化工儀表及其自動化控制課件-第六章-執(zhí)行器

第四章執(zhí)行器概述執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)和流量特性閥門定位器執(zhí)行器的選擇計(jì)算和安裝氣動薄膜直通單座閥氣動薄膜直通雙座閥氣動蝶閥氣動球閥氣動切斷閥電動直通單座閥電動隔膜閥電動三通閥氣動薄膜角形閥電磁閥手動截止閥對執(zhí)行器的初步認(rèn)識1.概述執(zhí)行器在自控系統(tǒng)中的作用執(zhí)行器是指：閥門－調(diào)節(jié)閥(連續(xù)的)、開關(guān)閥(過程控制范疇)電機(jī)－連續(xù)的、開關(guān)的(屬于流體機(jī)械的范疇，起執(zhí)行器的作用)執(zhí)行器是控制系統(tǒng)必不可少的環(huán)節(jié)。執(zhí)行器工作，使用條件惡劣，它也是控制系統(tǒng)最薄弱的環(huán)節(jié)原因：執(zhí)行器與介質(zhì)（操作變量）直接接觸

(強(qiáng))腐蝕性、(高)粘度、(易)結(jié)晶、高溫、深冷、高壓、高差壓執(zhí)行器在自控系統(tǒng)中的作用：接收調(diào)節(jié)器（計(jì)算機(jī)）輸出的控制信號，使調(diào)節(jié)閥的開度產(chǎn)生相應(yīng)變化，從而達(dá)到調(diào)節(jié)操作變量流量的目的。執(zhí)行器通常專指閥門執(zhí)行器的構(gòu)成圖6-2氣動薄膜調(diào)節(jié)閥的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)1－薄膜2－平衡彈簧3－閥桿4－閥芯5－閥體6－閥座PO氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)123456執(zhí)行器由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制（調(diào)節(jié)）機(jī)構(gòu)兩個部分構(gòu)成

輔助裝置：閥門定位器和手動操作機(jī)構(gòu)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)POIOF→lM→θ流通截面積操縱變量的流量執(zhí)行機(jī)構(gòu)——根據(jù)控制信號產(chǎn)生推力(薄膜、活塞、馬達(dá)…)。它是執(zhí)行器的推動裝置，它按控制信號的大小產(chǎn)生相應(yīng)的推力，推動控制機(jī)構(gòu)動作，所以它是將信號的大小轉(zhuǎn)換為閥桿位移的裝置控制機(jī)構(gòu)——根據(jù)推力產(chǎn)生位移或轉(zhuǎn)角，改變開度。它是執(zhí)行器的控制部分，它直接與被控介質(zhì)接觸，控制流體的流量。所以它是將閥桿的位移轉(zhuǎn)換為流過閥的流量的裝置

手操機(jī)構(gòu)——手輪機(jī)構(gòu)的作用是當(dāng)控制系統(tǒng)因停電、停氣、控制器無輸出或執(zhí)行機(jī)構(gòu)失靈時，利用它可以直接操縱控制閥，以維持生產(chǎn)的正常進(jìn)行。

氣動執(zhí)行器分類－－按使用的能源形式：電動執(zhí)行器液動執(zhí)行器氣動閥電動閥在過程控制領(lǐng)域應(yīng)用很少按閥門的輸出：連續(xù)式(0～100％)開關(guān)式(ON/OFF)調(diào)節(jié)閥**氣動調(diào)節(jié)閥采用氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、動作可靠穩(wěn)定、輸出力大、安裝維修方便、價(jià)格便宜和防火防爆缺點(diǎn)：響應(yīng)時間大，信號不適于遠(yuǎn)傳采用電/氣轉(zhuǎn)換器或電/氣閥門定位器，使傳送信號為電信號，現(xiàn)場操作為氣動信號氣動調(diào)節(jié)閥電信號氣信號電動調(diào)節(jié)閥電動調(diào)節(jié)閥采用電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：動作較快、能源獲取方便，特別適于遠(yuǎn)距離的信號傳送缺點(diǎn)：輸出力較小、價(jià)格貴，且一般只適用于防爆要求不高的場合直通雙座調(diào)節(jié)閥直通單座調(diào)節(jié)閥籠式（套筒）調(diào)節(jié)閥角型調(diào)節(jié)閥三通調(diào)節(jié)閥高壓調(diào)節(jié)閥隔膜調(diào)節(jié)閥波紋管密封調(diào)節(jié)閥超高壓調(diào)節(jié)閥小流量調(diào)節(jié)閥低噪音調(diào)節(jié)閥直行程式調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)角行程式調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

