化工儀表及自動化之執(zhí)行器

化工儀表及自動化第十一章執(zhí)行器

內(nèi)容提要氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器的組成與分類控制閥的流量特性控制閥的選擇氣動執(zhí)行器的安裝和維護閥門定位器與電-氣轉(zhuǎn)換器氣動閥門定位器電-氣閥門定位器電-氣轉(zhuǎn)換器1內(nèi)容提要電動執(zhí)行器概述角行程電動執(zhí)行機構(gòu)直行程電動執(zhí)行機構(gòu)2概述3作用

接受控制器的輸出信號,直接控制能量或物料等調(diào)節(jié)介質(zhì)的輸送量,達到控制溫度、壓力、流量、液位等工藝參數(shù)的目的。

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)行器從結(jié)構(gòu)來說執(zhí)行機構(gòu)調(diào)節(jié)機構(gòu)概述氣-電轉(zhuǎn)換器電-氣轉(zhuǎn)換器電-氣閥門定位器氣動執(zhí)行器電動執(zhí)行器氣動控制儀表電動控制儀表圖11-1轉(zhuǎn)換單元的使用簡圖4第一節(jié)氣動執(zhí)行器5結(jié)構(gòu)氣動執(zhí)行結(jié)構(gòu)控制閥一、氣動執(zhí)行器的組成與分類1.組成第一節(jié)氣動執(zhí)行器常用輔助設備閥門定位器手輪機構(gòu)圖11-2氣動薄膜控制閥外形圖6第一節(jié)氣動執(zhí)行器72.執(zhí)行機構(gòu)的分類薄膜式結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、維修方便，應用廣泛。

活塞式推力較大，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（60°～90°）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)圖11-3正作用式氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu)

1—上膜蓋；2—波紋膜片；3—下膜蓋；4—支架；5—推桿；6—彈簧；7—彈簧座；8—調(diào)節(jié)件；9—連接閥桿螺母；10—行程標尺第一節(jié)氣動執(zhí)行器圖11-4反作用式氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu)

1—上膜蓋；2—波紋膜片；3—下膜蓋；4—密封膜片；5—密封環(huán)；6—填塊；7—支架；8—推桿；9—彈簧；10—彈簧座；11—襯套；12—調(diào)節(jié)件；13—行程標尺8第一節(jié)氣動執(zhí)行器93.控制閥的分類根據(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、價格便宜、全關(guān)時泄漏量少。直通單座閥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。第一一節(jié)節(jié)氣氣動動執(zhí)執(zhí)行行器器10（2））直直通通雙雙座座控控制制閥閥閥體體內(nèi)內(nèi)有有兩兩個個閥閥芯芯和和兩兩個個閥閥座座。。特點流體流過的時候，不平衡力小。缺點容易泄漏直通雙座閥第一一節(jié)節(jié)氣氣動動執(zhí)執(zhí)行行器器（3））角角形形控控制制閥閥角形形閥閥的的兩兩個個接接管管呈呈直直角角形形。。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。流向一般是底進側(cè)出。11角形閥第一一節(jié)節(jié)氣氣動動執(zhí)執(zhí)行行器器（4））高高壓壓控控制制閥閥高壓壓控控制制閥閥的的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)形形式式大大多多為為角角形形,閥閥芯芯頭頭部部摻鉻鉻或或鑲鑲以以硬硬質(zhì)質(zhì)合合金金,以以適適應應高高壓壓差差下下的的沖沖刷刷和和汽汽蝕蝕。。為了了減減少少高高壓壓差差對對閥閥的的汽汽蝕蝕,有有時時采采用用幾級級閥芯芯,把把高高差差壓壓分分開開,各各級級都都承承擔擔一一部部分分以以減減少少損損失失。。12第一一節(jié)節(jié)氣氣動動執(zhí)執(zhí)行行器器（5））三三通通控控制制閥閥共有有三三個個出出入入口口與與工工藝藝管管道道連連接接。。按照流通方式分合流型和分流型兩種

13三通閥（A）（B）（A））分分流流型型（B））合合流流型型第一一節(jié)節(jié)氣氣動動執(zhí)執(zhí)行行器器14（6））隔隔膜膜控控制制閥閥采用用耐耐腐腐蝕蝕襯襯里里的的閥閥體體和和隔隔膜膜。。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。注意執(zhí)行機構(gòu)須有足夠的推力隔膜閥第一一節(jié)節(jié)氣氣動動執(zhí)執(zhí)行行器器（7））蝶蝶閥閥特點結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、價格便宜、流阻極小。缺點泄漏量大。15蝶閥第一一節(jié)節(jié)氣氣動動執(zhí)執(zhí)行行器器16（8））球球閥閥節(jié)流流元元件件是是帶帶圓圓孔孔的的球球形形體體（（A））或或是是一一種種V形形缺缺口口球球形形體體（（B））。。特點（A）轉(zhuǎn)動球體可起到控制和切斷的作用（B）轉(zhuǎn)動球心使V形缺口起節(jié)流和剪切的作用,其特性近似于等百分比型。

