第過(guò)程控制技術(shù)4章(1)

1、第第 4 章章 執(zhí)行器執(zhí)行器 4.1 概述概述 執(zhí)行器是過(guò)程控制系統(tǒng)中的實(shí)施機(jī)構(gòu)，它接受控制器發(fā)出的行動(dòng)指令，并將其轉(zhuǎn)化為位移 或速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)流程中過(guò)程參數(shù)的調(diào)節(jié)與控制?，F(xiàn)在的執(zhí)行器主要是傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)閥（也稱 控制閥，Control Valve），另一類是由變頻器和交流電動(dòng)機(jī)組成的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)單元，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)速 的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)某些流體流速和流量的控制。 目前使用最多的執(zhí)行器是調(diào)節(jié)閥，它由執(zhí)行機(jī)構(gòu)（Executing Actuator）和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)-閥體 （Valve Body）兩部分組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)接受控制器輸出的控制信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化為直線位移或 角位移，驅(qū)動(dòng)閥體改變閥芯與閥座之間的開(kāi)通面積，進(jìn)而調(diào)節(jié)

2、介質(zhì)流過(guò)閥體的流量，實(shí)現(xiàn)對(duì)流 經(jīng)該截面的物料控制。 執(zhí)行器一般安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，并直接與介質(zhì)接觸，工作環(huán)境惡劣，通常在高溫、高壓、高 粘度、易燃、易爆、易腐蝕、易結(jié)晶或劇毒等惡劣條件下使用。執(zhí)行器選用或安裝如果不當(dāng)， 小則直接影響系統(tǒng)的控制質(zhì)量，大則引發(fā)事故。 根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用能源的不同，可分為氣動(dòng)、電動(dòng)和液壓三類執(zhí)行器，它們的執(zhí)行機(jī)構(gòu)部 分不同，但調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)部分大體相同。 氣動(dòng)執(zhí)行器以壓縮空氣為動(dòng)力，輸入是0.020.1MPa的氣壓信號(hào)。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng) 作平穩(wěn)、輸出推力大、安全防爆、維護(hù)方便、價(jià)格便宜。它可與氣動(dòng)調(diào)節(jié)儀表配套使用，也可 經(jīng)電氣轉(zhuǎn)換器與電動(dòng)調(diào)節(jié)儀表和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)配套使用，尤

3、其適用于易燃易爆的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。 缺點(diǎn)是動(dòng)作時(shí)間稍長(zhǎng)，現(xiàn)場(chǎng)需要?dú)庠矗⑶也灰酥苯优c數(shù)字設(shè)備連用。 電動(dòng)執(zhí)行器以電能作動(dòng)力，輸入信號(hào)是 010mA（DDZ-），或者 420mA（DDZ-） 直流電流。其優(yōu)點(diǎn)是：電信號(hào)傳輸快、距離遠(yuǎn)，動(dòng)作迅速，可與電動(dòng)儀表直接配接使用。缺點(diǎn) 是：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、推力小、防燃防爆性差，適用于缺乏氣源、防爆要求不高的場(chǎng)合。 液動(dòng)執(zhí)行器以液壓油為動(dòng)力，通常為一體式結(jié)構(gòu)，即執(zhí)行機(jī)構(gòu)與調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)為統(tǒng)一整體。工 作時(shí)需要外部的液壓系統(tǒng)支持，運(yùn)行時(shí)要配備液壓站和輸油管路，相對(duì)于其它兩種執(zhí)行器來(lái)說(shuō)， 一次性投資大，安裝工作量多，僅在大動(dòng)力工作場(chǎng)合才使用。它具有體積大、推力大、傳動(dòng)平 穩(wěn)、響應(yīng)

4、快等特點(diǎn)。但是在石油、化工等生產(chǎn)過(guò)程中很少使用。 現(xiàn)在不妨將氣動(dòng)、電動(dòng)和液動(dòng)執(zhí)行器作一個(gè)歸納比較，詳見(jiàn)表 4-1。 表表 4-1 三種執(zhí)行器的比較三種執(zhí)行器的比較 項(xiàng)目 類型 結(jié)構(gòu)體積 配管 配線 推力 動(dòng)作 滯后 維護(hù)可用場(chǎng)合價(jià)格 頻率 響應(yīng) 溫度 影響 氣動(dòng)執(zhí)行器簡(jiǎn)單中較復(fù)雜中大簡(jiǎn)單防火防爆低窄較小 電動(dòng)執(zhí)行器復(fù)雜小簡(jiǎn)單小小復(fù)雜不防火爆高寬較大 液壓執(zhí)行器簡(jiǎn)單大復(fù)雜大小簡(jiǎn)單注意火花高窄較大 執(zhí)行器還有其它的劃分方法，如：按輸出位移形式不同劃分的有，轉(zhuǎn)角型執(zhí)行器，直線型 執(zhí)行器；按動(dòng)作規(guī)律不同劃分的有：開(kāi)關(guān)型執(zhí)行器、積分型執(zhí)行器和比例型執(zhí)行器等。 另外，隨著調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，變頻器作為一種新型

