化工儀表及自動(dòng)化第6章

1、化工儀表及自動(dòng)化第六章 執(zhí)行器 內(nèi)容提要要?dú)鈩?dòng)執(zhí)行行器氣動(dòng)執(zhí)行行器的結(jié)結(jié)構(gòu)與分分類控制閥的的流量特特性控制閥的的選擇氣動(dòng)執(zhí)行行器的安安裝和維維護(hù)電動(dòng)執(zhí)行行器電-氣轉(zhuǎn)換器器及電-氣閥門定定位器電-氣轉(zhuǎn)換器器電-氣閥門定定位器1內(nèi)容提要要數(shù)字閥與與智能控控制閥數(shù)字閥智能控制制閥2概述3作用接收控制制器送來(lái)來(lái)的控制制信號(hào)，改變被被控介質(zhì)質(zhì)的流量量，從而而將被控控變量維維持在所所要求的的數(shù)值上上或一定定的范圍圍內(nèi)。按能源形形式分類類氣動(dòng)執(zhí)行行器電動(dòng)執(zhí)行行器液動(dòng)執(zhí)行行器執(zhí)行器第一節(jié)氣氣動(dòng)執(zhí)執(zhí)行器4結(jié)構(gòu)執(zhí)行結(jié)構(gòu) 執(zhí)行器的推動(dòng)裝置，它按控制信號(hào)壓力的大小產(chǎn)生相應(yīng)的推力，推動(dòng)控制機(jī)構(gòu)動(dòng)作，所以它是將信號(hào)壓力的

2、大小轉(zhuǎn)換為閥桿位移的裝置。 控制機(jī)構(gòu) 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(guò)閥的流量的裝置。 第一節(jié)氣氣動(dòng)執(zhí)執(zhí)行器常用輔助助設(shè)備閥門定位器手輪機(jī)構(gòu)圖6-1 氣動(dòng)動(dòng)執(zhí)行器器示意圖圖5第一節(jié)氣氣動(dòng)執(zhí)執(zhí)行器一、氣動(dòng)動(dòng)執(zhí)行器器的結(jié)構(gòu)構(gòu)與分類類61.執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)薄膜式活塞式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單單、價(jià)格格便宜、維修方方便，應(yīng)應(yīng)用廣泛泛。推力較大大，用于于大口徑徑、高壓壓降控制制閥或蝶蝶閥的推推動(dòng)裝置置。長(zhǎng)行程行程長(zhǎng)、轉(zhuǎn)矩大大，適于于輸出轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角（6090）和力矩。氣動(dòng)薄膜膜式執(zhí)行行機(jī)構(gòu)有有正作用用和反作作用兩種種形式。根據(jù)有無(wú)無(wú)彈簧可可分為有有彈簧的的及無(wú)彈彈簧的執(zhí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

3、構(gòu)。結(jié)構(gòu)第一節(jié)氣氣動(dòng)執(zhí)執(zhí)行器72.控制機(jī)構(gòu)構(gòu)根據(jù)不同同的使用用要求，控制閥閥的結(jié)構(gòu)構(gòu)形式主主要有以以下幾種種。（1）直直通單座座控制閥閥閥體內(nèi)只只有一個(gè)個(gè)閥芯與與閥座。特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單單、泄漏漏量小，易保證證關(guān)閉，甚至完完全切斷斷。缺點(diǎn)在壓差大大的時(shí)候候，流體體對(duì)閥芯芯上下作作用的推推力不平平衡，這這種不平平衡力會(huì)會(huì)影響閥閥芯的移移動(dòng)。圖6-2直通單座座閥第一節(jié)氣氣動(dòng)執(zhí)執(zhí)行器8（2）直直通雙座座控制閥閥閥體內(nèi)有有兩個(gè)閥閥芯和閥閥座。特點(diǎn)流體流過(guò)過(guò)的時(shí)候候，不平平衡力小小。缺點(diǎn)容易泄漏漏可分為正正作用式式與反作作用式兩兩種形式式。根據(jù)閥芯芯與閥座座的相對(duì)對(duì)位置圖6-3 直通通雙座閥閥第一節(jié)氣氣動(dòng)執(zhí)執(zhí)

