調(diào)節(jié)閥流量特性

調(diào)節(jié)閥流量特性第1頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二調(diào)節(jié)閥的流量特性5.2.1調(diào)節(jié)閥的流量特性調(diào)節(jié)閥的閥芯位移與流量之間的關系，對控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質有很大影響。流量特性的定義：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）間的關系稱為調(diào)節(jié)閥的流量特性。Q/Qmax—相對流量

l/L—相對開度第2頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二調(diào)節(jié)閥的流量特性

相對流量Q/Qmax

是控制閥某一開度流量Q與全開時流量Qmax之比；相對開度l/L

是控制閥某一開度行程l與全開行程L之比。

調(diào)節(jié)閥的流量特性不僅與閥門的結構和開度有關，還與閥前后的壓差有關，必須分開討論。LQ第3頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二調(diào)節(jié)閥的流量特性為了便于分析，先將閥前后壓差固定，然后再引伸到實際工作情況，于是有固有流量特性與工作流量特性之分。1、固有（理想）流量特性在將控制閥前后壓差固定時得到的流量特性稱為固有流量特性。它取決于閥芯的形狀。32134（1）直線特性（2）等百分比特性（3）快開特性（4）拋物線特性3142第4頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二調(diào)節(jié)閥的流量特性（1）直線流量特性控制閥的相對流量與相對開度成直線關系，即單位位移變化所引起的流量變化是常數(shù)。用數(shù)學式表示為：

R—調(diào)節(jié)閥的可調(diào)比系數(shù)。3142第5頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二調(diào)節(jié)閥的流量特性

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。R=Qmax/Qmin

其中Qmin不是指閥門全關時的泄漏量，而是閥門能平穩(wěn)控制的最小流量，約為最大流量的2~4%一般閥門的可調(diào)比R=30。

在小開度時，流量相對變化值大，靈敏度高，不易控制，甚至發(fā)生震蕩；在大開度時，流量相對變化值小，調(diào)節(jié)緩慢。3142第6頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二調(diào)節(jié)閥的流量特性

直線閥的流量放大系數(shù)在任何一點上都是相同的，但其對流量的控制力卻是不同的?？刂屏Γ洪y門開度改變時，相對流量的改變比值。

例如在不同的開度上，再分別增加10%開度，相對流量的變化比值為10％時：[（20-10）/10]×100%=100%50％時：[（60-50）/50]×100%=20%80％時：[（90-80）/80]×100%=12.5%Q/Q100L/Lmaxs=1第7頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二調(diào)節(jié)閥的流量特性

（2）等百分比（對數(shù)）流量特性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：曲線斜率（放大系數(shù)）隨行程的增大而增大。流量小時，流量變化小；流量大時，流量變化大。等百分比特性在直線特性下方，在同一位移時，直線流量特性閥比等百分比流量特性的調(diào)節(jié)閥通過的流量大。

3142第8頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二調(diào)節(jié)閥的流量特性

等百分比閥在各流量點的放大系數(shù)不同，但對流量的控制力卻是相同的。

同樣以10％、50％及80％三點為例，分別增加10%開度，相對流量變化的比值為：10%處：（6.58%-4.68%）/4.68%≈41%50%處：（25.7%-18.2%）/18.2%≈41%80%處：（71.2%-50.6%）/50.6%≈41%Q/Q100L/Lmaxs=1第9頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二調(diào)節(jié)閥的流量特性

（3）快開特性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，故稱為快開特性。適用于迅速啟閉的切斷閥或雙位控制系統(tǒng)。（4）拋物線流量特性特性曲線為拋物線，介于直線和對數(shù)曲線之間，使用較少。3142第10頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二調(diào)節(jié)閥的流量特性

各種閥門都有自己特定的流量特性，如隔膜閥的流量特性近于快開特性，蝶閥的流量特性接近于等百分比特性。選擇閥門時應該注意各種閥門的流量特性。對隔膜閥和蝶閥，由于它的結構特點，不可能用改變閥芯的曲面形狀來改變其特性。因此，要改善其流量特性，只能通過改變閥門定位器反饋凸輪的外形來實現(xiàn)。第11頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二調(diào)節(jié)閥的流量特性

2、調(diào)節(jié)閥的工作流量特性實際使用時，調(diào)節(jié)閥裝在具有阻力的管道系統(tǒng)中。管道對流體的阻力隨流量而變化，閥前后壓差也是變化的，這時流量特性會發(fā)生畸變。例：管道串聯(lián)時的工作流量特性如圖，管道系統(tǒng)總壓力ΔP等于管路系統(tǒng)的壓降ΔPG與控制閥的壓降ΔPT之和。P△PGQ△PT管路及設備△PG△PT調(diào)節(jié)閥△P△P第12頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二調(diào)節(jié)閥的流量特性

