化工儀表及自動化第5章

1、化工儀表及自動化化工儀表及自動化第五章第五章 執(zhí)行器執(zhí)行器 概述概述3 接受控制器的輸出信號,直接控制能量或物料等調(diào)節(jié)介質(zhì)的輸送量,達到控制溫度、壓力、流量、液位等工藝參數(shù)的目的。 p 氣動執(zhí)行器p 電動執(zhí)行器p 液動執(zhí)行器p 執(zhí)行機構(gòu)p 調(diào)節(jié)機構(gòu)第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器5n 一、氣動執(zhí)行器的組成與分類一、氣動執(zhí)行器的組成與分類1.1.組成組成執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)調(diào)節(jié)機構(gòu)調(diào)節(jié)機構(gòu)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)閥 接受從調(diào)節(jié)器發(fā)出的控制信號并根據(jù)控接受從調(diào)節(jié)器發(fā)出的控制信號并根據(jù)控制信號的大小發(fā)出相應的機械位移。制信號的大小發(fā)出相應的機械位移。 在執(zhí)行機構(gòu)位移的推動下改變閥體中閥在執(zhí)行機構(gòu)位移的推動下改變閥體

2、中閥芯與閥座之間的流通面積芯與閥座之間的流通面積, ,達到調(diào)節(jié)操作達到調(diào)節(jié)操作變量的目的。變量的目的。2.2.調(diào)節(jié)閥分類調(diào)節(jié)閥分類按工作信號能源分三大類按工作信號能源分三大類: :氣動氣動調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)閥：電動調(diào)節(jié)閥：電動調(diào)節(jié)閥：液動調(diào)節(jié)閥：液動調(diào)節(jié)閥：結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、維護方便、防火防爆、價格低廉。結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、維護方便、防火防爆、價格低廉。調(diào)節(jié)精度較高調(diào)節(jié)精度較高, ,在一些特殊的場合使用。在一些特殊的場合使用。造紙工業(yè)很少使用。造紙工業(yè)很少使用。氣動執(zhí)行機構(gòu)的構(gòu)成和特性氣動執(zhí)行機構(gòu)的構(gòu)成和特性( (一一) )氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu)的構(gòu)成氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu)的構(gòu)成圖圖5-1 5-1 氣動薄膜執(zhí)行

3、機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖氣動執(zhí)行機構(gòu)氣動執(zhí)行機構(gòu)薄膜式薄膜式活塞式活塞式長行程式長行程式正作用式正作用式反作用式反作用式第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器閥門定位器閥門定位器手輪機構(gòu)手輪機構(gòu)圖11-2 氣動薄膜控制閥外形圖6第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器7結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、維修方便，應用廣泛。 推力較大，用于大口徑、高壓降控制閥或蝶閥的推動裝置。 行程長、轉(zhuǎn)矩大，適于輸出轉(zhuǎn)角（6090）和力矩。 根據(jù)有無彈簧可分為有彈簧的及無彈簧的執(zhí)行機構(gòu)。根據(jù)有無彈簧可分為有彈簧的及無彈簧的執(zhí)行機構(gòu)。 結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)圖11-3 正作用式氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu) 1上膜蓋； 2波紋膜片； 3下膜蓋 ；4支架；

4、5推桿；6彈簧；7彈簧座；8調(diào)節(jié)件；9連接閥桿螺母； 10行程標尺第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器圖11-4 反作用式氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu) 1上膜蓋； 2波紋膜片；3下膜蓋；4密封膜片；5密封環(huán)；6填塊；7支架；8推桿；9彈簧；10彈簧座；11襯套；12調(diào)節(jié)件；13行程標尺8第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器9根據(jù)不同的使用要求，控制閥的結(jié)構(gòu)形式主要有以下幾種。閥體內(nèi)只有一個閥芯與閥座。結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、全關時泄漏量少。 直通單座閥在壓差大的時候，流體對閥芯上下作用的推力不平衡，這種不平衡力會影響閥芯的移動。 第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器10 閥體內(nèi)有兩個閥芯和兩個閥座。 流體流過的時候

5、，不平衡力小。 容易泄漏第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器 角形閥的兩個接管呈直角形。 流路簡單、阻力較小，適于現(xiàn)場管道要求直角連接，介質(zhì)為高黏度、高壓差和含有少量懸浮物和固體顆粒狀的場合。流向一般是底進側(cè)出。 11第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器 高壓控制閥的結(jié)構(gòu)形式大多為角形,閥芯頭部,以適應高壓差下的沖刷和汽蝕。 為了減少高壓差對閥的汽蝕,有時采用閥芯,把高差壓分開,各級都承擔一部分以減少損失。 12第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器 共有三個出入口與工藝管道連接。 合流型和分流型兩種 13（A）（B）（A）分流型）分流型（B）合流型）合流型第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器14 采用

