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1、化工儀表及自動化,第六章 執(zhí)行器,內(nèi)容提要,氣動執(zhí)行器 氣動執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)與分類 控制閥的流量特性 控制閥的選擇 氣動執(zhí)行器的安裝和維護 電動執(zhí)行器 電-氣轉(zhuǎn)換器及電-氣閥門定位器 電-氣轉(zhuǎn)換器 電-氣閥門定位器,1,內(nèi)容提要,數(shù)字閥與智能控制閥 數(shù)字閥 智能控制閥,2,概述,3,作用,接收控制器送來的控制信號,改變被控介質(zhì)的流量,從而將被控變量維持在所要求的數(shù)值上或一定的范圍內(nèi)。,按能源形式分類,氣動執(zhí)行器 電動執(zhí)行器 液動執(zhí)行器,執(zhí)行器,第一節(jié) 氣動執(zhí)行器,4,第一節(jié) 氣動執(zhí)行器,常用輔助設(shè)備,圖6-1 氣動執(zhí)行器示意圖,5,第一節(jié) 氣動執(zhí)行器,一、氣動執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)與分類,6,1.執(zhí)行機構(gòu),
2、薄膜式,活塞式,結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、維修方便,應(yīng)用廣泛。,推力較大,用于大口徑、高壓降控制閥或蝶閥的推動裝置。,長行程,行程長、轉(zhuǎn)矩大,適于輸出轉(zhuǎn)角(6090)和力矩。,氣動薄膜式執(zhí)行機構(gòu)有正作用和反作用兩種形式。,根據(jù)有無彈簧可分為有彈簧的及無彈簧的執(zhí)行機構(gòu)。,結(jié) 構(gòu),第一節(jié) 氣動執(zhí)行器,7,2.控制機構(gòu),根據(jù)不同的使用要求,控制閥的結(jié)構(gòu)形式主要有以下幾種。,(1)直通單座控制閥,閥體內(nèi)只有一個閥芯與閥座。,特點,結(jié)構(gòu)簡單、泄漏量小,易保證關(guān)閉,甚至完全切斷。,缺點,在壓差大的時候,流體對閥芯上下作用的推力不平衡,這種不平衡力會影響閥芯的移動。,圖6-2 直通單座閥,第一節(jié) 氣動執(zhí)行器,8,
3、(2)直通雙座控制閥,閥體內(nèi)有兩個閥芯和閥座。,特點,流體流過的時候,不平衡力小。,缺點,容易泄漏,可分為正作用式與反作用式兩種形式。,根據(jù)閥芯與閥座的相對位置,圖6-3 直通雙座閥,第一節(jié) 氣動執(zhí)行器,(3)角形控制閥,角形閥的兩個接管呈直角形,一般為底進側(cè)出。,特點,流路簡單、阻力較小,適于現(xiàn)場管道要求直角連接,介質(zhì)為高黏度、高壓差和含有少量懸浮物和固體顆粒狀的場合。,圖6-4 角形閥,9,第一節(jié) 氣動執(zhí)行器,(4)三通控制閥,共有三個出入口與工藝管道連接。,按照流通方式分,合流型和分流型兩種,圖6-5 三通閥,10,第一節(jié) 氣動執(zhí)行器,11,(5)隔膜控制閥,采用耐腐蝕襯里的閥體和隔膜。
4、,特點,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。不易泄漏。耐腐蝕性強,適用于強酸、強堿、強腐蝕性介質(zhì)的控制,也能用于高黏度及懸浮顆粒狀介質(zhì)的控制。,圖6-6 隔膜閥,第一節(jié) 氣動執(zhí)行器,(6)蝶閥,特點,結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、價格便宜、流阻極小。,缺點,泄漏量大。,圖6-7 蝶閥,12,第一節(jié) 氣動執(zhí)行器,13,(7)球閥,球閥的閥芯與閥體都呈球形體,轉(zhuǎn)動閥芯使之與閥體處于不同的相對位置時,就具有不同的流通面積,以達到流量控制的目的。,“V”形和“O”形兩種開口形式。,球閥閥芯分類,圖6-8球閥,圖6-9球閥閥芯的形狀,第一節(jié) 氣動執(zhí)行器,(8)凸輪撓曲閥,閥芯呈扇形球面狀,與撓曲臂
5、及軸套一起鑄成,固定在轉(zhuǎn)動軸上。,特點,密封性好。重量輕、體積小、安裝方便,適用于高黏度或帶有懸浮物的介質(zhì)流量控制。,圖6-10凸輪撓曲閥,14,第一節(jié) 氣動執(zhí)行器,15,(9)籠式閥,特點,可調(diào)比大、振動小、不平衡力小、結(jié)構(gòu)簡單、套筒互換性好,更換不同的套筒可得到不同的流量特性,閥內(nèi)部件所受的汽蝕小、噪聲小,是一種性能優(yōu)良的閥,特別適用于要求低噪聲及壓差較大的場合。,缺點,不適用高溫、高黏度及含有固體顆粒的流體。,圖6-11籠式閥,第一節(jié) 氣動執(zhí)行器,二、控制閥的流量特性,控制閥的流量特性是指被控介質(zhì)流過閥門的相對流量與閥門的相對開度(相對位移)間的關(guān)系,即,16,第一節(jié) 氣動執(zhí)行器,17,