從串聯(lián)管道中調(diào)節(jié)閥兩端壓差△PT的變化曲線可看出，調(diào)節(jié)閥全關時閥上壓力最大，基本等于系統(tǒng)總壓力；調(diào)節(jié)閥全開時閥上壓力降至最小。為了表示調(diào)節(jié)閥兩端壓差△PT的變化范圍，以閥權度s表示調(diào)節(jié)閥全開時，閥前后最小壓差△PTmin與總壓力△

P之比。s=PTmin

/△

PP△PGQ△PT管路及設備△PG△PT調(diào)節(jié)閥△P△P第13頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二調(diào)節(jié)閥的流量特性以Qmax表示串聯(lián)管道阻力為零時(s=1)，閥全開時達到的最大流量。可得串聯(lián)管道在不同s值時，以自身Qmax作參照的工作流量特性。流量特性畸變：對數(shù)閥變?yōu)橹本€閥

直線閥變?yōu)榭扉_閥s↓第14頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二調(diào)節(jié)閥的流量特性

例：管道并聯(lián)時的工作流量特性有的調(diào)節(jié)閥裝有旁路，便于手動操作和維護。當生產(chǎn)能力提高或其他原因引起調(diào)節(jié)閥的最大流量滿足不了工藝生產(chǎn)的要求時，可以把旁路打開一些，這時調(diào)節(jié)閥的理想流量特性就成為工作流量特性。第15頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二調(diào)節(jié)閥的流量特性

在圖1-5-30所示的并聯(lián)管路中，有（）LlX?qmaxq=+(1-X)式中q——并聯(lián)管道的總流量，即：q=q1+q2；

qmax——管路總流量的最大值；?——調(diào)節(jié)閥的理想流量特性；

l/L——閥芯相對位移；

X——調(diào)節(jié)閥全開時最大流量和總管流量之比，即X＝qmaxq1max

上式表示并聯(lián)管道的工作流量特性。理想流量特性為直線及等百分比的調(diào)節(jié)閥，在不同的X值時，工作流量特性如圖1-5-31所示。由圖1-5-31可以看出，并聯(lián)管道中，閥本身的流量特性變化不大，但可調(diào)比降低了。實際應用中，為使調(diào)節(jié)閥有足夠的調(diào)節(jié)能力，旁路流量不能超過總流量的20％，即X值不能低于0.8。第16頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二調(diào)節(jié)閥的流量特性

結論串、并聯(lián)管道使理想流量特性發(fā)生畸變，串聯(lián)管道的影響尤為嚴重；

串、并聯(lián)管道式調(diào)節(jié)閥可調(diào)比降低，并聯(lián)管道更為嚴重；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；串聯(lián)管道調(diào)節(jié)閥開度小時放大系數(shù)增加，開度大時則減少，并聯(lián)管道調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)在任何開度下總比原來的減少。第17頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二調(diào)節(jié)閥的附件

5.3.1氣動閥門定位器氣動閥門定位器接受氣動調(diào)節(jié)器（或電氣轉換器）的氣壓輸出信號，然后產(chǎn)生與該輸出信號成比例的氣壓信號，用以控制氣動調(diào)節(jié)閥。氣動閥門定位器按其工作原理可分成位移平衡式和力（力矩）平衡式兩大類。下面介紹力（力矩）平衡式氣動閥門定位器。氣動調(diào)節(jié)閥中，閥桿的位移是由薄膜上氣壓推力與彈簧反作用力平衡確定的。為了防止閥桿處的泄漏要壓緊填料，使閥桿摩擦力增大，且個體差異較大，這會影響輸入信號P的執(zhí)行精度。第18頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二調(diào)節(jié)閥的附件

解決措施在調(diào)節(jié)閥上加裝閥門定位器，引入閥桿位移負反饋。使閥桿能按輸入信號精確地確定自己的開度。第19頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二調(diào)節(jié)閥的附件

