測量儀表與自動化

1、共四十二頁10.1 概述10.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)10.3 調(diào)節(jié)(tioji)機(jī)構(gòu)10.4 執(zhí)行器的選擇 第十章 執(zhí)行器共四十二頁1.作用： 接受來自控制器的控制信號，改變操縱變量(binling)流量，使測量值保持在給定值或一定范圍內(nèi) 相當(dāng)于人工控制中執(zhí)行大腦命令的手的作用。10.1 概述(i sh)共四十二頁2.重要性 直接與介質(zhì)接觸，是薄弱環(huán)節(jié)，和調(diào)節(jié)質(zhì)量密切相關(guān)。工作在高溫、高壓、腐蝕、振動等惡劣環(huán)境(hunjng)中，需要有足夠的功率以影響生產(chǎn)過程。3.種類 根據(jù)控制參數(shù)不同,分為：調(diào)節(jié)閥Control Valve（最常見）: 通過改變阻力元件的阻力來改變流體流量風(fēng)門Damper：通過改變擋

2、板角度改變氣體流量步進(jìn)電機(jī)Step Motor：將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)變頻調(diào)速器Variable-frequence governor：控制動力源的轉(zhuǎn)速來改變流量10.1 概述(i sh)共四十二頁4.結(jié)構(gòu) 從結(jié)構(gòu)功能上分：執(zhí)行結(jié)構(gòu)（Valve Actuator）： 是執(zhí)行器的推動裝置，按控制器送來的操縱信號產(chǎn)生相應(yīng)的直線(zhxin)行程或轉(zhuǎn)角行程調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（Valve Body）： 是執(zhí)行器的調(diào)節(jié)部分，在執(zhí)行機(jī)構(gòu)推理作用下，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生一定的位移或轉(zhuǎn)角，改變管道阻力，實現(xiàn)對流量的控制10.1 概述(i sh)共四十二頁10.1 概述(i sh)10.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)10.2.1 分類10

3、.2.2 氣動薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)10.2.3 電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)10.3 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)10.4 執(zhí)行器的選擇 第十章 執(zhí)行器共四十二頁1. 按其能源形勢可分為：（1）氣動（pneumatic） 以壓縮空氣(0.14MPa)為能源。輸入信號范圍:0.020.1MPa特點：結(jié)構(gòu)簡單、動作可靠、平穩(wěn)、輸出推動力大、維修方便、防火防爆，價格便宜。得到廣泛應(yīng)用。利用電/氣轉(zhuǎn)換器(I/P Convertor)420mA 20100KPa（315PSI） 或閥門定位器(Valve positioner)與電動儀表配用（2）電動（electric motor）靠伺服機(jī)構(gòu)帶動，接受電信號，易于電動儀表配用，功率大，易燃易爆場合

4、(chng h)需防爆（3）液動（hydraulic）以液壓為能源、功率大、準(zhǔn)確到位；結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)要求高，只能在某些特殊場合。如：煉廠催化裂化裝置中催化劑的流量控制（待生滑閥、再生滑閥）（4）自力式（self-operated）利用被調(diào)介質(zhì)能量來動作的。10.2.1 分類(fn li)共四十二頁2.按結(jié)構(gòu)分：薄膜式(flexible diaphragm)常用，可與各種形式的直行程閥配用。結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、動作可靠、維修方便。輸出作用力小活塞式(piston)氣缸活塞機(jī)構(gòu)，輸出力大、行程長（400mm）。兩位式，主要用作大口徑、高靜壓、高壓差的直行程閥和蝶閥的推動裝置，是一種強(qiáng)力的氣動(q