4、行器（3）角角形控制制閥角形閥的的兩個(gè)接接管呈直直角形，一般為為底進(jìn)側(cè)側(cè)出。特點(diǎn)流路簡(jiǎn)單單、阻力力較小，適于現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)管道道要求直直角連接接，介質(zhì)質(zhì)為高黏黏度、高高壓差和和含有少少量懸浮浮物和固固體顆粒粒狀的場(chǎng)場(chǎng)合。圖6-4 角形形閥9第一節(jié)氣氣動(dòng)執(zhí)執(zhí)行器（4）三通控控制閥共有三個(gè)個(gè)出入口口與工藝藝管道連連接。按照流通通方式分分合流型和和分流型型兩種圖6-5 三通通閥10第一節(jié)氣氣動(dòng)執(zhí)執(zhí)行器11（5）隔膜控控制閥采用耐腐腐蝕襯里里的閥體體和隔膜膜。特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單單、流阻阻小、流流通能力力比同口口徑的其其他種類類的閥要要大。不不易泄漏漏。耐腐腐蝕性強(qiáng)強(qiáng)，適用用于強(qiáng)酸酸、強(qiáng)堿堿、強(qiáng)腐腐蝕性介介質(zhì)的控控制

5、，也也能用于于高黏度度及懸浮浮顆粒狀狀介質(zhì)的的控制。圖6-6 隔膜膜閥注意執(zhí)行機(jī)構(gòu)須有足夠的推力 第一節(jié)氣氣動(dòng)執(zhí)執(zhí)行器（6）蝶閥特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單單、重量量輕、價(jià)價(jià)格便宜宜、流阻阻極小。缺點(diǎn)泄漏量大大。圖6-7蝶閥12第一節(jié)氣氣動(dòng)執(zhí)執(zhí)行器13（7）球球閥球閥的閥閥芯與閥閥體都呈呈球形體體，轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)閥芯使使之與閥閥體處于于不同的的相對(duì)位位置時(shí)，就具有有不同的的流通面面積，以以達(dá)到流流量控制制的目的的。“V”形和“O”形兩種開(kāi)開(kāi)口形式式。球閥閥芯芯分類圖6-8球閥圖6-9球閥閥閥芯的的形狀第一節(jié)氣氣動(dòng)執(zhí)執(zhí)行器（8）凸凸輪撓曲曲閥閥芯呈扇扇形球面面狀，與與撓曲臂臂及軸套套一起鑄鑄成，固固定在轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)軸上上。特

6、點(diǎn)密封性好好。重量量輕、體體積小、安裝方方便，適適用于高高黏度或或帶有懸懸浮物的的介質(zhì)流流量控制制。圖6-10凸凸輪撓曲曲閥14第一節(jié)氣氣動(dòng)執(zhí)執(zhí)行器15（9）籠籠式閥特點(diǎn)可調(diào)比大大、振動(dòng)動(dòng)小、不不平衡力力小、結(jié)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單單、套筒筒互換性性好，更更換不同同的套筒筒可得到到不同的的流量特特性，閥閥內(nèi)部件件所受的的汽蝕小小、噪聲聲小，是是一種性性能優(yōu)良良的閥，特別適適用于要要求低噪噪聲及壓壓差較大大的場(chǎng)合合。缺點(diǎn)不適用高高溫、高高黏度及及含有固固體顆粒粒的流體體。圖6-11籠式閥第一節(jié)氣氣動(dòng)執(zhí)執(zhí)行器二、控制制閥的流流量特性性控制閥的的流量特特性是指被控控介質(zhì)流流過(guò)閥門門的相對(duì)對(duì)流量與與閥門的的相對(duì)開(kāi)開(kāi)

