工學(xué)過程執(zhí)行儀表PPT課件

1、1課程小結(jié)過程執(zhí)行儀表：過程執(zhí)行儀表：o 了解執(zhí)行器的基本組成；了解執(zhí)行器的基本組成；o 掌握氣動執(zhí)行器的氣開、氣關(guān)概念；掌握氣動執(zhí)行器的氣開、氣關(guān)概念；o 理解控制閥的流量系數(shù)、可調(diào)比和流量理解控制閥的流量系數(shù)、可調(diào)比和流量特性的概念特性的概念；o 了解電氣轉(zhuǎn)化器，閥門定位器的作用。了解電氣轉(zhuǎn)化器，閥門定位器的作用。2第第5章章 過程執(zhí)行儀表過程執(zhí)行儀表 5-1 概述概述 o 過程執(zhí)行儀表，簡稱過程執(zhí)行儀表，簡稱執(zhí)行器執(zhí)行器。o 執(zhí)行器是自動控制系統(tǒng)的終端執(zhí)行執(zhí)行器是自動控制系統(tǒng)的終端執(zhí)行部件，其作用是接受控制器送來的部件，其作用是接受控制器送來的控制信號，并根據(jù)信號的大小直接控制信號，并根

2、據(jù)信號的大小直接改變操縱量，從而達(dá)到對被控變量改變操縱量，從而達(dá)到對被控變量進(jìn)行控制的目的。進(jìn)行控制的目的。o 在連續(xù)生產(chǎn)過程中，使用最多的在連續(xù)生產(chǎn)過程中，使用最多的 執(zhí)行器就是各種執(zhí)行器就是各種調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)閥。3p 執(zhí)行器由執(zhí)行器由執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成。組成。p執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)：是執(zhí)行器的推動裝：是執(zhí)行器的推動裝置，根據(jù)控制信號的大小，產(chǎn)生置，根據(jù)控制信號的大小，產(chǎn)生相應(yīng)的推力或扭矩，從而使調(diào)節(jié)相應(yīng)的推力或扭矩，從而使調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的開度變化。機(jī)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的開度變化。p調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)：是執(zhí)行器的調(diào)節(jié)部：是執(zhí)行器的調(diào)節(jié)部件，直接與被控介質(zhì)接觸，當(dāng)其件，直接與被控介質(zhì)接觸

3、，當(dāng)其開度發(fā)生變化時，被控介質(zhì)流量開度發(fā)生變化時，被控介質(zhì)流量將被改變，從而實現(xiàn)自動控制。將被改變，從而實現(xiàn)自動控制。4p 執(zhí)行器的分類：執(zhí)行器的分類：執(zhí)行器按其所使用的能源，可分為： 氣動執(zhí)行器；氣動執(zhí)行器； 電動執(zhí)行器；電動執(zhí)行器； 液動執(zhí)行器。液動執(zhí)行器。p 在實際應(yīng)用中，使用最多的是氣動執(zhí)行器，其次是電動執(zhí)行器，最少的是液動執(zhí)行器。p 氣動執(zhí)行器是以壓縮空氣為能源的執(zhí)行器。使用最多的是氣動薄膜執(zhí)行器氣動薄膜執(zhí)行器，如圖所示。5這類執(zhí)行器具有結(jié)構(gòu)簡單、動作可靠、安裝方便及本質(zhì)防爆等特點，而且價格較為便宜。氣動薄膜執(zhí)行器氣動薄膜執(zhí)行器由氣動薄膜執(zhí)行由氣動薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)兩

4、部分構(gòu)成。6p 電動執(zhí)行器是以電為能源的執(zhí)行器。 與氣動執(zhí)行器比較，具有能源取用方便、信號傳輸速度快、傳遞距離遠(yuǎn)、靈敏度及精度高等特點。 結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不易于維護(hù)、防爆性能不如氣動執(zhí)行器。p液動執(zhí)行器是以加壓液體為能源的執(zhí)行器，使用較少。7 5-2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)一、氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)一、氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)p氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)分類：氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)分類：薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)長行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)滾筒膜片式執(zhí)行機(jī)構(gòu)81、薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)、薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)p 執(zhí)行機(jī)構(gòu)按動作方執(zhí)行機(jī)構(gòu)按動作方式可分為正作用和式可分為正作用和反作用：反作用： 輸入信號增大，輸入信號增大，閥桿下移，為閥桿下移，為正作正作用閥用閥； 輸入信號增大，輸入