5、dn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。長行程式行程長、轉(zhuǎn)矩大，多與大轉(zhuǎn)矩的蝶閥、閘閥、風(fēng)門等角行程閥配用。10.2.1 分類(fn li)共四十二頁10.2.2 氣動(q dn)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu) 1.結(jié)構(gòu)上膜蓋、波紋(bwn)膜片、下膜蓋、支架、推桿、壓縮彈簧、彈簧支座、調(diào)節(jié)件、螺母、行程標(biāo)尺波紋膜片關(guān)鍵部件波紋狀以保持有效面積基本保持不變，提高執(zhí)行機(jī)構(gòu)的線性度膜片有效面積有200，280，400，630，1000和1600cm2有效面積越大，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的推動力越大共四十二頁10.2.2 氣動(q dn)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu) 1.結(jié)構(gòu)壓縮彈簧 剛度全行程范圍內(nèi)保持(boch)不變，以提高執(zhí)行結(jié)構(gòu)的線性度調(diào)節(jié)件 調(diào)整彈簧支座的位置

6、，從而調(diào)整壓縮彈簧的預(yù)緊量，改變信號的起始值行程標(biāo)尺 指示執(zhí)行機(jī)構(gòu)的推桿位移 行程規(guī)格：10，16，25，40，60和100mm六種壓縮彈簧彈簧支座推桿共四十二頁2.作用：控制信號（20100KPa）作用在由上膜蓋與波紋膜片組成的氣室中，在波紋膜片中上產(chǎn)生向下的推力，克服壓縮彈簧的彈力使其產(chǎn)生向下的行程。推桿行程傳遞給調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。3.工作原理：膜片受力分析(fnx)：F信 信號壓力在膜片上產(chǎn)生的推力 ： Po薄膜氣室內(nèi)的信號壓力 Ad薄膜的有效面積 F0 無信號時彈簧的預(yù)緊力F彈 彈簧受壓后在膜片上產(chǎn)生的反作用力 推桿位移；Cs彈簧剛度PF信F0F彈10.2.2 氣動(q dn)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu) 共

7、四十二頁P(yáng)F信F0F彈3.工作(gngzu)原理：膜片受力分析：根據(jù)力平衡關(guān)系： 可得：結(jié)論：無負(fù)載時，線性；有負(fù)載時無法達(dá)到預(yù)定行程10.2.2 氣動(q dn)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu) 共四十二頁4.正反作用(zuyng)：正作用（Direct-Acting）信號由薄膜氣室上方(shn fn)通入信號：20100KPa推桿：0全行程反作用（Reverse-Acting）信號由薄膜氣室下方通入信號：20100KPa推桿：全行程010.2.2 氣動薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu) POPO共四十二頁10.2.3 電動(din dn)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 接收420mA操縱信號(xnho)，通過控制電動機(jī)的正、反轉(zhuǎn)產(chǎn)生推桿的直行程或角行程

8、直行程電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)角行程電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)共四十二頁10.1 概述10.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)10.3 調(diào)節(jié)(tioji)機(jī)構(gòu)10.3.1 結(jié)構(gòu)10.3.2 種類10.3.3 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的性能指標(biāo)10.3.4 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的工作性能指標(biāo)10.4 執(zhí)行器的選擇 第十章 執(zhí)行器共四十二頁1610.3.1 結(jié)構(gòu)(jigu)主要部件(bjin)：閥桿、壓板、填料、上閥蓋、閥體、閥芯、閥座、下閥蓋上閥蓋(Bonnet) 導(dǎo)向、密封填料(Packing)防止流體沿閥桿向上泄露針對不同流體分為：普通型散熱型（高溫）長頸型（深冷）波紋管密封型（有毒氣體） 共四十二頁10.3.2 種類按閥芯動作(dngzu)不同分為：直行程和角行程

