儀表自動化第六章執(zhí)行器

第6章執(zhí)行器概述執(zhí)行機構(gòu)調(diào)節(jié)機構(gòu)調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)和流量特性閥門定位器執(zhí)行器的選擇計算和安裝關(guān)鍵點：氣開、氣關(guān)閥（芯）結(jié)構(gòu)及其特點流量系數(shù)Kv可調(diào)比R流量特性（重點2種）閥門定位器（了解）執(zhí)行器的簡單計算安裝6.1概述對執(zhí)行器的初步認識執(zhí)行器在自動控制系統(tǒng)中的作用執(zhí)行器的構(gòu)成執(zhí)行器的分類執(zhí)行器的作用方式氣動薄膜直通單座閥氣動薄膜直通雙座閥氣動蝶閥氣動球閥氣動切斷閥電動直通單座閥電動隔膜閥電動三通閥氣動薄膜角形閥電磁閥手動截止閥執(zhí)行器在自控系統(tǒng)中的作用執(zhí)行器是指：閥門－調(diào)節(jié)閥(連續(xù)的)、開關(guān)閥(過程控制范疇)

電機－連續(xù)的、開關(guān)的(屬于流體機械的范疇，起執(zhí)行器的作用)執(zhí)行器是控制系統(tǒng)必不可少的環(huán)節(jié)。執(zhí)行器工作，使用條件惡劣，它也是控制系統(tǒng)最薄弱的環(huán)節(jié)原因：執(zhí)行器與介質(zhì)（操作變量）直接接觸

(強)腐蝕性、(高)粘度、(易)結(jié)晶、高溫、深冷、高壓、高差壓執(zhí)行器在自控系統(tǒng)中的作用：接收調(diào)節(jié)器（計算機）輸出的控制信號，使調(diào)節(jié)閥的開度產(chǎn)生相應(yīng)變化，從而達到調(diào)節(jié)操作變量流量的目的。執(zhí)行器通常專指閥門執(zhí)行器的構(gòu)成圖6-2氣動薄膜調(diào)節(jié)閥的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)1－薄膜2－平衡彈簧3－閥桿4－閥芯5－閥體6－閥座PO氣動執(zhí)行機構(gòu)調(diào)節(jié)機構(gòu)123456輔助裝置：閥門定位器和手動操作機構(gòu)

執(zhí)行機構(gòu)調(diào)節(jié)機構(gòu)POIOF→lM→θ流通截面積操縱變量的流量執(zhí)行機構(gòu)——根據(jù)控制信號產(chǎn)生推力(薄膜、活塞、馬達…)。它是執(zhí)行器的推動裝置，它按控制信號的大小產(chǎn)生相應(yīng)的推力，推動控制機構(gòu)動作，所以它是將信號的大小轉(zhuǎn)換為閥桿位移的裝置控制機構(gòu)——根據(jù)推力產(chǎn)生位移或轉(zhuǎn)角，改變開度。它是執(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

手操機構(gòu)——手輪機構(gòu)的作用是當(dāng)控制系統(tǒng)因停電、停氣、控制器無輸出或執(zhí)行機構(gòu)失靈時，利用它可以直接操縱控制閥，以維持生產(chǎn)的正常進行。

氣動執(zhí)行器分類－－按使用的能源形式：電動執(zhí)行器液動執(zhí)行器氣動閥電動閥在過程控制領(lǐng)域應(yīng)用很少按閥門的輸出：連續(xù)式(0～100％)開關(guān)式(ON/OFF)調(diào)節(jié)閥**氣動調(diào)節(jié)閥采用氣動執(zhí)行機構(gòu)優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、動作可靠穩(wěn)定、輸出力大、安裝維修方便、價格便宜和防火防爆缺點：響應(yīng)時間大，信號不適于遠傳采用電/氣轉(zhuǎn)換器或電/氣閥門定位器，使傳