5、信號增大，閥桿上移，為閥桿上移，為反作反作用閥用閥。9輸入信輸入信號增大，號增大，閥桿下閥桿下移，為移，為正作用正作用閥閥；輸入信號輸入信號增大，閥增大，閥桿上移，桿上移，為為反作用反作用閥閥。10氣動薄膜調(diào)節(jié)閥輸入與輸出關(guān)系表示為：氣動薄膜調(diào)節(jié)閥輸入與輸出關(guān)系表示為：p薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作原理：薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作原理：工作原理：行程與輸入氣壓信號成正比。工作原理：行程與輸入氣壓信號成正比。112、活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)p活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最大操作壓力可達(dá)500kPa，因此具有較大的推力。主要做大口徑、高靜壓、高壓差閥和蝶閥等的推動裝置。p活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖所示。12p活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)正作用

6、正作用反作用反作用13二、電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)p電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)按其輸出形式可分為角行程角行程和直行程直行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩大類。p角行程角行程將控制信號轉(zhuǎn)換為輸出軸的轉(zhuǎn)角輸出軸的轉(zhuǎn)角輸出。p直行程直行程將控制信號轉(zhuǎn)換為輸出軸的直線位移輸出軸的直線位移輸出。14o 角行程電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)原理角行程電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)原理電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)由電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)由伺服放大器伺服放大器和和執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩部分組成。執(zhí)兩部分組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)又包括兩相伺服電動機(jī)、減速器和位置發(fā)送器。行機(jī)構(gòu)又包括兩相伺服電動機(jī)、減速器和位置發(fā)送器。155-3 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)p 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，也稱作閥組件，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，也稱作閥組件，簡稱為閥簡稱為閥，是一個局部阻，是一

7、個局部阻力可以改變的節(jié)流部件。力可以改變的節(jié)流部件。p 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是按照節(jié)流原理調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是按照節(jié)流原理來工作的。來工作的。閥閥16o 閥的流量特性方程可表示為：閥的流量特性方程可表示為：122()ppAQ32123/kg /mQmsmp pPa流體體積流量，；A -閥的接管截面積， ；，閥前后壓力， ；流體密度，；阻力系數(shù)。o 調(diào)節(jié)流量原理調(diào)節(jié)流量原理： 當(dāng)閥結(jié)構(gòu)確定，接管截面積當(dāng)閥結(jié)構(gòu)確定，接管截面積也一定，并假設(shè)閥前后壓差也一定，并假設(shè)閥前后壓差（p1-p2）不變時，流過）不變時，流過閥的流量閥的流量Q僅隨阻力系數(shù)變僅隨阻力系數(shù)變化。閥芯與閥座之間的流通化。閥芯與閥座之間的流通截面積發(fā)生變化

8、，改變了閥截面積發(fā)生變化，改變了閥的阻力系數(shù)。的阻力系數(shù)。 當(dāng)閥開度增大時，阻力當(dāng)閥開度增大時，阻力系數(shù)減小，流量系數(shù)減小，流量Q增大；增大； 當(dāng)閥開度減小時，阻力當(dāng)閥開度減小時，阻力系數(shù)增大，流量系數(shù)增大，流量Q減小。減小。171、直通雙座閥、直通雙座閥閥體內(nèi)有兩個閥芯和閥體內(nèi)有兩個閥芯和兩個閥座。兩個閥座。18 閥芯可以正裝或者閥芯可以正裝或者反裝，如圖所示。反裝，如圖所示。 正裝正裝：閥芯下移，閥芯下移，流通面積減小；流通面積減?。?反裝反裝：閥芯下移，閥芯下移，流通面積增大流通面積增大19p氣開氣開：是指隨著執(zhí)行器輸入信號的增大，閥的流通：是指隨著執(zhí)行器輸入信號的增大，閥的流通截面積也