5、執(zhí)行器形式，引起了工程界的高度關(guān)注。 通過(guò)變頻器實(shí)現(xiàn)交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速的執(zhí)行單元，不僅取代了部分調(diào)節(jié)閥的功能，而且還有顯著的 節(jié)能效果。 在傳統(tǒng)調(diào)節(jié)閥方面，本書(shū)采納按使用能源不同劃分執(zhí)行器的分類法，并主要討論氣動(dòng)和電 動(dòng)兩種執(zhí)行器，同時(shí)，對(duì)變頻器也予以介紹。 由氣壓信號(hào)控制閥門開(kāi)度的執(zhí)行器是氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥,常用的氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥如圖 4-1 所示。它 主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（閥體）組成。根據(jù)需要，可以配備輔助裝置，如閥門定位器、手 輪機(jī)構(gòu)、電氣轉(zhuǎn)換器等。其中，閥門定位器的作用是提高閥門開(kāi)度精準(zhǔn)性，手輪機(jī)構(gòu)作用是 當(dāng)自動(dòng)操作機(jī)構(gòu)有故障時(shí)，用手動(dòng)操控閥門，電氣轉(zhuǎn)換器的作用是將控制電信號(hào)轉(zhuǎn)換為氣動(dòng) 信號(hào)實(shí)施

6、。 1-上蓋 2-膜片 3-彈簧 4-閥桿 5-閥體 6-閥芯 7-閥座 圖 4-1 氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥示意圖 4.2 氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥 4.2.1 氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的基本結(jié)構(gòu)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的基本結(jié)構(gòu) 氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)見(jiàn)圖上部分。當(dāng) 0.02-0.1Mpa 氣壓 p 進(jìn)入薄膜室后，在膜片上產(chǎn)生向下推力， 閥桿下移，當(dāng)彈簧的反作用力與薄膜上產(chǎn)生的推力平衡時(shí)，閥桿穩(wěn)定在某一位置。閥桿的位移 帶動(dòng)閥芯下移，改變閥芯與閥座間的流通面積。閥桿位移量與氣壓大小成正比，可視為一個(gè)慣 性環(huán)節(jié)。 氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要有薄膜式和活塞式兩種。圖 4-1 為薄膜式，彈性膜片將輸入氣壓轉(zhuǎn)為推 力，其特點(diǎn)是建構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，維護(hù)方便；氣

7、動(dòng)活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)由氣缸內(nèi)活塞輸出推力， 故推力大、行程長(zhǎng)，但價(jià)格高。 調(diào)節(jié)閥的正反作用方式:當(dāng)輸入氣壓信號(hào)增加時(shí)，推桿向下移動(dòng)，稱該閥為正作用方式。相 反，輸入氣壓信號(hào)增加時(shí)，推桿向上移動(dòng)，稱其為反作用方式。顯然,圖4-1為正作用方式。工 業(yè)生產(chǎn)中，口徑較大的調(diào)節(jié)閥一般采用正作用方式。 氣動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)俗稱調(diào)節(jié)閥、控制閥、閥門，是執(zhí)行器的實(shí)施部分，它是一個(gè)局部阻力可改 變的節(jié)流元件。由閥體、閥座、閥芯、閥桿等組成。在執(zhí)行機(jī)構(gòu)的力或力矩的主導(dǎo)下，閥芯隨 閥桿移動(dòng)，改變了閥芯與閥座相對(duì)位置，進(jìn)而改變了流體介質(zhì)流通面積，使流量發(fā)生變化。由 于氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥與電動(dòng)調(diào)節(jié)閥在結(jié)構(gòu)形式和功能上是相同的，所以，后面的

8、敘述將不加區(qū)分，通 稱為調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，或調(diào)節(jié)閥。 4.2.2 調(diào)節(jié)閥的類型調(diào)節(jié)閥的類型 調(diào)節(jié)閥通常由上閥蓋、下閥蓋、閥體、閥座、閥芯閥桿等零部件組成。由于調(diào)節(jié)閥直接與 流體介質(zhì)接觸，且要適應(yīng)各種不同的使用環(huán)境和條件，所以，調(diào)節(jié)閥在制造材料上、閥體與閥 芯結(jié)構(gòu)形狀上，以及閥芯運(yùn)行方式上都有很大的差異，這樣就導(dǎo)致了各種不同形式調(diào)節(jié)閥的產(chǎn) 生。它們主要有：直通單座調(diào)節(jié)閥、直通雙座調(diào)節(jié)閥、三通調(diào)節(jié)閥、角形調(diào)節(jié)閥、隔膜調(diào)節(jié)閥、 蝶閥、球閥、偏心旋轉(zhuǎn)閥和套筒型調(diào)節(jié)閥等。下面來(lái)具體看看。 直通單座調(diào)節(jié)閥:如圖 4-2 所示，該調(diào)節(jié)閥僅有一個(gè)閥芯和閥座,執(zhí)行機(jī)構(gòu)的推力操縱閥 芯上下運(yùn)動(dòng),控制流體從左端流入右端。特

9、點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，泄漏量小，可保證關(guān)閉。但壓差較大 時(shí)，流體對(duì)閥芯上下作用推理不平衡，從而影響閥芯移動(dòng)。一般用于小口徑、低壓差的場(chǎng)合。 圖4-2 直通單座閥 圖4-3 直通雙座閥 直通雙座調(diào)節(jié)閥 直通雙座閥為常用閥，閥體有兩個(gè)閥芯閥座，如圖 4-3 所示。流體從左端流入，經(jīng)上下閥 芯后流入右端。特點(diǎn)是不平衡力較小，左右兩端可承受較大壓差，但泄漏量大。適用于管道兩 端壓差大、對(duì)泄漏量要求不高的現(xiàn)場(chǎng)。 三通調(diào)節(jié)閥 閥體與三段管道相連，如圖 4-4。流量的進(jìn)出方式有：兩流量流入，一流量流出；一流量 流入，兩流量流出。前者稱為合流型，后者稱為分流型。該類閥主要用于配比控制和旁路調(diào)節(jié)。 角形調(diào)節(jié)閥 （a）合