同一類型的氣動/電動調(diào)節(jié)閥，分別采用氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)和電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)蝶閥凸輪撓曲調(diào)節(jié)閥V型球閥O型球閥

分類－－按使用的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)：反作用：當(dāng)輸入信號增大時，流過執(zhí)行器的流量減小

氣動調(diào)節(jié)閥通常稱為氣關(guān)閥

正作用：當(dāng)輸入信號增大時，執(zhí)行器的開度增大，即流過執(zhí)行器的流量增大

氣動調(diào)節(jié)閥通常稱為氣開閥執(zhí)行器的作用方式從安全生產(chǎn)的角度來確定正反作用H如果，介質(zhì)是由強(qiáng)腐蝕性的，再生產(chǎn)過程中不允許溢出，調(diào)節(jié)閥的作用形式？如果后面的環(huán)節(jié)不允許沒有物料，調(diào)節(jié)閥的作用形式？根據(jù)控制信號的大小，產(chǎn)生相應(yīng)的輸出力F和位移M(直線位移l或角位移θ)輸出力F用于克服調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中流動流體對閥芯產(chǎn)生的作用力或作用力矩，以及摩擦力等其他各種阻力；位移(l或θ)用于帶動調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)閥芯動作

2.執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)

電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)

氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要分為兩大類：薄膜式與活塞式薄膜式與活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)又可分為：有彈簧和無彈簧兩種

2.1.氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣源PO氣動薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)和工作原理氣源PO氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動態(tài)特性為一階滯后環(huán)節(jié)。其時間常數(shù)的大小與薄膜氣室大小及引壓導(dǎo)管長短粗細(xì)有關(guān)，一般為數(shù)秒到數(shù)十秒之間。

氣動活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)和工作原理基本部件：活塞和氣缸活塞在氣缸內(nèi)隨活塞兩側(cè)壓差而移動兩側(cè)可以分別輸入一個固定信號和一個變動信號，或兩側(cè)都輸入變動信號。它的輸出特性有比例式及兩位式兩種。兩位式是根據(jù)輸入執(zhí)行活塞兩側(cè)的操作壓力的大小，活塞從高壓側(cè)推向低壓側(cè)，使推桿從一個位置移到另一極端位置比例式是在兩位式基礎(chǔ)上加有閥門定位器后，使推桿位移與信號壓力成比例關(guān)系。P1P2構(gòu)成原理

2.2.電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)RETURN輸入信號伺服放大器伺服電機(jī)減速器輸出位置發(fā)生器＋－ε供參考調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是執(zhí)行器的調(diào)節(jié)部分，在執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出力和輸出位移作用下，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)閥芯的運(yùn)動，改變了閥芯與閥座之間的流通截面積，即改變了調(diào)節(jié)閥的阻力系數(shù)，使被控介質(zhì)流體的流量發(fā)生相應(yīng)變化。3.調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)1—執(zhí)行機(jī)構(gòu)2—閥桿3—閥芯4—閥座5—閥體6—轉(zhuǎn)軸7—閥板

主要構(gòu)成：閥體、閥座、閥心、和閥桿或轉(zhuǎn)軸調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)單導(dǎo)向結(jié)構(gòu)直通單座調(diào)節(jié)閥：閥體內(nèi)只有一個閥芯和一個閥座。結(jié)構(gòu)簡單、泄漏量?。ㄉ踔量梢酝耆袛啵┰试S壓差小（雙導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的允許壓差較單導(dǎo)向結(jié)構(gòu)大）。

常用調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)示意圖及特點(diǎn)——直通單座調(diào)節(jié)閥雙導(dǎo)向結(jié)構(gòu)它適用于要求泄漏量小，工作壓差較小的干凈介質(zhì)的場合。在應(yīng)用中應(yīng)特別注意其允許壓差，防止閥門關(guān)不死。