球閥（A）（B）第一一節(jié)節(jié)氣氣動動執(zhí)執(zhí)行行器器（9））凸凸輪輪撓撓曲曲閥閥閥芯芯呈呈扇扇形形球球面面狀狀，，與與撓撓曲曲臂臂及及軸軸套套一一起起鑄鑄成成，，固固定定在在轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動動軸軸上上。。特點密封性好。重量輕、體積小、安裝方便，適用于要求控制和密封的場合。17凸輪撓曲閥第一一節(jié)節(jié)氣氣動動執(zhí)執(zhí)行行器器18（10））籠籠式式閥閥特點可調(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。籠式閥缺點不適用高溫、高黏度及含有固體顆粒的流體。

第一一節(jié)節(jié)氣氣動動執(zhí)執(zhí)行行器器二、、控控制制閥閥的的流流量量特特性性控制制閥閥的的流流量量特特性性是指指被被控控介介質(zhì)質(zhì)流流過過閥閥門門的的相相對對流流量量與與閥閥門門的的相相對對開開度度（（相相對對位位移移））間間的的關(guān)關(guān)系系，，即即19第一一節(jié)節(jié)氣氣動動執(zhí)執(zhí)行行器器201.控控制制閥閥的的理理想想流流量量特特性性在不不考考慮慮控控制制閥閥前前后后壓壓差差變變化化時時得得到到的的流流量量特特性性稱稱為為理理想想流流量量特特性性。。它它取取決決于于閥閥芯芯的的形形狀狀（1））直直線線流流量量特特性性指控制閥的相對流量與相對開度成直線關(guān)系。（11-2）圖11-6控制閥的理想流量特性(R=30)

1—直線；2—等百分比(對數(shù))；3—快開；4—拋物線第一一節(jié)節(jié)氣氣動動執(zhí)執(zhí)行行器器21將（11-2）積分可得（11-3）邊界條件：l=0時，Q=Qmin;l=L時Q=Qmax把邊界條件代入式（11-3），可分別得（11-4）R為控控制制閥閥的的可可調(diào)調(diào)范范圍圍或或可可調(diào)調(diào)比比。。Qmin不等于控制閥全關(guān)時的泄漏量，一般是Qmax的2％～4％。注意！第一一節(jié)節(jié)氣氣動動執(zhí)執(zhí)行行器器將式（11-4）代入式（11-3），可得（11-5）注意意：：當當可可調(diào)調(diào)比比R不同同時時，，特特性性曲曲線線在在縱縱坐坐標標上上的的起起點點是是不不同同的的。。22第一一節(jié)節(jié)氣氣動動執(zhí)執(zhí)行行器器23舉例當R=30,l/L=0時，Q/Qmax=0.33假設設R=∞∞,位移移變變化化量量為為10%在10％％時時，，流流量量變變化化的的相相對對值值為為在50％％時時，，流流量量變變化化的的相相對對值值為為在80％％時時，，流流量量變變化化的的相相對對值值為為在流流量量小小時時，，流流量量變變化化的的相相對對值值大大；；在在流流量量大大時時，，流流量量變變化化的的相相對對值值小小。。第一一節(jié)節(jié)氣氣動動執(zhí)執(zhí)行行器器24（2））等等百百分分比比（（對對數(shù)數(shù)））流流量量特特性性等百百分分比比流流量量特特性性是指指單單位位相相對對行行程程變變化化所所引引起起的的相相對對流流量量變變化化與與此此點點的的相相對對流流量量成成正正比比關(guān)關(guān)系系。。（11-6）將（11-6）積分