10、流型 （b）分流型 圖4-4 三通閥 圖4-5 角形閥 角形調(diào)節(jié)閥用于兩根管道相交呈直角處的連接，如圖4-5所示。一般用于工作現(xiàn)場(chǎng)管道有直 角拐彎要求的地方，并且流體具有高壓差、高粘度、懸浮物等特點(diǎn)。 隔膜調(diào)節(jié)閥 它采用耐腐蝕襯里的閥體和隔膜，將流體介質(zhì)與外界隔離開(kāi)來(lái)，介質(zhì)不泄露，如圖4-6。它 具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、流阻小和流通能力強(qiáng)等特點(diǎn)。適用于化工行業(yè)中對(duì)強(qiáng)酸、強(qiáng)堿和強(qiáng)腐蝕性流體 和高粘度、含懸浮顆粒狀介質(zhì)的調(diào)節(jié)。當(dāng)該類閥隔膜直徑較大時(shí)，往往采用活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)， 以保證足夠的推理。同時(shí)，閥的使用溫度一般小于150,壓力小于1Mpa。 碟閥 圖4-6 隔膜閥 a) 外形圖 b)示意圖 圖4-7 蝶

11、閥 蝶閥也稱翻板閥，如圖 4-7 所示，它由閥體、擋板、擋板軸和軸封等部件構(gòu)成。它的擋板 以繞軸的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)控制流體流量,轉(zhuǎn)角通常在 0-70之間。它具有結(jié)構(gòu)緊湊、流通能力強(qiáng)、流阻小、 泄漏量大等特點(diǎn)。 球閥 球閥如圖 4-8 所示，其中的閥芯和閥體呈圓球形，轉(zhuǎn)動(dòng)閥芯，使它與閥體處于不同相對(duì)位 置時(shí)，閥就具有不同的流通面積，從而實(shí)現(xiàn)流量調(diào)節(jié)。該類閥有 “V” 形閥芯和 “O” 形閥芯之 分，見(jiàn)圖 4-9。前者的節(jié)流元件像字母 “V” 形缺口球形體，適用于高粘度物料；后者節(jié)流元件 是帶圓孔的球形體，多用于位式調(diào)節(jié)。 圖4-8 球閥 圖4-9 球閥閥芯開(kāi)口形式 偏心旋轉(zhuǎn)閥 偏心旋轉(zhuǎn)閥也稱凸輪撓曲閥，其

12、扇形球面狀閥芯與撓曲臂及軸套一起鑄成，固定在轉(zhuǎn)軸上， 如圖 4-10 所示。撓曲臂在壓力作用下可產(chǎn)生撓曲變形，使閥芯球面與閥座密封圈緊密接觸，封 堵嚴(yán)密。此外，它還體積小、重量輕、安裝簡(jiǎn)便，適用于對(duì)高黏度，或含有懸浮物的介質(zhì)流體 調(diào)節(jié)。 圖4-10偏心旋轉(zhuǎn)閥 圖4-11 籠式閥 籠式閥 也稱套筒形調(diào)節(jié)閥，其閥體與普通直通單座閥相似，如圖 4-11 所示?；\式閥內(nèi)有一個(gè)圓柱 形套筒（籠子），套筒壁上有一個(gè)或幾個(gè)不同形狀的窗孔，閥芯在套筒內(nèi)上下移動(dòng)，改變籠中 節(jié)流孔面積，實(shí)現(xiàn)流量調(diào)節(jié)。該閥可調(diào)比大、振動(dòng)小、不平衡力小、套筒互換性好，且不同套 筒（窗口形狀）有不同流量特性，并且閥內(nèi)部件受氣蝕小、噪音

13、低，特別適合壓差大、噪音低 的場(chǎng)合，但不宜用于高溫、高粘或含有固體顆粒的流體。 還有一些特殊的閥，由于受篇幅限制，不作過(guò)多介紹。 4.2.3 調(diào)節(jié)閥的流量特性調(diào)節(jié)閥的流量特性(Discharge Characteristic/Flow Characteristic) 調(diào)節(jié)閥的流量特性是指流體流過(guò)閥門的相對(duì)流量與閥門的相對(duì)開(kāi)度（相對(duì)位移）之間的關(guān) 系，即 maxmax Ql f Ql 其中， 為相對(duì)流量，是調(diào)節(jié)閥在某開(kāi)度時(shí)流量 與全開(kāi)時(shí)的流量 之比； 為相對(duì) 開(kāi)度，是調(diào)節(jié)閥某一開(kāi)度的閥芯位移 l 與全開(kāi)時(shí)閥芯位移 之比， 為某函數(shù)關(guān)系。 max /Q QQ max Q max /l l max

14、l( )f 事實(shí)上，流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的流體流量大小不僅與閥門開(kāi)度有關(guān)，而且隨著開(kāi)度和流量的變化， 閥門前后的壓差也很可能變化。為此，我們將分別考慮：當(dāng)閥門開(kāi)度改變時(shí)，閥門前后壓差不 變時(shí)的流量特性，以及閥門前后壓差變化時(shí)的流量特性。 1.調(diào)節(jié)閥的理想流量特性調(diào)節(jié)閥的理想流量特性 在調(diào)節(jié)閥前后壓差固定的情況下得出的流量特性稱為理想流量特性理想流量特性，也稱固有流量特性。 很顯然，此時(shí)的調(diào)節(jié)閥理想流量特性完全取決于閥芯的形狀，不同的閥芯曲面，有不同的流量 特性,如圖 4-12。這里主要有：直線、等百分比（對(duì)數(shù)）、拋物線和快開(kāi)四種形式，如圖 4-13。 圖4-12 閥芯形狀 圖4-13 理想流量特性 A直