7、度（相相對(duì)位移移）間的的關(guān)系，即16第一節(jié)氣氣動(dòng)執(zhí)執(zhí)行器171.控制閥的的理想流流量特性性圖6-12不不同流量量特性的的閥芯形形狀1快開(kāi)開(kāi)；2直線；3拋拋物線；4等等百分比比在不考慮慮控制閥閥前后壓壓差變化化時(shí)得到到的流量量特性稱稱為理想想流量特特性。它它取決于于閥芯的的形狀（1）直線流流量特性性指控制閥閥的相對(duì)對(duì)流量與與相對(duì)開(kāi)開(kāi)度成直直線關(guān)系系。（6-2）第一節(jié)氣氣動(dòng)執(zhí)執(zhí)行器18將（6-2）積分可可得（6-3）邊界條件件：l=0時(shí)，Q=Qmin;l=L時(shí)Q=Qmax把邊界條條件代入入式（6-3），可分分別得（6-4）R為控制閥閥的可調(diào)調(diào)范圍或或可調(diào)比比。Qmin不等于控控制閥全全關(guān)時(shí)的的泄漏

8、量量，一般般是Qmax的24。注意！第一節(jié)氣氣動(dòng)執(zhí)執(zhí)行器將式（6-4）代入式式（6-3），可得得（6-5）注意：當(dāng)當(dāng)可調(diào)比比不同時(shí)時(shí)，特性性曲線在在縱坐標(biāo)標(biāo)上的起起點(diǎn)是不不同的。19第一節(jié)氣氣動(dòng)執(zhí)執(zhí)行器20圖6-13理理想流量量特性1快開(kāi)開(kāi)；2直線；3拋拋物線；4等等百分比比曲線舉例當(dāng)R=30,l/L=0時(shí)，Q/Qmax=0.33假設(shè)R=,位移變化化量為10%在10時(shí)，流流量變化化的相對(duì)對(duì)值為在50時(shí)，流流量變化化的相對(duì)對(duì)值為在80時(shí)，流流量變化化的相對(duì)對(duì)值為在流量小小時(shí)，流流量變化化的相對(duì)對(duì)值大；在流量量大時(shí)，流量變變化的相相對(duì)值小小。第一節(jié)氣氣動(dòng)執(zhí)執(zhí)行器21（2）等百分分比（對(duì)對(duì)數(shù)）流流量

9、特性性等百分比比流量特特性是指單位位相對(duì)行行程變化化所引起起的相對(duì)對(duì)流量變變化與此此點(diǎn)的相相對(duì)流量量成正比比關(guān)系。（6-6）將（6-6）積分將前述邊邊界條件件代入（6-7）第一節(jié)氣氣動(dòng)執(zhí)執(zhí)行器22（3）拋物線線流量特特性（4）快快開(kāi)特性性這種流量量特性在在開(kāi)度較較小時(shí)就就有較大大流量，隨開(kāi)度度的增大大，流量量很快就就達(dá)到最最大?？扉_(kāi)特性性的閥芯芯形式是是平板形形的，適適用于迅迅速啟閉閉的切斷斷閥或雙雙位控制制系統(tǒng)。第一節(jié)氣氣動(dòng)執(zhí)執(zhí)行器23.控制閥的的工作流流量特性性在實(shí)際生生產(chǎn)中，控制閥閥前后壓壓差總是是變化的的，這時(shí)時(shí)的流量量特性稱稱為工作流量量特性。（1）串聯(lián)管管道的工工作流量量特性圖6-

10、14串串聯(lián)管道道的情形形圖6-15管管道串聯(lián)聯(lián)時(shí)控制制閥壓差差變化情情況第一節(jié)氣氣動(dòng)執(zhí)執(zhí)行器圖6-16管管道串聯(lián)聯(lián)時(shí)控制制閥的工工作特性性24第一節(jié)氣氣動(dòng)執(zhí)執(zhí)行器25（2）并并聯(lián)管道道的工作作流量特特性控制閥一一般都裝裝有旁路路，以便便手動(dòng)操操作和維維護(hù)。當(dāng)當(dāng)生產(chǎn)量量提高或或控制閥閥選小了了時(shí)，只只好將旁旁路閥打打開(kāi)一些些，此時(shí)時(shí)控制閥閥的理想想流量特特性就改改變成為為工作特特性。圖6-17并并聯(lián)管道道的情況況如圖6-17所所示，顯顯然這時(shí)時(shí)管路的的總流量量Q是控制閥閥流量Q1與旁路流流量Q2之和，即即QQ1Q2。第一節(jié)氣氣動(dòng)執(zhí)執(zhí)行器26以x代表并聯(lián)聯(lián)管道時(shí)時(shí)控制閥閥全開(kāi)時(shí)時(shí)的流量量Q1max

