過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表-第三章-執(zhí)行器、安全柵

過(guò)程控制儀表執(zhí)行器過(guò)程控制儀表

執(zhí)行器由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（調(diào)節(jié)閥）兩部分組成。接受調(diào)節(jié)器輸出的控制信號(hào)，并轉(zhuǎn)換成直線位移或角位移來(lái)改變調(diào)節(jié)閥的流通面積，以控制流入或流出被控過(guò)程的物料或能量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)程參數(shù)的自動(dòng)控制。

執(zhí)行器有自動(dòng)調(diào)節(jié)閥門、自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器、自動(dòng)電流調(diào)節(jié)器、控制電機(jī)等。其中自動(dòng)調(diào)節(jié)閥門是最常見(jiàn)的執(zhí)行器。執(zhí)行器直接安裝在現(xiàn)場(chǎng)，直接與介質(zhì)接觸，通常在高溫、高壓、高粘度、強(qiáng)腐蝕、易結(jié)晶、易燃易爆等場(chǎng)合下工作。執(zhí)行器過(guò)程控制儀表自動(dòng)調(diào)節(jié)閥按照工作所用能源形式可分為：（1）電動(dòng)調(diào)節(jié)閥：電源配備方便，信號(hào)傳輸快、損失小，可遠(yuǎn)距離傳輸；但推力較小。（2）氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠，維護(hù)方便，防火防爆；但氣源配備不方便。（3）液動(dòng)調(diào)節(jié)閥：用液壓傳遞動(dòng)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(dòng)調(diào)節(jié)閥和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)過(guò)程控制儀表它接受氣動(dòng)調(diào)節(jié)器或電/氣轉(zhuǎn)換器輸出的氣壓信號(hào)，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(dòng)閥芯動(dòng)作。1-上蓋2—膜片3一平衡彈簧4一閥桿5－閥體6－閥座7－閥芯氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)過(guò)程控制儀表氣動(dòng)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(hào)增加時(shí)閥桿向下移動(dòng)時(shí)稱正作用；當(dāng)輸入氣壓信號(hào)增加時(shí)閥桿向上移動(dòng)時(shí)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。1-上蓋2—膜片3一平衡彈簧4一閥桿5－閥體6－閥座7－閥芯氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)過(guò)程控制儀表氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)的靜態(tài)特性表示平衡狀態(tài)時(shí)輸入的氣壓p與閥桿位移l的關(guān)系，即1-上蓋2—膜片3一平衡彈簧4一閥桿5－閥體6－閥座7－閥芯A為膜片的有效面積；k為平衡彈簧的彈性系數(shù)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)過(guò)程控制儀表

電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)配用的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)不同，其輸出方式有直行程、角行程和多轉(zhuǎn)式三種類型，其電氣原理完全相同，僅減速器不一樣。來(lái)自調(diào)節(jié)器的輸出電流Io為伺服放大器的控制輸入信號(hào)，與位置反饋器信號(hào)If進(jìn)行比較，差值經(jīng)過(guò)放大后控制伺服電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，經(jīng)過(guò)減速器后輸出位移信號(hào)改變調(diào)節(jié)閥開(kāi)度。

調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)過(guò)程控制儀表

調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)就是閥門，是一個(gè)局部阻力可以改變的節(jié)流元件。根據(jù)不同的使用要求，閥門的結(jié)構(gòu)型式很多。

（1）直通單座閥優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、泄漏量小。缺點(diǎn)：流體對(duì)閥芯的不平衡作用力大。一般用在小口徑、低壓差的場(chǎng)合。過(guò)程控制儀表（2）直通雙座閥閥體內(nèi)有兩個(gè)閥芯和閥座。優(yōu)點(diǎn)：流體流過(guò)時(shí)，作用在上、下兩個(gè)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。缺點(diǎn)：由于加工的限制，上下兩個(gè)閥芯閥座不易保證同時(shí)密閉，因此泄漏量較大。過(guò)程控制儀表（3）角形控制閥兩個(gè)接管呈直角形。優(yōu)點(diǎn)：流路簡(jiǎn)單、對(duì)流體的阻力較小。適用：現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)合。過(guò)程控制儀表（4）三通控制閥

