氣動控制閥技術與應用

氣動控制閥技術與應用一、前言

在電動執(zhí)行器中執(zhí)行機構和調節(jié)閥基本是可分的兩個部分，在氣動執(zhí)行器中兩者不可分的，是統(tǒng)一的整體。因此，其控制系統(tǒng)的調節(jié)品質不僅與控制閥的特性及其它性能指標有關，還與氣動執(zhí)行機構與控制閥統(tǒng)一整體的綜合性能指標有關。控制閥用于調節(jié)操作變量的流量，從控制系統(tǒng)整體看，一個控制系統(tǒng)控制得好不好，都要通過控制閥來實現(xiàn)?？刂崎y的重要性⑴控制閥是節(jié)流裝置，屬于動部件。在控制過程中，控制閥需要不斷改變節(jié)流件的流通面積，使操作變量變化，以適應負荷的變化。因此，對控制閥閥組件的密封、耐壓、腐蝕等提出更高的要求。例如，密封會使控制閥摩擦力增加，控制閥死區(qū)加大，造成控制系統(tǒng)控制品質變差等。⑵控制閥的活動部件是造成“跑”、“冒”、“滴”、“漏”的主要原因。⑶控制閥的閥內件與過程介質直接接觸，對控制閥的耐腐蝕性、強度、材料等有更高的要求。控制閥的重要性⑶控制閥的節(jié)流使能量在閥內部被消耗，因此，降低能耗，降低控制閥的壓力損失，和保證較好的控制品質之間要合理選擇和兼顧。⑷控制閥對流體進行節(jié)流的同時也造成噪聲。控制閥造成的噪聲和控制閥流路的設計、操作壓力、被控介質特性有關，因此，降低噪聲、降低壓力損失等對控制閥提出更高的要求。⑸控制閥的適應性強。它被安裝在各種不同的生產過程，生產過程的低溫、高溫、高壓、大流量、微小流量等操作條件需要控制閥具有各種不同的性能，控制閥應能適應不同的應用要求?？刂崎y應用中存在的問題⑴控制閥的品種多，規(guī)格多，參數多。控制閥為適應不同生產過程的控制要求，如溫度、壓力、介質特性等，有成百上千種不同規(guī)格、不同類型的產品，使控制閥的選型不方便、安裝應用不方便、維護不方便、管理不方便。⑵控制閥的可靠性差。控制閥在出廠時的特性與運行一段時間后的特性有很大的差異，例如，泄漏量增加、噪聲增大、閥門復線性變差等，給長期穩(wěn)定運行帶來困難。

