厲玉鳴第四版化工儀表及自動化

1、化工儀表及自動化化工儀表及自動化第六章第六章 執(zhí)行器執(zhí)行器 內(nèi)容提要內(nèi)容提要n 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器n氣動執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)與分類氣動執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)與分類n控制閥的流量特性控制閥的流量特性n控制閥的選擇控制閥的選擇n氣動執(zhí)行器的安裝和維護(hù)氣動執(zhí)行器的安裝和維護(hù)n 電動執(zhí)行器電動執(zhí)行器n 電電- -氣轉(zhuǎn)換器及電氣轉(zhuǎn)換器及電- -氣閥門定位器氣閥門定位器n電電- -氣轉(zhuǎn)換器氣轉(zhuǎn)換器n電電- -氣閥門定位器氣閥門定位器1內(nèi)容提要內(nèi)容提要n 數(shù)字閥與智能控制閥數(shù)字閥與智能控制閥n數(shù)字閥數(shù)字閥n智能控制閥智能控制閥2概述概述3 接收控制器送來的控制信號，改變被控介質(zhì)的流量，從而將被控變量維持在所要求的數(shù)值上或一

2、定的范圍內(nèi)。 p 氣動執(zhí)行器p 電動執(zhí)行器p 液動執(zhí)行器第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器4 執(zhí)行器的推動裝置，它按控制信號壓力的大小產(chǎn)生相應(yīng)的推力，推動控制機(jī)構(gòu)動作，所以它是將信號壓力的大小轉(zhuǎn)換為閥桿位移的裝置。 執(zhí)行器的控制部分，它直接與被控介質(zhì)接觸，控制流體的流量。所以它是將閥桿的位移轉(zhuǎn)換為流過閥的流量的裝置。 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(jī)構(gòu)手輪機(jī)構(gòu)圖6-1 氣動執(zhí)行器示意圖5第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器n 一、氣動執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)與分類一、氣動執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)與分類6結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜、維修方便，應(yīng)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

3、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(jī)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(jī)構(gòu)。 結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器7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、泄漏量小，易保證關(guān)閉，甚至完全切斷。 在壓差大的時(shí)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。 圖6-2 直通單座閥第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器8 閥體內(nèi)有兩個閥芯和閥座。 流體流過的時(shí)候，不平衡力小。 容易泄漏可分為正作用式與反作用式兩種形式。 圖6-3 直通雙座閥第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行

4、器氣動執(zhí)行器 角形閥的兩個接管呈直角形，一般為底進(jìn)側(cè)出。 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。 圖6-4 角形閥9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 圖6-5 三通閥10第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器11 采用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(qiáng)，適用于強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、強(qiáng)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。圖6-6 隔膜閥注意執(zhí)行機(jī)構(gòu)須有足夠的推力注意執(zhí)行機(jī)構(gòu)須有足夠的推力 第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)

5、行器氣動執(zhí)行器結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、價(jià)格便宜、流阻極小。泄漏量大。 圖6-7 蝶閥12第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器13 球閥的閥芯與閥體都呈球形體，轉(zhuǎn)動閥芯使之與閥體處于不同的相對位置時(shí)，就具有不同的流通面積，以達(dá)到流量控制的目的。 “V”形和“O”形兩種開口形式。 圖6-8球閥圖6-9球閥閥芯的形狀第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器 閥芯呈扇形球面狀，與撓曲臂及軸套一起鑄成，固定在轉(zhuǎn)動軸上。 密封性好。重量輕、體積小、安裝方便，適用于高黏度或帶有懸浮物的介質(zhì)流量控制。圖6-10凸輪撓曲閥14第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器15 可調(diào)比大、振動小、不平衡力小、結(jié)構(gòu)簡單、套筒互換性好，更換不