直通雙座調(diào)節(jié)閥：閥體內(nèi)有兩個閥芯和閥座。因?yàn)榱黧w對上、下兩閥芯上的作用力可以相互抵消，因此雙座閥具有允許壓差大上、下兩閥芯不易同時關(guān)閉，因此泄漏量較大的特點(diǎn)。常用調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)示意圖及特點(diǎn)——直通雙座調(diào)節(jié)閥均為雙導(dǎo)向結(jié)構(gòu)它適用于閥兩端壓差較大，泄漏量要求不高的干凈介質(zhì)場合，不適用于高粘度和含纖維的場合。角形調(diào)節(jié)閥：閥體為直角形流路簡單、阻力小，適用于高壓差、高粘度、含有懸浮物和顆粒狀物質(zhì)的調(diào)節(jié)。角形閥一般使用于底進(jìn)側(cè)出，此時調(diào)節(jié)閥穩(wěn)定性好，在高壓差場合下，為了延長閥芯使用壽命，也可采用側(cè)進(jìn)底出。但側(cè)進(jìn)底出在小開度時易發(fā)生振蕩。角形閥還適用于工藝管道直角形配管的場合。常用調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)示意圖及特點(diǎn)——角形調(diào)節(jié)閥分流三通調(diào)節(jié)閥三通調(diào)節(jié)閥：閥體有三個接管口，適用于三個方向流體的管路控制系統(tǒng)，大多用于熱交換器的溫度調(diào)節(jié)、配比調(diào)節(jié)和旁路調(diào)節(jié)。在使用中應(yīng)注意流體溫差不宜過大，通常小于是150℃，否則會使三通閥產(chǎn)生較大應(yīng)力而引起變形，造成連接處泄漏或損壞。三通閥有三通合流閥和三通分流閥兩種類型。三通合流閥為介質(zhì)由兩個輸入口流進(jìn)混合后由一出口流出；三通分流閥為介質(zhì)由一入口流進(jìn)，分為兩個出口流出。

常用調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)示意圖及特點(diǎn)——三通調(diào)節(jié)閥合流三通調(diào)節(jié)閥蝶閥：蝶閥是通過擋板以轉(zhuǎn)軸為中心旋轉(zhuǎn)來控制流體的流量。結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、成本低，流通能力大特別適用于低壓差、大口徑、大流量的氣體形或帶有懸浮物流體的場合泄漏較大蝶閥通常工作轉(zhuǎn)角應(yīng)小于70℃，此時流量特性與等百分比特性相似多用于開關(guān)閥常用調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)示意圖及特點(diǎn)——蝶閥蝶閥套筒閥：套筒閥的結(jié)構(gòu)比較特殊，閥體與一般的直通單座閥相似，但閥內(nèi)有一個圓柱形套筒，又稱籠子，利用套筒導(dǎo)向，閥芯可在套筒中上下移動。套筒上開有一定形狀的窗口（節(jié)流孔），套筒移動時，就改變了節(jié)流孔的面積，從而實(shí)現(xiàn)流量調(diào)節(jié)。套筒閥分為單密封和雙密封兩種結(jié)構(gòu)，前者類似于直通單座閥，適用于單座閥的場合；后者類似于直通雙座閥，適用于雙座閥的場合。套筒閥具有穩(wěn)定性好、拆裝維修方便等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用，但其價(jià)格比較貴。常用調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)示意圖及特點(diǎn)——套筒閥套筒閥偏心旋轉(zhuǎn)閥：轉(zhuǎn)軸帶動閥芯偏心旋轉(zhuǎn)體積小，重量輕，使用可靠，維修方便，通用性強(qiáng)，流體阻力小等優(yōu)點(diǎn)，適用于粘度較大的場合，在石灰、泥漿等流體中，具有較好的使用性能。常用調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)示意圖及特點(diǎn)——偏心旋轉(zhuǎn)閥偏心旋轉(zhuǎn)閥“O”形球閥：閥芯為一球體閥芯上開有一個直徑和管道直徑相等的通孔，轉(zhuǎn)軸帶動球體旋轉(zhuǎn)，起調(diào)節(jié)和切斷作用。該閥結(jié)構(gòu)簡單，維修方便，密封可靠，流通能力大流量特性為快開特性，一般用于位式控制。常用調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)示意圖及特點(diǎn)——“O”形球閥“O”形球閥“V”形球閥：閥芯也為一球體但球體上開孔為V形口，隨著球體的旋轉(zhuǎn)，流通截面積不斷發(fā)生變化，但流通截面的形狀始終保持為三角形。該閥結(jié)構(gòu)簡單，維修方便，關(guān)閉性能好，流通能力大，可調(diào)比大流量特性近似為等百分比特性，適用于纖維、紙漿及含顆粒的介質(zhì)。常用調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)示意圖及特點(diǎn)——“V”形球閥“V”形球閥孔板流量計(jì)的公式？？4.流量系數(shù)和流量特性調(diào)節(jié)閥的流量方程依據(jù)的原理：伯努利方程（能量守恒）流量系數(shù)是反映調(diào)節(jié)閥口徑大小的一個重要參數(shù)