11、與總管最最大流量量Qmax之比，可可以得到到在壓差差p為一定時(shí)時(shí)，而x為不同數(shù)數(shù)值時(shí)的的工作流流量特性性曲線。圖6-18并聯(lián)管道道時(shí)控制制閥的工工作特性性第一節(jié)氣氣動(dòng)執(zhí)執(zhí)行器27由上圖可可見(jiàn)當(dāng)x1，即旁路路閥關(guān)閉閉、Q20時(shí)，控制制閥的工工作流量量特性與與它的理理想流量量特性相相同。隨著x值的減小小，即旁旁路閥逐逐漸打開(kāi)開(kāi)，雖然然閥本身身的流量量特性變變化不大大，但可可調(diào)范圍圍大大降降低了?？刂崎y關(guān)關(guān)死，即即l/L0時(shí)，流量量Qmin比控制閥閥本身的的Q1min大得多。第一節(jié)氣氣動(dòng)執(zhí)執(zhí)行器在實(shí)際使使用中總總存在著著串聯(lián)管管道阻力力的影響響，控制制閥上的的壓差還還會(huì)隨流流量的增增加而降降低，使使

12、可調(diào)范范圍下降降得更多多些，控控制閥在在工作過(guò)過(guò)程中所所能控制制的流量量變化范范圍更小小，甚至至幾乎不不起控制制作用。采用打開(kāi)開(kāi)旁路閥閥的控制制方案是是不好的的，一般般認(rèn)為旁旁路流量量最多只只能是總總流量的的百分之之十幾，即x值最小不不低于0.8。28第一節(jié)氣氣動(dòng)執(zhí)執(zhí)行器29 串、并聯(lián)管管道都會(huì)會(huì)使閥的的理想流流量特性性發(fā)生畸畸變，串串聯(lián)管道道的影響響尤為嚴(yán)嚴(yán)重。 串、并聯(lián)管管道都會(huì)會(huì)使控制制閥的可可調(diào)范圍圍降低，并聯(lián)管管道尤為為嚴(yán)重。 串聯(lián)聯(lián)管道使使系統(tǒng)總總流量減減少，并并聯(lián)管道道使系統(tǒng)統(tǒng)總流量量增加。 串、并聯(lián)管管道會(huì)使使控制閥閥的放大大系數(shù)減減小，即即輸入信信號(hào)變化化引起的的流量變變化值

13、減減少。結(jié)論第一節(jié)氣氣動(dòng)執(zhí)執(zhí)行器三、控制制閥的選選擇301.控制閥結(jié)結(jié)構(gòu)與特特性的選選擇主要根據(jù)據(jù)工藝條條件，如如溫度、壓力及及介質(zhì)的的物理、化學(xué)特特性（如如腐蝕性性、黏度度等）來(lái)來(lái)選擇。結(jié)構(gòu)形式式選擇特性選擇擇先按控制制系統(tǒng)的的特點(diǎn)來(lái)來(lái)選擇閥閥的希望望流量特特性，然然后再考考慮工藝藝配管情情況來(lái)選選擇相應(yīng)應(yīng)的理想想流量特特性。目前使用用比較多多的是等等百分比比流量特特性。第一節(jié)氣氣動(dòng)執(zhí)執(zhí)行器主要從工工藝生產(chǎn)產(chǎn)上安全全要求出出發(fā)。信號(hào)壓力力中斷時(shí)時(shí)，應(yīng)保保證設(shè)備備和操作作人員的的安全。如果閥閥處于打打開(kāi)位置置時(shí)危害害性小，則應(yīng)選選用氣關(guān)關(guān)式，以以使氣源源系統(tǒng)發(fā)發(fā)生故障障，氣源源中斷時(shí)時(shí)，閥門門