⑶控制閥笨重，給控制閥的運輸、安裝維護帶來不便?？刂崎y應用中存在的問題⑷控制閥的流量特性與工業(yè)過程被控對象特性不匹配，造成控制系統(tǒng)品質變差?？刂崎y的理想流量特性已在產品出廠時確定，但工業(yè)過程被控對象特性各不相同，加上壓降比變化，使控制閥工作流量特性不能與被控對象特性匹配，并使控制系統(tǒng)控制品質變差。⑸環(huán)境污染?？刂崎y對環(huán)境的污染主要有控制閥的噪聲和控制閥的泄漏。⑹控制閥是耗能設備，降低控制閥的耗能，采用節(jié)能技術是控制閥的發(fā)展方向?？刂崎y的分類⒈直通單座閥：直通單座控制閥只有一個閥芯和一個閥座，是一種最常見的控制閥。其特點如下。泄漏量?。辉试S壓差?。涣魍芰π?；由于流體介質對閥芯的推力大，即不平衡力大，因此，在高壓差、大口徑的應用場合，不宜采用這類控制閥?？刂崎y的分類⒉套筒閥：套筒閥又稱籠式閥，它是閥內件采用閥芯和閥籠(套筒)的控制閥，套筒閥的特點如下；①安裝維護方便；②互換性和通用性強。更換不同套筒(節(jié)流開孔的形狀)來改變控制閥的流量特性。③減少不平衡力影響。套筒閥閥芯上開有平衡孔，使閥芯上所受不平衡力大為減小，同時，它具有阻尼作用，對控制閥穩(wěn)定運行有力?？刂崎y的分類⒊直通雙座閥：直通雙座閥有兩個閥芯和兩個閥座，其特點如下。①所受不平衡力小，允許的壓降大。流體從圖示的左側流入，經兩個閥芯和閥座后，匯合到右側流出，由于上閥芯所受向上的壓力和下閥芯所受向下的壓力基本平衡，因此，整個閥芯所受不平衡力小。②流通能力大；雙座閥的結構控制閥的分類③正閥體和反閥體的改裝方便。由于雙閥座采用頂底雙導向，因此，只需將閥芯和閥座反過來安裝就能將正閥體改為反閥體，反閥體改委正閥體。④泄漏量大。雙閥座的上、下閥芯不能同時保證關嚴，因此雙閥座的泄漏量較大。⑤抗沖刷能力差。閥內流路復雜，受流體的沖刷較嚴重，所以它不適用于含纖維介質和高粘度流體的控制。特別是在高壓差應用場合，將加重對閥體的沖刷。⑥由于套筒閥閥芯上開有平衡孔，使閥芯上所受不平衡力大為減小，雙座閥的優(yōu)點已不明顯。而它的泄漏量大的缺點更為顯現(xiàn)?？刂崎y的分類⒋三通閥：三通閥有兩個閥芯和閥座，三通閥按流體的作用方式分為合流閥和分流閥兩類。合流閥三通閥和分流閥三通閥的結構類似。其特點如下：①三通閥的氣開和氣關只能通過選擇執(zhí)行機構的正作用和反作用來實現(xiàn)，雙座閥的氣開和氣關的改變可直接將閥體或閥芯與閥座反裝來實現(xiàn)；②三通閥的泄漏量較大；分流三通閥控制閥的分類⒌角形閥：角形閥的流體一般從底部流入，從閥側面流出。因此流體中的懸浮物和顆粒不易在閥內沉積，具有自凈能力，但對閥芯的沖刷較大。采用側進底出的流向，可改善對閥芯的沖刷損傷，但由于流體流動造成不平衡力方向的變化，使閥芯出現(xiàn)振蕩的不穩(wěn)定現(xiàn)象。為降低不平衡力和改善閥芯的沖刷，可采用套筒式結構?？刂崎y的分類⒍隔膜閥：隔膜閥由耐腐蝕的隔膜和內襯耐腐蝕材質的閥體組成，適用于強酸、強堿、強腐蝕性流體的切斷控制或節(jié)流控制。隔膜閥的流量特性（近似快開）差，控制精度低，可調范圍??；受隔膜和襯里材質的影響，隔膜閥不能用于高溫和高壓等工況。隔膜閥用隔膜將流體密封，因此，不需要填料，降低了死區(qū)限，避免了泄漏?？刂崎y的分類⒎球閥：球閥是一類旋轉閥，其閥芯是一個帶孔的球，根據孔的形狀分為O形球閥和V形球閥兩類。⑴O型球閥的特點如下。①流量特性近似為快開特性；②閥體對稱，流體流向可任意，閥芯可單向旋轉，也可雙向旋轉。③結構簡單，維護方便，可采用軟密封，密封可靠，泄漏量很??；④可調比高；控制閥的分類⑵V形球閥是在閥芯上有V形切口，切口的形狀與控制閥的流量特性有關。V型球閥的特點如下。①V型球閥的流量特性近似為等百分比流量特性；②密封較好，泄漏量??；③流阻小，具有剪切功能，常被用于含纖維、漿料或黏性流體；④流通能力大；⑤可調比大；⑥適用于工作溫度-40~450℃，工作壓力不大于6.4MPa的場合；控制閥的分類⒏蝶閥，又稱翻板閥。①流通能力大，可調比大，壓降?。虎诹髁刻匦栽谵D角0~70度范圍內近似為等百分比特性，超過規(guī)定轉角后，控制閥的運行會不穩(wěn)定。③控制閥氣開和氣關方式更換方便；④流路簡單，流阻小；⑤可通過閥板形狀的設計，改善流路阻力分配，降低所需推力矩。例如，采用動態(tài)輪廓閥板，可在0~90度范圍內實現(xiàn)等百分比流量特性?？刂崎y的分類⒐偏心旋轉閥：又稱為撓曲凸輪閥、偏心球塞控制閥。它有一個偏心旋轉的閥芯，當控制閥接近關閉時，閥芯的彎曲臂產生撓曲變形，使閥芯的球面球塞與閥座緊密接觸，因此密封性能很好。偏心旋轉閥的特點如下。①抗沖刷性強。磨損小，使用壽命長。②動態(tài)穩(wěn)定性好。只需要較小力矩就能夠嚴密關閉。流向改變時，流體對閥芯的作用力矩相互抵消，也沒有柱塞閥的根切現(xiàn)象，因此，動態(tài)穩(wěn)定性比柱塞閥和蝶閥好。③流量特性接近修正拋物線特性。④可在閥體襯各種耐腐蝕或耐磨損的襯里材料，以適應各種工況的控制要求。⑤重量輕、體積小，安裝靈活，通用性強?？刂崎y的分類⒑閘閥又稱閘板閥。它由閘板、兩個密封板和閥桿等組成。執(zhí)行機構通常為長行程執(zhí)行機構或活塞式執(zhí)行機構。閘板可采用單閘板，也可采用雙閘板，它具有流阻小、行程大、口徑大、結構簡單等特點，適用于控制精度要求不高的大口徑、大流量、低壓差的應用場合。與蝶閥比較，閘閥具有較好的剪切能力，特別適合含纖維漿料的控制，由于密封面大，因此閘閥的泄漏量較大。另有一種類似的閘閥，稱為平行滑閥。它由兩塊平行滑塊上下移動來控制流量，滑塊間的彈簧使滑塊緊壓滑軌，該類閥具有很小流體阻力和優(yōu)良密封性能，標準泄漏量達0．00001％C以下。適用于緊急切斷或緊急開啟的應用場合。填料結構⒈填料函的作用①提供閥桿或閥軸的密封。由于閥桿和閥軸是活動部件，因此，需要用填料函進行密封。②由于閥桿或閥軸移動時有靜摩擦力(力矩)和動摩擦力(力矩)，它們使控制閥的靜態(tài)和動態(tài)性能變差，因此，要選用合適的填料函和填料結構使摩擦降低到最小，使用壽命最長?？刂崎y選擇通常考慮工作溫度、壓力、流量特性、流通能力和材質選擇等，對填料函和填料結構的設計和選用考慮較少。隨著對控制系統(tǒng)控制品質要求的提高，對控制閥泄漏量的要求也不斷提高，因此，填料函選用和結構設計變得越來越重要。填料結構⒉填料過去，填料選擇的主要考慮因素是填料工作溫度。因此，當溫度低于200℃時選用聚四氟乙烯(PTFE)，當溫度高于200℃時選用石墨?，F(xiàn)在，選用填料時，不僅要考慮工作溫度，還要考慮填料的摩擦對控制過程所造成影響，從不同填料的各種性能比較中選擇較適合于實際過程和操作條件的填料函和填料結構。填料可以是單一材質，例如聚四氟乙烯或石墨，也可由幾種材質混合，例如石墨—PTFE、絲狀石墨—沖壓成型石墨等。填料結構⒊填料結構填料結構是指填料的排列方式，在保證所需泄漏量等級的前提下盡可能減小摩擦力、延長使用壽命的目的。采用石墨填料的系統(tǒng)，其摩擦要大于采用PTFE填料函的系統(tǒng)，因此，只要溫度允許，應采用PTFE填料系統(tǒng)。通常，石墨有絲狀、片狀和彎片狀等幾種。絲狀石墨可制成編織絲帶，它容易與閥桿緊密接觸，并凈化閥桿表面。但絲狀石墨密封性較差，使泄漏加大。因此，絲狀石墨填料要沖壓成型，增加其致密性。填料結構采用PTFE填料的結構PTFE制成的填料環(huán)形狀通常，PTFE制成V形環(huán)狀。填料結構采用石墨填料的結構控制閥的結構特點從結構看，控制閥的特點如下。⒈制閥有各種不同類型，它們的適用場合不同，因此，應根據工藝生產過程的要求合理選擇控制閥類型。⒉控制閥分氣開和氣關兩類。氣開控制閥在故障狀態(tài)時關閉，氣關控制閥在故障狀態(tài)時打開。也可采用一些輔助設備組成保位閥或使控制閥自鎖，即故障時控制閥保持故障前的閥門開度。⒊氣開和氣關的方式可通過正、反作用的執(zhí)行機構類型和正體、反體閥的組合實現(xiàn)，在使用閥門定位器時，也可通過閥門定位器實現(xiàn)?？刂崎y的特性⒈氣動執(zhí)行機構的傳遞函數⑴氣壓轉換環(huán)節(jié)氣壓轉換環(huán)節(jié)將外部輸入信號轉換為膜頭氣室的壓力，在氣路管線和氣室不泄漏時，該環(huán)節(jié)的輸出信號與輸入信號應一致。⑵力轉換環(huán)節(jié)力轉換環(huán)節(jié)將氣室內壓力轉換為推力，其靜態(tài)性能由薄膜的有效面積決定。在實際運行過程中，薄膜的有效面積發(fā)生微小變化，會使推力發(fā)生微小變化。它造成上下行程時的回差及同樣氣壓下推力的偏差等，從而引入非線性。控制閥的特性⑶位移轉換環(huán)節(jié)位移轉換環(huán)節(jié)是將推力克服不平衡力和摩擦力等合力轉換為閥桿位移。該環(huán)節(jié)與調節(jié)機構有聯(lián)系，它受彈簧剛度影響，也受閥兩端壓降大小影響，在關閉時還受壓緊力的影響。在執(zhí)行機構中，該環(huán)節(jié)是受外界影響最大的環(huán)節(jié)。⒉摩擦和時滯在運行過程中，執(zhí)行機構的閥桿與用于密封的填料之間存在摩擦。摩擦力阻止物體的運動，它分為靜摩擦力和動摩擦力兩類?？刂崎y的特性