9、直行程（Sliding-stem）：閥桿帶動閥芯沿直線運(yùn)動 直通單座閥、直通雙座閥、角型閥、套筒閥、隔膜閥、三通閥等角行程兩大類：閥芯按轉(zhuǎn)角運(yùn)動 蝶閥、球閥、偏心旋轉(zhuǎn)閥等閘閥(Gate valve)隔膜閥閥（Diaphram valve)蝶閥（Butterfly Valve）球閥（Ball Valve）共四十二頁1.直通單座閥(Single ported globe valve)直通：出入口在同一條直線上（相對角型和三通調(diào)節(jié)閥）結(jié)構(gòu)：閥體內(nèi)只有一組閥芯和閥座，流通能力小特點(tdin)：易關(guān)閉，泄漏量（閥芯壓緊閥座后仍能流過的流量）很小，不平衡力大（流體對閥芯產(chǎn)生的軸向力，即對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的反作用

10、）。適用：低壓差，小口徑場合單座閥 10.3.2 種類18全關(guān)（full closed） 半開（half open） 全開(qunki)（half open）共四十二頁1.直行(zh xn)程式（1）直通單座閥閥芯安裝閥芯正裝：閥芯向下移動時，閥芯與閥座間的流通面積減少；閥芯反裝：閥芯向下移動時，閥芯與閥座間的流通面積增大。10.3.2 種類(zhngli)注：管道口徑小于25mm時閥芯只能正裝不能反裝共四十二頁2.直通雙座閥Double-ported globe valve結(jié)構(gòu)：體內(nèi)只有兩套閥芯和閥座，流通能力比同口徑的單座閥大特點(tdin)： 不平衡力小流體從兩個環(huán)形間隙流過，對上、下兩

11、個閥芯所產(chǎn)生的軸向力可以部分抵消 泄漏量較大兩個閥芯不易同時關(guān)閉適用：壓差大，對泄露量要求不嚴(yán)格的場合。10.3.2 種類不適用于高溫、低溫場合（因材料(cilio)熱膨脹不同引起較嚴(yán)重的泄露）共四十二頁3.角形調(diào)節(jié)閥angle valve 結(jié)構(gòu)：除閥體為直角形外，其它和直通單座相似 特點(tdin)：流道簡單，不易堵塞，流通能力同直通雙座閥，閥芯只能正裝適用：高粘度、高壓、含顆粒的場合，或要求直角配角的地方10.3.2 種類注：一般使用于底進(jìn)側(cè)出，此時穩(wěn)定性較好；在高壓(goy)差場合，可采用側(cè)進(jìn)底出，減輕流體對閥芯的損傷共四十二頁4. 三通閥（three-way globe valve）

12、結(jié)構(gòu)： 由三個出入口與管道相連，可分為(fn wi)合流和分流兩種適用： 換熱器溫度控制、簡單的配比調(diào)節(jié)10.3.2 種類合流(hli)(mixing)分流(diverting)注：合流閥冷熱流溫差不宜超過150C共四十二頁235. 蝶閥(翻板閥 butterfly valve)特點：流通能力大（為同口徑雙座閥的1.52倍）；阻力損失??；具有自潔能力；泄漏量大 適用(shyng)：廣泛適用于含有懸浮顆粒、渾濁流體； 尤其大口徑、大流量、低壓差的場合，用于調(diào)節(jié)液體、氣體和蒸汽的流量10.3.2 分類(fn li) 共四十二頁 調(diào)節(jié)閥流通(litng)面積可變的節(jié)流元件對不可壓縮流體 A調(diào)節(jié)閥接管

13、面積； P調(diào)節(jié)閥前后差壓； 調(diào)節(jié)閥阻力(zl)系數(shù)； 流體密度。1.流量系數(shù)C調(diào)節(jié)閥容量的大小定義：在給定開度下，閥前、后的差壓為100kPa， 流體密度為1000kg/m3時，每小時通過閥門的流體體積m3 ，稱為調(diào)節(jié)閥在該開度下的流量系數(shù)。額定流量系數(shù)開度100%（全開）下的流量系數(shù)，反應(yīng)了閥的流通能力。10.3.4 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的性能指標(biāo)共四十二頁2.可調(diào)比 R 反映調(diào)節(jié)閥的可調(diào)節(jié)能力定義：調(diào)節(jié)閥所能控制的最大流量Qmax與最小流量Qmin之比注：Qmin是調(diào)節(jié)閥所能穩(wěn)定有效控制的最小流量，與完全關(guān)閉(gunb)的泄漏量不同，一般為Qmax的24泄漏量是指在一定的上、下游壓差且執(zhí)行機(jī)構(gòu)使閥完全