6、同的套筒可得到不同的流量特性，閥內(nèi)部件所受的汽蝕小、噪聲小，是一種性能優(yōu)良的閥，特別適用于要求低噪聲及壓差較大的場合。 不適用高溫、高黏度及含有固體顆粒的流體。 圖6-11籠式閥第一節(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(guān)系，即流量與閥門的相對開度（相對位移）間的關(guān)系，即 LlfQQmax16第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器17圖6-12不同流量特性的閥芯形狀1快開；2直線；3拋物線；4等百分比 在不考慮控制閥前后壓差變化時(shí)得到的流量特性稱為理想流量特性。它取決于閥芯

7、的形狀 指控制閥的相對流量與相對開度成直線關(guān)系。KLldQQdmax（6-2）第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器CLlKQQmax18將（6-2）積分可得（6-3）：l=0時(shí)，Q=Qmin; l=L時(shí)Q=Qmax把邊界條件代入式（6-3），可分別得RCKRQQC111,1maxmin（6-4） Qmin不等于控制閥全關(guān)時(shí)的泄漏量，一般是不等于控制閥全關(guān)時(shí)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（6-4）代入式（6-3），可得LlRRQQ111max 19第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器%100%10010102020圖6-13理想流量特性1

8、快開；2直線；3拋物線；4等百分比曲線舉例舉例當(dāng)當(dāng)R=30,=30,l/L=0=0時(shí)，時(shí)，Q/Qmaxmax=0.33=0.33假設(shè)假設(shè)R=,位移變化量為位移變化量為10%10%在在1010時(shí)，流量變化的相對值為時(shí)，流量變化的相對值為在在5050時(shí)，流量變化的相對值為時(shí)，流量變化的相對值為 在在8080時(shí)，流量變化的相對值為時(shí)，流量變化的相對值為 %20100505060%5 .12%100808090在流量小時(shí)，流量變化的相對值大；在流量大時(shí)，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maxmaxQQKLldQQdCLlKQQmaxlnRKRRQQCln,ln1lnlnmaxmi

9、n21是指單位相對行程變化所引起的相對流量變化與此點(diǎn)的相對流量成正比關(guān)系。1maxLlRQQ（6-6）將（6-6）積分 將前述邊界條件代入 （6-7）第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器222max111LlRRQQ 這種流量特性在開度較小時(shí)就有較大流量，隨開度的增大，流量很快就達(dá)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23 在實(shí)際生產(chǎn)中，控制閥前后壓差總是變化的，這時(shí)的流量特性稱為圖6-14 串聯(lián)管道的情形圖6-15 管道串聯(lián)時(shí)控制閥壓差變化情況第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器圖6-16管道串聯(lián)時(shí)控制閥的工作特性24第

10、一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器25 控制閥一般都裝有旁路，以便手動操作和維護(hù)。當(dāng)生產(chǎn)量提高或控制閥選小了時(shí)，只好將旁路閥打開一些，此時(shí)控制閥的理想流量特性就改變成為工作特性。圖6-17 并聯(lián)管道的情況如圖如圖6-17所示，顯然這時(shí)管所示，顯然這時(shí)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。 第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器26 以x代表并聯(lián)管道時(shí)控制閥全開時(shí)的流量Q1max與總管最大流量Qmax之比，可以得到在壓差p為一定時(shí)，而x為不同數(shù)值時(shí)的工作流量特性曲線。 圖6-18并聯(lián)管道時(shí)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

11、器27u 當(dāng)x1，即旁路閥關(guān)閉、Q20時(shí)，控制閥的工作流量特性與它的理想流量特性相同。u 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。u 控制閥關(guān)死，即l/L0時(shí)，流量Qmin比控制閥本身的Q1min大得多。第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器 在實(shí)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(rèn)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。 28第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行

12、器29 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(yán)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(yán)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，即輸入信號變化引起的流量變化值減少。 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30 主要根據(jù)工藝條件，如溫度、壓力及介質(zhì)的物理、化學(xué)特性（如腐蝕性、黏度等）來選擇。 先按控制系統(tǒng)的特點(diǎn)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(yīng)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