15、線流量特性（線性流量特性） 調(diào)節(jié)閥的相對(duì)流量與相對(duì)開(kāi)度呈直線關(guān)系，即 max max d(/) d( /) Q Q k l l 積分可得 maxmax Ql kA Ql (4-1) 其中， k 在這里是常數(shù)，特性曲線的斜率，為調(diào)節(jié)閥放大系數(shù)， A 為積分常數(shù)，可由邊界條件 定出。假如已知邊界條件： 時(shí)， ， 時(shí)， ，則有 0l min QQ max ll max QQ min max 1Q A QR 1 11kA R ， （4-2） 式中，R 稱為調(diào)節(jié)閥的可調(diào)范圍（可調(diào)范圍（Adjustable Rangeability）或可調(diào)比（可調(diào)比（Adjustable Ratio），即 max min

16、 Q R Q 其中 為調(diào)節(jié)閥可調(diào)流量的最大值， 為調(diào)節(jié)閥可調(diào)流量的最小值，一般為 的 3% 左右。 國(guó)產(chǎn)直通單座、直通雙座、角形閥等調(diào)節(jié)閥的可調(diào)范圍通常為 30，而隔膜閥為 10。 max Qmin Q max Q 將式（4-2）代進(jìn)式（4-1），有 maxmax 1 1(1) Ql R QRl 顯然，相對(duì)流量與相對(duì)開(kāi)度之間呈直線關(guān)系，其閥芯形狀與流量特性如圖 4-12 和 4-13 中 的 2 號(hào)線。這表明，當(dāng)可調(diào)范圍R一定時(shí)，若閥芯位移變化量相同，則流量變化量也相同。但 是，流量相對(duì)變化量（流量變化量與原流量之比）是不同的：小開(kāi)度時(shí)，某開(kāi)度變化引起的流 量相對(duì)變化量大；而大開(kāi)度時(shí)，相同開(kāi)度

17、變化量引發(fā)的流量相對(duì)變化量小。因此，直線流量特 性調(diào)節(jié)閥在小開(kāi)度時(shí)，可引起流量大幅度變化，但在大開(kāi)度時(shí)，引起流量變化的幅度就小得多， 進(jìn)而導(dǎo)致控制不及時(shí)，調(diào)節(jié)行動(dòng)遲緩?；谶@一點(diǎn)，該調(diào)節(jié)閥不宜用于負(fù)荷變化大的場(chǎng)合。 B. 等百分比流量特性（對(duì)數(shù)流量特性） 單位相對(duì)開(kāi)度變化引起相對(duì)流量變化與該點(diǎn)相對(duì)流量成正比關(guān)系，用數(shù)學(xué)表達(dá)式可表示為 max 1 maxmax d/ d/ Q Q Q k l lQ 積分，有 1 maxmax ln Ql KC Ql （4-3） 并考慮前邊已經(jīng)考慮過(guò)的邊界條件，則有 lnCR 1 lnKR ， 代入式（4-3）并整理，有 max (1) max l l Q R Q

18、 從表達(dá)式看， 與 成對(duì)數(shù)關(guān)系。仔細(xì)考察可以發(fā)現(xiàn)，在開(kāi)度處在全程的不同處時(shí)， 例如 10%、50% 和 80% 等，獲得的流量相對(duì)變化量是相同的，所以稱其為等百分比流量特性。 這種特性在小開(kāi)度時(shí)的控制作用和大開(kāi)度時(shí)的控制作用是相同的，這與直線流量特性不同，具 體見(jiàn)圖 4-13 曲線 4。 max /Q Q max /l l 例例4-1 已知某調(diào)節(jié)閥最大流量100 ，可調(diào)范圍 ，試求： 3 m /h30R （1）計(jì)算直線流量特性在理想狀態(tài)下，閥的相對(duì)行程 分別為 0.1、0.2、0.8 和 0.9 時(shí) 的流量值； max /l l （2）計(jì)算等百分比流量特性在理想狀態(tài)下，閥的相對(duì)行程 為 0.1

19、、0.2、0.8 和 0.9 時(shí) 的流量值； max /l l （3）比較以上兩種不同理想流量特性的調(diào)節(jié)閥在小開(kāi)度與大開(kāi)度時(shí)的流量變化相對(duì)值。 解：解：（1）由直線流量特性的相對(duì)流量與相對(duì)行程的關(guān)系 maxmax 1 1(1) Ql R QRl 可算得： 3 0.1 13m / hQ 3 0.2=22.67m /h Q 3 0.8 80.67m / hQ 3 0.9 90.33m / hQ （2）根據(jù)等百分比流量特性的相對(duì)流量與相對(duì)行程的關(guān)系 max (1) max l l Q R Q 算得： 3 0.1 4.68m / hQ 3 0.2=6.58m /h Q 3 0.8 50.65m / h