6、1.控制閥的理想流量特性,圖6-12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得到的流量特性稱為理想流量特性。它取決于閥芯的形狀,(1)直線流量特性,指控制閥的相對流量與相對開度成直線關(guān)系。,(6-2),第一節(jié) 氣動執(zhí)行器,18,將(6-2)積分可得,(6-3),邊界條件:l=0時,Q=Qmin; l=L時Q=Qmax,把邊界條件代入式(6-3),可分別得,(6-4),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)時的泄漏量,一般是Qmax的24。,注意!,第一節(jié) 氣動執(zhí)行器,將式(6-4)代入式(6-3),可得,(6-5),注意:當可
7、調(diào)比不同時,特性曲線在縱坐標上的起點是不同的。,19,第一節(jié) 氣動執(zhí)行器,20,圖6-13理想流量特性,1快開;2直線;3拋物線;4等百分比曲線,舉例,當R=30,l/L=0時,Q/Qmax=0.33,假設(shè)R=,位移變化量為10%,在10時,流量變化的相對值為 在50時,流量變化的相對值為 在80時,流量變化的相對值為,在流量小時,流量變化的相對值大;在流量大時,流量變化的相對值小。,第一節(jié) 氣動執(zhí)行器,21,(2)等百分比(對數(shù))流量特性,等百分比流量特性是指單位相對行程變化所引起的相對流量變化與此點的相對流量成正比關(guān)系。,(6-6),將(6-6)積分,將前述邊界條件代入,(6-7),第一節(jié)
8、 氣動執(zhí)行器,22,(3)拋物線流量特性,(4)快開特性,這種流量特性在開度較小時就有較大流量,隨開度的增大,流量很快就達到最大。,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)。,第一節(jié) 氣動執(zhí)行器,23,.控制閥的工作流量特性,在實際生產(chǎn)中,控制閥前后壓差總是變化的,這時的流量特性稱為工作流量特性。,(1)串聯(lián)管道的工作流量特性,圖6-14 串聯(lián)管道的情形,圖6-15 管道串聯(lián)時控制閥壓差變化情況,第一節(jié) 氣動執(zhí)行器,圖6-16管道串聯(lián)時控制閥的工作特性,24,第一節(jié) 氣動執(zhí)行器,25,(2)并聯(lián)管道的工作流量特性,控制閥一般都裝有旁路,以便手動操作和維護。當生產(chǎn)量提高
9、或控制閥選小了時,只好將旁路閥打開一些,此時控制閥的理想流量特性就改變成為工作特性。,圖6-17 并聯(lián)管道的情況,如圖6-17所示,顯然這時管路的總流量Q是控制閥流量Q1與旁路流量Q2之和,即QQ1Q2。,第一節(jié) 氣動執(zhí)行器,26,以x代表并聯(lián)管道時控制閥全開時的流量Q1max與總管最大流量Qmax之比,可以得到在壓差p為一定時,而x為不同數(shù)值時的工作流量特性曲線。,圖6-18并聯(lián)管道時控制閥的工作特性,第一節(jié) 氣動執(zhí)行器,27,由上圖可見,當x1,即旁路閥關(guān)閉、Q20時,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
10、大降低了。 控制閥關(guān)死,即l/L0時,流量Qmin比控制閥本身的Q1min大得多。,第一節(jié) 氣動執(zhí)行器,在實際使用中總存在著串聯(lián)管道阻力的影響,控制閥上的壓差還會隨流量的增加而降低,使可調(diào)范圍下降得更多些,控制閥在工作過程中所能控制的流量變化范圍更小,甚至幾乎不起控制作用。 采用打開旁路閥的控制方案是不好的,一般認為旁路流量最多只能是總流量的百分之十幾,即x值最小不低于0.8。,28,第一節(jié) 氣動執(zhí)行器,29, 串、并聯(lián)管道都會使閥的理想流量特性發(fā)生畸變,串聯(lián)管道的影響尤為嚴重。 串、并聯(lián)管道都會使控制閥的可調(diào)范圍降低,并聯(lián)管道尤為嚴重。 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。
11、串、并聯(lián)管道會使控制閥的放大系數(shù)減小,即輸入信號變化引起的流量變化值減少。,結(jié)論,第一節(jié) 氣動執(zhí)行器,三、控制閥的選擇,30,1.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。,第一節(jié) 氣動執(zhí)行器,主要從工藝生產(chǎn)上安全要求出發(fā)。信號壓力中斷時,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,閥門能自動打開,保證安全。反之閥處于
12、關(guān)閉時危害性小,則應(yīng)選用氣開閥。,選擇要求,有壓力信號時閥關(guān)、無信號壓力時閥開的為氣關(guān)式。反之,為氣開式。,2.氣開式與氣關(guān)式的選擇,31,第一節(jié) 氣動執(zhí)行器,32,表6-1組合方式表,圖6-19 組合方式圖,第一節(jié) 氣動執(zhí)行器,33,3.控制閥口徑的選擇,口徑選擇得過小,會使流經(jīng)控制閥的介質(zhì)達不到所需要的最大流量。 口徑選擇得過大,會浪費設(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:當閥兩端壓差為100kPa,流體密度為1g/cm3,閥全開時,流經(jīng)控制閥的流體流量。,對于不可壓縮的流體,且