13、安全要求出發(fā)。信號壓力中斷時(shí)，應(yīng)保證設(shè)備和操作人員的安全。如果閥處于打開位置時(shí)危害性小，則應(yīng)選用氣關(guān)式，以使氣源系統(tǒng)發(fā)生故障，氣源中斷時(shí)，閥門能自動打開，保證安全。反之閥處于關(guān)閉時(shí)危害性小，則應(yīng)選用氣開閥。 有壓力信號時(shí)閥關(guān)、無信號壓力時(shí)閥開的為氣關(guān)式氣關(guān)式。反之，為氣開式氣開式。31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(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)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(guān)（正）氣關(guān)（正）氣開（反）氣開（反）氣開（反）氣開（反）氣關(guān)（正）氣關(guān)（正）32表6-1組合方式表圖6-19 組合方式圖第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動

14、執(zhí)行器33 口徑選擇得過小，會使流經(jīng)控制閥的介質(zhì)達(dá)不到所需要的最大流量。 口徑選擇得過大，會浪費(fèi)設(shè)備投資，且使控制閥經(jīng)常處于小開度工作，控制性能變差，易使控制系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。 控制閥的口徑選擇是由控制閥流量系數(shù)控制閥的口徑選擇是由控制閥流量系數(shù)KV值決定的。值決定的。流量系數(shù)流量系數(shù)KV的定義為：當(dāng)閥兩端壓差為的定義為：當(dāng)閥兩端壓差為100100kPa，流體密度，流體密度為為1 1g/cm3，閥全開時(shí)，流經(jīng)控制閥的流體流量。，閥全開時(shí)，流經(jīng)控制閥的流體流量。 2110ppQKV對于不可壓縮的流體，且閥前后壓差p1p2不太大時(shí)，有 第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器n 四、氣動執(zhí)行器的安裝和維護(hù)

15、四、氣動執(zhí)行器的安裝和維護(hù)34（1 1）為便于維護(hù)檢修，氣動執(zhí)行器應(yīng)安裝在靠近地面）為便于維護(hù)檢修，氣動執(zhí)行器應(yīng)安裝在靠近地面或樓板的地方?；驑前宓牡胤?。 （2 2）氣動執(zhí)行器應(yīng)安裝在環(huán)境溫度不高于）氣動執(zhí)行器應(yīng)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(yīng)遠(yuǎn)離振動較大的設(shè)備。的地方，并應(yīng)遠(yuǎn)離振動較大的設(shè)備。 （3 3）閥的公稱通徑與管道公稱通徑不同時(shí)，兩者之間）閥的公稱通徑與管道公稱通徑不同時(shí)，兩者之間應(yīng)加一段異徑管。應(yīng)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(biāo)明，）通過控制閥的流體方向在閥體上有箭頭標(biāo)明，不能裝反

16、。不能裝反。 （4 4）氣動執(zhí)行器應(yīng)該是正立垂直安裝于水平管道上。）氣動執(zhí)行器應(yīng)該是正立垂直安裝于水平管道上。特殊情況下需要水平或傾斜安裝時(shí)，除小口徑閥外，特殊情況下需要水平或傾斜安裝時(shí)，除小口徑閥外，一般應(yīng)加支撐。即使正立垂直安裝，當(dāng)閥的自重較大一般應(yīng)加支撐。即使正立垂直安裝，當(dāng)閥的自重較大和有振動場合時(shí)，也應(yīng)加支撐。和有振動場合時(shí)，也應(yīng)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(shí)拆下控制閥?？紤]到控制閥發(fā)生故障或維修時(shí)，不時(shí)拆下控制閥?？紤]到控制閥發(fā)生故障或維修時(shí)，不影響工藝生產(chǎn)的繼續(xù)進(jìn)行，一般應(yīng)裝旁路閥。影響工藝生產(chǎn)的繼續(xù)進(jìn)行，

