化工儀表自動(dòng)化【第五章】執(zhí)行器

化工儀表自動(dòng)化

（Instruments&AutomaticsofChemicalEngineering）

第五章

執(zhí)行器主講人：孫行衍第五章執(zhí)行器

5.1概述作用：接收控制器的控制信號(hào)，自動(dòng)改變操縱變量，達(dá)到對(duì)被控變量（如溫度、壓力、流量、液位等）進(jìn)行調(diào)節(jié)的目的。控制系統(tǒng)方框圖1、執(zhí)行器的作用5.1概述工作環(huán)境：高溫、高壓、深冷、易燃、易爆、強(qiáng)腐蝕、高粘度、易結(jié)晶、劇毒等。

執(zhí)行器的選擇非常重要，否則易給生產(chǎn)過程自動(dòng)化帶來困難。5.1概述能源形式氣動(dòng)執(zhí)行器電動(dòng)執(zhí)行器液動(dòng)執(zhí)行器以壓縮空氣作為能源；結(jié)構(gòu)簡單，動(dòng)作可靠，

輸出力大，安裝維修方便，價(jià)格低，本安防爆；廣泛用于有爆炸危險(xiǎn)的石油化工生產(chǎn)企業(yè)。缺點(diǎn)：滯后大，不適于遠(yuǎn)傳，與計(jì)算機(jī)等設(shè)備相連需經(jīng)過電/氣轉(zhuǎn)換器。以電源作為能源；驅(qū)動(dòng)能源簡單方便，推力大，動(dòng)作快，適合遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸，便與于計(jì)算機(jī)配合使用。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性差，價(jià)格高。采用防爆結(jié)構(gòu)才能達(dá)到防火防爆要求。采用高壓液體作為能源；現(xiàn)場使用較少2、執(zhí)行器的分類5.2氣動(dòng)執(zhí)行器執(zhí)行機(jī)構(gòu)：推動(dòng)裝置

根據(jù)控制信號(hào)的大小，產(chǎn)生相應(yīng)推力或位移的裝置?？刂茩C(jī)構(gòu)：控制部分改變能量或物料輸送量的裝置。1、氣動(dòng)執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)控制機(jī)構(gòu)5.2氣動(dòng)執(zhí)行器輔助裝置閥門定位器手輪機(jī)構(gòu)5.2氣動(dòng)執(zhí)行器（1）氣動(dòng)薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)：2、氣動(dòng)執(zhí)行器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)5.2氣動(dòng)執(zhí)行器（1）氣動(dòng)薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)：5.2氣動(dòng)執(zhí)行器正反作用：信號(hào)壓力增加，推桿向下運(yùn)動(dòng)ZMA型信號(hào)壓力增加，推桿向上運(yùn)動(dòng)ZMB型正作用反作用5.2氣動(dòng)執(zhí)行器氣動(dòng)薄膜式執(zhí)行器（氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)器）結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜、維修方便、應(yīng)用廣泛。5.2氣動(dòng)執(zhí)行器（2）氣動(dòng)活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)單作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)2口為進(jìn)氣口，4口為排氣口；氣信號(hào)壓力從2口進(jìn)入，推動(dòng)活塞分離向氣缸兩端移動(dòng)，兩端氣腔空氣從4口排出，同時(shí)使兩活塞齒條同步帶動(dòng)輸出軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)；氣信號(hào)降低時(shí)，活塞在彈簧作用下向氣缸中間移動(dòng)，氣缸空氣從2口排出，同時(shí)使兩活塞齒條同步帶動(dòng)輸出軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。5.2氣動(dòng)執(zhí)行器（2）氣動(dòng)活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)雙作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)2口和4口均可為進(jìn)氣口和排氣口；氣信號(hào)壓力從2口進(jìn)入，推動(dòng)活塞分離向氣缸兩端移動(dòng)，兩端氣腔空氣從4口排出，同時(shí)使兩活塞齒條同步帶動(dòng)輸出軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)；氣信號(hào)壓力從4口進(jìn)入，活塞在彈簧作用下向氣缸中間移動(dòng)，氣缸空氣從2口排出，同時(shí)使兩活塞齒條同步帶動(dòng)輸出軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。5.2氣動(dòng)執(zhí)行器氣動(dòng)活塞式執(zhí)行器