將前述邊界條件代入

（11-11）第一一節(jié)節(jié)氣氣動動執(zhí)執(zhí)行行器器25（4））拋拋物物線線流流量量特特性性（3））快快開開流流量量特特性性這種種流流量量特特性性在在開開度度較較小小時時就就有有較較大大流流量量，，隨隨開開度度的的增增大大，，流流量量很很快快就就達達到到最最大大。?？扉_開特特性性的的閥閥芯芯形形式式是是平平板板形形的的，，適適用用于于迅迅速速啟啟閉閉的的切切斷斷閥閥或或雙雙位位控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)。。第一一節(jié)節(jié)氣氣動動執(zhí)執(zhí)行行器器26２.工工作作流流量量特特性性在實實際際生生產(chǎn)產(chǎn)中中，，控控制制閥閥前前后后壓壓差差總總是是變變化化的的，，這這時時的的流流量量特特性性稱稱為為工作作流流量量特特性性。。（1））串串聯(lián)聯(lián)管管道道的的工工作作流流量量特特性性圖11-7串聯(lián)管道的情形工作流量特性第一一節(jié)節(jié)氣氣動動執(zhí)執(zhí)行行器器27圖11-8管道串聯(lián)時控制閥的工作流量特性第一一節(jié)節(jié)氣氣動動執(zhí)執(zhí)行行器器28（2））并并聯(lián)聯(lián)管管道道的的工工作作流流量量特特性性控制制閥閥一一般般都都裝裝有有旁旁路路，，以以便便手手動動操操作作和和維維護護。。當當生生產(chǎn)產(chǎn)量量提提高高或或控控制制閥閥選選小小了了時時，，只只好好將將旁旁路路閥閥打打開開一一些些，，此此時時控控制制閥閥的的理理想想流流量量特特性性就就改改變變成成為為工工作作特特性性。。如圖圖11-9所所示示，，顯顯然然這這時時管管路路的的總總流流量量Q是控控制制閥閥流流量量Q1與旁旁路路流流量量Q2之和和，，即即Q＝Q1＋Q2。圖11-9并聯(lián)管道情況第一一節(jié)節(jié)氣氣動動執(zhí)執(zhí)行行器器29以x代表表并并聯(lián)聯(lián)管管道道時時控控制制閥閥全全開開時時的的流流量量與與總總管管最最大大流流量量Qmax之比比，，可可以以得得到到在在壓壓差差Δp為一一定定時時，，而而x為不不同同數(shù)數(shù)值值時時的的工工作作流流量量特特性性曲曲線線。。圖11-10并聯(lián)管道時控制閥的工作特性第一一節(jié)節(jié)氣氣動動執(zhí)執(zhí)行行器器30由上上圖圖可可見見當x＝1，即即旁路閥閥關(guān)閉時時，控制制閥的工工作流量量特性與與理想流流量特性性相同。。隨著x值的減小小，即旁旁路閥逐逐漸打開開，雖然然閥本身身的流量量特性變變化不大大，但可可調(diào)范圍圍大大降降低了。?？刂崎y關(guān)關(guān)死，即即l/L＝0時，，流量Qmin大大增加加。第一節(jié)氣氣動執(zhí)執(zhí)行器在實際使使用中總總存在著著串聯(lián)管管道阻力力的影響響，控制制閥上的的壓差還還會隨流流量的增增加而降降低，使使可調(diào)范范圍下降降得更多多些，控控制閥在在工作過過程中所所能控制制的流量量變化范范圍更小小，甚至至幾乎不不起控制制作用。。采用打開開旁路閥閥的控制制方案是是不好的的，一般般認為旁旁路流量量最多只只能是總總流量的的百分之之十幾，，即x值最小不不低于0.8。。31第一節(jié)氣氣動執(zhí)執(zhí)行器32①串、、并聯(lián)管管道都會會使閥的的理想流流量特性性發(fā)生畸畸變，串串聯(lián)管道道的影響響尤為嚴嚴重。②串、、并聯(lián)管管道都會會使控制制閥的可可調(diào)范圍圍降低，，并聯(lián)管管道尤為為嚴重。。③串聯(lián)聯(lián)管道使使系統(tǒng)總總流量減減少，并并聯(lián)管道道使系統(tǒng)統(tǒng)總流量量增加。。④串、、并聯(lián)管管道會使使控制閥閥的放大大系數(shù)減減小，串串聯(lián)管道道時控制制閥大開開度時影影響嚴重重，并聯(lián)聯(lián)管道時時控制閥閥小開度度時影響響嚴重。。結(jié)論第一節(jié)氣氣動執(zhí)執(zhí)行器三、控制制閥的選選擇1.控制制閥的尺尺寸選擇擇流經(jīng)控制制閥的流流量為令代入式(11-13),得(11-13)(11-14)C稱為控制閥的的流量系系數(shù),它與閥閥芯與閥閥座的結(jié)結(jié)構(gòu)、閥閥前后的的壓差、、流體性性質(zhì)等因因素有關(guān)關(guān)。