14、關(guān)閉(輸入信號為105Kpa)。僅為Qmax的0.10.01分為理想可調(diào)比和實際可調(diào)比（1）理想可調(diào)比閥前后壓差不變時的可調(diào)比一般國內(nèi)調(diào)節(jié)閥R=30，國外R=305010.3.4 調(diào)節(jié)(tioji)機(jī)構(gòu)的性能指標(biāo)共四十二頁26（0S1）管道和閥的阻力(zl)配置情況（2）實際可調(diào)比 Rr實際串并聯(lián)管道閥前后(qinhu)壓差變化串聯(lián)管道一般取S=0.30.7進(jìn)行配管設(shè)計10.3.4 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的性能指標(biāo)RrS301Rr與S的關(guān)系曲線共四十二頁27（0X1） 旁通(pn tn)閥對流量的影響 （2）實際可調(diào)比 Rr實際串并聯(lián)管道閥前后(qinhu)壓差變化并聯(lián)管道旁路流量XRr 10.3.4 調(diào)節(jié)

15、機(jī)構(gòu)的性能指標(biāo)RrQ2并聯(lián)管道實際可調(diào)比曲線注：實際使用時應(yīng)盡量避免打開旁通閥共四十二頁28例:已知 Qmax=100m3/h，R=30。 流體密度為1g/cm3閥全關(guān)到全開時，由于串聯(lián)管道的影響，若不考慮閥的泄漏量的影響，閥兩端的壓差從100kPa降到60KPa。 計算(j sun)S。并分析串聯(lián)對可調(diào)比的影響解: S=60/100=0.6 Qmin=Qmax/R=100/30=3.33m3/h R=Qmax/Qmin=23.2610.3.3 調(diào)節(jié)(tioji)機(jī)構(gòu)的性能指標(biāo)（2）實際可調(diào)比 Rr共四十二頁主要有四種(s zhn)：1.快開2.直線3.拋物線4.等百分比（對數(shù)）10.3.3

16、調(diào)節(jié)(tioji)機(jī)構(gòu)的性能指標(biāo)3.流量特性(1)定義：表示調(diào)節(jié)閥相對行行程與流過的相對流量之間的關(guān)系 Q/Q100相對流量l/L相對開度固有特性，由閥芯的形狀決定共四十二頁(2)理想流量特性(txng)：閥前后流量不變時的流量特性。直線: 等比分比：特點：小開度過于靈敏， 特點：任何開度下相對靈敏度相同 大開度過于遲鈍有利于系統(tǒng)穩(wěn)定，使用最廣拋物線： 快開：特點：介于直線與等百分比之間（如三通閥） 特點：適用于迅速啟閉(q b)的主要為彌補(bǔ)直線特性在小開度時性能差設(shè)計 位式或程序控制10.3.3 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的性能指標(biāo)共四十二頁31例:已知Qmax=100m3/h，R=30。 試計算在理想(lx

17、ing)情況下 l/L=0.1, 0.2, 0.8, 0.9 時的流量Q，并比較直線和等百分比流量特性的控制閥在小開度與大開度時流量變化的情況.解: 1.直線Q0.1=13m3/h Q0.2=22.67m3/h Q0.8=80.57m3/h Q0.9=90.33m3/h 0.10.2 Q相對變化量74.4%；0.80.9 12%（小開度時：控制強(qiáng)，振蕩(zhndng)大開度，控制弱，不及時） 2.等百分比Q0.1=4.68m3/h Q0.2=6.58m3/h Q0.8=50.65mQ0.9=71.17m3/h 0.10.2 Q相對變化量40%；0.80.9 40% （小開度時：變化小, 平緩大