流量系數(shù)KV的定義:在調(diào)節(jié)閥前后壓差為100KPa，流體密度為1g/cm3（即5～40℃的水）的條件下，調(diào)節(jié)閥全開時，每小時通過閥門的流體量（m3）

4.1.調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)把上述參數(shù)代入流量方程，即可算出實(shí)際工況的流經(jīng)閥門的流量

事實(shí)上，這里提出流量系數(shù)的概念，用意不在流量的計(jì)算上，真正目的是根據(jù)工藝要求如何來選擇一臺合適的調(diào)節(jié)閥。

根據(jù)工藝要求，即流量Q、前后差壓△P、介質(zhì)密度ρ，可以用下式來計(jì)算調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)，并以此來作為閥門口徑選擇的依據(jù)之一：注意：上式中各參數(shù)的單位上式只適用于一般的流體（如水或者類似流體）流體的種類和性質(zhì)將影響KV的大小，因此對不同的流體必須考慮其對流量系數(shù)的影響流體的流動狀態(tài)也將影響K的大小流量系數(shù)的計(jì)算可調(diào)比R反映調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)能力的大小

定義:調(diào)節(jié)閥所能調(diào)節(jié)的最大流量和最小流量之比

調(diào)節(jié)閥前后壓差的變化，會引起可調(diào)比變化，將可調(diào)比分為理想可調(diào)比和實(shí)際可調(diào)比。

4.2.調(diào)節(jié)閥的可調(diào)比理想可調(diào)比由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決定，通常

R=30或50(1)理想可調(diào)比R(ΔP一定)①串聯(lián)管道時的可調(diào)比

設(shè)

(2)實(shí)際可調(diào)比Rr(ΔP變化)②并聯(lián)管道時的可調(diào)比

R＞＞1設(shè)

供參考調(diào)節(jié)閥流量特性：介質(zhì)流過調(diào)節(jié)閥的相對流量與相對位移（即閥的相對開度）之間的關(guān)系

調(diào)節(jié)閥前后壓差的變化，會引起流量變化。流量特性分為理想流量特性和實(shí)際流量特性4.3.調(diào)節(jié)閥的流量特性最大流量最大位移實(shí)際位移實(shí)際流量調(diào)節(jié)閥的固有特性，由閥芯的形狀所決定。1-快開特性2-直線特性3-拋物線特性4-等百分比（對數(shù)）特性①理想流量特性(ΔP一定)特點(diǎn)：a.放大系數(shù)是常數(shù)

調(diào)節(jié)閥的相對流量與相對位移成直線關(guān)系，即單位位移變化所引起的流量變化是常數(shù)

b.Q↑流量相對變化值

↓(1)直線流量特性特點(diǎn)：a.Q↑放大系數(shù)↑單位相對位移變化所引起的相對流量變化與此點(diǎn)的相對流量成正比關(guān)系b.流量相對變化值是常數(shù)

(2)等百分比流量特性（對數(shù)流量特性）單位相對位移的變化所引起的相對流量變化與此點(diǎn)的相對流量值的平方值的平方根成正比關(guān)系(3)拋物線流量特性為了彌補(bǔ)直線特性在小開度時調(diào)節(jié)性能差的缺點(diǎn)，在拋物線特性基礎(chǔ)上派生出一種修正拋物線特性，它在相對位移30%及相對流量變20%這段區(qū)間內(nèi)為拋物線關(guān)系，而在此以上的范圍是線性關(guān)系。

在開度較小時就有較大的流量，隨著開度的增大，流量很快就達(dá)到最大；此后再增加開度，流量變化很小

有效位移一般為閥座直徑的1/4

適用于迅速啟閉的位式控制或程序控制系統(tǒng)

(4)快開流量特性上述4種流量特性中：直線和等百分比最常用。(1)串聯(lián)管道時*流量特性發(fā)生畸變直線特性→快開特性等百分比特性→直線特性

*可調(diào)比減小

②工作流量特性(ΔP變化)(2)并聯(lián)管道時的工作流量特性

通常一般X值不能低于0.8，即旁路流量只能為總流量的