Lesson10-過程執(zhí)行儀表解析

過程控制系統(tǒng)及儀表執(zhí)行儀表主要內(nèi)容執(zhí)行器概述氣動執(zhí)行器調(diào)節(jié)閥的流量特性調(diào)節(jié)閥的選擇電/氣轉(zhuǎn)換器與閥門定位器

電動執(zhí)行器執(zhí)行器的安裝4.1執(zhí)行器概述

執(zhí)行器：自動控制系統(tǒng)中的重要組成部分，它根據(jù)調(diào)節(jié)器的控制信號執(zhí)行動作，從而控制流入或流出被控過程的物料或能量，實(shí)現(xiàn)對過程參數(shù)的自動控制。執(zhí)行器有自動調(diào)節(jié)閥門、自動電壓調(diào)節(jié)器、自動電流調(diào)節(jié)器、控制電機(jī)等。其中自動調(diào)節(jié)閥門是最常見的執(zhí)行器，種類繁多。執(zhí)行器組成：執(zhí)行機(jī)構(gòu)（驅(qū)動）調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（閥）執(zhí)行器分類電動調(diào)節(jié)閥：電源配備方便，信號傳輸快、損失小，可遠(yuǎn)距離傳輸；但推力較小。氣動調(diào)節(jié)閥：結(jié)構(gòu)簡單，可靠，維護(hù)方便，防火防爆；但氣源配備不方便。液動調(diào)節(jié)閥：用液壓傳遞動力，推力最大；但安裝、維護(hù)麻煩，使用不多。工業(yè)中使用最多的是氣動調(diào)節(jié)閥和電動調(diào)節(jié)閥。4.2氣動執(zhí)行器

由氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)、調(diào)節(jié)閥、閥門定位器（工作條件差或調(diào)節(jié)質(zhì)量要求高的場合）組成；執(zhí)行機(jī)構(gòu)由膜片、推桿和平衡彈簧等部分組成；氣動執(zhí)行器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)可看成一階慣性環(huán)節(jié)（而電動執(zhí)行器可看成比例環(huán)節(jié)）。

氣動薄膜推桿閥體閥桿執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)(閥)兩部分組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是推動裝置，它是將信號壓力的大小轉(zhuǎn)換為閥桿位移的裝置?？刂茩C(jī)構(gòu)是閥門，它將閥桿的位移轉(zhuǎn)換為流通面積的大小。氣動執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)氣動執(zhí)行器接受氣動調(diào)節(jié)器輸出的氣壓信號，經(jīng)膜片轉(zhuǎn)換成推力并克服彈簧力后，使閥桿產(chǎn)生位移，帶動閥芯動作。1-上蓋2-膜片3-平衡彈簧4-閥桿5-閥體6-閥座7-閥芯1.執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)按調(diào)節(jié)器輸出的控制信號，驅(qū)動調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)動作。氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出方式有角行程輸出和直行程輸出兩種。

氣動活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)P正作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)反作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)（1）直通單座閥流體對閥芯的不平衡作用力大。一般用在小口徑、低壓差的場合。結(jié)構(gòu)簡單、泄漏量小。2．調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)就是閥門，是一個局部阻力可以改變的節(jié)流元件。通過改變閥芯的行程可以改變調(diào)節(jié)閥的阻力系數(shù)，達(dá)到控制流量的目的。正裝閥閥芯下移時，閥芯與閥座間的流通截面積增大閥門中的柱式閥芯可以正裝，也可以反裝。反裝閥閥芯下移時，閥芯與閥座間的流通截面積減小（2）直通雙座閥閥體內(nèi)有兩個閥芯和閥座。流體流過時，作用在上、下兩個閥芯上的推力方向相反且大小相近，可以互相抵消，所以不平衡力小。但是，由于加工的限制，上下兩個閥芯閥座不易保證同時密閉，因此泄漏量較大。（3）角形控制閥兩個接管呈直角形，一般為底進(jìn)側(cè)出，這種閥的流路簡單、對流體的阻力較小。適用于現(xiàn)場管道要求直角連接，介質(zhì)為高粘度、高壓差和含有少量懸浮物和固體顆粒狀的場合。（4）三通控制閥有三個出入口與工藝管道連接。流通方式有合流型（兩種介質(zhì)混合成一路）和分流型（一種介質(zhì)分成兩路）兩種。適用于配比控制與旁路控制。（5）隔膜控制閥采用耐腐蝕材料作隔膜，將閥芯與流體隔開。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。由于介質(zhì)用隔膜與外界隔離，故無填料，介質(zhì)也不會泄漏。耐腐蝕能力強(qiáng)，適用于強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)的控制，也能用于高粘度及懸浮顆粒狀介質(zhì)的控制。適用于大口徑、大流量、低壓差的場合，也可以用于含少量纖維或懸浮顆粒狀介質(zhì)的控制。（6）蝶閥又名翻板閥。結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、流阻極小，但泄漏量大。（7）球閥閥芯與閥體都呈球形體，閥芯內(nèi)開孔。轉(zhuǎn)動閥芯使之與閥體處于不同的相對位置時，就有不同的流通面積。流量變化較快，可起控制和切斷的作用，常用于雙位式控制。4.3調(diào)節(jié)閥的流量特性