33第一節(jié)氣氣動執(zhí)執(zhí)行器額定流量量系數(shù)指在控制制閥全開開,閥兩兩端壓差差為0.1MPa,介質(zhì)密密度為1g/cm3時,流經(jīng)經(jīng)控制閥閥的介質(zhì)質(zhì)流量數(shù)數(shù)(以m3/h表示)。。舉例有一個C值為40的控制閥,表示當此閥全開,閥前后壓差為0.1MPa時,每小時能通過的水量為40m3。由式(11-14)可知,當生產(chǎn)工藝中需要的流量Q和壓差Δp決定后,就可確定閥門的流量系數(shù)C,再從流量系數(shù)C就可選擇閥門的尺寸?，F(xiàn)在,用控制閥流量系數(shù)KV代替流量系數(shù)C。34第一節(jié)氣氣動執(zhí)執(zhí)行器35主要根據(jù)據(jù)工藝條條件，如如溫度、、壓力及及介質(zhì)的的物理、、化學特特性（如如腐蝕性性、黏度度等）來來選擇。。結(jié)構(gòu)形式式選擇特性選擇擇先按控制制系統(tǒng)的的特點來來選擇閥閥的希望望流量特特性，然然后再考考慮工藝藝配管情情況來選選擇相應應的理想想流量特特性。目前使用用比較多多的是等等百分比比流量特特性。2.控制制閥結(jié)構(gòu)構(gòu)與特性性的選擇擇第一節(jié)氣氣動執(zhí)執(zhí)行器主要從工工藝生產(chǎn)產(chǎn)上安全全要求出出發(fā)。信號壓力力中斷時時，應保保證設備備和操作作人員的的安全。。如果閥閥處于打打開位置置時危害害性小，，則應選選用氣關(guān)關(guān)式，以以使氣源源系統(tǒng)發(fā)發(fā)生故障障，氣源源中斷時時，閥門門能自動動打開，，保證安安全。反反之閥處處于關(guān)閉閉時危害害性小，，則應選選用氣開開閥。選擇要求求壓力信號號增加時時，閥關(guān)關(guān)小、壓壓力信號號減小時時閥開大大的為氣關(guān)式。反之，，為氣開式。3.氣開開式與氣氣關(guān)式的的選擇36第一節(jié)氣氣動執(zhí)執(zhí)行器序號執(zhí)行機構(gòu)控制閥氣動執(zhí)行器（a）（b）（c）（d）正正反反正反正反氣關(guān)（反）氣開（正）氣開（正）氣關(guān)（反）37表11-1組組合方式式表圖11-11組合方式圖第一節(jié)氣氣動執(zhí)執(zhí)行器四、控制制閥的安安裝和維維護38（1）為為便于維維護檢修修，氣動動執(zhí)行器器應安裝裝在靠近近地面或或樓板的的地方。。（2）氣氣動執(zhí)行行器應安安裝在環(huán)環(huán)境溫度度不高于于+60℃和不不低于-40℃℃的地方方，并應應遠離振振動較大大的設備備。（3）閥閥的公稱稱通徑與與管道公公稱通徑徑不同時時，兩者者之間應應加一段段異徑管管。第一節(jié)氣氣動執(zhí)執(zhí)行器（5）通通過控制制閥的流流體方向向在閥體體上有箭箭頭標明明，不能能裝反。。（4）氣氣動執(zhí)行行器應該該是正立立垂直安安裝于水水平管道道上。特特殊情況況下需要要水平或或傾斜安安裝時，，除小口口徑閥外外，一般般應加支支撐。即即使正立立垂直安安裝，當當閥的自自重較大大和有振振動場合合時，也也應加支支撐。（6）控控制閥前前后一般般要各裝裝一只切切斷閥，，以便修修理時拆拆下控制制閥?？伎紤]到控控制閥發(fā)發(fā)生故障障或維修修時，不不影響工工藝生產(chǎn)產(chǎn)的繼續(xù)續(xù)進行，，一般應應裝旁路路閥。39第一節(jié)氣氣動執(zhí)執(zhí)行器40（7）控控制閥安安裝前，，應對管管路進行行清洗，，排去污污物和焊焊渣。安安裝后還還應再次次對管路路和閥門門進行清清洗，并并檢查閥閥門與管管道連接接處的密密封性能能。當初初次通入入介質(zhì)時時，應使使閥門處處于全開開位置以以免雜質(zhì)質(zhì)卡住。。圖11-12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）在在日常使使用中，，要對控控制閥經(jīng)經(jīng)常維護護和定期期檢修。。第二節(jié)閥閥門定定位器與與電-氣氣轉(zhuǎn)換器器一、氣動動閥門定定位器41氣動閥門門定位器器與氣動動控制閥閥配套使使用,組組成閉環(huán)環(huán)系統(tǒng),利用反反饋原理理來改善善控制閥閥的定位位精度和和提高靈靈敏度,并能以以較大功功率克服服閥桿的的摩擦力力、介質(zhì)質(zhì)的不平平衡力等等影響,從而使使控制閥閥門位置置能按控控制儀表表來的控控制信號號實現(xiàn)正正確定位位。組成及作作用分類定位器有有正作用用和反作作用兩種種。第二節(jié)閥閥門定定位器與與電-氣氣轉(zhuǎn)換器器42圖11-13氣動閥門定位器