第20頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二調(diào)節(jié)閥的附件

力（力矩）平衡式氣動閥門定位器按力矩平衡原理工作，如圖1-5-32所示。當通入波紋管1的信號壓力增加時，使主杠桿2繞支點15轉動，擋板13靠近噴嘴14，噴嘴背壓經(jīng)放大器16放大后，送入到執(zhí)行機構8的薄膜室，并使閥桿向下移動，帶動反饋桿9繞支點4轉動，反饋凸輪5也跟著作逆時針轉動，通過滾輪10使副杠桿6繞支點7順時針轉動，并將反饋彈簧11拉伸，彈簧11對主杠桿2的拉力與信號壓力作用在波紋管1上的力達到力矩平衡時儀表達到平衡狀態(tài)。此時，一定的信號壓力就對應一定的閥門位置。彈簧12是調(diào)零彈簧，調(diào)其預緊力可使擋板初始位置變化。彈簧3是遷移彈簧，在分程控制中用來改變波紋管對主杠桿作用力的初始值，以使定位器在接受不同輸入信號范圍（20-60kPa或60-100kPa）時，仍能產(chǎn)生相同的輸出信號。

改變定位器反饋桿的長度可實現(xiàn)行程調(diào)整。將正作用定位器中的波紋管從主杠桿的右側換到左側，調(diào)節(jié)調(diào)零彈簧，是定位器的使其輸出壓力為100kPa，就能實現(xiàn)反作用調(diào)節(jié)。

第21頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二調(diào)節(jié)閥的附件

5.3.2電-氣轉換器

為了使氣動調(diào)節(jié)閥能夠接收電動調(diào)節(jié)器的輸出信號，必須把標準電流信號轉換為標準氣壓信號。電/氣轉換器作用：把電動調(diào)節(jié)器或DCS輸出的電流信號轉換成氣壓信號，送到氣動執(zhí)行機構或其他氣動儀表上去。（將4～20mA的電流信號轉換成20～100KPa的標準氣壓信號）第22頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二調(diào)節(jié)閥的附件

常見的電-氣轉換器的結構原理圖。它由三大步分組成：電路部分，主要是測量線圈4；磁路部分，由磁鋼5構成，它產(chǎn)生永久磁場；氣動力平衡部分，由噴嘴、擋板、功率放大器及正、負反饋波紋管和調(diào)零彈簧組成。

電-氣轉換器的動作原理是力矩平衡原理。當4-20mA的直流信號通入測量線圈之后，載流線圈在磁場中產(chǎn)生電磁力，改電磁力與正、負反饋力矩平衡杠桿平衡，于是輸出信號就與輸入電流成為一一對應的關系，從而把電流信號變成對應的20-100kPa的氣壓信號。第23頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二調(diào)節(jié)閥的附件

工作原理

I↑吸力Fi↑

杠桿偏轉擋板與噴嘴間隙↓

背壓↑

放大器輸入↑

輸出壓力P↑

杠桿的反饋力Ff

↑

杠桿平衡P∝I負反饋磁鐵調(diào)零FiFf背壓第24頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二調(diào)節(jié)閥的附件

第25頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二調(diào)節(jié)閥的附件

5.3.3電-氣閥門定位器

電-氣閥門定位器輸入信號為調(diào)節(jié)器來的4-20mA的直流電信號，輸出為驅動氣動調(diào)節(jié)閥的氣壓信號，如圖1-5-34所示。它能夠同時起到電-氣轉換器和氣動閥門定位器的作用。實際應用中，常把電/氣轉換器和閥門定位器結合成一體，組成電/氣閥門定位器。第26頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二調(diào)節(jié)閥的附件

I↑杠桿上端右移閥桿下移反饋凸輪右轉反饋彈簧右拉杠桿平衡擋板靠近噴嘴P壓力↑第27頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二調(diào)節(jié)閥的附件

圖1-5-35表示一種雙向電-氣閥門定位器的工作原理。它是按力矩平衡原理工作的，它與氣動閥門定位器有兩個明顯的區(qū)別，一個是把波紋管組件換成力矩馬達，一個是把單相放大器改為雙向放大器。當信號點流通入到力矩馬達1的線圈兩端時，它與永久磁鋼作用后，對主杠桿產(chǎn)生一個力矩，于是擋板靠近噴嘴，經(jīng)放大器放大后的輸出壓力送入到活塞式執(zhí)行機構2的氣缸，通過反饋凸輪拉伸放反饋彈簧，彈簧對主杠桿的反饋力矩與輸入電流作用在主杠桿上的力矩相平衡時，儀表達到平衡狀態(tài)，此時，一定的輸入電流就對應一定的閥門位置。第28頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二調(diào)節(jié)閥的附件

5.3.4智能式閥門定位器隨著電子技術的迅速發(fā)展，微處理器也被引入到調(diào)節(jié)閥中，出現(xiàn)了智能式調(diào)節(jié)閥。主要功能如下：1．控制及執(zhí)行功能2．補償及校正功能3．通信功能4．診斷功能5．保護功能智能電動執(zhí)行機構第29頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二調(diào)節(jié)閥的附件