調(diào)節(jié)閥的閥心位移與流量之間的關(guān)系，對控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)有很大影響。流量特性的定義：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)系稱為調(diào)節(jié)閥的流量特性。q/qmax

—相對流量

l/L

—

相對開度調(diào)節(jié)閥的流量特性不僅與閥門的結(jié)構(gòu)和開度有關(guān)，還與閥前后的壓差有關(guān)。lq相對流量q/

qmax

是控制閥某一開度流量q與全開時流量qmax

之比；相對開度l/L

是控制閥某一開度行程l與全開行程L之比。為了便于分析，先將閥前后壓差固定，然后再引伸到實(shí)際工作情況，于是有固有流量特性與工作流量特性之分。1、固有（理想）流量特性在將控制閥前后壓差固定時得到的流量特性稱為固有流量特性。它取決于閥芯的形狀。（a）快開特性（b）直線特性（c）等百分比特性（1）直線流量特性控制閥的相對流量與相對開度成直線關(guān)系，即單位位移變化所引起的流量變化是常數(shù)。用數(shù)學(xué)式表示為：C為積分常數(shù)積分直線流量特性特點(diǎn)閥心相對開度變化所引起的流量變化是相等的流量相對變化量（流量變化量與原有流量之比）是不同的：在小開度時，流量相對變化量大；在大開度時，其流量相對變化最小。直線流量特性調(diào)節(jié)閥在小開度時，控制作用強(qiáng)，易引起振蕩；在大開度時，控制作用弱，控制緩慢。

可調(diào)比R為調(diào)節(jié)閥所能控制的最大流量與最小流量比值。其中qmin不是指閥門全關(guān)時的泄漏量，而是閥門能平穩(wěn)控制的最小流量，約為最大流量的2~4%一般閥門的可調(diào)比R=30。控制力：閥門開度改變時，相對流量的改變比值。例如在不同的開度上，再分別增加10%開度，相對流量的變化比值為10％時：[(20-10)/10]×100%=100%50％時：[(60-50)/50]×100%=20%80％時：[(90-80)/80]×100%=12.5%Q/Q100L/Lmaxs=1