送信號為電信號，現(xiàn)場操作為氣動信號氣動調(diào)節(jié)閥電信號氣信號電動調(diào)節(jié)閥電動調(diào)節(jié)閥采用電動執(zhí)行機構(gòu)優(yōu)點：動作較快、能源獲取方便，特別適于遠距離的信號傳送缺點：輸出力較小、價格貴，且一般只適用于防爆要求不高的場合直通雙座調(diào)節(jié)閥直通單座調(diào)節(jié)閥籠式（套筒）調(diào)節(jié)閥角型調(diào)節(jié)閥三通調(diào)節(jié)閥高壓調(diào)節(jié)閥隔膜調(diào)節(jié)閥波紋管密封調(diào)節(jié)閥超高壓調(diào)節(jié)閥小流量調(diào)節(jié)閥低噪音調(diào)節(jié)閥直行程式調(diào)節(jié)機構(gòu)角行程式調(diào)節(jié)機構(gòu)

同一類型的氣動/電動調(diào)節(jié)閥，分別采用氣動執(zhí)行機構(gòu)和電動執(zhí)行機構(gòu)蝶閥凸輪撓曲調(diào)節(jié)閥V型球閥O型球閥

分類－－按使用的調(diào)節(jié)機構(gòu)：反作用：：當(dāng)輸入信信號增大大時，流流過執(zhí)行行器的流流量減小小氣動調(diào)節(jié)節(jié)閥通常常稱為氣氣關(guān)閥正作用：：當(dāng)輸入信信號增大大時，執(zhí)執(zhí)行器的的開度增增大，即即流過執(zhí)執(zhí)行器的的流量增增大氣動調(diào)節(jié)節(jié)閥通常常稱為氣氣開閥執(zhí)行器的的作用方方式從安全生生產(chǎn)的角角度來確確定正反反作用H如果，介介質(zhì)是由由強腐蝕蝕性的，，再生產(chǎn)產(chǎn)過程中中不允許許溢出，，調(diào)節(jié)閥閥的作用用形式？？如果后面面的環(huán)節(jié)節(jié)不允許許沒有物物料，調(diào)調(diào)節(jié)閥的的作用形形式？根據(jù)控制制信號的的大小，，產(chǎn)生相相應(yīng)的輸輸出力F和位移M(直線位移移l或角位移移θ)輸出力F用于克服服調(diào)節(jié)機機構(gòu)中流流動流體體對閥芯芯產(chǎn)生的的作用力力或作用用力矩，，以及摩摩擦力等等其他各各種阻力力；位移(l或θ)用于帶動動調(diào)節(jié)機機構(gòu)閥芯芯動作6.2.執(zhí)行機構(gòu)構(gòu)氣動執(zhí)行行機構(gòu)電動執(zhí)行行機構(gòu)氣動執(zhí)行行機構(gòu)主主要分為為兩大類類：薄膜膜式與活活塞式薄膜式與與活塞式式執(zhí)行機機構(gòu)又可可分為：：有彈簧簧和無彈彈簧兩種種6.2.1.氣動執(zhí)行行機構(gòu)氣源PO氣源PO氣動執(zhí)行行機構(gòu)的的動態(tài)特特性為一一階滯后后環(huán)節(jié)。。其時間間常數(shù)的的大小與與薄膜氣氣室大小小及引壓壓導(dǎo)管長長短粗細細有關(guān)，，一般為為數(shù)秒到到數(shù)十秒秒之間。。氣動活塞塞式執(zhí)行行機構(gòu)基基本結(jié)構(gòu)構(gòu)和工作作原理氣動活塞塞式執(zhí)行行機構(gòu)基基本結(jié)構(gòu)構(gòu)和工作作原理基本部件件：活塞塞和氣缸缸活塞在氣氣缸內(nèi)隨隨活塞兩兩側(cè)壓差差而移動動兩側(cè)可以以分別輸輸入一個個固定信信號和一一個變動動信號，，或兩側(cè)側(cè)都輸入入變動信信號。它的輸出出特性有有比例式式及兩位位式兩種種。兩位式是是根據(jù)輸輸入執(zhí)行行活塞兩兩側(cè)的操操作壓力力的大小小，活塞塞從高壓壓側(cè)推向向低壓側(cè)側(cè)，使推推桿從一一個位置置移到另另一極端端位置比例式是是在兩位位式基礎(chǔ)礎(chǔ)上加有有閥門定定位器后后，使推推桿位移移與信號號壓力成成比例關(guān)關(guān)系。