當控制閥的輸入信號改變方向時，輸入信號需變化一定的范圍，在該范圍內輸出信號沒有發(fā)生可以觀察到的變化，這個范圍稱為控制閥的死區(qū)。它使控制系統(tǒng)的調節(jié)不及時，造成控制品質變差。輸出輸入控制閥的特性造成控制閥死區(qū)的主要原因如下：①控制閥的摩擦力?？刂崎y中的靜摩擦力和動摩擦力是造成控制閥時滯的主要原因，它使控制系統(tǒng)的調節(jié)不及時，有時還會造成調節(jié)的過量，是控制系統(tǒng)偏離度增大的主要原因。②閥軸的扭轉。在直行程執(zhí)行器中，填料的摩擦力是控制閥最主要摩擦力，并造成死區(qū)。在角行程執(zhí)行器中，除了填料的摩擦力造成死區(qū)外，閥軸的剛度不夠也會造成閥軸的扭轉，而不會將推力矩傳遞到閥板，造成死區(qū)?？刂崎y的特性③間隙?？刂崎y的機械部件連接會有間隙，當某一部件動作方向改變時，會出現(xiàn)空程，這時，機械的運動出現(xiàn)不連續(xù)。例如，齒條齒輪執(zhí)行機構中，齒隙造成死區(qū)。④閥門定位器。閥門定位器用于檢測閥桿的微小位移，閥門定位器的檢測精度不夠，放大器的增益不夠都會使閥桿的位移不被檢測到，從而不能及時輸出足夠的氣體流量，造成死區(qū)。

