化工儀表及自動化(執(zhí)行器)

1、化工儀表及自動化化工儀表及自動化第五章第五章 執(zhí)行器執(zhí)行器 內容提要內容提要n 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器n氣動執(zhí)行器的結構與分類氣動執(zhí)行器的結構與分類n控制閥的流量特性控制閥的流量特性n控制閥的選擇控制閥的選擇n氣動執(zhí)行器的安裝和維護氣動執(zhí)行器的安裝和維護n 電動執(zhí)行器電動執(zhí)行器n 電電- -氣轉換器及電氣轉換器及電- -氣閥門定位器氣閥門定位器n電電- -氣轉換器氣轉換器n電電- -氣閥門定位器氣閥門定位器1內容提要內容提要n 數(shù)字閥與智能控制閥數(shù)字閥與智能控制閥n數(shù)字閥數(shù)字閥n智能控制閥智能控制閥2概述概述3 接收控制器送來的控制信號，改變被控介質的流量，從而將被控變量維持在所要求的數(shù)值上或一

2、定的范圍內。 p 氣動執(zhí)行器p 電動執(zhí)行器p 液動執(zhí)行器第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器4 執(zhí)行器的推動裝置，它按控制信號壓力的大小產生相應的推力，推動控制機構動作，所以它是將信號壓力的大小轉換為閥桿位移的裝置。 執(zhí)行器的控制部分，它直接與被控介質接觸，控制流體的流量。所以它是將閥桿的位移轉換為流過閥的流量的裝置。 第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器閥門定位器閥門定位器手輪機構手輪機構圖5-1 氣動執(zhí)行器示意圖5第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器n 一、氣動執(zhí)行器的結構與分類一、氣動執(zhí)行器的結構與分類6結構簡單、價格便宜、維修方便，應用廣泛。 推力較大，用于大口徑、高壓降控制閥或蝶閥的推動裝

3、置。 行程長、轉矩大，適于輸出轉角（6090）和力矩。 根據(jù)有無彈簧可分為有彈簧的及無彈簧的執(zhí)行機構。根據(jù)有無彈簧可分為有彈簧的及無彈簧的執(zhí)行機構。 結結構構第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器7根據(jù)不同的使用要求，控制閥的結構形式主要有以下幾種。閥體內只有一個閥芯與閥座。結構簡單、泄漏量小，易保證關閉，甚至完全切斷。 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5-2 直通單座閥第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器8 閥體內有兩個閥芯和閥座。 流體流過的時候，不平衡力小。 容易泄漏可分為正作用式與反作用式兩種形式。 圖5-3 直通雙座閥第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行

4、器氣動執(zhí)行器 角形閥的兩個接管呈直角形，一般為底進側出。 流路簡單、阻力較小，適于現(xiàn)場管道要求直角連接，介質為高黏度、高壓差和含有少量懸浮物和固體顆粒狀的場合。 圖5-4 角形閥9第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器 共有三個出入口與工藝管道連接。 合流型和分流型兩種 圖5-5 三通閥10第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器11 采用耐腐蝕襯里的閥體和隔膜。 結構簡單、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、強腐蝕性介質的控制，也能用于高黏度及懸浮顆粒狀介質的控制。圖5-6 隔膜閥注意執(zhí)行機構須有足夠的推力注意執(zhí)行機構須有足夠的推力 第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)

5、行器氣動執(zhí)行器結構簡單、重量輕、價格便宜、流阻極小。泄漏量大。 圖5-7 蝶閥12第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器13 球閥的閥芯與閥體都呈球形體，轉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。 圖5-8球閥圖5-9球閥閥芯的形狀第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器 閥芯呈扇形球面狀，與撓曲臂及軸套一起鑄成，固定在轉動軸上。 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流量控制。圖5-10凸輪撓曲閥14第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器15 可調比大、振動小、不平衡力小、結構簡單、套筒互換性好，更換不

6、同的套筒可得到不同的流量特性，閥內部件所受的汽蝕小、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。 不適用高溫、高黏度及含有固體顆粒的流體。 圖5-11籠式閥第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器n 二、控制閥的流量特性二、控制閥的流量特性 是指被控介質流過閥門的相對是指被控介質流過閥門的相對流量與閥門的相對開度（相對位移）間的關系，即流量與閥門的相對開度（相對位移）間的關系，即 LlfQQmax16第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器17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得到的流量特性稱為理想流量特性。它取決于閥芯