P1P2構(gòu)成原理理6.2.2.電動執(zhí)行行機構(gòu)輸入信號號伺服放大大器伺服電機機減速器輸出位置發(fā)生器＋－ε調(diào)節(jié)機構(gòu)是執(zhí)執(zhí)行器的調(diào)節(jié)節(jié)部分，在執(zhí)執(zhí)行機構(gòu)的輸輸出力和輸出出位移作用下下，調(diào)節(jié)機構(gòu)構(gòu)閥芯的運動動，改變了閥閥芯與閥座之之間的流通截截面積，即改改變了調(diào)節(jié)閥閥的阻力系數(shù)數(shù)，使被控介介質(zhì)流體的流流量發(fā)生相應(yīng)應(yīng)變化。6.3.調(diào)節(jié)機構(gòu)1—執(zhí)行機構(gòu)2—閥桿3—閥芯4—閥座5—閥體6—轉(zhuǎn)軸7—閥板主要構(gòu)成：閥閥體、閥座、、閥心、和閥閥桿或轉(zhuǎn)軸調(diào)節(jié)機構(gòu)的結(jié)結(jié)構(gòu)和特點單導(dǎo)向結(jié)構(gòu)直通單座調(diào)節(jié)節(jié)閥：閥體內(nèi)只有一一個閥芯和一一個閥座。結(jié)構(gòu)簡單、泄泄漏量小（甚甚至可以完全全切斷）允許壓差?。p導(dǎo)向結(jié)構(gòu)構(gòu)的允許壓差差較單導(dǎo)向結(jié)結(jié)構(gòu)大）。常用調(diào)節(jié)閥結(jié)結(jié)構(gòu)示意圖及及特點——直通單座調(diào)節(jié)節(jié)閥雙導(dǎo)向結(jié)構(gòu)它適用于要求求泄漏量小，，工作壓差較較小的干凈介介質(zhì)的場合。。在應(yīng)用中應(yīng)應(yīng)特別注意其其允許壓差，，防止閥門關(guān)關(guān)不死。直通雙座調(diào)節(jié)節(jié)閥：閥體內(nèi)有兩個個閥芯和閥座座。因為流體對上上、下兩閥芯芯上的作用力力可以相互抵抵消，因此雙雙座閥具有允允許壓差大上、下兩閥芯芯不易同時關(guān)關(guān)閉，因此泄泄漏量較大的的特點。常用調(diào)節(jié)閥結(jié)結(jié)構(gòu)示意圖及及特點——直通雙座調(diào)節(jié)節(jié)閥均為雙導(dǎo)向結(jié)結(jié)構(gòu)它適用于閥兩兩端壓差較大大，泄漏量要要求不高的干干凈介質(zhì)場合合，不適用于于高粘度和含含纖維的場合合。角形調(diào)節(jié)閥：：閥體為直角形形流路簡單、阻阻力小，適用用于高壓差、、高粘度、含含有懸浮物和和顆粒狀物質(zhì)質(zhì)的調(diào)節(jié)。角形閥一般使使用于底進側(cè)側(cè)出，此時調(diào)調(diào)節(jié)閥穩(wěn)定性性好，在高壓差場合合下，為了延延長閥芯使用用壽命，也可可采用側(cè)進底底出。但側(cè)進進底出在小開開度時易發(fā)生生振蕩。角形閥還適用用于工藝管道道直角形配管管的場合。常用調(diào)節(jié)閥結(jié)結(jié)構(gòu)示意圖及及特點——角形調(diào)節(jié)閥分流三通調(diào)節(jié)節(jié)閥三通調(diào)節(jié)閥：：閥體有三個接接管口，適用用于三個方向向流體的管路路控制系統(tǒng)，，大多用于熱熱交換器的溫溫度調(diào)節(jié)、配配比調(diào)節(jié)和旁旁路調(diào)節(jié)。在使用中應(yīng)注注意流體溫差差不宜過大，，通常小于是是150℃，否則會使三三通閥產(chǎn)生較較大應(yīng)力而引引起變形，造造成連接處泄泄漏或損壞。。三通閥有三通通合流閥和三三通分流閥兩兩種類型。三三通合流閥為為介質(zhì)由兩個個輸入口流進進混合后由一一出口流出；三通分流閥為為介質(zhì)由一入入口流進，分分為兩個出口口流出。