⑤供氣壓力和流量。供氣壓力低或供氣流量不足，會使執(zhí)行機構的推力矩不足，閥桿移動速度變慢，造成死區(qū)；控制閥的特性⒊控制閥的流量特性控制閥的流量特性是流體流過控制閥得相對流量與相對行程之間的函數關系。根據控制閥兩端的壓降，控制閥流量特性分為固有流量特性和工作流量特性。固有流量特性是控制閥兩端壓降恒定時的流量特性，亦稱為理想流量特性。工作流量特性是在工作狀態(tài)下（壓降變化）控制閥的流量特性?？刂崎y出廠所提供的流量特性指固有流量特性。固有流量特性有線性、等百分比（對數）、拋物線、雙曲線、快開、平方根等不同類型。常用的固有流量特性有線性、等百分比、快開等幾種。控制閥的特性⑴線性流量特性線性流量特性控制閥在不同的行程，如果行程變化量相同，則流量的相對變化量不同。

表1線性流量特性控制閥相對行程與相對流量關系

控制閥行程變化量為10%時，不同位置的相對流量變化量：在相對行程10%處，相對流量變化是（22.67-13）/13=74.38%；

相對行程%1020506090100相對流量%13.022.6751.6761.3390.33100控制閥的特性

在相對行程50%處，相對流量變化是（61.33-51.67）/51.67=18.7%；在相對行程90%處，相對流量變化是（100-90.33）/90.33=10.71%；線性流量特性的控制閥在小開度時，靈敏度很高，行程稍有變化就會引起流量的較大變化，因此在小開度時容易引起振蕩。在大開度時，行程要有較大的變化才能夠使流量有所變化，因此在大開度時控制呆滯，調節(jié)不及時，容易超調，使過度過程變慢。控制閥的特性⑵等百分比流量特性當相對行程變化量相同時，流量也變化相同的百分比，稱為等百分比流量特性。

表2等百分比流量特性控制閥相對行程與相對流量關系控制閥行程變化量為10%時，不同位置的相對流量變化量：在相對行程10%處，相對流量變化是（6.58-4.683）/4.683=40.5%；相對行程%1020506090100相對流量%4.6836.5818.2625.6571.17100控制閥的特性

在相對行程50%處，相對流量變化是（25.65-18.26）/18.26=40.5%；在相對行程90%處，相對流量變化是（100-71.17）/71.17=40.5%；等百分比流量特性的控制閥在全行程范圍內具有相同的控制精度。在小開度時，增益較小，因此調節(jié)平穩(wěn)，在大開度時，增益較大，能夠有效進行調節(jié)，使調節(jié)及時?？刂崎y的特性⑶快開流量特性快開流量特性控制閥在小開度時就有較大流量，再增大開度，流量開度已很小。對于需要快速切斷或位式控制的場合，常選用快開流量特性。

表3快開流量特性控制閥相對行程與相對流量關系

控制閥行程變化量為10%時，不同位置的相對流量變化量：在相對行程10%處，相對流量變化是（38.13-21.7）/21.7=75.7%；相對行程%1020506090100相對流量%21.738.1375.8384.5399.03100控制閥的特性

在相對行程50%處，相對流量變化是（84.53-75.83）/75.83=11.47%；在相對行程90%處，相對流量變化是（100-99.03）/99.03=0.98%；⑷拋物線流量特性理想拋物線流量特性的曲線介于線性流量特性曲線和等百分比流量特性曲線之間。

表4拋物線流量特性控制閥相對行程與相對流量關系相對行程%1020506090100相對流量%6.9911.9834.9645.384.32100控制閥的特性⒋控制閥的可調比⑴控制閥的固有可調比控制閥的固有可調比是在閥兩端壓降恒定條件下，控制閥可調節(jié)的最大流量和最小流量之比。用R表示，即：R=QMAX/QMIN

固有可調比反映控制閥能夠調節(jié)流量的能力，在控制閥出廠時已經確定。通常，國產控制閥的固有可調比是R=30，國外一些控制閥產品可做到R=50或更高，旋轉閥的固有可調比可達300。⑵控制閥的實際可調比控制閥的實際可調比是在控制閥的工作狀態(tài)下，可調節(jié)的最大流量和最小流量之比?？刂崎y的特性①串聯(lián)管道的可調比壓降比s表示控制閥全開時閥兩端的壓降與系統(tǒng)總壓降之比。壓降比也稱閥阻比，一般情況下，壓降比s≤1。從提高實際可調比看，應使系統(tǒng)總壓降大部分損失在控制閥兩端，即提高壓降比s，從節(jié)能看，應使控制閥兩端的壓損盡可能小，即減小壓降比s。實際應用時，將控制閥上下游節(jié)流閥全開，降低管道壓降來提高s，使控制閥實際可調比提高?？刂崎y的特性②并聯(lián)管道的可調比由于存在并聯(lián)旁路管道，流過總管的流量等于流過控制閥的流量和流過并聯(lián)管道的流量之和。當旁路流量越大，控制閥的實際可調比就越小。實際應用時，不應將控制閥旁路打開，如果旁路閥門開度越大，控制閥的實際可調比就越小，控制品質就變差?？刂崎y的特性⑶提高控制閥可調比的措施①應盡可能降低控制閥所在串聯(lián)管路的阻力。因此配管設計應減少不必要的彎頭、截止閥、縮徑管等附加管件，減少管段長度。②盡可能不使用旁路進行控制，正常工作時，應關閉旁路閥，如有必要使用旁路閥，旁路閥應控制在較小的開度。③選用固有可調比高的控制閥，例如球閥、蝶閥等旋轉閥。控制閥性能對控制系統(tǒng)的影響⒈執(zhí)行機構性能對控制系統(tǒng)控制品質的影響執(zhí)行機構性能對控制系統(tǒng)控制品質的影響包括靜態(tài)性能和動態(tài)性能的影響。靜態(tài)性能指在系統(tǒng)穩(wěn)定時執(zhí)行機構的穩(wěn)態(tài)性能，例如非線性誤差、回差等。動態(tài)性能指在執(zhí)行機構運動過程中的性能，例如死區(qū)、響應時間等。由于執(zhí)行機構和調節(jié)機構是相互聯(lián)系的，因此，執(zhí)行機構和調節(jié)機構的部分性能并不能夠細分。⑴靜態(tài)性能對控制系統(tǒng)控制品質的影響執(zhí)行機構的靜態(tài)性能是穩(wěn)態(tài)時，輸入信號與閥桿位移之間的關系、靜態(tài)性能與彈簧的剛度、薄膜的有效面積、閥桿與填料之間的靜摩擦有關?？刂崎y性能對控制系統(tǒng)的影響下列執(zhí)行機構靜態(tài)性能的基本指標①基本誤差；②回差；③死區(qū)；④重復性誤差；⑤線性度誤差；⑵動態(tài)性能對控制系統(tǒng)控制品質的影響執(zhí)行機構動態(tài)性能指時間常數和時滯?？刂葡到y(tǒng)控制品質受到組成控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)時間常數和時滯的綜合影響。時間常數的影響。在組成控制系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)中，通常執(zhí)行機構的時間常數較大，動作緩慢，使控制系統(tǒng)容易不穩(wěn)定。控制閥性能對控制系統(tǒng)的影響對于執(zhí)行機構可采取一些措施來降低時間常數。