推力較大，適用于大口徑，高壓降控制閥或蝶閥的推動(dòng)裝置。5.2氣動(dòng)執(zhí)行器（3）氣動(dòng)長行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)行程長，轉(zhuǎn)矩大，適合于輸出轉(zhuǎn)角和力矩，如用于蝶閥或風(fēng)門的推動(dòng)。5.2氣動(dòng)執(zhí)行器控制機(jī)構(gòu)即控制閥，實(shí)際上是一個(gè)局部阻力可以改變的節(jié)流元件。

通過閥桿上部與執(zhí)行機(jī)構(gòu)相連，在執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出力和輸出位移的作用下，控制機(jī)構(gòu)使閥芯動(dòng)作，改變了閥芯與閥座間的流通面積，即改變了閥的阻力系數(shù)，使得被控介質(zhì)流量發(fā)生相應(yīng)改變。3、氣動(dòng)執(zhí)行器的控制機(jī)構(gòu)5.2氣動(dòng)執(zhí)行器（1）控制機(jī)構(gòu)各部分名稱5.2氣動(dòng)執(zhí)行器（2）控制機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)種類根據(jù)閥芯的動(dòng)作形式直行程式轉(zhuǎn)角式直通單座閥直通雙座閥角形閥三通閥隔膜閥籠式閥蝶閥球閥凸輪撓曲閥5.2氣動(dòng)執(zhí)行器直通單座閥

閥體內(nèi)只有一個(gè)閥芯和一個(gè)閥座。

適用場合：

適用于要求泄漏量小、小口徑、壓差小的場合。5.2氣動(dòng)執(zhí)行器直通雙座閥

閥體內(nèi)有兩個(gè)閥芯和兩個(gè)閥座。

適用場合：

適用于對(duì)泄漏量要求不嚴(yán)、壓差較大的場合。5.2氣動(dòng)執(zhí)行器直通雙座閥閥芯正裝：閥芯下移，閥芯與閥座間流通面積減?。婚y芯反裝：閥芯下移，閥芯與閥座間流通面積增大；

注意：管道直徑小于25mm時(shí)，閥芯只能正裝不能反裝。5.2氣動(dòng)執(zhí)行器角形閥

閥體兩個(gè)接管呈直角形。

適用場合：

適用于現(xiàn)場管道要求直角連接，介質(zhì)為高黏度、高壓差和含義少量懸浮物和固體顆粒物的場合。5.2氣動(dòng)執(zhí)行器三通閥

閥體共有三個(gè)出入口與工藝管道連接。分為合流型和分流型兩種。

適用場合：

配比控制和旁路控制的場合。5.2氣動(dòng)執(zhí)行器隔膜閥

采用耐腐蝕襯里的閥體和隔膜。結(jié)構(gòu)簡單，流阻小，流通能力強(qiáng)。

適用場合：

強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)的控制，也可用于高黏度及懸浮顆粒狀介質(zhì)的控制。5.2氣動(dòng)執(zhí)行器蝶閥（翻板閥）結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，價(jià)格便宜、流阻小但泄漏大。

適用場合：

大口徑、大流量、低壓差，也可用于含有少量纖維或懸浮顆粒狀介質(zhì)的控制。5.2氣動(dòng)執(zhí)行器球閥閥芯和閥體都呈球形體，轉(zhuǎn)動(dòng)閥芯使之與閥體處于不同的相對(duì)位置時(shí)，具有不同的流量面積。

適用場合：O形球閥適用于雙位控制，V形球閥適用于高黏度和污穢介質(zhì)的控制。5.2氣動(dòng)執(zhí)行器凸輪撓曲閥（偏心旋轉(zhuǎn)閥）閥芯呈扇形球面狀，與撓曲臂及軸套一起鑄成，固定在轉(zhuǎn)軸上。

適用場合：高黏度或帶有懸浮物的介質(zhì)流量控制。5.2氣動(dòng)執(zhí)行器籠式閥（套筒形閥）閥內(nèi)有一個(gè)圓柱形套筒，其上有一個(gè)或幾個(gè)不同形狀的孔，利用套筒導(dǎo)向，閥芯在套筒內(nèi)移動(dòng)，改變籠子的節(jié)流面積。