直線閥的流量放大系數(shù)在任何一點(diǎn)上都是相同的，但其對流量的控制力卻是不同的。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：曲線斜率（放大系數(shù)）隨行程的增大而增大。流量小時，流量變化??；流量大時，流量變化大。（2）對數(shù)（等百分比）流量特性對數(shù)(等百分比)流量特性特點(diǎn)：調(diào)節(jié)閥在小開度時，控制緩和平穩(wěn)調(diào)節(jié)閥在大開度時，控制及時有效。（2）對數(shù)（等百分比）流量特性等百分比閥在各流量點(diǎn)的放大系數(shù)不同，但對流量的控制力卻是相同的。10%處：(6.58%-4.68%)/4.68%≈41%50%處：(25.7%-18.2%)/18.2%≈41%80%處：(71.2%-50.6%)/50.6%≈41%同樣以10％、50％及80％三點(diǎn)為例，分別增加10%開度，相對流量變化的比值為：Q/Q100L/Lmaxs=1（3）快開特性開度較小時就有較大流量，隨開度的增大，流量很快就達(dá)到最大，故稱為快開特性。適用于迅速啟閉的切斷閥或雙位控制系統(tǒng)。積分（3）快開特性2、調(diào)節(jié)閥的工作流量特性實(shí)際使用時，調(diào)節(jié)閥裝在具有阻力的管道系統(tǒng)中。管道對流體的阻力隨流量而變化，閥前后壓差也是變化的，流量特性會發(fā)生畸變，稱為工作流量特性。如圖，管道系統(tǒng)總壓力ΔP等于管路系統(tǒng)的壓降ΔPG與控制閥的壓降ΔPT之和。P△PGQ△PT管路及設(shè)備△PG△PT調(diào)節(jié)閥△P△P從串聯(lián)管道中調(diào)節(jié)閥兩端壓差DPT的變化曲線可看出，調(diào)節(jié)閥全關(guān)時閥上壓力最大，基本等于系統(tǒng)總壓力；調(diào)節(jié)閥全開時閥上壓力降至最小。為了表示調(diào)節(jié)閥兩端壓差DPT的變化范圍，以閥權(quán)度S表示調(diào)節(jié)閥全開時，閥前后最小壓差DPTmin與總壓力DP之比。S=DPTmin

/DPPDPGQDPT管路及設(shè)備DPGDPT調(diào)節(jié)閥DPDP以qmax表示串聯(lián)管道阻力為零時(S=1)，閥全開時達(dá)到的最大流量?？傻么?lián)管道在不同S值時，以自身qmax作參照的工作流量特性。調(diào)節(jié)閥的流量特性曲線a)－直線；b)－對數(shù)（等百分比）串聯(lián)管道使調(diào)節(jié)閥的流量特性發(fā)生畸變。串聯(lián)管道使調(diào)節(jié)閥的流量可調(diào)范圍降低，

最大流量減小。串聯(lián)管道會使調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)減小，調(diào)節(jié)能力降低，S值低于0.3時，調(diào)節(jié)閥能力基本喪失。流量特性畸變：對數(shù)閥變?yōu)橹本€閥直線閥變?yōu)榭扉_閥S↓0．調(diào)節(jié)閥選擇原則閥芯形狀結(jié)構(gòu)耐磨損性耐腐蝕性介質(zhì)溫度、壓力防止閃蒸和空化4.4調(diào)節(jié)閥的選擇

1．調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)的選擇通常根據(jù)工藝條件，如使用溫度、壓力，介質(zhì)的物理、化學(xué)特性（如腐蝕性、粘度等），對流量的控制要求等，來選擇調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)形式。一般介質(zhì)條件選用直通單座閥或直通雙座閥；高壓介質(zhì)選用高壓閥；強(qiáng)腐蝕介質(zhì)采用隔膜閥等。氣動薄膜三通調(diào)節(jié)閥氣動薄膜精小型調(diào)節(jié)閥氣動薄膜式隔膜閥V型O型對夾薄型氣動調(diào)節(jié)球閥氣動法蘭調(diào)節(jié)蝶閥氣動對夾式調(diào)節(jié)蝶閥氣動精小型調(diào)節(jié)閥2．氣開式與氣關(guān)式的選擇

氣動調(diào)節(jié)閥在氣壓信號中斷后閥門會復(fù)位。無壓力信號時閥全開，隨著信號增大，閥門逐漸關(guān)小的稱為氣關(guān)式。反之，無壓力信號時閥全閉，隨著信號增大，閥門逐漸開大的稱為氣開式。閥門氣開氣關(guān)式的選擇原則：安全當(dāng)控制信號中斷時，閥門的復(fù)位位置能使工藝設(shè)備處于安全狀態(tài)。考慮事故狀態(tài)時人身、工藝設(shè)備的安全；考慮在事故狀態(tài)下減少經(jīng)濟(jì)損失，保證產(chǎn)品質(zhì)量。氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)有正作用和反作用兩種形式:當(dāng)輸入氣壓信號增加時閥桿向下移動時稱正作用；當(dāng)輸入氣壓信號增加時閥桿向上移動時稱反作用。在工業(yè)生產(chǎn)中口徑較大的調(diào)節(jié)閥通常采用正作用方式。閥的“氣開、氣關(guān)”有四種構(gòu)成方式序號執(zhí)行機(jī)構(gòu)作用方式閥體安裝方式執(zhí)行器氣開、氣關(guān)形式a正作用正裝氣關(guān)b正作用反裝氣開c反作用正裝氣開d反作用反裝氣關(guān)氣關(guān)式氣關(guān)式氣開式氣開式