7、的形狀 指控制閥的相對流量與相對開度成直線關系。KLldQQdmax（5-2）第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器CLlKQQmax18將（5-2）積分可得（5-3）：l=0時，Q=Qmin; l=L時Q=Qmax把邊界條件代入式（5-3），可分別得RCKRQQC111,1maxmin（5-4） Qmin不等于控制閥全關時的泄漏量，一般是不等于控制閥全關時的泄漏量，一般是Qmax的的2 24 4。注意！注意！第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器將式（5-4）代入式（5-3），可得LlRRQQ111max 19第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器%100%10010102020圖5-13理想流量特性1

8、快開；2直線；3拋物線；4等百分比曲線舉例舉例當當R=30,=30,l/L=0=0時，時，Q/Qmaxmax=0.33=0.33假設假設R=,位移變化量為位移變化量為10%10%在在1010時，流量變化的相對值為時，流量變化的相對值為在在5050時，流量變化的相對值為時，流量變化的相對值為 在在8080時，流量變化的相對值為時，流量變化的相對值為 %20100505060%5 .12%100808090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)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器maxmaxQQKLldQQdCLlKQQmaxlnRKRRQQCln,ln1lnlnmaxmi

9、n21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系。1maxLlRQQ（5-6）將（5-6）積分 將前述邊界條件代入 （5-7）第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器222max111LlRRQQ 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)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器23 在實際生產中，控制閥前后壓差總是變化的，這時的流量特性稱為圖5-14 串聯(lián)管道的情形圖5-15 管道串聯(lián)時控制閥壓差變化情況第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器圖5-16管道串聯(lián)時控制閥的工作特性24第

10、一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器25 控制閥一般都裝有旁路，以便手動操作和維護。當生產量提高或控制閥選小了時，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5-17 并聯(lián)管道的情況如圖如圖5-17所示，顯然這時管所示，顯然這時管路的總流量路的總流量Q是控制閥流量是控制閥流量Q1與旁路流量與旁路流量Q2之和，即之和，即QQ1Q2。 第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(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5-18并聯(lián)管道時控制閥的工作特性第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行

11、器27 當x1，即旁路閥關閉、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，但可調范圍大大降低了。 控制閥關死，即l/L0時，流量Qmin比控制閥本身的Q1min大得多。第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(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)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器29

12、 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。 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。 第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器n 三、控制閥的選擇三、控制閥的選擇30 主要根據(jù)工藝條件，如溫度、壓力及介質的物理、化學特性（如腐蝕性、黏度等）來選擇。 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的理想流量特性。 第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器 主要從工藝生產上安全要求出發(fā)。主要從工藝生產上安全要

13、求出發(fā)。信號壓力中斷時，應保證設備和操作人員的安全。如果閥處于打開位置時危害性小，則應選用氣關式，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。反之閥處于關閉時危害性小，則應選用氣開閥。 有壓力信號時閥關、無信號壓力時閥開的為氣關式氣關式。反之，為氣開式氣開式。31第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器序號序號執(zhí)行機構執(zhí)行機構控制閥控制閥氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器（a a）（b b）（c c）（d d）正正正正反反反反正正反反正正反反氣關（正）氣關（正）氣開（反）氣開（反）氣開（反）氣開（反）氣關（正）氣關（正）32表5-1組合方式表圖5-19 組合方式圖第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器

14、33 口徑選擇得過小，會使流經控制閥的介質達不到所需要的最大流量。 口徑選擇得過大，會浪費設備投資，且使控制閥經常處于小開度工作，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)控制閥的口徑選擇是由控制閥流量系數(shù)KV值決定的。值決定的。流量系數(shù)流量系數(shù)KV的定義為：當閥兩端壓差為的定義為：當閥兩端壓差為100100kPa，流體密度，流體密度為為1 1g/cm3，閥全開時，流經控制閥的流體流量。，閥全開時，流經控制閥的流體流量。 2110ppQKV對于不可壓縮的流體，且閥前后壓差p1p2不太大時，有 第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器n 四、氣動執(zhí)行器的安裝和維護四、氣