適用場合：要求低噪聲和壓差較大的場合。不適用于高溫、高黏度及含有固體顆粒物的流體。5.2氣動(dòng)執(zhí)行器4.控制閥的流量特性

控制閥的流量特性是指被控介質(zhì)流過閥門的相對(duì)流量與閥門的相對(duì)開度（相對(duì)位移）間的關(guān)系，即5.2氣動(dòng)執(zhí)行器（1）控制閥的理想流量特性圖5-12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。它取決于閥芯的形狀。（a）直線流量特性

指控制閥的相對(duì)流量與相對(duì)開度成直線關(guān)系。（5-2）5.2氣動(dòng)執(zhí)行器將（5-2）積分可得（5-3）邊界條件：l=0時(shí)，Q=Qmin;l=L時(shí)Q=Qmax把邊界條件代入式（5-3），可分別得（5-4）R為控制閥的可調(diào)范圍或可調(diào)比。

Qmin不等于控制閥全關(guān)時(shí)的泄漏量，一般是Qmax的2％～4％。注意！5.2氣動(dòng)執(zhí)行器將式（5-4）代入式（5-3），可得（5-5）注意：當(dāng)可調(diào)比不同時(shí)，特性曲線在縱坐標(biāo)上的起點(diǎn)是不同的。5.2氣動(dòng)執(zhí)行器圖5-13理想流量特性1—快開；2—直線；3—拋物線；4—等百分比曲線當(dāng)R=30，l/L=0時(shí)，Q/Qmax=0.33假設(shè)R=∞，特征曲線以坐標(biāo)原點(diǎn)為起點(diǎn)。當(dāng)位移變化量為10%，所引起的流量變化量也為10%。在10％時(shí)，流量變化的相對(duì)值為在50％時(shí)，流量變化的相對(duì)值為

在80％時(shí)，流量變化的相對(duì)值為

在流量小時(shí)，流量變化的相對(duì)值大；在流量大時(shí)，流量變化的相對(duì)值小。5.2氣動(dòng)執(zhí)行器（b）等百分比（對(duì)數(shù)）流量特性

等百分比流量特性是指單位相對(duì)行程變化所引起的相對(duì)流量變化與此點(diǎn)的相對(duì)流量成正比關(guān)系。（5-6）將（5-6）積分

將前述邊界條件代入（5-7）5.2氣動(dòng)執(zhí)行器（c）拋物線流量特性（d）快開特性

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)。

5.2氣動(dòng)執(zhí)行器(２)控制閥的工作流量特性

在實(shí)際生產(chǎn)中，控制閥前后壓差總是變化的，這時(shí)的流量特性稱為工作流量特性。（a）串聯(lián)管道的工作流量特性圖5-14串聯(lián)管道的情形圖5-15管道串聯(lián)時(shí)控制閥壓差變化情況5.2氣動(dòng)執(zhí)行器圖5-16管道串聯(lián)時(shí)控制閥的工作特性5.2氣動(dòng)執(zhí)行器（b）并聯(lián)管道的工作流量特性

控制閥一般都裝有旁路，以便手動(dòng)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5-17并聯(lián)管道的情況如圖5-17所示，顯然這時(shí)管路的總流量Q是控制閥流量Q1與旁路流量Q2之和，即Q＝Q1＋Q2。5.2氣動(dòng)執(zhí)行器

若以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Δp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5-18并聯(lián)管道時(shí)控制閥的工作特性5.2氣動(dòng)執(zhí)行器

當(dāng)x＝1，即旁路閥關(guān)閉、Q2＝0時(shí)，控制閥的工作流量特性與它的理想流量特性相同。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?？刂崎y關(guān)死，即l/L＝0時(shí)，流量Qmin比控制閥本身的Q1min大得多。5.2氣動(dòng)執(zhí)行器①串、并聯(lián)管道都會(huì)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。②串、并聯(lián)管道都會(huì)使控制閥的可調(diào)范圍降低，并聯(lián)管道尤為嚴(yán)重。③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。④串、并聯(lián)管道會(huì)使控制閥的放大系數(shù)減小，即輸入信號(hào)變化引起的流量變化值減少。結(jié)論5.2氣動(dòng)執(zhí)行器5.控制閥的流量特性（1）控制閥結(jié)構(gòu)與特性的選擇

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。

結(jié)構(gòu)形式選擇特性選擇

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。目前使用比較多的是等百分比流量特性。

5.2氣動(dòng)執(zhí)行器

主要從工藝生產(chǎn)上安全要求出發(fā)。信號(hào)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(dòng)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。選擇要求