20、Q 3 0.9 71.17m / hQ ， ， ， （3）對(duì)直線流量特性的調(diào)節(jié)閥，相對(duì)行程由 10% 變?yōu)?20%，以及由 80% 變?yōu)?90% 時(shí)，流 量變化的相對(duì)值分別為 22.6713 100%74.4% 13 90.3380.67 100%12% 80.67 ， 對(duì)于等百分比流量特性的調(diào)節(jié)閥，相對(duì)行程由 10% 到 20%，以及由 80% 到 90% 時(shí)，流量 變化的相對(duì)值分別為 6.584.68 100%40% 4.68 71.17.5850.65 100%40% 50.65 ， 由此可見(jiàn)，對(duì)直線流量特性的調(diào)節(jié)閥，在小開(kāi)度行程變化 10% 時(shí)（10% 20%），流量增 加 74.4%

21、；而在大開(kāi)度行程變化 10% 時(shí)（80% 90%），流量增加僅 12%?？梢?jiàn)，大開(kāi)度情況 下的流量增加并不多，即控制力較弱。這是直線流量特性調(diào)節(jié)閥的缺點(diǎn)。 對(duì)等百分比特性調(diào)節(jié)閥，不論是小開(kāi)度情況下，還是大開(kāi)度情況下，行程變化 10%，流量 相對(duì)變化值是相同的。這應(yīng)該是 “等百分比” 流量特性因此而得名的原因。它的特點(diǎn)是，相同 的行程變化值下，小開(kāi)度時(shí)流量變化小，較為平穩(wěn)；大開(kāi)度時(shí)流量變化大，控制靈敏。 C. 拋物線流量特性 單位相對(duì)開(kāi)度引起相對(duì)流量變化與該點(diǎn)相對(duì)流量的平方根成正比關(guān)系，表達(dá)為 max maxmax d/ d/ Q Q Q k l lQ 積分，并考慮邊界條件，有 2 maxmax

22、 1 11 Ql R QRl 由此可見(jiàn)，調(diào)節(jié)閥的相對(duì)開(kāi)度與相對(duì)流量之間為一種拋物線關(guān)系，見(jiàn)圖 4-13 曲線 3, 它介 于直線流量和對(duì)數(shù)流量特性之間，有時(shí)，可用對(duì)數(shù)流量特性來(lái)近似它。 D. 快開(kāi)流量特性 快開(kāi)流量特性數(shù)學(xué)表達(dá)式為 1 maxmaxmax d/d QlQ k QlQ 積分并考慮邊界條件，有 1 2 2 maxmax 1 1(1) Ql R QRl 該特性在小開(kāi)度時(shí)，流量較大，隨著行程的增加，流量很快到達(dá)最大值，大約到達(dá)全行程 的1/4時(shí)，若再增加行程，開(kāi)通面積不再增大而失去作用，所以稱為快開(kāi)特性。它比較適合要求 快開(kāi)閉的位式閥，其流量特性見(jiàn)圖 4-13 曲線 1。 2. 調(diào)節(jié)閥

23、的工作流量特性調(diào)節(jié)閥的工作流量特性 由于調(diào)節(jié)閥總是要與工藝設(shè)備、管道等串聯(lián)或并聯(lián)使用的，加上設(shè)備和管道內(nèi)壁阻力等原 因引起閥門前后壓差的變化，導(dǎo)致流量特性也發(fā)生了變化。研究在調(diào)節(jié)閥前后壓差變化情況下， 相對(duì)流量與閥芯相對(duì)開(kāi)度（位移）的關(guān)系就是研究調(diào)節(jié)閥的工作流量特性。 調(diào)節(jié)閥的工作流量特性是其理想流量特性在具體環(huán)境中的衍變，它一方面與調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu) 有關(guān)，另一方面還與配管有關(guān)。同一調(diào)節(jié)閥，在不同外部條件下具有不同工作流量特性，呈現(xiàn) 工作流量特性的多樣性。 （1） 調(diào)節(jié)閥與管道串聯(lián)的工作情況 圖4-14（a）為調(diào)節(jié)閥與工藝設(shè)備及管道串聯(lián)的情況，該連接形式在工作實(shí)踐中是極為普遍 的，圖中 為系統(tǒng)流體

24、介質(zhì)總壓差， 為調(diào)節(jié)閥前后流體壓差， 為流體在設(shè)備和管路中產(chǎn) 生的壓差，且 。 p 1 p 2 p 12 ppp （a）調(diào)節(jié)閥與管道串聯(lián)工作 （b）壓力分布及變化 圖 4-14 調(diào)節(jié)閥與管道串聯(lián)工作及壓力變化情況 當(dāng)流體介質(zhì)總壓差 一定時(shí)，隨著閥門開(kāi)度加大，閥門前后的流體壓差 將減小，流量 Q 將增加，流體在設(shè)備和管道上的壓差 將隨著流量 Q 的值成平方增大。見(jiàn)圖 4-14（b）。因 此，在同樣的閥芯位移下，通過(guò)調(diào)節(jié)閥芯的實(shí)際流量比調(diào)節(jié)閥前后壓差不變時(shí)（理想流量情況 下）的流量小。為考察調(diào)節(jié)閥全開(kāi)時(shí)，閥門前后壓差大小對(duì)流量特性的影響，定義閥阻比 1 p 2 p 1min p s p 其中 為閥