5.3.5閥門定位器的應用場合閥門定位器是調(diào)節(jié)閥的主要附件，它和調(diào)節(jié)閥組成一個閉環(huán)回路，能夠增大調(diào)節(jié)閥的輸出功率，減少調(diào)節(jié)信號的傳遞滯后，加快閥桿的移動速度，能夠提高閥門的線性度，克服閥桿的摩擦力并消除不平衡力的影響，從而保證調(diào)節(jié)閥的正確定位。其主要作用如下：（1）

用于氣動、電動儀表的復合調(diào)節(jié)系統(tǒng)在調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，檢測和調(diào)節(jié)儀表經(jīng)常采用電器儀表，而執(zhí)行機構又要求采用氣動儀表?？刹捎秒?氣閥門定位器，也可使用一臺電-氣轉換器和一臺氣動閥門定位器。（2）

用于摩擦力大的場合當調(diào)節(jié)閥用于高壓介質時，為了防止流體從閥桿填料處泄漏，經(jīng)常把填料壓蓋壓得比較緊，在閥桿與填料之間會產(chǎn)生很大的摩擦力；當介質溫度過高或過低時，閥桿與填料之間的摩擦力增大，過大的摩擦力會使閥桿行程產(chǎn)生誤差。定位器能夠克服這些摩擦力的作用，改善調(diào)節(jié)閥基本特性。（3）

用于高壓差場合當調(diào)節(jié)閥兩端的壓差大于1MPa時，介質對閥芯產(chǎn)生較大的不平衡力，從而破壞原來的工作位置，使控制系統(tǒng)產(chǎn)生擾動作用。使用定位器，可以起到增大執(zhí)行機構的輸出力，克服不平衡力的作用。（4）

用于介質中含有固體懸浮物、黏性流體、含纖維、易結焦的場合使用定位器可以克服這些介質對閥桿移動所產(chǎn)生的較大阻力。第30頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二調(diào)節(jié)閥的附件

（5）

增加執(zhí)行機構的動作速度當調(diào)節(jié)器與調(diào)節(jié)閥相距較遠時，為盡量縮短氣動信號管的長度，克服信號的傳遞滯后，應使用電-氣閥門定位器。（6）

用于調(diào)節(jié)閥口徑較大的場合當調(diào)節(jié)閥口徑大于100㎜、蝶閥口徑大于250㎜時，由于閥芯重，閥芯截面積大及執(zhí)行機構氣室容積增大，響應特性變差。閥門定位器可改善調(diào)節(jié)閥的響應特性。（7）

用于活塞式執(zhí)行機構的比例動作沒有彈簧平衡的活塞式執(zhí)行機構一般是兩位式動作，非開則關。配用閥門定位器（單向或雙向）可使這種執(zhí)行機構執(zhí)行比例動作。（8）

方便實現(xiàn)調(diào)節(jié)閥反向動作如果需要改變調(diào)節(jié)閥的氣開/氣關模式，就必須把閥芯反裝，或改裝另一種作用方式（正、反）的執(zhí)行機構，這種改裝限制較多，困難較大。如果利用閥門定位器，這種改變就容易多了。（9）改善調(diào)節(jié)閥的流量特性由于定位器反饋凸輪的幾何形狀決定調(diào)節(jié)閥對定位器的反饋量，從而改變調(diào)節(jié)器的輸出信號與調(diào)節(jié)閥開度之間的關系，即修正了流量特性，所以調(diào)節(jié)閥的流量特性可以通過改變反饋凸輪的幾何形狀來改變

第31頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二調(diào)節(jié)閥的附件

（10）

操作非標準信號的執(zhí)行機構當閥門定位器的輸出以標準信號（20-100KPa）去操作非標準信號（如40-200KPa）的氣動薄膜執(zhí)行機構時，可以有兩種方法：一種是在定位器與執(zhí)行機構之間配用一個1:2的氣動繼動器，把信號壓力放大一倍；另一種方法是通過將閥門定位器的氣源壓力提高，這時閥門定位器的輸出也相應提高，就可以操作非標準信號的執(zhí)行機構。（11）

用于分程控制分程控制如圖1-5-37所示，兩臺定位器由一臺調(diào)節(jié)器來操縱。通過調(diào)整，使一臺定位器的輸入在20-60Kpa范圍內(nèi)變化時，另一臺在60-100Kpa范圍內(nèi)變化時，輸出均為20-100Kpa，從而實現(xiàn)分程控制。第32頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二調(diào)節(jié)閥的附件