①縮短管線長度，或在執(zhí)行器處安裝電氣轉換器；②采用內壁光潔度高的連接管線，減少中間彎頭；③提高工作壓力④增大氣源管的直徑，增加進氣量。時滯的影響。執(zhí)行機構的時滯使控制作用不能及時引起操縱變量變化，使控制品質變差。可采取增大連接管直徑，提高工作壓力的方法來改善?？刂崎y性能對控制系統(tǒng)的影響⒉調節(jié)機構性能對控制系統(tǒng)控制品質的影響⑴靜態(tài)性能對控制系統(tǒng)控制品質的影響調節(jié)機構的靜態(tài)性能表示穩(wěn)態(tài)時，控制閥閥桿行程與流量之間的關系。同樣也存在基本誤差、回差等性能指標。在調節(jié)機構靜態(tài)性能中，對控制系統(tǒng)影響最大的靜態(tài)性能是流量特性。提高調節(jié)機構靜態(tài)性能的措施有：①合理選用控制閥的流量特性;②采用補償環(huán)節(jié);⑵動態(tài)性能對控制系統(tǒng)控制品質的影響。①死區(qū)的影響。調節(jié)機構動態(tài)性能對控制系統(tǒng)的影響主要指死區(qū)的影響?？刂崎y性能對控制系統(tǒng)的影響

調節(jié)機構的死區(qū)是控制閥組件的固有特性。調節(jié)機構的死區(qū)造成調節(jié)不及時，控制系統(tǒng)品質變差。除了改進閥桿密封的填料結構，采用合適密封材料等以外，主要改進措施是通過閥門定位器與原控制系統(tǒng)組成串級控制系統(tǒng)。根據串級控制系統(tǒng)的特點，它對副環(huán)的非線性等特性有一定的補償作用，使控制系統(tǒng)的控制指標得到較大改善。②流體流向的影響。流體流向影響控制閥的不平衡力，造成系統(tǒng)穩(wěn)定性變化。氣動執(zhí)行機構

執(zhí)行機構是將控制器輸出信號轉換為控制閥閥桿直線位移或閥軸角位移的裝置。⒈氣動薄膜執(zhí)行機構氣動薄膜執(zhí)行機構是最常用的執(zhí)行機構。它結構簡單，動作可靠，維護方便，成本低廉，得到廣泛應用。它分為正作用和反作用兩種執(zhí)行方式。正作用執(zhí)行機構在輸入信號增加時，推桿的位移向外；反作用執(zhí)行機構在輸入信號增加時，推桿的位移向內。⑴氣動薄膜執(zhí)行機構的結構。正、反作用執(zhí)行機構的結構基本相同，由上膜蓋、下膜蓋、薄膜膜片、推桿、彈簧、調節(jié)件、支架和行程顯示板組成。氣動執(zhí)行機構