25、門全開(kāi)時(shí)閥門前后流體壓差， 為流體介質(zhì)總壓差 。 1min p pp 串聯(lián)管道情況下，因閥阻比不同，調(diào)節(jié)閥工作流量特性如圖 4-15 所示。 （a）直線調(diào)節(jié)閥 （b）等百分比調(diào)節(jié)閥 圖 4-15 串聯(lián)管道調(diào)節(jié)閥工作流量特性 由圖可見(jiàn)，當(dāng) 時(shí)，管道阻力對(duì)流體的阻力損失為零，調(diào)節(jié)閥前后的流體壓差為系統(tǒng)總 壓差，其工作流量特性與理想流量特性一致。隨著 s 的減小，管道阻力損失增加，調(diào)節(jié)閥前后 壓差減小，使閥門全開(kāi)時(shí)流量減小，可調(diào)范圍變窄。另外，流量特性曲線發(fā)生畸變，使閥門在 大開(kāi)度時(shí)靈敏度下降，小開(kāi)度時(shí)調(diào)節(jié)不穩(wěn)定。圖 4-15（a）中隨著s的減小，流量特性由直線變 成曲線，并趨于快開(kāi)特性，圖 4-1

26、5（b）中的等百分比流量特性趨于直線流量特性。實(shí)際工作 中，一般希望 s 大于 0.4。 1s 工程設(shè)計(jì)中，一般是根據(jù)控制系統(tǒng)要求，確定工作流量特性，并根據(jù)流量特性的畸變程度 確定理想流量特性。 （2） 調(diào)節(jié)閥與管道并聯(lián)的工作情況 調(diào)節(jié)閥除了與管道設(shè)備串聯(lián)工作之外，考慮到可能的手動(dòng)操作或者維修的需要，往往也與 管道設(shè)備并聯(lián)工作，即在調(diào)節(jié)閥兩端并有旁路閥，如圖 4-16 所示。 圖4-16 調(diào)節(jié)閥與管道并聯(lián)的情況 由圖有： ，其中 為調(diào)節(jié)閥流量， 為旁路流量。當(dāng)并聯(lián)管道兩端的壓差 一 定時(shí)，定義： 12 QQQ 1 Q 2 Qp 1max max Q x Q 其中， 為閥門全開(kāi)時(shí)的流量， 為總管

27、道最大流量。當(dāng) x 在 之間取不同值時(shí)，直線調(diào) 節(jié)閥的相對(duì)開(kāi)度與相對(duì)流量之間的關(guān)系、等百分比調(diào)節(jié)閥相對(duì)開(kāi)度與相對(duì)流量之間的關(guān)系曲線 如圖 4-17(a)（b）。 1max Q max Q(1, 0) 從圖中可以看出， 時(shí)，表示旁路閥關(guān)閉，調(diào)節(jié)閥的工作流量特性與理想流量特性一致。 隨著旁路閥的逐步打開(kāi)， x 的值逐步變小，調(diào)節(jié)閥的可調(diào)范圍下降，調(diào)節(jié)能力降低。一般認(rèn)為 旁路流量不應(yīng)超過(guò)總流量的 20%，即 x 不應(yīng)低于 0.8。 1x （a）直流調(diào)節(jié)閥 （b）等百分比調(diào)節(jié)閥 圖 4-17 并聯(lián)管道調(diào)節(jié)閥工作特性 從前面調(diào)節(jié)閥分別與管道和其他設(shè)備的串并聯(lián)工作流量特性看，可以歸納為兩點(diǎn)： 1) 調(diào)節(jié)閥

28、與管道的串聯(lián)或并聯(lián)，均使調(diào)節(jié)閥的理想流量特性發(fā)生畸變，調(diào)節(jié)閥的可調(diào)范圍 變窄，并聯(lián)的情況比串聯(lián)的情況更嚴(yán)重。 2) 調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)能力降低。調(diào)節(jié)閥與管道串聯(lián)時(shí)，系統(tǒng)總流量減少；調(diào)節(jié)閥與管道并聯(lián)時(shí)， 雖然系統(tǒng)總流量增加，但閥對(duì)流量的調(diào)節(jié)能力卻被削弱。 4.2.4 調(diào)節(jié)閥的輔助機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)閥的輔助機(jī)構(gòu) 1. 電氣轉(zhuǎn)換器 在很多工作現(xiàn)場(chǎng),由于防火防爆的需要,往往選擇氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥作為執(zhí)行器。實(shí)際中，控制器的 輸出一般為標(biāo)準(zhǔn)的電流信號(hào),而選用氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥則需要將標(biāo)準(zhǔn)的電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)?.020.1MPa的 標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號(hào)。于是，電-氣轉(zhuǎn)換器的作用是將電動(dòng)控制器的輸出電信號(hào)變?yōu)闅鈩?dòng)信號(hào)，去驅(qū)動(dòng) 氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，此時(shí)常用電-

29、氣閥門定位器，它具有電-氣轉(zhuǎn)換和氣動(dòng)閥門定位器雙重作用。此外， 電-氣轉(zhuǎn)換器也可將電動(dòng)變送器送來(lái)的電信號(hào)變?yōu)闅庑盘?hào)，送到氣動(dòng)控制器或氣動(dòng)顯示儀表。 力平衡式電氣轉(zhuǎn)換器原理如圖 4-18 所示。它由：1-杠桿、2-線圈、3-擋板、4-噴嘴、5-彈 簧、6-波紋管、7-支架、8-配重塊、9-背壓室和10-氣動(dòng)放大器等組成。 電氣轉(zhuǎn)換器是按力矩平衡原理工作的。當(dāng)控制器的輸出電流 I 進(jìn)入線圈后，由于線圈在 永久磁鐵中,于是產(chǎn)生引力，使杠桿左端下移，并帶動(dòng)安裝在杠桿上的擋板靠近噴嘴，改變擋板 與噴嘴之間的間隙。噴嘴、擋板和背壓室在這里可看作一種位移-氣壓變換環(huán)節(jié),它將擋板對(duì)于 噴嘴的微小位移,靈敏地變