18、開度，變化大，靈敏使用最廣!）10.3.3 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的性能指標(biāo)（2）理想流量特性:共四十二頁（3）工作(gngzu)流量特性串聯(lián)管道調(diào)節(jié)閥開度閥前、后壓差流量特性發(fā)生畸變當(dāng)S1時，S愈小畸變(jbin)愈嚴(yán)重。與旁路閥并聯(lián)和X值有關(guān)S=0.1S=0.5S=1直線S=0.1S=0.5S=1等百分比10.3.4 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的性能指標(biāo)共四十二頁33結(jié)論(jiln)：（1）串、并聯(lián)管道均會使理想流量特性發(fā)生畸變； 畸變程度取決于S和X值。 （2）串、并聯(lián)管道均會使調(diào)節(jié)閥可調(diào)比下降。為保證控制質(zhì)量，盡可能不使用旁路閥或串聯(lián)截止閥調(diào)節(jié)流量 10.3.3 調(diào)節(jié)(tioji)機(jī)構(gòu)的性能指標(biāo)共四十二頁10.1 概

19、述10.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)10.3 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)10.4 執(zhí)行器的選擇10.4.1 執(zhí)行器氣開、氣關(guān)特性(txng)的選擇10.4.2 執(zhí)行結(jié)構(gòu)的選擇10.4.3 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的選擇 第十章 執(zhí)行器共四十二頁執(zhí)行機(jī)構(gòu) 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(jgu) 教材P213正作用 正裝 氣（風(fēng)）關(guān)正作用 反裝 氣（風(fēng)）開反作用 反裝 氣（風(fēng)）關(guān)反作用 正裝 氣（風(fēng)）開1. 什么是氣動(q dn)執(zhí)行器的氣開氣關(guān)選擇？氣開：Air to Open (Failure to Close)氣關(guān)：Air to Close (Failure to Open)10.4.1 執(zhí)行器氣開、氣關(guān)的選擇注：電動執(zhí)行器內(nèi)部具有掉電自鎖功能，故斷電時能保持

20、原開度不變。一般不涉及電開/電關(guān)問題共四十二頁3610.4.1 執(zhí)行器氣開、氣關(guān)的選擇(xunz)2.選擇(xunz)原則： 保證氣壓中斷（回零）后閥門自動歸位到工藝安全位置氣開（風(fēng)開）：有氣則開，無氣則關(guān)，信號，開度氣關(guān)（風(fēng)關(guān)）：有氣則關(guān)，無氣則開，信號，開度氣開閥（信號中斷下自動切斷燃料）若防止液位過低,氣開閥共四十二頁10.2.2 氣動(q dn)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu) 共四十二頁3810.4.2 執(zhí)行(zhxng)結(jié)構(gòu)的選擇考慮因素：能源、工藝要求、安全、調(diào)節(jié)精度、經(jīng)濟(jì)效益及現(xiàn)場(xinchng)情況等一般來說：氣動便宜，安全防爆；電動能源方便，價格貴如無氣源，使用電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)或自力式閥門調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)為直行程的，應(yīng)選用直行程執(zhí)行機(jī)構(gòu) 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)為角行程的，應(yīng)選用角行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)若調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的不平衡力較小，行程較短，選用薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu) 若調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的不平衡力較大，管徑粗，行程較長，選用活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)共四十二頁1.結(jié)構(gòu)形式和材質(zhì)的選擇工藝條件：溫度、壓差、流量、泄漏量物性：粘度、密度、結(jié)晶、結(jié)焦切斷、高溫、高壓、大壓差、耐腐蝕、防堵塞、超小流量2.泄漏量 泄漏量：在全關(guān)位置且施