6、耐腐蝕襯里的閥體和隔膜。 結(jié)構(gòu)簡單、流阻小、流通能力比同口徑的其他種類的閥要大。不易泄漏。耐腐蝕性強，適用于強酸、強堿、強腐蝕性介質(zhì)的控制，也能用于高黏度及懸浮顆粒狀介質(zhì)的控制。注意執(zhí)行機構(gòu)須有足夠的推力注意執(zhí)行機構(gòu)須有足夠的推力 第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、價格便宜、流阻極小。泄漏量大。 15第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器16 節(jié)流元件是帶圓孔的球形體（A）或是一種V形缺口球形體（B）。特點特點（A）轉(zhuǎn)動球體可起到控制和切斷的作用（B）轉(zhuǎn)動球心使V形缺口起節(jié)流和剪切的作用,其特性近似于等百分比型。 （A）（B）第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器n 二、控制閥的流量

7、特性二、控制閥的流量特性 是指被控介質(zhì)流過閥門的相對是指被控介質(zhì)流過閥門的相對流量與閥門的相對開度（相對位移）間的關系，即流量與閥門的相對開度（相對位移）間的關系，即 LlfQQmax19第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器20 在不考慮控制閥前后壓差變化時得到的流量特性稱為理想流量特性。它取決于閥芯的形狀 指控制閥的相對流量與相對開度成直線關系。KLldQQdmax（11-2）圖11-6 控制閥的理想流量特性( R= 30) 1直線；2等百分比(對數(shù)) ；3快開 ； 4拋物線第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器21CLlKQQmax將（11-2）積分可得（11-3）：l=0時，Q=Qmin; l

8、=L時Q=Qmax把邊界條件代入式（11-3），可分別得RQQKRQQC111,1maxminmaxmin（11-4） Qmin不等于控制閥全關時的泄漏量，一般是不等于控制閥全關時的泄漏量，一般是Qmax的的2 24 4。注意！注意！第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器將式（11-4）代入式（11-3），可得LlRRQQ111max 22第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器%100%10010102023舉例舉例當當R=30,=30,l/L=0=0時，時，Q/Qmaxmax=0.33=0.33假設假設R=,位移變化量為位移變化量為10%10%在在1010時，流量變化的相對值為時，流量變化的相對值為

9、在在5050時，流量變化的相對值為時，流量變化的相對值為在在8080時，流量變化的相對值為時，流量變化的相對值為 %20100505060%5 .12%100808090 在流量小時，流量變化的相對值大；在流量大時，流量變化的相對值小。第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器24是指單位相對行程變化所引起的相對流量變化與此點的相對流量成正比關系。maxmaxQQKLldQQd（11-6）CLlKQQmaxln將（11-6）積分RKRRQQCln,ln1lnlnmaxmin 將前述邊界條件代入 )1(maxLlRQQ（11-11）第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器25之間成拋物線關系。與LlQQmax

10、 這種流量特性在開度較小時就有較大流量，隨開度的增大，流量很快就達到最大。 快開特性的閥芯形式是平板形的，適用于迅速啟閉的切斷閥或雙位控制系統(tǒng)。 第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器26 在實際生產(chǎn)中，控制閥前后壓差總是變化的，這時的流量特性稱為圖11-7 串聯(lián)管道的情形FVPPPmFnVnVnVPPPPPS工作流量特性工作流量特性第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器27圖11-8管道串聯(lián)時控制閥的工作流量特性第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器28 控制閥一般都裝有旁路，以便手動操作和維護。當生產(chǎn)量提高或控制閥選小了時，只好將旁路閥打開一些，此時控制閥的理想流量特性就改變成為工作特性。如圖如圖11

11、-9所示，顯然這時管所示，顯然這時管路的總流量路的總流量Q是控制閥流量是控制閥流量Q1與旁路流量與旁路流量Q2之和，即之和，即QQ1Q2。 圖11-9 并聯(lián)管道情況第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器29 以x代表并聯(lián)管道時控制閥全開時的流量與總管最大流量Qmax之比，可以得到在壓差p為一定時，而x為不同數(shù)值時的工作流量特性曲線。 圖11-10并聯(lián)管道時控制閥的工作特性第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器30 當x1，即旁路閥關閉時，控制閥的工作流量特性與理想流量特性相同。 隨著x值的減小，即旁路閥逐漸打開，雖然閥本身的流量特性變化不大，但可調(diào)范圍大大降低了。 控制閥關死，即l/L0時，流量Qmi