30、為氣壓大小。顯然，輸入電流越大，引力也越大，擋板越靠近噴嘴,氣 阻增大，背壓室壓力增大，輸出氣壓增大。由于背壓室輸出的壓力信號(hào)的功率較小，不足以推 圖 4-18 電-氣轉(zhuǎn)換器原理圖 動(dòng)閥門啟閉，所以需要?dú)鈩?dòng)放大器進(jìn)行放大,輸出壓力 p。它一方面去往調(diào)節(jié)閥,操縱閥的開(kāi)度， 另一方面作用于波紋管,對(duì)杠桿形成向上的反饋力。該力對(duì)支點(diǎn)形成的力矩與線圈通電產(chǎn)生的電 磁力矩最后達(dá)到平衡,這是一種閉環(huán)負(fù)反饋機(jī)制。于是，輸入電流 I 與輸出壓力 p 之間形成了一 種成比例的關(guān)系,即正比關(guān)系。輸入電流 I 的大小，決定了擋板接近噴嘴的距離，而這個(gè)距離又 決定了輸出氣壓的大小，氣壓的大小最終決定閥門的開(kāi)度。 圖

31、4-18 中的彈簧用于調(diào)整輸出零點(diǎn)，配重塊用來(lái)平衡杠桿，波紋管安裝位置的左右移動(dòng) 可以調(diào)整量程。 2. 閥門定位器 閥門定位器是氣動(dòng)執(zhí)行器的附件，根據(jù)需要選擇使用。它被用來(lái)改善調(diào)節(jié)閥的定位精度、提高 調(diào)節(jié)閥靈敏度.其作用主要有： （1）克服閥桿的摩擦、消除調(diào)節(jié)閥不平衡力的影響，確保閥門位置按控制器輸出信號(hào)準(zhǔn) 確定位。這特別適合高壓差、大口徑及含有固體懸浮物的介質(zhì)或粘性流體； （2）克服氣壓信號(hào)的傳遞滯后性，使其具有比例特性，即改善調(diào)節(jié)閥的動(dòng)態(tài)性能； （3）通過(guò)改變閥門定位器反饋凸輪幾何形狀，可改變調(diào)節(jié)閥的流量特性。 閥門定位器目前可分為：氣動(dòng)閥門定位器、電氣閥門定位器和智能閥門定位器幾種。其

32、中電氣閥門定位器具有電氣轉(zhuǎn)換器和閥門定位器的雙重功能，應(yīng)用最為廣泛。 圖 4-19 為電氣閥門定位器結(jié)構(gòu)圖，它可實(shí)現(xiàn)輸入電流對(duì)調(diào)節(jié)閥閥桿位移的直接轉(zhuǎn)換。 圖 4-19 電氣閥門定位器 4.2.5 調(diào)節(jié)閥的選擇調(diào)節(jié)閥的選擇 1. 結(jié)構(gòu)選擇 調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)形式的選擇，首先應(yīng)考慮流體特點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)情況，如粘度、腐蝕性、毒害性等， 其次是考慮工藝條件，如流量、壓力、配比、溫度等特性，再則是考慮流過(guò)調(diào)節(jié)閥的最大流量、 最小流量和正常流量，以及正常流量狀態(tài)時(shí)閥兩端的的壓降，最后，根據(jù)安全性、技術(shù)性 和經(jīng)濟(jì)性兼顧的原則，選擇調(diào)節(jié)閥。 來(lái)自控制器的電流 I 在磁場(chǎng)中產(chǎn)生力，使杠桿繞支點(diǎn) O 順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)擋板靠近噴

33、嘴，使背 壓增大，經(jīng)氣動(dòng)放大器放大后，推動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)使閥桿下移，操縱閥門開(kāi)閉。同時(shí)，閥桿的 移動(dòng)通過(guò)連桿和反饋凸輪，拉伸反饋彈簧，使杠桿繞支點(diǎn)向逆時(shí)針?lè)较蚱D(zhuǎn)。閥桿移動(dòng)越多， 彈簧拉伸越長(zhǎng)，直至與電磁力矩平衡為止。此時(shí)，閥桿的位置（即閥門的開(kāi)度）由輸入電流 I 穩(wěn)定地確定下來(lái)了。與電氣轉(zhuǎn)換器相比，這里增加了連桿、反饋凸輪、反饋彈簧等機(jī)構(gòu)，這 些對(duì)于穩(wěn)固閥桿位置、改善閥芯的定位精度，起到了重要的作用。 一般來(lái)說(shuō)，普通介質(zhì)優(yōu)先選用直通單座閥或直通雙座閥，直通單座閥適宜于泄漏量要求小、 閥門前后壓差小的場(chǎng)合，直通雙座閥適用于對(duì)泄漏量要求不高、閥門前后壓降較大的情況，但 不適用于高粘度或者混有懸浮顆