常用調(diào)節(jié)閥結(jié)結(jié)構(gòu)示意圖及及特點——三通調(diào)節(jié)閥合流三通調(diào)節(jié)節(jié)閥蝶閥：蝶閥是通過擋板以以轉(zhuǎn)軸為中心心旋轉(zhuǎn)來控制制流體的流量量。結(jié)構(gòu)緊湊、體體積小、成本本低，流通能能力大特別適用于低低壓差、大口口徑、大流量量的氣體形或或帶有懸浮物物流體的場合合泄漏較大蝶閥通常工作作轉(zhuǎn)角應(yīng)小于于70℃，此時流量特特性與等百分分比特性相似似多用于開關(guān)閥閥常用調(diào)節(jié)閥結(jié)結(jié)構(gòu)示意圖及及特點——蝶閥蝶閥偏心旋轉(zhuǎn)閥：：轉(zhuǎn)軸帶動閥芯芯偏心旋轉(zhuǎn)體積小，重量量輕，使用可可靠，維修方方便，通用性性強，流體阻阻力小等優(yōu)點點，適用于粘粘度較大的場場合，在石灰灰、泥漿等流流體中，具有有較好的使用用性能。常用調(diào)節(jié)閥結(jié)結(jié)構(gòu)示意圖及及特點——偏心旋轉(zhuǎn)閥偏心旋轉(zhuǎn)閥“O”形球閥：閥芯為一球體體閥芯上開有一一個直徑和管管道直徑相等等的通孔，轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸帶動球體體旋轉(zhuǎn)，起調(diào)調(diào)節(jié)和切斷作作用。該閥結(jié)構(gòu)簡單單，維修方便便，密封可靠靠，流通能力力大流量特性為快快開特性，一一般用于位式式控制。常用調(diào)節(jié)閥結(jié)結(jié)構(gòu)示意圖及及特點——“O”形球閥“O”形球閥“V”形球閥：閥芯也為一球球體但球體上開孔孔為V形口，隨著球球體的旋轉(zhuǎn)，，流通截面積積不斷發(fā)生變變化，但流通通截面的形狀狀始終保持為為三角形。該閥結(jié)構(gòu)簡單單，維修方便便，關(guān)閉性能能好，流通能能力大，可調(diào)調(diào)比大流量特性近似似為等百分比比特性，適用用于纖維、紙紙漿及含顆粒粒的介質(zhì)。常用調(diào)節(jié)閥結(jié)結(jié)構(gòu)示意圖及及特點——“V”形球閥“V”形球閥孔板流量計的的公式？？6.4.流量系數(shù)和流流量特性調(diào)節(jié)閥的流量量方程依據(jù)的原理：：伯努利方程程（能量守恒恒）流量系數(shù)是反反映調(diào)節(jié)閥口口徑大小的一一個重要參數(shù)數(shù)流量系數(shù)KV的定義:在調(diào)節(jié)閥前后后壓差為100KPa，流體密度為1g/cm3（即5～40℃的水）的條件件下，調(diào)節(jié)閥全開時時，每小時通過閥閥門的流體量量（m3）6.4.1.調(diào)節(jié)閥的流量量系數(shù)把上述參數(shù)代代入流量方程程，即可算出出實際工況的的流經(jīng)閥門的的流量事實上，這里里提出流量系系數(shù)的概念，，用意不在流流量的計算上上，真正目的的是根據(jù)工藝要求求如何來選擇擇一臺合適的的調(diào)節(jié)閥。可調(diào)比R反映調(diào)節(jié)閥的的調(diào)節(jié)能力的的大小定義:調(diào)節(jié)閥所能調(diào)調(diào)節(jié)的最大流流量和最小流流量之比調(diào)節(jié)閥前后壓壓差的變化，，會引起可調(diào)調(diào)比變化，將可調(diào)比分分為理想可調(diào)調(diào)比和實際可可調(diào)比。6.4.3.