12、n大大增加。第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器 在實際使用中總存在著串聯(lián)管道阻力的影響，控制閥上的壓差還會隨流量的增加而降低，使可調(diào)范圍下降得更多些，控制閥在工作過程中所能控制的流量變化范圍更小，甚至幾乎不起控制作用。 采用打開旁路閥的控制方案是不好的，一般認為旁路流量最多只能是總流量的百分之十幾，即x值最小不低于0.8。 31第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器32 串、并聯(lián)管道都會使閥的理想流量特性發(fā)生畸變，串聯(lián)管道的影響尤為嚴重。 串、并聯(lián)管道都會使控制閥的可調(diào)范圍降低，并聯(lián)管道尤為嚴重。 串聯(lián)管道使系統(tǒng)總流量減少，并聯(lián)管道使系統(tǒng)總流量增加。 串、并聯(lián)管道會使控制閥的放大系數(shù)減小，串聯(lián)管道

13、時控制閥大開度時影響嚴重，并聯(lián)管道時控制閥小開度時影響嚴重。第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器n 三、控制閥的選擇三、控制閥的選擇2102ppFQ02 FCpQC流經(jīng)控制閥的流量為令代入式 (11-13) ,得(11-13)(11-14)C稱為,它與閥芯與閥座的結(jié)構(gòu)、閥前后的壓差、流體性質(zhì)等因素有關。 33第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器指在控制閥全開,閥兩端壓差為0.1MPa,介質(zhì)密度為1g/cm3時,流經(jīng)控制閥的介質(zhì)流量數(shù)(以m3/h表示)。 舉例舉例 有一個C值為40的控制閥,表示當此閥全開,閥前后壓差為0.1MPa時,每小時能通過的水量為40m3。 由式 (11-14)可知,當生產(chǎn)工

14、藝中需要的流量Q和壓差p決定后,就可確定閥門的流量系數(shù)C,再從流量系數(shù)C就可選擇閥門的尺寸。 現(xiàn)在,用控制閥流量系數(shù) KV代替流量系數(shù)C。 34第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器35 主要根據(jù)工藝條件，如溫度、壓力及介質(zhì)的物理、化學特性（如腐蝕性、黏度等）來選擇。 先按控制系統(tǒng)的特點來選擇閥的希望流量特性，然后再考慮工藝配管情況來選擇相應的理想流量特性。 第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器 主要從工藝生產(chǎn)上安全要求出發(fā)。主要從工藝生產(chǎn)上安全要求出發(fā)。信號壓力中斷時，應保證設備和操作人員的安全。如果閥處于打開位置時危害性小，則應選用氣關式，以使氣源系統(tǒng)發(fā)生故障，氣源中斷時，閥門能自動打開，保證安

15、全。反之閥處于關閉時危害性小，則應選用氣開閥。 壓力信號增加時，閥關小、壓力信號減小時閥開大的為氣關式氣關式。反之，為氣開式氣開式。36第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器序號序號執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)控制閥控制閥氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器（a a）（b b）（c c）（d d）正正正正反反反反正正反反正正反反氣關（反）氣關（反）氣開（正）氣開（正）氣開（正）氣開（正）氣關（反）氣關（反）37表11-1組合方式表圖11-11 組合方式圖第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器n 四、控制閥的安裝和維護四、控制閥的安裝和維護38（1 1）為便于維護檢修，氣動執(zhí)行器應安裝在靠近地面）為便于維護檢修，氣動執(zhí)行器應安裝在

16、靠近地面或樓板的地方。或樓板的地方。 （2 2）氣動執(zhí)行器應安裝在環(huán)境溫度不高于）氣動執(zhí)行器應安裝在環(huán)境溫度不高于+60+60和不和不低于低于-40-40的地方，并應遠離振動較大的設備。的地方，并應遠離振動較大的設備。 （3 3）閥的公稱通徑與管道公稱通徑不同時，兩者之間）閥的公稱通徑與管道公稱通徑不同時，兩者之間應加一段異徑管。應加一段異徑管。第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器（5 5）通過控制閥的流體方向在閥體上有箭頭標明，）通過控制閥的流體方向在閥體上有箭頭標明，不能裝反。不能裝反。 （4 4）氣動執(zhí)行器應該是正立垂直安裝于水平管道上。）氣動執(zhí)行器應該是正立垂直安裝于水平管道上。特殊情況