有三個(gè)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。過(guò)程控制儀表（5）隔膜控制閥采用耐腐蝕材料作隔膜，將閥芯與流體隔開(kāi)。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(wú)填料，介質(zhì)也不會(huì)泄漏。適用：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。過(guò)程控制儀表（6）蝶閥又名翻板閥。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、流阻極小缺點(diǎn)：泄漏量大適用：大口徑、大流量、低壓差的場(chǎng)合，也可以用于含少量纖維或懸浮顆粒狀介質(zhì)的控制。氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的應(yīng)用過(guò)程控制儀表1、調(diào)節(jié)閥的尺寸

通常用公稱直徑Dg和閥座直徑dg表示，它們的確定是合理應(yīng)用執(zhí)行器的前提條件。確定調(diào)節(jié)閥尺寸的主要依據(jù)是流通能力，它定義為調(diào)節(jié)閥全開(kāi)、閥前后壓差為0.1MPa、流體重度為1g/cm3時(shí)，每小時(shí)通過(guò)閥門的流體流量（m3或kg）。

一般根據(jù)控制介質(zhì)的特點(diǎn)和控制要求確定執(zhí)行器的合理應(yīng)用，目前在過(guò)程控制中氣動(dòng)執(zhí)行器占大多數(shù)。氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的應(yīng)用過(guò)程控制儀表

α為流量系數(shù)，它取決于調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)形狀和流體流動(dòng)狀況，可從有關(guān)手冊(cè)查閱或由實(shí)驗(yàn)確定；Ao為調(diào)節(jié)閥接管截面積；g為重力加速度；r為流體重度。

可得流通能力與流體重度、閥前后壓差和介質(zhì)流量三者的定量關(guān)系，即課堂練習(xí)過(guò)程控制儀表某單座調(diào)節(jié)閥全開(kāi)時(shí)其最大流量為0.032m3/s，前后壓差為0.1MPa，流體重度為1000kg/m3，求其流通能力，試選取適當(dāng)?shù)墓Q直徑和閥座直徑。氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的應(yīng)用過(guò)程控制儀表2、執(zhí)行器的氣開(kāi)、氣關(guān)氣開(kāi)：當(dāng)氣壓信號(hào)P大于0.02MPa時(shí)，閥由關(guān)閉至打開(kāi)；氣關(guān)：當(dāng)氣壓信號(hào)P大于0.02MPa時(shí)，閥由全開(kāi)至關(guān)閉。調(diào)節(jié)閥氣開(kāi)、氣關(guān)的選擇，主要從工藝生產(chǎn)的安全來(lái)考慮。即當(dāng)發(fā)生斷電或其他故障引起的控制信號(hào)中斷時(shí)，執(zhí)行器的工作狀態(tài)應(yīng)避免損壞設(shè)備和傷害操作人員。過(guò)程控制儀表一般的加熱器，當(dāng)控制信號(hào)中斷時(shí)，需要執(zhí)行器處于關(guān)閉狀態(tài)，停止加熱，使設(shè)備不至于因溫度過(guò)高而發(fā)生事故或危險(xiǎn)，這時(shí)應(yīng)選擇氣開(kāi)還是氣關(guān)？燒水所用鍋爐的進(jìn)水執(zhí)行器，當(dāng)控制信號(hào)中斷時(shí)，需要執(zhí)行器處于打開(kāi)狀態(tài)，保證有水進(jìn)入鍋爐，不至于產(chǎn)生燒干導(dǎo)致爆炸事故，這時(shí)應(yīng)選擇氣開(kāi)還是氣關(guān)？過(guò)程控制儀表執(zhí)行機(jī)構(gòu)有正反作用，閥體也有正反兩種形式，故氣開(kāi)氣關(guān)有四種構(gòu)成過(guò)程控制儀表3、調(diào)節(jié)閥的流量特性流量特性的定義：被控介質(zhì)流過(guò)閥門的相對(duì)流量與閥門的相對(duì)開(kāi)度（相對(duì)位移）間的關(guān)系，即lq相對(duì)流量q/qmax是控制閥某一開(kāi)度流量q與全開(kāi)時(shí)流量qmax之比；相對(duì)開(kāi)度l/L是控制閥某一開(kāi)度行程l與全開(kāi)行程L之比。過(guò)程控制儀表由前式可知流量大小不僅與閥門的結(jié)構(gòu)和開(kāi)度有關(guān)，還與閥前后的壓差有關(guān)，于是有理想流量特性與工作流量特性之分。（1）理想流量特性