34、粒物的流體；濃濁漿液和含懸浮顆粒的流體，以及在大口徑、 大流量與低壓降的場(chǎng)合，可選碟閥；高粘度、含懸浮顆粒、纖維以及含毒和強(qiáng)腐蝕的流體可選 隔膜閥；高壓流體可選高壓閥。 2. 氣開(kāi)式與氣閉式選擇 當(dāng)氣體壓力信號(hào)增大時(shí)，閥門開(kāi)度也加大，稱此類調(diào)節(jié)閥為氣開(kāi)式調(diào)節(jié)閥；當(dāng)氣體壓力信 號(hào)增加時(shí)，閥門開(kāi)度減小，稱這類調(diào)節(jié)閥為氣閉式調(diào)節(jié)閥，或稱氣關(guān)式調(diào)節(jié)閥。實(shí)際中，調(diào)節(jié) 閥氣開(kāi)式或氣閉式的選擇是根據(jù)過(guò)程生產(chǎn)中的安全和工藝要求來(lái)考慮的。即當(dāng)氣源意外中斷時(shí)， 調(diào)節(jié)閥所處的狀態(tài)，應(yīng)保證工作人員和設(shè)備的安全，以及加工原料不浪費(fèi)。 例如，加熱爐燃料控制應(yīng)采用氣開(kāi)式調(diào)節(jié)閥，即當(dāng)信號(hào)中斷時(shí)，閥處全關(guān)閉狀態(tài)，切斷燃 料進(jìn)入

35、爐膛，使設(shè)備不因爐溫過(guò)高而出事故；鍋爐進(jìn)水調(diào)節(jié)閥應(yīng)選氣關(guān)式，因?yàn)楫?dāng)氣源中斷時(shí)， 閥門是開(kāi)的，仍有水進(jìn)入鍋爐，不會(huì)產(chǎn)生燒干鍋爐的事故。 3. 調(diào)節(jié)閥流量特性的選擇 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般調(diào)節(jié)閥流量特性選擇需兼顧控制質(zhì)量、工藝配管和負(fù)荷變動(dòng)三個(gè)方面。 （1）調(diào)節(jié)閥所處的位置是在廣義被控過(guò)程中，被控過(guò)程隨著控制的需要（如改變負(fù)荷，抵 御干擾等），其放大系數(shù)也處在變化之中，為保持控制系統(tǒng)具有良好的品質(zhì)，應(yīng)使放大系數(shù)維 持不變，此時(shí)可通過(guò)選擇調(diào)節(jié)閥的非線性補(bǔ)償這種變化。比如，隨著負(fù)荷增大而減小過(guò)程放大 系數(shù)時(shí)，可選擇隨負(fù)荷增大而增大放大系數(shù)的調(diào)節(jié)閥，于是兩者可互補(bǔ)，維持廣義對(duì)象放大系 數(shù)基本不變。從而避免影響控

36、制性能。事實(shí)上，等百分比閥就具有這種特性,因而被廣泛采用。 （2）由于調(diào)節(jié)閥總是要與管道和設(shè)備聯(lián)接的，而配管將引起閥的理想流量特性產(chǎn)生畸變。 所以，實(shí)際中先根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)確定調(diào)節(jié)閥的工作流量特性，然后根據(jù)配管情況選擇閥的理想流 量特性。這樣的工作程序?qū)⑹沟盟x的調(diào)節(jié)閥更符合實(shí)際要求。表 4-2 為不同閥阻比 s 下（反 映配管狀況）調(diào)節(jié)閥的流量特性，可供選擇時(shí)參考。 表表4-2 不同閥阻比下的調(diào)節(jié)閥流量特性不同閥阻比下的調(diào)節(jié)閥流量特性 閥阻比S =10.6S =0.60.3 閥工作流量特性直線拋物線等百分比直線拋物線等百分比 閥理想流量特性直線拋物線等百分比等百分比直線等百分比 由表可知，在閥阻

37、 s 比較大時(shí)，閥的工作流量特性畸變小，這對(duì)于調(diào)節(jié)來(lái)說(shuō)是好事，但調(diào) 節(jié)閥上的壓差損失大，消耗動(dòng)力。一般選?。簊 為 0.30.5，高壓系統(tǒng)，考慮節(jié)省動(dòng)力，可選 s 0.3，介質(zhì)為氣體時(shí)，由于阻力損失小，可取 s0.5。 （3）當(dāng)負(fù)荷變化較大時(shí)，應(yīng)選等百分比流量特性的調(diào)節(jié)閥。因?yàn)槠湔{(diào)節(jié)閥放大系數(shù)隨閥門 行程增大而增大，流量相對(duì)變化恒定，此時(shí)不宜選用直線流量特性的調(diào)節(jié)閥；當(dāng)調(diào)節(jié)閥經(jīng)常處 在小開(kāi)度時(shí)，由于直線調(diào)節(jié)閥流量變化率較大，精準(zhǔn)性差，所以往往選等百分比調(diào)節(jié)閥。 4. 調(diào)節(jié)閥的口徑選擇 在過(guò)程控制的設(shè)計(jì)中，調(diào)節(jié)閥的選取是一個(gè)難以回避的問(wèn)題，而調(diào)節(jié)閥的選取主要是流通 能力，或者調(diào)節(jié)閥口徑的選取，即單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)一定口徑閥門的流量。選擇是否合適，關(guān)系 到工藝操作是否正常、產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量的問(wèn)題。這里有兩種極端情況是值得注意的：一是調(diào) 節(jié)閥的口徑選得太小，即使是閥門全部打開(kāi)，也滿足不了工藝需要；二是調(diào)節(jié)閥的口徑選得過(guò) 大，閥經(jīng)常工作在小開(kāi)度狀態(tài)，調(diào)節(jié)效果不佳。 下面先看看流量與哪些量相關(guān)，然后引出流量系數(shù)的概念。 由流體力學(xué)可知，流體通過(guò)管道調(diào)節(jié)閥時(shí)產(chǎn)生的壓力損失（閥門前后壓力差）為 2 2 v