調(diào)節(jié)閥的可調(diào)調(diào)比理想可調(diào)比由由結(jié)構(gòu)設(shè)計決決定，通常(1)理想可調(diào)比R(ΔP一定)①串聯(lián)管道時的的可調(diào)比(2)實際可調(diào)比Rr(ΔP變化)②并聯(lián)管道時的的可調(diào)比R＞＞1設(shè)調(diào)節(jié)閥流量特特性：介質(zhì)流流過調(diào)節(jié)閥的的相對流量與與相對位移（（即閥的相對對開度）之間間的關(guān)系調(diào)節(jié)閥前后壓壓差的變化，，會引起流量量變化。流量量特性分為理理想流量特性性和實際流量量特性6.4.2.調(diào)節(jié)閥的流量量特性最大流量最大位移實際位移實際流量調(diào)節(jié)閥的固有有特性，由閥閥芯的形狀所所決定。1-快開特性2-直線特性3-拋物線特性4-等百分比（對對數(shù)）特性①理想流量特性性(ΔP一定)特點：a.放大系數(shù)是常常數(shù)調(diào)節(jié)閥的相對對流量與相對對位移成直線線關(guān)系，即單單位位移變化化所引起的流流量變化是常常數(shù)b.Q↑流量相對變化化值↓(1)直線流量特性性特點：a.Q↑放大系數(shù)↑單位相對位移移變化所引起起的相對流量量變化與此點點的相對流量量成正比關(guān)系系b.流量相對變化化值是常數(shù)(2)等百分比流量量特性（對數(shù)數(shù)流量特性））單位相對位移移的變化所引引起的相對流流量變化與此此點的相對流流量值的平方方值的平方根根成正比關(guān)系系(3)拋物線流量特特性為了彌補直線線特性在小開開度時調(diào)節(jié)性性能差的缺點點，在拋物線線特性基礎(chǔ)上上派生出一種種修正拋物線線特性，它在在相對位移30%及相對流量變變20%這段區(qū)間內(nèi)為為拋物線關(guān)系系，而在此以以上的范圍是是線性關(guān)系。。在開度較小時時就有較大的的流量，隨著著開度的增大大，流量很快快就達到最大大；此后再增增加開度，流流量變化很小小有效位移一般般為閥座直徑徑的1/4適用于迅速啟啟閉的位式控控制或程序控控制系統(tǒng)(4)快開流量特性性上述4種流量特性中中：直線和等等百分比最常常用。(1)串聯(lián)管道時*流量特性發(fā)生生畸變直線特性→快開特性等百分比特性性→直線特性*可調(diào)比減?、诠ぷ髁髁刻匦孕?ΔP變化)(2)并聯(lián)管道時時的工作流流量特性通常一般X值不能低于于0.8，即旁路流量量只能為總總流量的百百分數(shù)之十十幾。可調(diào)比將大大大下降供參考執(zhí)行器的選選用是否得得當(dāng)，將直直接影響控控制系統(tǒng)的的控制質(zhì)量量、安全性性和可靠性性執(zhí)行器的選選擇，主要要是從以下下三方面考考慮：1.調(diào)節(jié)閥的結(jié)結(jié)構(gòu)形式；；2.調(diào)節(jié)閥的流流量特性；；3.調(diào)節(jié)閥的口口徑。6.6.執(zhí)行器的選選擇計算執(zhí)行機構(gòu)的的選擇6.6.1.執(zhí)行器結(jié)構(gòu)構(gòu)形式的選選擇比較項目氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu)電動執(zhí)行機構(gòu)可靠性高（簡單、可靠）較低驅(qū)動能源需另設(shè)氣源簡單方便價格低高輸出力大小剛度小大防爆好差工作環(huán)境大（－40～＋80℃）?。ǎ?0～＋55℃）可以根據(jù)實實際使用要要求，綜合合考慮確定定選擇執(zhí)行機機構(gòu)時，還還必須考慮慮執(zhí)行機構(gòu)構(gòu)的輸出力（力力矩）應(yīng)大大于它所受受到的負荷荷力（力矩矩）負荷力（力力矩）包括括流體對閥閥芯產(chǎn)生的的作用力（（不平衡力力）或作用用力矩（不不平衡力矩矩）閥桿的的摩擦力、、重量以及及壓縮彈簧簧的預(yù)緊力力對于氣動薄薄膜執(zhí)行機機構(gòu):工作壓差小小于最大允允許壓差但當(dāng)所用調(diào)調(diào)節(jié)閥的口口徑較大或或壓差較高高時，執(zhí)行行機構(gòu)要求求有更大的輸出力力，此時可可考慮用活塞式執(zhí)行行機構(gòu)，也可選用用薄膜執(zhí)行機機構(gòu)再配上閥門定位器器。