給水閥燃?xì)忾y蒸汽例如：選擇蒸汽鍋爐的控制閥門時，為保證失控狀態(tài)下鍋爐的安全：

給水閥應(yīng)選氣關(guān)式

燃?xì)忾y應(yīng)選氣開式安全原則3.調(diào)節(jié)閥流量特性的選擇主要選擇方法：通過數(shù)學(xué)計算的分析法（復(fù)雜、費(fèi)時）

實(shí)際工程總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)法★從自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量考慮從管道系統(tǒng)壓降變化情況考慮從調(diào)節(jié)對象特性考慮從負(fù)載變化情況考慮(1)

從自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量考慮根據(jù)自控原理的特性補(bǔ)償原理，保持控制系統(tǒng)的總放大倍數(shù)在工作范圍內(nèi)盡可能恒定。給定值被控量干擾f

控制器傳感器執(zhí)行器被控對象+eWc(s)－W3(s)W1(s)W2(s)K=K1K2K3Kc很多對象在工作區(qū)域內(nèi)穩(wěn)態(tài)放大倍數(shù)K不是常數(shù)，在不同的工藝負(fù)荷點(diǎn)，K不相同。因此希望調(diào)節(jié)閥的流量特性能補(bǔ)償對象的靜特性。（1）若調(diào)節(jié)對象的靜特性是非線性的，工藝負(fù)荷變化又大，用等百分比特性補(bǔ)償。（3）配管阻力大、s值低，等百分比閥會畸變成直線閥。（2）若調(diào)節(jié)對象的靜特性是線性的，或工藝負(fù)荷變化不大，用直線閥。(2)

從管道系統(tǒng)壓降變化情況考慮調(diào)節(jié)閥的壓降比S定于為該調(diào)節(jié)閥可控制最大流量所對應(yīng)閥門前后差壓和系統(tǒng)差壓之比。調(diào)節(jié)閥流量特性與壓降比密切相關(guān)。(3)從調(diào)節(jié)對象特性考慮凡具有自平衡能力的調(diào)節(jié)對象可選擇等百分比流量特性的調(diào)節(jié)閥不具有自平衡能力的調(diào)節(jié)對象選擇直線流量特性的調(diào)節(jié)閥(4)

從負(fù)載變化情況考慮直線閥小開度時流量變化大，調(diào)節(jié)過靈敏，振蕩大；大開度時調(diào)節(jié)作用較微弱，使調(diào)節(jié)不靈敏、不及時，不宜壓降比小、負(fù)載變化大的場合百分比閥接近關(guān)閉時工作緩和平穩(wěn)，接近全開時放大系數(shù)大、工作靈敏，適于負(fù)載變化幅度大的場合快開特性閥行程小時流量較大，很快達(dá)到最大，適于雙位調(diào)節(jié)和程序控制場合。4.調(diào)節(jié)閥口徑的選擇為保證工藝的正常進(jìn)行，必須合理選擇調(diào)節(jié)閥的尺寸。如果調(diào)節(jié)閥的口徑選得太大，使閥門經(jīng)常工作在小開度位置，造成調(diào)節(jié)質(zhì)量不好。如果口徑選得太小，閥門完全打開也不能滿足最大流量的需要，就難以保證生產(chǎn)的正常進(jìn)行。調(diào)節(jié)閥的口徑?jīng)Q定了調(diào)節(jié)閥的流通能力。