5.3.6電磁閥電動調(diào)節(jié)閥接受來自調(diào)節(jié)器的電流信號，閥門開度連續(xù)可調(diào)。電磁閥也接受來自調(diào)節(jié)器的電流信號，但閥門開度是位式調(diào)節(jié)。第33頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二調(diào)節(jié)閥的附件

電磁閥由兩個基本功能單元組成，即電磁線圈（電磁鐵）和磁芯以及包含一個或幾個孔的閥體。當電磁線圈通電或斷電時，磁芯的運動將導致流體通過閥體或被切斷。電磁線圈被直接裝在閥體上，閥芯被封閉在密封管中，構成一個簡潔、緊湊的組合。1.電磁閥的技術指標電磁閥的常用技術指標有以下幾個：（1）CV值（流量系數(shù)）電磁閥的CV值與調(diào)節(jié)閥的CV值一樣，表示介質通過電磁閥的流通能力，它取決于以下三個因素：介質的最大和最小流量；介質通過閥門的最大和最小壓差；介質的相對密度、溫度和黏度。（2）電磁線圈外殼的密封等級一般有傳統(tǒng)的金屬密封和整體模壓的環(huán)氧樹脂結構，在選用時要根據(jù)現(xiàn)場的實際使用條件即防水、防腐、防爆及環(huán)境溫度來選取相應的適用等級。(3)最大操作壓力差最大操作壓力差是指確保電磁線圈安全操作閥門時可承受的閥門入口與出口間的最大壓力差。若閥門出口壓力是未知的，第34頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二調(diào)節(jié)閥的附件

可把供給壓力當作最大差壓。需要注意，同口徑的電磁閥使用交流電驅動與使用直流電驅動其最大操作壓力差是不同（4）最小操作壓力差最小操作壓力差是指開啟閥門所需的最小壓差。對于二通浮動活塞或浮動膜片閥來說，實際壓差低于最小操作壓力差時，閥門將開始關閉。（5）安全操作壓力安全操作壓力是指閥門可以承受的無損害的管路或系統(tǒng)壓力。試驗壓力是安全工作壓力的5倍。（6）流體最高溫度閥門所允許使用的被控介質的最高工作溫度。（7）閥體材質應確保不與介質起化學反應（腐蝕）。如果大氣環(huán)境中含有腐蝕性氣體，也需慎重選擇閥體材質。（8）動作時間閥門從全閉到全開或反之的時間稱為動作時間。它取決于閥門尺寸和操作形式、電力供給、流體黏度、入口壓力和溫度等。第35頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二調(diào)節(jié)閥的附件

2.電磁閥的選擇

可從以下三個方面選擇電磁閥：按使用介質或功能選用電磁閥一般按使用介質及用途而標注名稱，如可在蒸汽介質中使用的標為蒸汽電磁閥。常用電磁閥有如下品種：二位二通電磁閥。二位三通電磁閥、二位四通電磁閥、二位五通電磁閥、蒸汽電磁閥、微壓電磁閥、制冷電磁閥、渣油電磁閥、高溫電磁閥、真空電磁閥、煤氣電磁閥、防爆電磁閥、船用電磁閥、防水電磁閥、脈沖電磁閥、不銹鋼電磁閥、塑料電磁閥、自鎖電磁閥、多功能電磁閥和組合電磁閥等。按電磁閥工作原理選用不同電磁閥適用于不同壓力（壓差）場合。第36頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二調(diào)節(jié)閥的附件

按電磁閥口徑選用一般電磁閥通徑與工藝管道通徑相同。在石油化工裝置的聯(lián)鎖控制系統(tǒng)中，電磁閥一般用于操作儀表風去控制調(diào)節(jié)閥的動作。此時，電磁閥的通徑也應與儀表風管的管徑相同。若電磁閥上壓降較大，在大口徑時從節(jié)約與可靠性考慮，可選擇比工藝管道通徑小一檔的電磁閥。除一般考慮工作介質的溫度、黏度、懸浮物、腐蝕性、壓力、壓差等因素外，選用電磁閥還必須考慮下列問題：①

為防止線圈燒壞，應限制電磁閥每分鐘通斷的工作次數(shù)。②

介質進入導閥前，一般應先經(jīng)過過濾器防止雜質堵塞閥門。③

介質壓力低于電磁閥的最小工作壓力時，介質不能通過閥門，只有當介質壓力大于時最小工作壓力才能通過閥門。④

電磁閥有電開型（通電打開）和電閉型（通電閉合）兩種，未特別說明的，則一般為電開型。⑤

通常電磁閥是水平安裝。若垂直安裝，電磁閥將不能正常工作。第37頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二調(diào)節(jié)閥的附件