14、能自動(dòng)動(dòng)打開(kāi)，保證安安全。反反之閥處處于關(guān)閉閉時(shí)危害害性小，則應(yīng)選選用氣開(kāi)開(kāi)閥。選擇要求求有壓力信信號(hào)時(shí)閥閥關(guān)、無(wú)無(wú)信號(hào)壓壓力時(shí)閥閥開(kāi)的為為氣關(guān)式。反之，為氣開(kāi)式。2.氣開(kāi)式與與氣關(guān)式式的選擇擇31第一節(jié)氣氣動(dòng)執(zhí)執(zhí)行器序號(hào)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制閥氣動(dòng)執(zhí)行器（a）（b）（c）（d）正正反反正反正反氣關(guān)（正）氣開(kāi)（反）氣開(kāi)（反）氣關(guān)（正）32表6-1組合方式式表圖6-19組組合方式式圖第一節(jié)氣氣動(dòng)執(zhí)執(zhí)行器333.控制閥口口徑的選選擇口徑選擇擇得過(guò)小小，會(huì)使使流經(jīng)控控制閥的的介質(zhì)達(dá)達(dá)不到所所需要的的最大流流量?？趶竭x擇擇得過(guò)大大，會(huì)浪浪費(fèi)設(shè)備備投資，且使控控制閥經(jīng)經(jīng)常處于于小開(kāi)度度工作，控制性性能變差差，易使

15、使控制系系統(tǒng)變得得不穩(wěn)定定?？刂崎y的的口徑選選擇是由由控制閥閥流量系系數(shù)KV值決定的的。流量量系數(shù)KV的定義為為：當(dāng)閥閥兩端壓壓差為100kPa，流體密密度為1g/cm3，閥全開(kāi)開(kāi)時(shí)，流流經(jīng)控制制閥的流流體流量量。對(duì)于不可可壓縮的的流體，且閥前前后壓差差p1p2不太大時(shí)時(shí)，有第一節(jié)氣氣動(dòng)執(zhí)執(zhí)行器四、氣動(dòng)動(dòng)執(zhí)行器器的安裝裝和維護(hù)護(hù)34（1）為便于于維護(hù)檢檢修，氣氣動(dòng)執(zhí)行行器應(yīng)安安裝在靠靠近地面面或樓板板的地方方。（2）氣動(dòng)執(zhí)執(zhí)行器應(yīng)應(yīng)安裝在在環(huán)境溫溫度不高高于+60和不低于于-40的地方，并應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)離振動(dòng)動(dòng)較大的的設(shè)備。（3）閥的公公稱通徑徑與管道道公稱通通徑不同同時(shí)，兩兩者之間間應(yīng)加一一段異徑徑

16、管。第一節(jié)氣氣動(dòng)執(zhí)執(zhí)行器（5）通過(guò)控控制閥的的流體方方向在閥閥體上有有箭頭標(biāo)標(biāo)明，不不能裝反反。（4）氣動(dòng)執(zhí)執(zhí)行器應(yīng)應(yīng)該是正正立垂直直安裝于于水平管管道上。特殊情情況下需需要水平平或傾斜斜安裝時(shí)時(shí)，除小小口徑閥閥外，一一般應(yīng)加加支撐。即使正正立垂直直安裝，當(dāng)閥的的自重較較大和有有振動(dòng)場(chǎng)場(chǎng)合時(shí)，也應(yīng)加加支撐。（6）控制閥閥前后一一般要各各裝一只只切斷閥閥，以便便修理時(shí)時(shí)拆下控控制閥?？紤]到到控制閥閥發(fā)生故故障或維維修時(shí)，不影響響工藝生生產(chǎn)的繼繼續(xù)進(jìn)行行，一般般應(yīng)裝旁旁路閥。35第一節(jié)氣氣動(dòng)執(zhí)執(zhí)行器36（7）控制閥閥安裝前前，應(yīng)對(duì)對(duì)管路進(jìn)進(jìn)行清洗洗，排去去污物和和焊渣。安裝后后還應(yīng)再再次對(duì)管管路和