調(diào)節(jié)閥的流通能力用流量系數(shù)C

值表示。流量系數(shù)C

的定義：在閥兩端壓差100kPa，流體為水（103Kg/m3）的條件下，閥門全開時每小時能通過調(diào)節(jié)閥的流體流量（m3/h）。調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)（流通能力）是合理選擇閥門和閥門口徑的重要參數(shù)。在調(diào)節(jié)閥技術(shù)手冊上，給出了各種閥門的口徑和流通能力C，供用戶查閱。CDg例4.1Qmax=60m3/h,g

=0.05g/cm3(液體重度)。

Dp1=0.3MPa,Dp2=0.9MPa

分別確定合適的閥門尺寸。液體流量系數(shù)C

值計算公式：理想可調(diào)范圍工作可調(diào)范圍（串聯(lián)情況下）可調(diào)范圍因此，S越小，可調(diào)范圍越小。

必須保證S不能過低，一般0.3~0.5。將4～20mA的電流信號轉(zhuǎn)換成20～100KPa的標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號。為了使氣動調(diào)節(jié)閥能夠接收電動調(diào)節(jié)器的輸出信號，必須把標(biāo)準(zhǔn)電流信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號。1、電/氣轉(zhuǎn)換器4.5電/氣轉(zhuǎn)換器與閥門定位器

I↑吸力Fi↑

杠桿偏轉(zhuǎn)擋板與噴嘴間隙↓

背壓↑

放大器輸入↑

輸出壓力P↑

杠桿的反饋力Ff

↑

杠桿平衡P∝I電/氣轉(zhuǎn)換器工作原理負(fù)反饋磁鐵FiFf背壓氣動調(diào)節(jié)閥中，閥桿的位移是由薄膜上氣壓推力與彈簧反作用力平衡確定的。為了防止閥桿處的泄漏要壓緊填料，使閥桿摩擦力增大，且個體差異較大，這會影響輸入信號P的執(zhí)行精度。2、閥門定位器

閥門定位器

氣動執(zhí)行器的主要附件，用于工作條件差或調(diào)節(jié)質(zhì)量要求高的場合克服填料對閥桿摩擦力和流體對閥心作用力原理：利用閥桿位移負(fù)反饋來改善調(diào)節(jié)閥的定位精度和靈敏度。

實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位；改善調(diào)節(jié)閥的動態(tài)特性；改變調(diào)節(jié)閥的流量特性；實(shí)現(xiàn)分程控制。解決措施在調(diào)節(jié)閥上加裝閥門定位器，引入閥桿位移負(fù)反饋。使閥桿能按輸入信號精確地確定自己的開度。3、電/氣閥門定位器

電/氣轉(zhuǎn)換器和閥門定位器組成電/氣閥門定位器。I↑杠桿上端右移擋板靠近噴嘴P壓力↑閥桿下移反饋凸輪右轉(zhuǎn)反饋彈簧右拉杠桿平衡4.6電動調(diào)節(jié)閥

組成：執(zhí)行機(jī)構(gòu)+調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)以電為動力。

包括電磁閥和電動機(jī)。電磁閥以電磁鐵吸合、釋放進(jìn)行小口徑閥通斷；電動機(jī)連續(xù)動作。調(diào)節(jié)閥是配以電-氣轉(zhuǎn)換器的氣動調(diào)節(jié)閥。電磁閥也接受來自調(diào)節(jié)器的電流信號，但閥門開度是位式調(diào)節(jié)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)直動式電磁閥：線圈通電時，產(chǎn)生電磁力，吸引閥芯柱上移，閥門打開。線圈斷電后，電磁力消失，閥芯落下。在彈簧壓力下閥門緊閉。電磁閥是位式閥，只有全開和全關(guān)兩個位置。電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)用控制電機(jī)作動力裝置。輸出形式有：角行程：電機(jī)轉(zhuǎn)動經(jīng)減速器后輸出。直行程：電機(jī)轉(zhuǎn)動經(jīng)減速器減速并轉(zhuǎn)換為直線位移輸出。多轉(zhuǎn)式：轉(zhuǎn)角輸出，功率比較大，主要用來控制閘閥、截