1—波紋管；2—主杠桿；3—量程彈簧；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；16—放大器第二節(jié)閥閥門定定位器與與電-氣氣轉(zhuǎn)換器器二、電-氣閥門門定位器器采用電-氣閥門門定位器器后，可可用電動動控制器器輸出的的0～10mA或4～20mADC電流信號號去操縱縱氣動執(zhí)執(zhí)行機構(gòu)構(gòu)；43第二節(jié)閥閥門定定位器與與電-氣氣轉(zhuǎn)換器器圖11-14電-氣閥門定位器

1—永久磁鋼；2—導磁體；3—主杠桿(銜鐵)；4—平衡彈簧；5—反饋凸輪支點；6—反饋凸輪；7—副杠桿；8—副杠桿支點；9—薄膜執(zhí)行機構(gòu)；10—反饋桿；11—滾輪；12—反饋彈簧；13—調(diào)零彈簧；14—擋板；15—噴嘴；16—主杠桿支點；17—放大器44第二節(jié)閥閥門定定位器與與電-氣氣轉(zhuǎn)換器器三、電-氣轉(zhuǎn)換換器可將來自自電動控控制器的的輸出信信號經(jīng)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換后用用以驅(qū)動動氣動執(zhí)執(zhí)行器,或者將將來自各各種電動動變送器器的輸出出信號經(jīng)經(jīng)轉(zhuǎn)換后后送往氣氣動控制制器。圖11-15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45第三節(jié)電電動執(zhí)執(zhí)行器定義電動執(zhí)行行器是電電動控制制系統(tǒng)中中的一個個重要組組成部分分。它把把來自控控制儀表表的0～10mA或4～20mA的直流統(tǒng)統(tǒng)一電信信號,轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成與與輸入信信號相對對應的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角或位位移,以以推動各各種類型型的控制制閥,從從而達到到連續(xù)控控制生產(chǎn)產(chǎn)工藝過過程中的的流量,或簡單單地開啟啟和關(guān)閉閉閥門以以控制流流體的通通斷,達達到自動動控制生生產(chǎn)過程程的目的的。46第三節(jié)電電動執(zhí)執(zhí)行器一、概述述1.電動動執(zhí)行器器的特點點①由于于工頻電電源取用用方便,不需增增添專門門裝置,特別是是執(zhí)行器器應用數(shù)數(shù)量不太太多的單單位,更更為適宜宜;②動作作靈敏、、精度較較高、信信號傳輸輸速度快快、傳輸輸距離可可以很長長,便于于集中控控制;③在電電源中斷斷時,電電動執(zhí)行行器能保保持原位位不動,不影響響主設備備的安全全;④與電電動控制制儀表配配合方便便,安裝裝接線簡簡單;⑤體積積較大、、成本較較貴、結(jié)結(jié)構(gòu)復雜雜、維修修麻煩,并只能能應用于于防爆要要求不太太高的場場合47第三節(jié)電電動執(zhí)執(zhí)行器2.電動動執(zhí)行器器的組成成兩大部分分電動執(zhí)行行機構(gòu)調(diào)節(jié)機構(gòu)構(gòu)電動執(zhí)行行機構(gòu)根根據(jù)其輸輸出形式式不同角行程電電動執(zhí)行行機構(gòu)直行程電電動執(zhí)行行機構(gòu)多轉(zhuǎn)式電電動執(zhí)行行機構(gòu)。。48第三節(jié)電電動執(zhí)執(zhí)行器二、角行行程電動動執(zhí)行機機構(gòu)DKJ型角行程程電動執(zhí)執(zhí)行機構(gòu)構(gòu)以交流流220V為