9、增大；截面積也增大；p氣關(guān)氣關(guān)：是指隨著執(zhí)行器輸入信號的增大，閥的流通：是指隨著執(zhí)行器輸入信號的增大，閥的流通截面積減小。截面積減小。利用執(zhí)行機(jī)構(gòu)的正、反作用和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)閥芯的正、利用執(zhí)行機(jī)構(gòu)的正、反作用和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)閥芯的正、反裝來實現(xiàn)執(zhí)行器的氣開或氣關(guān)。有四種組合方式，反裝來實現(xiàn)執(zhí)行器的氣開或氣關(guān)。有四種組合方式，如圖所示。如圖所示。氣開、氣關(guān)概念氣開、氣關(guān)概念20四種組合四種組合反作用反作用反作用反作用正作用正作用正作用正作用氣關(guān)式氣關(guān)式氣開式氣開式反裝閥反裝閥正裝閥正裝閥P入入P入入P入入P入入QQQQ212、直通單座閥、直通單座閥只有一個閥芯和一個閥只有一個閥芯和一個閥座，其他結(jié)構(gòu)與直通雙

10、座，其他結(jié)構(gòu)與直通雙座閥相似。座閥相似。223、其他結(jié)構(gòu)形式的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、其他結(jié)構(gòu)形式的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)23二、流量系數(shù)二、流量系數(shù)p流量系數(shù)的定義流量系數(shù)的定義：在給定行程下，閥前后壓差為100kPa，流體的密度為1000kg/m3的條件下，每小時流經(jīng)閥的流體流量數(shù)。通常用Kv來表示。p在工程中，常以閥全開時的最大流量系數(shù)Kmax來表示Kv值，稱為額定流量系數(shù)。例：閥標(biāo)注的Kv為20，則表示閥全開且閥前后壓差為100kPa時，每小時能通過的純水量為20m324123412122 ()2 () 1010360016.116.110016.15.091000vppAQppAQppAApAAK在實際應(yīng)用時，

11、在實際應(yīng)用時，A的單位通常取的單位通常取cm2，p1，p2的單位取的單位取kPa，Q的單位為的單位為m3/h，其它不變。，其它不變。10vpQKp流量方程與流量系數(shù)的關(guān)系流量方程與流量系數(shù)的關(guān)系25o 可調(diào)比:指閥所能控制的最大流量與最小流量之比。o 通常，可調(diào)比用 R 表示，即：三、可調(diào)比三、可調(diào)比261、理想可調(diào)比：閥前后壓差不變時。、理想可調(diào)比：閥前后壓差不變時。maxmamaxminminxmin1010vvvvpKQQpKKRK理性可調(diào)比等于最大流量系數(shù)與最小流量系數(shù)之比。理性可調(diào)比等于最大流量系數(shù)與最小流量系數(shù)之比。統(tǒng)一設(shè)計時，統(tǒng)一設(shè)計時，R=30272、實際可調(diào)比、實際可調(diào)比p閥

12、在實際使用時常與管道串聯(lián)或者與旁路系統(tǒng)并閥在實際使用時常與管道串聯(lián)或者與旁路系統(tǒng)并聯(lián)，聯(lián)，壓差變化壓差變化，此時的可調(diào)比稱為，此時的可調(diào)比稱為實際可調(diào)比實際可調(diào)比。用。用Rr表示。表示。串聯(lián)管道系統(tǒng)可調(diào)比串聯(lián)管道系統(tǒng)可調(diào)比并聯(lián)管道系統(tǒng)可調(diào)比并聯(lián)管道系統(tǒng)可調(diào)比281minmaxmax1minmin1max1maxmin1010vrvpKQpRRQppKp對于串聯(lián)管道系統(tǒng)可調(diào)比：對于串聯(lián)管道系統(tǒng)可調(diào)比：p1min：閥在最大開度時的閥前后壓差；：閥在最大開度時的閥前后壓差；p1max：閥在最小開度時的閥前后壓差；：閥在最小開度時的閥前后壓差；29RrR SminPSPS為閥全開時，閥前后壓差與為閥全

13、開時，閥前后壓差與系統(tǒng)總壓差之比，所以：系統(tǒng)總壓差之比，所以：結(jié)論：隨著結(jié)論：隨著S的減小，實際可的減小，實際可調(diào)比將減小，閥的控制能力將調(diào)比將減小，閥的控制能力將下降。下降。閥在最小開度時的閥前后壓差閥在最小開度時的閥前后壓差p1max，約等于總壓差，約等于總壓差p；max1minminrQpRRQp令：令：30p 對于并聯(lián)管道系統(tǒng)可調(diào)比：對于并聯(lián)管道系統(tǒng)可調(diào)比： Q1max，Q1min：閥能控制的最大，最小流量；：閥能控制的最大，最小流量；Q2：旁路流量；：旁路流量；總管最大流量總管最大流量Qmax:max21maxQQQ1max2max1maxmaxmax(1)QQQQQQ31(1)rR