正、反作用執(zhí)行機構結構的主要區(qū)別是反作用執(zhí)行機構的輸入信號在膜片下部，引出的閥桿也在下部，因此閥桿引出處要用密封套進行密封，而正作用執(zhí)行機構的輸入信號在膜片上部，推桿引出處在膜片下部，由于薄膜片的良好密封，因此在閥桿引出處不需要密封。氣動執(zhí)行機構⑵氣動薄膜執(zhí)行機構的特點：①執(zhí)行機構的膜片有效面積與推力成正比，有效面積越大，執(zhí)行機構的推力也越大；②可添加位移轉換裝置，使直行程轉換為角行程，用于旋轉閥體；③可添加位置定位器，實現(xiàn)閥位檢測和反饋，提高控制閥性能；④可添加手輪機構，在遠程控制失效時采用手輪機構進行現(xiàn)場操作，提高執(zhí)行機構的可靠性；⑤可添加自鎖裝置，實現(xiàn)控制閥的自鎖與保位；⑥執(zhí)行機構的輸入輸出特性呈線性關系。國產氣動薄膜執(zhí)行機構的行程有10mm、16mm、25mm、40mm、60mm和100mm等六種規(guī)格。氣動執(zhí)行機構⑦可通過調節(jié)件的調整，改變彈簧初始力，從而改變執(zhí)行機構的推力。精小型氣動薄膜執(zhí)行機構在結構上作了重要改進，它采用多個彈簧代替原來的一個彈簧，降低了執(zhí)行機構的高度和重量，具有結構緊湊、輸出推力大等優(yōu)點。與傳統(tǒng)氣動薄膜執(zhí)行機構相比較，高度和重量約降低30%。氣動執(zhí)行機構⒉氣動活塞執(zhí)行機構氣動活塞執(zhí)行機構采用活塞作為執(zhí)行驅動元件，具有推力大、響應速度快的優(yōu)點。氣動執(zhí)行機構氣動活塞執(zhí)行機構的特點：①可采用較大的氣源壓力，操作壓力可高達1MPa，此外，它不需要氣源的壓力調節(jié)減壓閥。②推力大。對于無彈簧的活塞式執(zhí)行機構，由于不需要克服彈簧的反作用力，因此提高操作壓力和增大活塞面積就能獲得較大推力，對采用彈簧返回的活塞執(zhí)行機構，其推理計算與薄膜執(zhí)行機構類似，其推力要小于同規(guī)格的無彈簧活塞執(zhí)行機構。③適用于高壓差、高靜壓和要求有大推力的應用場合。④當作為節(jié)流控制時，輸出位移量與輸入信號成比例關系，但需要添加閥門定位器。氣動執(zhí)行機構⑤當作為兩位式開關控制時，對無彈簧活塞的執(zhí)行機構，可分別在活塞的兩側送氣實現(xiàn)兩位式控制，但響應速度會變慢；對有彈簧返回活塞執(zhí)行機構只能在一側送輸入信號，其返回是由彈簧實現(xiàn)的，為實現(xiàn)兩位式控制，通常采用電磁閥等兩位式執(zhí)行元件進行切換。⑥與薄膜執(zhí)行機構類似，活塞執(zhí)行機構分正作用和反作用兩種類型。⑦可添加專用自鎖裝置，實現(xiàn)在氣源中斷時的保位；⑧可添加手輪機構，在遠程控制失效時進行現(xiàn)場手動操作；⑨可添加位移轉換裝置，使直行程轉換為角程；氣動執(zhí)行機構⒊自力式控制閥自力式控制閥又稱直接作用控制閥，是一類不需要額外能源驅動的控制閥。其結構和原理類似氣動薄膜執(zhí)行機構。它是把測量、控制和執(zhí)行功能合為一體，利用被控對象本身能量帶動其動作的控制閥，分為直接作用和帶指揮器作用式兩大類。直接作用的自力式控制閥利用過程本身的壓力或差壓來驅動控制閥動作，其特點是結構簡單，操作方便，但會引起壓降，造成出口壓力的非線性，通常，控制精度在10~20%。帶指揮器作用的自力式控制閥可適用于小壓降和大流量的自力式控制場合，出口壓力變化范圍可小于設定壓力的10％。氣動執(zhí)行機構

由于自力式控制閥具有節(jié)能功能，因此，在一些控制要求不高的場合被廣泛應用。自力式控制閥執(zhí)行機構膜頭的輸入信號是控制閥前或閥后的壓力或閥兩端的壓差，或經溫包轉換后的壓力信號。執(zhí)行機構的結構類似氣動薄膜執(zhí)行機構。氣動執(zhí)行機構⑴自力式壓力、壓差和流量控制閥。自力式壓力控制閥根據取壓點位置分閥前和閥后兩類。當將閥前和閥后壓力同時引入執(zhí)行機構的氣室兩側時，自力式壓差控制閥可以控制控制閥兩端的壓差恒定，也可將安裝在管道上孔板兩端的壓差引入氣動薄膜執(zhí)行機構的氣室兩側，組成自力式流量控制，或用其他方式將流量檢測后用自力式壓差控制閥實現(xiàn)流量控制。

氣動執(zhí)行機構

一些壓力泄放閥(包括蒸汽疏水器、排氣閥等)和壓力安全閥也屬于自力式兩位控制閥。液位控制可轉換為壓力或壓差控制，因此，也可采用自力式壓力或壓差控制閥實現(xiàn)液位控制。