在將控制閥前后壓差固定時(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）快開(kāi)特性（b）直線特性（c）等百分比特性過(guò)程控制儀表1）直線流量特性控制閥的相對(duì)流量與相對(duì)開(kāi)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：定義可調(diào)比R為調(diào)節(jié)閥所能控制的最大流量與最小流量的比值，即過(guò)程控制儀表1）直線流量特性當(dāng)可調(diào)范圍R一定時(shí)，呈線性關(guān)系。且規(guī)定，當(dāng)l/lmax=0時(shí)，q/qmax=3.3%;當(dāng)l/lmax=100%時(shí)，q/qmax=100%。過(guò)程控制儀表2）對(duì)數(shù)流量特性

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：過(guò)程控制儀表2）對(duì)數(shù)流量特性曲線斜率（放大系數(shù)）隨行程的增大而增大。流量小時(shí)，流量變化小；流量大時(shí)，流量變化大。過(guò)程控制儀表3）快開(kāi)流量特性開(kāi)度較小時(shí)就有較大流量，隨開(kāi)度的增大，流量很快就達(dá)到最大，故稱為快開(kāi)特性。適用于迅速啟閉的切斷閥或雙位控制系統(tǒng)。過(guò)程控制儀表3）快開(kāi)流量特性過(guò)程控制儀表（2）工作流量特性實(shí)際使用時(shí)，調(diào)節(jié)閥裝在具有阻力的管道系統(tǒng)中。管道對(duì)流體的阻力隨流量而變化，閥前后壓差也是變化的，這時(shí)流量特性會(huì)發(fā)生畸變。1）管道串聯(lián)調(diào)節(jié)閥前后差壓是總差壓的一部分，當(dāng)總差壓一定時(shí)，隨著閥門開(kāi)度的增加，流量隨之增加，閥前后差壓減小，理想流量特性變異。過(guò)程控制儀表工程上常用阻力系數(shù)S表征串聯(lián)阻力對(duì)流量特性的影響。qmax表示串聯(lián)管道阻力為零、調(diào)節(jié)閥全開(kāi)時(shí)的流量；S則定義為閥全開(kāi)時(shí)閥前后壓差△PVmin與系統(tǒng)總壓差的比值，即S=△

PVmin

/△

PS=1時(shí)，理想流量特性S＜1時(shí)，流量特性畸變，直線閥變?yōu)榭扉_(kāi)閥，對(duì)數(shù)閥變?yōu)橹本€閥。實(shí)際應(yīng)用中，S不低于0.3~0.5過(guò)程控制儀表2）管道并聯(lián)在現(xiàn)場(chǎng)使用中，調(diào)節(jié)閥一般都裝有旁路管道和手動(dòng)閥，以便于手動(dòng)操作和維護(hù)。過(guò)程控制儀表

圖中S’=1時(shí)，旁路閥關(guān)閉，工作流量特性即為理想流量特性。隨著旁路閥逐漸打開(kāi)，S’值逐漸減小，調(diào)節(jié)閥的可調(diào)范圍也將大大降低，從而使調(diào)節(jié)閥的控制能力大大下降，影響控制效果。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，S’值不能低于0.8。

圖3－37并聯(lián)管道時(shí)調(diào)節(jié)閥工作流量特性a)直線閥b)對(duì)數(shù)閥過(guò)程控制儀表（3）流量特性的選擇依據(jù)過(guò)程特性選擇

一個(gè)過(guò)程控制系統(tǒng)，在負(fù)荷變動(dòng)的情況下，要使系統(tǒng)保持期望的控制品質(zhì)，則必須要求系統(tǒng)總的放大系數(shù)在整個(gè)操作范圍內(nèi)保持不變。一般變送器、已整定好的調(diào)節(jié)器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等放大系數(shù)基本上是不變的，但過(guò)程特性則往往是非線性的，其放大系數(shù)隨負(fù)荷而變。因此，必須通過(guò)合理選擇調(diào)節(jié)閥的工作特性，以補(bǔ)償過(guò)程的非線性，其選擇原則為調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)被控過(guò)程的放大系數(shù)電氣轉(zhuǎn)換器過(guò)程控制儀表

為了使氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥能夠接收電動(dòng)調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)，必須把標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號(hào)。將4～20mA的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成20～100KPa的標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號(hào)。力平衡式電氣轉(zhuǎn)換器過(guò)程控制儀表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