15、動執(zhí)行器的安裝和維護34（1 1）為便于維護檢修，氣動執(zhí)行器應安裝在靠近地面）為便于維護檢修，氣動執(zhí)行器應安裝在靠近地面或樓板的地方。或樓板的地方。 （2 2）氣動執(zhí)行器應安裝在環(huán)境溫度不高于）氣動執(zhí)行器應安裝在環(huán)境溫度不高于+60+60和不和不低于低于-40-40的地方，并應遠離振動較大的設備。的地方，并應遠離振動較大的設備。 （3 3）閥的公稱通徑與管道公稱通徑不同時，兩者之間）閥的公稱通徑與管道公稱通徑不同時，兩者之間應加一段異徑管。應加一段異徑管。第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器（5 5）通過控制閥的流體方向在閥體上有箭頭標明，）通過控制閥的流體方向在閥體上有箭頭標明，不能裝反。不能

16、裝反。 （4 4）氣動執(zhí)行器應該是正立垂直安裝于水平管道上。）氣動執(zhí)行器應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，特殊情況下需要水平或傾斜安裝時，除小口徑閥外，一般應加支撐。即使正立垂直安裝，當閥的自重較大一般應加支撐。即使正立垂直安裝，當閥的自重較大和有振動場合時，也應加支撐。和有振動場合時，也應加支撐。 （6 6）控制閥前后一般要各裝一只切斷閥，以便修理）控制閥前后一般要各裝一只切斷閥，以便修理時拆下控制閥?？紤]到控制閥發(fā)生故障或維修時，不時拆下控制閥?？紤]到控制閥發(fā)生故障或維修時，不影響工藝生產的繼續(xù)進行，一般應裝旁路閥。影響工藝生產的繼續(xù)進行，一般應

17、裝旁路閥。 35第一節(jié)第一節(jié) 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器36（7 7）控制閥安裝前，應對管路進行清洗，排去污物和焊）控制閥安裝前，應對管路進行清洗，排去污物和焊渣。安裝后還應再次對管路和閥門進行清洗，并檢查閥門渣。安裝后還應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。當初次通入介質時，應使閥門與管道連接處的密封性能。當初次通入介質時，應使閥門處于全開位置以免雜質卡住。處于全開位置以免雜質卡住。 圖5-20控制閥在管道中的安裝1調節(jié)閥；2切斷閥；3旁路閥（8 8）在日常使用中，要對控制閥經常維護和定期檢修。）在日常使用中，要對控制閥經常維護和定期檢修。 第二節(jié)第二節(jié) 電動執(zhí)行器電動執(zhí)行

18、器37 電動執(zhí)行器接收來自控制器的電動執(zhí)行器接收來自控制器的0 01010mA或或4 42020mA的直流電流信號，并將其轉換成相應的角位移或直行程位的直流電流信號，并將其轉換成相應的角位移或直行程位移，去操縱閥門、擋板等控制機構，以實現(xiàn)自動控制。移，去操縱閥門、擋板等控制機構，以實現(xiàn)自動控制。 第二節(jié)第二節(jié) 電動執(zhí)行器電動執(zhí)行器 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5-21 角行程執(zhí)行機構的組成示意圖38第二節(jié)第二節(jié) 電動執(zhí)行器電動執(zhí)行器39 是能將執(zhí)行機構輸出軸的位移轉是能將執(zhí)行機構輸出軸的位移轉變?yōu)樽優(yōu)? 010mA DC（或（或4 420mA DC）反饋信

19、號的裝置，它的主要部分是差反饋信號的裝置，它的主要部分是差動變壓器。動變壓器。 圖5-22差動變壓器原理圖 電動執(zhí)行機構不僅可與控制器配合實現(xiàn)自動控制，電動執(zhí)行機構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置于手動操作位置的相互切換。當操縱器的切換開關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)時，由正、反操作按鈕直接控制電機的電源，以實現(xiàn)執(zhí)行機構輸出軸的正轉或反轉，進行遙控手動操作。執(zhí)行機構輸出軸的正轉或反轉，進行遙控手動操作。 第三節(jié)第三節(jié) 電電-氣轉換器及電氣轉換器及電-氣閥門定位器氣閥門定位器 電-氣轉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)闅庑盘柸ヲ寗託鈩涌刂崎y，此時常用電氣閥門定位器，它具有電-氣轉換器和氣動閥門定位器兩種作用。 40第三節(jié)第三節(jié) 電電-氣轉換器及電氣轉換器及電-氣閥門定位器氣閥門定位器n 一、電一、電-氣轉換器氣轉換器41圖5-23電-氣轉換器原理結構圖1噴嘴擋板；2調零彈簧；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)第三節(jié) 電電-氣轉換器