⑵自力式溫度控制閥。自力式溫度控制閥的溫度信號來自溫包，當溫度變化時，溫包內的氣體介質膨脹，使壓力變化，該壓力信號被用于作為控制信號,使自力式溫度控制閥動作。氣動執(zhí)行機構⒋智能控制閥智能控制閥是帶有微處理器，能夠實現(xiàn)智能化控制功能的控制閥?？刂崎y的智能化通常采用下列幾種形式：①帶智能閥門定位器的氣動控制閥；②智能電動控制閥；③帶現(xiàn)場總線智能閥門定位器的氣動控制閥。智能化控制功能主要包括下列內容①方便地修改控制閥流量特性。②實現(xiàn)PID控制運算。氣動執(zhí)行機構③實現(xiàn)其他運算功能，例如，進行分程控制的量程范圍設置，非線性補償運算等。④更改控制閥的正、反作用方式。⑤實現(xiàn)與上位機的通信，實現(xiàn)信息共享。⑥實現(xiàn)控制閥的故障診斷和報警。⑦實現(xiàn)控制閥的自鎖。⑧實現(xiàn)控制閥的狀態(tài)信息管理等。使用智能閥門定位器的優(yōu)點如下。①減小控制回路的安裝、校驗和調試時間。②采用診斷功能，使控制閥使用。壽命延長，運行狀況能被及時監(jiān)測。③降低對儀表維護人員的技能要求。氣動執(zhí)行機構⑴帶智能閥門定位器的氣動控制閥這類控制閥的結構與普通控制閥相同，因附帶智能閥門定位器而使控制閥具有智能化功能。智能閥門定位器與普通閥門定位器的主要區(qū)別如下①控制閥流量特性的實現(xiàn)方式不同。智能定位器的反饋部分采用線性反饋，所需控制閥流量特性是在設定回路實現(xiàn)的。普通定位器的反饋部分是不同形狀的凸輪，通過改變凸輪形狀來實現(xiàn)所需控制閥流量特性。氣動執(zhí)行機構②輸入輸出方式不同。通常，智能閥門定位器是智能電氣閥門定位器。與一般電氣閥門定位器比較，智能電氣閥門定位器的輸入信號是標準的4～20mA或1～5V電信號，它需要經模數轉換后作為微處理器的輸入信號。而一般電氣閥門定位器輸入信號雖然是4—20mA或l～5V電信號，但它不需要經模數轉換，可直接送電磁線圈產生電磁力，實現(xiàn)力平衡。智能閥門定位器的輸出信號是數字信號，它通常送壓電閥組，通過壓電閥組的開關來調節(jié)送控制閥膜頭的氣壓，一般電氣閥門定位器的輸出信號是經氣動放大器放大后的氣信號。氣動執(zhí)行機構③采用的控制方式不同。智能閥門定位器與一般的計算機控制裝置類似，采用離散控制方式，因此，在采樣間隔內，控制閥開度不變化。運行過程中，控制閥開度呈現(xiàn)階梯形變化。一般閥門定位器采用連續(xù)控制方式，因此，整個控制過程中，控制閥開度的變化是連續(xù)的(除了因死區(qū)造成的躍變外)。④反饋信號檢測處理不同。智能閥門定位器中控制閥反饋信號需經模數轉換后送微處理器處理，而一般閥門定位器反饋信號直接作為反饋力(力矩)，不需要經模數轉換為電信號。氣動執(zhí)行機構⑵帶現(xiàn)場總線智能閥門定位器的氣動控制閥與一般智能閥門定位器比較，這類控制閥所帶閥門定位器的特點如下。①輸入信號不是標準模擬電流或電壓信號，而是現(xiàn)場總線設備的數字信號。②具有通信功能，能夠方便地與上位機進行通信，實現(xiàn)數據交換和數據共享。③可采用直接供電方式和本安方式運行，符合現(xiàn)場總線有關標準的規(guī)定。④可實現(xiàn)開放系統(tǒng)互連的有關功能，例如可互換性、可互操作性等。⑤全數字、雙向通信。閥門定位器

閥門定位器的工作原理閥門定位器是控制閥的主要附件，它將閥桿位移信號作為輸入的反饋測量信號，以控制器輸出信號作為設定信號，進行比較，當兩者有偏差時，改變其到執(zhí)行機構的輸出信號，使執(zhí)行機構動作，建立了閥桿位移信號與控制器輸出信號之間的一一對應關系。⑴氣動閥門定位器是按力平衡原理工作的，其工作原理如圖所示。當通入波紋管的信號壓力增加時，使杠桿2繞支點轉動，檔板靠近噴嘴，噴嘴背壓經放大器放大后，送入薄膜執(zhí)行機構氣室，使閥桿向下移動，并閥門定位器帶動反饋桿（擺桿）繞支點轉動，連接在同一軸上的反饋凸輪（偏心凸輪）也跟著作逆時針方向轉動，通過滾輪使杠桿1繞支點轉動，并將反饋彈簧拉伸、彈簧對杠桿2的拉力與信號壓力作用在波紋管上的力達到力矩平衡時信號壓力與閥位有一一對應關系。閥門定位器

以上作用方式為正作用，若要改變作用方式，只要將凸輪翻轉，A向變成B向即可。所謂正作用定位器，就是信號壓力增加，輸出壓力亦增加；所謂反作用定位器，就是信號壓力增加，輸出壓力則減少。氣動閥門定位器采用力平衡原理，其結構特點如下：①采用組件結構，適用面廣，靈活性強。②改變反饋桿支點，即改變反饋桿長度可有效改變行程。閥門定位器③波紋管位置、凸輪的安裝方式組成了執(zhí)行機構的不同作用方式。④凸輪有正作用和反作用兩種形式，通過調整凸輪的安裝方式可改變定位器的正、反作用。⑤正作用執(zhí)行機構與正作用定位器配合實現(xiàn)正作用執(zhí)行機構的功能，如果與反作用定位器配合，可實現(xiàn)反作用執(zhí)行機構的功能；同樣，反作用執(zhí)行機構與正作用定位器配合實現(xiàn)反作用執(zhí)行機構的功能，如果與正作用定位器配合，可實現(xiàn)正作用執(zhí)行機構的功能。⑥可調整初始彈簧力，改變擋板移動距離與輸出氣壓關系的斜率和線性度。閥門定位器