17、下需要水平或傾斜安裝時，除小口徑閥外，特殊情況下需要水平或傾斜安裝時，除小口徑閥外，一般應加支撐。即使正立垂直安裝，當閥的自重較大一般應加支撐。即使正立垂直安裝，當閥的自重較大和有振動場合時，也應加支撐。和有振動場合時，也應加支撐。 （6 6）控制閥前后一般要各裝一只切斷閥，以便修理）控制閥前后一般要各裝一只切斷閥，以便修理時拆下控制閥。考慮到控制閥發(fā)生故障或維修時，不時拆下控制閥?？紤]到控制閥發(fā)生故障或維修時，不影響工藝生產(chǎn)的繼續(xù)進行，一般應裝旁路閥。影響工藝生產(chǎn)的繼續(xù)進行，一般應裝旁路閥。 39第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器40（7 7）控制閥安裝前，應對管路進行清洗，排去污物和焊）控

18、制閥安裝前，應對管路進行清洗，排去污物和焊渣。安裝后還應再次對管路和閥門進行清洗，并檢查閥門渣。安裝后還應再次對管路和閥門進行清洗，并檢查閥門與管道連接處的密封性能。當初次通入介質(zhì)時，應使閥門與管道連接處的密封性能。當初次通入介質(zhì)時，應使閥門處于全開位置以免雜質(zhì)卡住。處于全開位置以免雜質(zhì)卡住。 圖11-12控制閥在管道中的安裝1調(diào)節(jié)閥；2切斷閥；3旁路閥（8 8）在日常使用中，要對控制閥經(jīng)常維護和定期檢修。）在日常使用中，要對控制閥經(jīng)常維護和定期檢修。 第二節(jié)第二節(jié) 閥門定位器與電閥門定位器與電-氣轉(zhuǎn)換器氣轉(zhuǎn)換器n 一、電一、電-氣閥門定位器氣閥門定位器 采用電-氣閥門定位器后，可用電動控制器

19、輸出的010 mA 或420 mA DC電流信號去操縱氣動執(zhí)行機構(gòu)；41第二節(jié)第二節(jié) 閥門定位器與電閥門定位器與電-氣轉(zhuǎn)換器氣轉(zhuǎn)換器圖11-14 電-氣閥門定位器 1永久磁鋼；2導磁體；3主杠桿(銜鐵)；4平衡彈簧；5反饋凸輪支點；6反饋凸輪；7副杠桿；8副杠桿支點；9薄膜執(zhí)行機構(gòu)；10反饋桿；11滾輪；12反饋彈簧；13調(diào)零彈簧；14擋板；15噴嘴；16主杠桿支點；17放大器42第二節(jié)第二節(jié) 閥門定位器與電閥門定位器與電-氣轉(zhuǎn)換器氣轉(zhuǎn)換器n 二、電二、電-氣轉(zhuǎn)換器氣轉(zhuǎn)換器 可將來自電動控制器的輸出信號經(jīng)轉(zhuǎn)換后用以驅(qū)動氣動執(zhí)行器,或者將來自各種電動變送器的輸出信號經(jīng)轉(zhuǎn)換后送往氣動控制器。圖11

20、-15 電-氣轉(zhuǎn)換器原理結(jié)構(gòu)圖1 1噴嘴擋板；噴嘴擋板；2 2調(diào)零彈簧；調(diào)零彈簧；3 3負反饋波紋管；負反饋波紋管；4 4十字十字彈簧；彈簧；5 5正反饋波紋管；正反饋波紋管；6 6杠桿；杠桿；7 7測量線圈；測量線圈；8 8磁鋼；磁鋼；9 9鐵芯；鐵芯；1010放大器放大器44第三節(jié)第三節(jié) 電動執(zhí)行器電動執(zhí)行器 電動執(zhí)行器是電動控制系統(tǒng)中的一個重要組成部分。電動執(zhí)行器是電動控制系統(tǒng)中的一個重要組成部分。它把來自控制儀表的它把來自控制儀表的010mA或或420mA的直流統(tǒng)一電的直流統(tǒng)一電信號信號, ,轉(zhuǎn)換成與輸入信號相對應的轉(zhuǎn)角或位移轉(zhuǎn)換成與輸入信號相對應的轉(zhuǎn)角或位移, ,以推動各以推動各種類型的控制閥種類型的控制閥, ,從而達到連續(xù)控制生產(chǎn)工藝過程中的流從而達到連續(xù)控制生產(chǎn)工藝過程中的流量量, ,或簡單地開啟和關閉閥門以控制流體的通斷或簡單地開啟和關閉閥門以控制流體的通斷, ,達到自達到自動控制生產(chǎn)過程的目的。動控制生產(chǎn)過程的目的。45第三節(jié)第三節(jié) 電動執(zhí)行器電動執(zhí)行器n 一、概述一、概述 由于工