17、一般應(yīng)裝旁路閥。 35第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器36（7 7）控制閥安裝前，應(yīng)對管路進(jìn)行清洗，排去污物和焊）控制閥安裝前，應(yīng)對管路進(jìn)行清洗，排去污物和焊渣。安裝后還應(yīng)再次對管路和閥門進(jìn)行清洗，并檢查閥門渣。安裝后還應(yīng)再次對管路和閥門進(jìn)行清洗，并檢查閥門與管道連接處的密封性能。當(dāng)初次通入介質(zhì)時(shí)，應(yīng)使閥門與管道連接處的密封性能。當(dāng)初次通入介質(zhì)時(shí)，應(yīng)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6-20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(hù)和定期檢修。）在日常使用中，要對控制閥經(jīng)常維護(hù)和定期檢修。 第二節(jié)第二節(jié) 電動執(zhí)行器電

18、動執(zhí)行器37 電動執(zhí)行器接收來自控制器的電動執(zhí)行器接收來自控制器的0 01010mA或或4 42020mA的直流電流信號，并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或直行程位的直流電流信號，并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或直行程位移，去操縱閥門、擋板等控制機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)自動控制。移，去操縱閥門、擋板等控制機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)自動控制。 第二節(jié)第二節(jié) 電動執(zhí)行器電動執(zhí)行器 主要由伺服放大器、伺服電動機(jī)、減速器、位置發(fā)送器和操縱器組成。 圖6-21 角行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)的組成示意圖38第二節(jié)第二節(jié) 電動執(zhí)行器電動執(zhí)行器39 是能將執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出軸的位移轉(zhuǎn)是能將執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出軸的位移轉(zhuǎn)變?yōu)樽優(yōu)? 010mA DC（或（或4 420mA DC）

19、反饋信號的裝置，它的主要部分是差反饋信號的裝置，它的主要部分是差動變壓器。動變壓器。 圖6-22差動變壓器原理圖 電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)不僅可與控制器配合實(shí)現(xiàn)自動控制，電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)不僅可與控制器配合實(shí)現(xiàn)自動控制，還可通過操縱器實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的自動控制和手動控制還可通過操縱器實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的自動控制和手動控制的相互切換。當(dāng)操縱器的切換開關(guān)置于手動操作位置的相互切換。當(dāng)操縱器的切換開關(guān)置于手動操作位置時(shí)，由正、反操作按鈕直接控制電機(jī)的電源，以實(shí)現(xiàn)時(shí)，由正、反操作按鈕直接控制電機(jī)的電源，以實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出軸的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，進(jìn)行遙控手動操作。執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出軸的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，進(jìn)行遙控手動操作。 第三節(jié)第三節(jié) 電電-氣轉(zhuǎn)換器及電氣轉(zhuǎn)換器及電-氣閥門定位器氣閥門定位器 電-氣轉(zhuǎn)換器可以把電動變送器來的電信號變?yōu)闅庑盘?，送到氣動控制器或氣動顯示儀表；也可把電動控制器的輸出信號變?yōu)闅庑盘柸ヲ?qū)動氣動控制閥，此時(shí)常用電氣閥門定位器，它具有電-氣轉(zhuǎn)換器和氣動閥門定位器兩種作用。 40第三節(jié)第三節(jié) 電電-氣轉(zhuǎn)換器及電氣轉(zhuǎn)換器及電-氣閥門定位器氣閥門定位器n 一、電一、電-氣轉(zhuǎn)換器氣轉(zhuǎn)換器41圖6-23電-氣轉(zhuǎn)換器原理結(jié)構(gòu)圖1噴嘴擋板；2調(diào)零彈簧；3負(fù)反饋波紋管；4十字彈簧；5正反饋波紋管；6杠桿；7測量線圈；8磁鋼；9鐵芯；10放大器第三節(jié)第三節(jié) 電電-氣轉(zhuǎn)換器