有壓力信號(hào)時(shí)閥關(guān)、無信號(hào)壓力時(shí)閥開的為氣關(guān)式。反之，為氣開式。

（2）氣開式與氣關(guān)式的選擇5.2氣動(dòng)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（反）氣開（反）氣關(guān)（正）表5-1組合方式表5.2氣動(dòng)執(zhí)行器控制閥氣開、氣關(guān)的選擇原則：

安全原則例1、鍋爐汽包水位的控制原因：供氣中斷時(shí)，應(yīng)使給水閥全開，使得鍋爐不致燒干引起爆炸。結(jié)果：選擇氣關(guān)型。5.2氣動(dòng)執(zhí)行器例2.加熱爐爐溫的控制原因：供氣中斷時(shí)，應(yīng)使燃料閥全關(guān)，停止供應(yīng)燃料油。不致使得加熱爐溫度過高造成加熱爐的損壞。結(jié)果：選擇氣開型。5.2氣動(dòng)執(zhí)行器（3）控制閥口徑的選擇

口徑選擇得過小，會(huì)使流經(jīng)控制閥的介質(zhì)達(dá)不到所需要的最大流量?？趶竭x擇得過大，會(huì)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)KV值決定的。流量系數(shù)KV的定義為：當(dāng)閥兩端壓差為100kPa，流體密度為1g/cm3，閥全開時(shí)，流經(jīng)控制閥的流體流量。對(duì)于不可壓縮的流體，且閥前后壓差p1－p2不太大時(shí)，有

5.2氣動(dòng)執(zhí)行器6.氣動(dòng)執(zhí)行器的安裝和維護(hù)（1）為便于維護(hù)檢修，氣動(dòng)執(zhí)行器應(yīng)安裝在靠近地面或樓板的地方。

（2）氣動(dòng)執(zhí)行器應(yīng)安裝在環(huán)境溫度不高于+60℃和不低于-40℃的地方，并應(yīng)遠(yuǎn)離振動(dòng)較大的設(shè)備。（3）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。5.2氣動(dòng)執(zhí)行器（5）通過控制閥的流體方向在閥體上有箭頭標(biāo)明，不能裝反。（4）氣動(dòng)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，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(dòng)場合時(shí)，也應(yīng)加支撐。（6）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。考慮到控制閥發(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。5.2氣動(dòng)執(zhí)行器（7）控制閥安裝前，應(yīng)對(duì)管路進(jìn)行清洗，排去污物和焊渣。安裝后還應(yīng)再次對(duì)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)使閥門處于全開位置以免雜質(zhì)卡住。圖5-20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）在日常使用中，要對(duì)控制閥經(jīng)常維護(hù)和定期檢修。

5.3電動(dòng)執(zhí)行器

電動(dòng)執(zhí)行器接收來自控制器的0～10mA或4～20mA的直流電流信號(hào)，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(dòng)控制。定義分類

角行程直行程多轉(zhuǎn)式5.3電動(dòng)執(zhí)行器角行程電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

主要由伺服放大器、伺服電動(dòng)機(jī)、減速器、位置發(fā)送器和操縱器組成。

圖5-21角行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)的組成示意圖5.3電動(dòng)執(zhí)行器

是能將執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出軸的位移轉(zhuǎn)變?yōu)?～10mADC（或4～20mADC）反饋信號(hào)的裝置，它的主要部分是差動(dòng)變壓器。

位置發(fā)送器圖5-22差動(dòng)變壓器原理圖

電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)不僅可與控制器配合實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，還可通過操縱器實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的自動(dòng)控制和手動(dòng)控制的相互切換。當(dāng)操縱器的切換開關(guān)置于手動(dòng)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)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(dòng)操作。小結(jié)5.4電-氣轉(zhuǎn)換器及電-氣閥門定位器

電-氣轉(zhuǎn)換器可以把電動(dòng)變送器來的電信號(hào)變?yōu)闅庑盘?hào)，送到氣動(dòng)控制器或氣動(dòng)顯示儀表；也可把電動(dòng)控制器的輸出信號(hào)變?yōu)闅庑盘?hào)去驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)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(dòng)閥門定位器兩種作用。5.4電-氣轉(zhuǎn)換器及電-氣閥門定位器1.電-氣轉(zhuǎn)換器按力矩平衡原理工作圖5-23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5