14、RRRxmax1minx QQR1max2max1maxmaxmax(1)QQQQQQx為控制閥全開時，流經(jīng)閥的為控制閥全開時，流經(jīng)閥的最大流量與總管流量之比。最大流量與總管流量之比。結(jié)論：隨著結(jié)論：隨著x的減小，實際可的減小，實際可調(diào)比將大大減小，閥的控制能調(diào)比將大大減小，閥的控制能力將下降。力將下降。令：令：1maxmaxQxQ32四、流量特性四、流量特性o 閥的流量特性閥的流量特性:是指介質(zhì)流過閥的相對流量與閥芯是指介質(zhì)流過閥的相對流量與閥芯相對位移之間的關(guān)系。即相對位移之間的關(guān)系。即:331理想流量特性理想流量特性理想流量特性：理想流量特性：閥前后壓差不變時的流量特性，稱為閥前后壓差不

15、變時的流量特性，稱為理想流量特性；理想流量特性；p 理想流量特性主要有直線、等百分比（對理想流量特性主要有直線、等百分比（對數(shù)）、拋物線和快開四種。數(shù)）、拋物線和快開四種。uK 閥的放大系數(shù)； un 常數(shù)，流量特性不同， n 取值不同。34(1)直線流量特性（直線流量特性（n=0）p直流流量特性指閥的相對流量與閥芯相對位移成直線關(guān)系。 即： 對上式積分，代入邊界條件（ l=0 時，Q =Q min；l = L 時， Q = Qmax）， R = QmaxQmin,則可得：35上式表明 Q / Qmax與 l / L 呈直線關(guān)系 ,故稱為直線流量特性。特性曲線如下圖中特性曲線如下圖中 所示：所示

16、：36直線閥特點：直線閥特點：線性閥的放大系數(shù)不變。線性閥的放大系數(shù)不變。線性閥在小開度時，靈敏度高，調(diào)節(jié)作用強，線性閥在小開度時，靈敏度高，調(diào)節(jié)作用強，易產(chǎn)生振蕩；在大開度時，靈敏度低，調(diào)節(jié)作易產(chǎn)生振蕩；在大開度時，靈敏度低，調(diào)節(jié)作用弱，調(diào)節(jié)緩慢。用弱，調(diào)節(jié)緩慢。2010*100%100%106050*100%20%509080*100%12.5%8037（）對數(shù)流量特性（）對數(shù)流量特性（n=1）p等百分比流量特性，是指閥的單位相對位移變化引起的相對流量變化與此點的相對流量成正比，即： 對上式積分，代入邊界條件（ l=0 時，Q =Q min；l = L 時， Q = Qmax）， R =

17、QmaxQmin,則可得：maxmax(/)( / )d Q QQKd l LQ38上式表明 Q / Qmax 與 l / L 之間為對數(shù)關(guān)系，故也稱為對數(shù)流量特性對數(shù)流量特性。特性曲線如圖中2所示。39對數(shù)閥的特點：對數(shù)閥的特點：o 等百分比閥在小開度時，閥的放大系數(shù)小，調(diào)節(jié)平等百分比閥在小開度時，閥的放大系數(shù)小，調(diào)節(jié)平穩(wěn)；在大開度時，放大系數(shù)大，調(diào)節(jié)靈敏。穩(wěn)；在大開度時，放大系數(shù)大，調(diào)節(jié)靈敏。o 相同位移變化所引起的流量變化百分比總是相等的。相同位移變化所引起的流量變化百分比總是相等的。因此，這種閥的調(diào)節(jié)精度在全行程范圍內(nèi)是不變的。因此，這種閥的調(diào)節(jié)精度在全行程范圍內(nèi)是不變的。402工作流