13、閥前后壓差p1p2不太大時,有,第一節(jié) 氣動執(zhí)行器,四、氣動執(zhí)行器的安裝和維護,34,(1)為便于維護檢修,氣動執(zhí)行器應(yīng)安裝在靠近地面或樓板的地方。,(2)氣動執(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)遠離振動較大的設(shè)備。,(3)閥的公稱通徑與管道公稱通徑不同時,兩者之間應(yīng)加一段異徑管。,第一節(jié) 氣動執(zhí)行器,(5)通過控制閥的流體方向在閥體上有箭頭標明,不能裝反。,(4)氣動執(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,除小口徑閥外,一般應(yīng)加支撐。即使正立垂直安裝,當閥的自重較大和有振動場合時,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
14、理時拆下控制閥??紤]到控制閥發(fā)生故障或維修時,不影響工藝生產(chǎn)的繼續(xù)進行,一般應(yīng)裝旁路閥。,35,第一節(jié) 氣動執(zhí)行器,36,(7)控制閥安裝前,應(yīng)對管路進行清洗,排去污物和焊渣。安裝后還應(yīng)再次對管路和閥門進行清洗,并檢查閥門與管道連接處的密封性能。當初次通入介質(zhì)時,應(yīng)使閥門處于全開位置以免雜質(zhì)卡住。,圖6-20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,要對控制閥經(jīng)常維護和定期檢修。,第二節(jié) 電動執(zhí)行器,37,電動執(zhí)行器接收來自控制器的010mA或420mA的直流電流信號,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、擋板等控制機構(gòu),以實現(xiàn)自動控制。,定義,分類,
15、角行程 直行程 多轉(zhuǎn)式,第二節(jié) 電動執(zhí)行器,角行程電動執(zhí)行機構(gòu),主要由伺服放大器、伺服電動機、減速器、位置發(fā)送器和操縱器組成。,圖6-21 角行程執(zhí)行機構(gòu)的組成示意圖,38,第二節(jié) 電動執(zhí)行器,39,是能將執(zhí)行機構(gòu)輸出軸的位移轉(zhuǎn)變?yōu)?10mA DC(或420mA DC)反饋信號的裝置,它的主要部分是差動變壓器。,位置發(fā)送器,圖6-22差動變壓器原理圖,電動執(zhí)行機構(gòu)不僅可與控制器配合實現(xiàn)自動控制,還可通過操縱器實現(xiàn)控制系統(tǒng)的自動控制和手動控制的相互切換。當操縱器的切換開關(guān)置于手動操作位置時,由正、反操作按鈕直接控制電機的電源,以實現(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)輸出軸的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn),進行遙控手動操作。,小結(jié),第三節(jié) 電
16、-氣轉(zhuǎn)換器及電-氣閥門定位器,電-氣轉(zhuǎn)換器可以把電動變送器來的電信號變?yōu)闅庑盘?,送到氣動控制器或氣動顯示儀表;也可把電動控制器的輸出信號變?yōu)闅庑盘柸ヲ?qū)動氣動控制閥,此時常用電氣閥門定位器,它具有電-氣轉(zhuǎn)換器和氣動閥門定位器兩種作用。,40,第三節(jié) 電-氣轉(zhuǎn)換器及電-氣閥門定位器,一、電-氣轉(zhuǎn)換器,41,按力矩平衡原理工作,圖6-23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,第三節(jié) 電-氣轉(zhuǎn)換器及電-氣閥門定位器,二、電-氣閥門定位器,42,作用,具有電-氣轉(zhuǎn)換器的作用,可用電動控制器輸出的010 mA DC或420 mA DC信號去操縱氣動執(zhí)行機構(gòu); 具有氣動閥門定位器的作用,可以使閥門位置按控制器送來的信號準確定位。 改變圖6-24中反饋凸輪5的形狀或安裝位置,還可以改變控制閥的流量特性和實現(xiàn)正、反作用。,第三節(jié) 電-氣轉(zhuǎn)換器及電-氣閥門定位器,圖6-24電-氣閥門定位器,1力矩馬達;2主杠桿;3平衡彈簧;4反饋凸輪支點;5反饋凸輪;6副杠桿;7副杠桿支點;8薄膜執(zhí)行機構(gòu);9反饋桿;10滾輪;11反饋彈簧;12調(diào)零彈簧;13擋板;14噴嘴;15主杠桿支點,43,第三節(jié) 電-氣轉(zhuǎn)換器及電-氣閥門定位器,一、數(shù)字閥,數(shù)字閥
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