17、閥閥門進(jìn)行行清洗，并檢查查閥門與與管道連連接處的的密封性性能。當(dāng)當(dāng)初次通通入介質(zhì)質(zhì)時(shí)，應(yīng)應(yīng)使閥門門處于全全開(kāi)位置置以免雜雜質(zhì)卡住住。圖6-20控控制閥在在管道中中的安裝裝1調(diào)節(jié)節(jié)閥；2切斷斷閥；3旁路路閥（8）在日常常使用中中，要對(duì)對(duì)控制閥閥經(jīng)常維維護(hù)和定定期檢修修。第二節(jié)電電動(dòng)執(zhí)執(zhí)行器37電動(dòng)執(zhí)行行器接收收來(lái)自控控制器的的010mA或420mA的直流電電流信號(hào)號(hào)，并將將其轉(zhuǎn)換換成相應(yīng)應(yīng)的角位位移或直直行程位位移，去去操縱閥閥門、擋擋板等控控制機(jī)構(gòu)構(gòu)，以實(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)動(dòng)控制。定義分類角行程直行程多轉(zhuǎn)式第二節(jié)電電動(dòng)執(zhí)執(zhí)行器角行程電電動(dòng)執(zhí)行行機(jī)構(gòu)主要由伺伺服放大大器、伺伺服電動(dòng)動(dòng)機(jī)、減減速器、位置發(fā)發(fā)

18、送器和和操縱器器組成。圖6-21角行程執(zhí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)的組成成示意圖圖38第二節(jié)電電動(dòng)執(zhí)執(zhí)行器39是能將執(zhí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)輸出軸軸的位移移轉(zhuǎn)變?yōu)闉?10mA DC（或420mA DC）反饋信信號(hào)的裝裝置，它它的主要要部分是是差動(dòng)變變壓器。位置發(fā)送送器圖6-22差動(dòng)變壓壓器原理理圖電動(dòng)執(zhí)行行機(jī)構(gòu)不不僅可與與控制器器配合實(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)動(dòng)控制，還可通通過(guò)操縱縱器實(shí)現(xiàn)現(xiàn)控制系系統(tǒng)的自自動(dòng)控制制和手動(dòng)動(dòng)控制的的相互切切換。當(dāng)當(dāng)操縱器器的切換換開(kāi)關(guān)置置于手動(dòng)動(dòng)操作位位置時(shí)，由正、反操作作按鈕直直接控制制電機(jī)的的電源，以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)機(jī)構(gòu)輸出出軸的正正轉(zhuǎn)或反反轉(zhuǎn)，進(jìn)進(jìn)行遙控控手動(dòng)操操作。小結(jié)第三節(jié)電電-氣氣轉(zhuǎn)換器器及電-氣

19、閥門門定位器器電-氣轉(zhuǎn)換器器可以把把電動(dòng)變變送器來(lái)來(lái)的電信信號(hào)變?yōu)闉闅庑盘?hào)號(hào)，送到到氣動(dòng)控控制器或或氣動(dòng)顯顯示儀表表；也可可把電動(dòng)動(dòng)控制器器的輸出出信號(hào)變變?yōu)闅庑判盘?hào)去驅(qū)驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)動(dòng)控制閥閥，此時(shí)時(shí)常用電電氣閥閥門定位位器，它它具有電電-氣轉(zhuǎn)換器器和氣動(dòng)動(dòng)閥門定定位器兩兩種作用用。40第三節(jié)電電-氣氣轉(zhuǎn)換器器及電-氣閥門門定位器器一、電-氣轉(zhuǎn)換換器41按力矩平平衡原理理工作圖6-23電-氣轉(zhuǎn)換器器原理結(jié)結(jié)構(gòu)圖1噴嘴嘴擋板；2調(diào)調(diào)零彈簧簧；3負(fù)反饋饋波紋管管；4十字彈彈簧；5正反反饋波紋紋管；6杠桿桿；7測(cè)量線線圈；8磁鋼鋼；9鐵芯；10放大器器第三節(jié)電電-氣氣轉(zhuǎn)換器器及電-氣閥門門定位器器二、電-氣閥門門定位器器42作用具有電-