閥門定位器的分類閥門定位器按輸入信號分為氣動閥門定位器和電氣閥門定位器。其中電氣閥門定位器可分為普通型和智能型，智能電氣定位器帶CPU，可處理有關智能運算。⑵電氣閥門定位器電氣閥門定位器的工作原理和結構與氣動閥門定位器基本相同。電氣閥門定位器與氣動閥門定位器的區(qū)別如下：閥門定位器①將氣動閥門定位器的波紋管組件改為力矩馬達；②實現(xiàn)正反作用方式不同，電氣閥位定位器改變正反作用的方式只需要將輸入電流信號的方向改變，不需要像氣動閥門定位器那樣，把波紋管安裝到相反的方向；③由于采用電流輸入，因此，帶來防爆問題，需采取防爆措施，如加裝安全柵等；而氣動閥門定位器是本質安全型儀表。④為實現(xiàn)力矩平衡，電氣閥門定位器杠桿上各受力點的位置有所改動。閥門定位器

閥門定位器的功能加入閥門定位器后，它與原單回路控制系統(tǒng)組成串級控制系統(tǒng)，原控制系統(tǒng)的被控量成為串級控制系統(tǒng)的主回路，因此，閥門定位器的主要功能如下：①對于進入副回路的干擾，例如摩擦力、不平衡力和回差的變化等，該系統(tǒng)具有較強的克服能力，這是使用閥門定位器的主要原因。因此，閥門定位器常被用于摩擦較大的場合來減小回差的影響；用于補償高壓差工況下不平衡力效應，減小不平衡力對閥桿的影響。②組成串級系統(tǒng)后，使副回路等效時間常數大大減小，從而改善控制閥的動態(tài)特性。閥門定位器③由于采用凸輪作為反饋環(huán)節(jié)，因此，改變凸輪形狀能有效地改變副回路的增益，補償被控對象的非線性特性；④改變作用方式?？刂崎y的氣開和氣關作用，可通過閥門定位器正反作用方式的設置來改變。⑤用于操作非標準信號的執(zhí)行機構。⑥實現(xiàn)分成控制。將控制閥輸入信號的不同范圍，對應控制閥的全開和全關，實現(xiàn)分成控制。閥門定位器⑶智能閥門定位器智能閥門定位器是帶CPU的閥門定位器，按閥位反饋信號的檢測方法可將智能閥門定位器分為機械反饋式、霍爾應變式、電感應式等類型。智能閥門定位器的工作原理與普通閥門定位器的工作原理類似，其特點如下：①減小機械間隙。一些智能電氣閥門定位器直接采用霍爾應變效應或電感應檢測元件檢測閥位移動，消除了反饋通道的間隙。②改善反饋回路的死區(qū)、時滯等非線性特性。因此控制系統(tǒng)的控制品質得到改善。④減少回路調試成本。采用自動調零和調量程，安裝費用和調試成本大大減少。閥門定位器③被控對象非線性特性補償的方法得到擴展，被控對象非線性特性可以用控制閥流量特性來補償，也可以用普通閥門定位器或智能閥位定位器來補償，還可用智能數字控制器串接非線性環(huán)節(jié)的軟連接功能，可方便地更改非線性特性等優(yōu)點，使控制閥選型變得簡單。⑥智能診斷技術使維護變得方便、簡單。⑤降低控制系統(tǒng)的偏離度，提高控制品質，改善控制性能。⑦具有節(jié)能效果?？刂崎y氣開和氣關方式的選擇控制閥氣開和氣關方式的選擇與生產過程的安全有關，當控制閥的氣源、控制信號中斷以及控制閥及其附件出現(xiàn)故障時，使控制閥回到初始位置（全開或全關），控制閥需處于什么位置對生產過程是安全位置來選擇控制閥的氣開和氣關方式。故障時，氣開控制閥處于關閉位置，因此也稱為故障時關閉閥；故障時，氣關控制閥處于全開位置，因此也稱為故障時打開閥；調節(jié)器的正、反作用的確定在控制系統(tǒng)中調節(jié)器的正、反作用確定方法：先做兩條規(guī)定：（1）氣開調節(jié)閥為+A，氣關調節(jié)閥為－A；（2）調節(jié)閥開大，被調參數上升為+B，下降為－B。則

A×B=“+”調節(jié)閥選反作用；

A×B=“－”調節(jié)閥選正作用。如：閥為氣開+A，閥開大，液位下降－B，則有：

（+A）×（－B）=“－”調節(jié)器選正作用。

故障處理⒈控制閥的故障分析⑴填料造成的故障因填料原因造成的故障表現(xiàn)為外泄量增大、摩擦力增大及閥桿的跳動。①填料材質不合適。由于填料材質不合適造成的故障主要是外泄量增大及摩擦力增大。②填料結構設計不當。填料及有關附件的安裝不合適，填料的高度不合適。③填料安裝不合適造成填料壓緊力不均勻。④填料有雜質。填料內有較硬的雜物造成閥桿劃傷。⑤上閥蓋安裝時螺栓緊固不當使填料受力不勻。故障處理⑵不平衡力造成的故障不平衡力造成的故障表現(xiàn)為控制閥動作不穩(wěn)定，關不嚴等。①流向不當。控制閥安裝不當，造成實際流體流向與控制閥標記流向不一致，使不平衡力變化。②控制閥與執(zhí)行機構不匹配。造成推力或推力矩不足，使控制閥動作不到位。⑶流量特性不匹配造成的故障?？刂崎y的流量特性用于補償被控對象的不同特性，如果選配的流量特性不合適，會使控制系統(tǒng)的控制品質變差。故障處理⑷控制閥流路設計和安裝不當造成的故障表現(xiàn)為噪聲增大