-10％处于低效率状态。类似于上一部分中所述，对输入信号进行分量程以匹配阀门的整个行程，定位器的气动输出信号可以被压缩以匹配整个电信号输入。这允许将控制信号的完整输入分辨率应用于阀行程的前5％至10％。但是，在阀门响应较小的控制信号变化的能力与具有更大的输入跨度分辨率之间需要权衡。磁滞和死区效应会大大放大，并且在如此高的“量程比”下可能会对控制阀性能产生负面影响。
出于安全原因或过程保护的考虑，有时会限制阀门的行程或升程。如果由于这些原因改变了定位器的设置和校准，则应立即安装机械行程限位器。机械限制行程，以确保阀门在定位器发生故障时不会超过此点打开，并且不会引起不安全状况。
数字通信/诊断能力
基于微处理器的电动气动阀门定位器设计不仅使制造商摆脱了使用机械凸轮来确定冲程（和流量）特性的麻烦，而且还提供了将大量智能和通信嵌入电子设备的能力。当将定位器与使用数字通信（例如HART，BACnet，Modbus或LonWorks协议）的控制系统接口时，这将非常有利。
定位器中的传感器现在可以提供与阀门行程和推力，执行器输出压力，外壳温度，阀门座/阀塞磨损以及阀门性能相关的信息。车载诊断和警报在数字阀门定位器中是司空见惯的，同时还会记录异常阀门性能事件的历史数据。但是，增加智能确实会增加成本。
根据所选的数字定位器的类型，所增加的技术复杂性可能令人生畏。为了利用附加信息，有时操作，工程和维护人员现在必须熟悉更多的控制参数和过程变量。允许阀门定位器连接到中央计算机控制系统或PC的软件实用程序是监视和更改这些参数的最常用方法。使用软件实用程序可以通过显示阀门参数的图形视图来减轻复杂性。该软件可帮助最终用户以交互方式设置，调整和维护控制阀/定位器，并将配置保存到软件文件中，以供以后参考或下载。
典型的基于微处理器的阀门定位器如图3所示。使用阀门定位器可以解决简单和复杂的控制阀问题，同时还可以显着提高控制系统的性能和精度。