(1)執(zhí)行機構(gòu)的的選擇氣開式調(diào)節(jié)節(jié)閥:有信號壓力力輸入時閥閥打開無信號壓力力時閥全關(guān)關(guān)氣關(guān)式調(diào)節(jié)節(jié)閥:有信號壓力力時閥關(guān)閉閉無信號壓力力時閥全開開氣開氣關(guān)的的選擇考慮慮原則是：：信號壓力中中斷時，應(yīng)應(yīng)保證設(shè)備備和操作人人員的發(fā)全全，如閥門門處于打開開位置時危危害性小，，則應(yīng)選用用氣關(guān)式；；反之，則則用氣開式式。確定整個調(diào)調(diào)節(jié)閥的作作用方式主要依據(jù)是是：（1）流體性質(zhì)如流體種類類、粘度、、腐蝕性、、是否含懸懸浮顆粒（2）工藝條件如溫度、壓壓力、流量量、壓差、、泄漏量（3）過程控制要要求控制系統(tǒng)精精度、可調(diào)調(diào)比、噪音音根據(jù)以上各各點進行綜綜合考慮，，并參照各各種調(diào)節(jié)機構(gòu)的的特點及其其適用場合合，同時兼兼顧經(jīng)濟性，來選擇擇滿足工藝藝要求的調(diào)調(diào)節(jié)機構(gòu)。。(2)調(diào)節(jié)機構(gòu)的的選擇實際上是指指如何選擇擇直線特性性和等百分分比特性經(jīng)驗準則:適當(dāng)?shù)剡x擇擇調(diào)節(jié)閥的的特性，以以閥的放大大系數(shù)的變變化來補償償控制對象象放大系數(shù)數(shù)的變化，，使控制系系統(tǒng)總的放放大系數(shù)保保持不變或或近似不變變（1）考慮系統(tǒng)統(tǒng)的控制品品質(zhì)6.6.2.執(zhí)行器流量量特性的選選擇調(diào)節(jié)閥在串串聯(lián)管道時時的工作流流量特性與與S值的大小有有關(guān)，即與與工藝配管管情況有關(guān)關(guān)。因此，，在選擇其其特性時，，還必須考考慮工藝配配管情況。。（2）考慮工藝藝管道情況況1.根據(jù)系統(tǒng)的的特點選擇擇所需要的的工作流量量特性2.考慮工藝配配管情況確確定相應(yīng)的的理想流量量特性P182表5-5具體做法:直線特性調(diào)調(diào)節(jié)閥在小小開度時流流量相對變變化值大，，控制過于于靈敏，易易引起振蕩蕩，且閥芯芯、閥座也也易受到破破壞，因此此在S值小、負荷荷變化大的的場合，不不宜采用。。等百分比比特性調(diào)節(jié)節(jié)閥的放大大系數(shù)隨調(diào)調(diào)節(jié)閥行程程增加而增增大，流量量相對變化化值是恒定定不變的，，因此它對對負荷變化化有較強的的適應(yīng)性。。（3）考慮負荷荷變化情況況結(jié)論：常用的調(diào)節(jié)節(jié)閥流量特特性為“線性”和“等百分比”在設(shè)計過程程中，當(dāng)流流量特性難難以確定時時，優(yōu)先選選用“等百分比”特性，它的的適應(yīng)性更更強。首先必須要要合理確定定調(diào)節(jié)閥流流量和壓差差的數(shù)據(jù)。。通常把代入入計算公式式中的流量量和壓差分分別稱為計計算流量和和計算壓差差。而在根據(jù)計計算所得到到的流量系系數(shù)選擇調(diào)調(diào)節(jié)閥口徑徑之后，還還應(yīng)對所選選調(diào)節(jié)閥開開度和可調(diào)調(diào)節(jié)比進行行驗算，以以保證所選選調(diào)節(jié)閥的的口徑能滿滿足控制