18、量特性工作流量特性工作流量特性：工作流量特性：閥前后壓差變化時的流量特性，閥前后壓差變化時的流量特性，稱為工作流量特性。稱為工作流量特性。o 在實際工作中，閥是安裝在工藝管道系統(tǒng)中的，在實際工作中，閥是安裝在工藝管道系統(tǒng)中的，閥前后壓差通常是變化的。有時安裝要求有旁路閥前后壓差通常是變化的。有時安裝要求有旁路閥，這就會影響到調(diào)節(jié)閥所能控制的總流量。閥，這就會影響到調(diào)節(jié)閥所能控制的總流量。o 在這種情況下在這種情況下, ,閥相對位移與相對流量之間的關(guān)閥相對位移與相對流量之間的關(guān)系稱為工作流量特性。系稱為工作流量特性。41（1）串聯(lián)管道的工作流量特性）串聯(lián)管道的工作流量特性 定義：定義：s為閥全開

19、時閥前后壓差與系統(tǒng)總壓差之為閥全開時閥前后壓差與系統(tǒng)總壓差之比比 ， S = p1min p 42s值不同時流量特性如圖所示。值不同時流量特性如圖所示。串聯(lián)管道將使閥的流量特性發(fā)生畸變，串聯(lián)管道將使閥的流量特性發(fā)生畸變，s值越小，情況越嚴(yán)重。值越小，情況越嚴(yán)重。實際實際s值不能太小，要求值不能太小，要求s值不低于值不低于 0.3 。s值減小值減小43(2) 并聯(lián)管道工作流量特性并聯(lián)管道工作流量特性定義：定義：x 為管道并聯(lián)時閥全開流量與總管最大流量為管道并聯(lián)時閥全開流量與總管最大流量之比，即之比，即 x =Q1max/ Qmax44x 值不同時的工作流量特性如圖所示。值不同時的工作流量特性如圖

20、所示。隨著旁路閥開啟，閥本身流量特性變化不大。隨著旁路閥開啟，閥本身流量特性變化不大。一般要求一般要求x 值不能低于值不能低于 0.8 。 45結(jié)論：結(jié)論：o 串聯(lián)和并聯(lián)管道的存在會對閥的理想串聯(lián)和并聯(lián)管道的存在會對閥的理想流量特流量特性性產(chǎn)生影響，串聯(lián)管道影響更大。產(chǎn)生影響，串聯(lián)管道影響更大。o 串聯(lián)和并聯(lián)管道的存在會使閥的串聯(lián)和并聯(lián)管道的存在會使閥的可調(diào)比可調(diào)比下降，下降，并聯(lián)管道影響更嚴(yán)重。并聯(lián)管道影響更嚴(yán)重。 o 串聯(lián)和并聯(lián)管道的存在對系統(tǒng)的串聯(lián)和并聯(lián)管道的存在對系統(tǒng)的總流量總流量有影有影響，串聯(lián)管道使系統(tǒng)總流量減小，并聯(lián)管道響，串聯(lián)管道使系統(tǒng)總流量減小，并聯(lián)管道使系統(tǒng)總流量增大。使系

21、統(tǒng)總流量增大。46p1. 電電-氣轉(zhuǎn)換器氣轉(zhuǎn)換器電氣轉(zhuǎn)換器是將電動儀表的直流信號轉(zhuǎn)換成氣動儀表的氣電氣轉(zhuǎn)換器是將電動儀表的直流信號轉(zhuǎn)換成氣動儀表的氣動信號。動信號。例：將調(diào)節(jié)器輸出的直流信號例：將調(diào)節(jié)器輸出的直流信號420mA轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)換成0.020.1mpa氣動信號。氣動信號。5-4 電氣轉(zhuǎn)換器和閥門定位器電氣轉(zhuǎn)換器和閥門定位器472. 電電-氣閥門定位器氣閥門定位器p 閥門定位器與執(zhí)行器配套，接受控制器的信號，閥門定位器與執(zhí)行器配套，接受控制器的信號，輸出去控制執(zhí)行器。輸出去控制執(zhí)行器。p 作用：作用： 一是將電流信號轉(zhuǎn)換成氣壓信號；一是將電流信號轉(zhuǎn)換成氣壓信號； 二是可保證閥門的正確定位。二是可保證閥門的正確定位。48491、薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)、薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)p 執(zhí)行機(jī)構(gòu)按動作方執(zhí)行機(jī)構(gòu)按動作方式可分為正作用和式可分為正作用和反作用：反作用： 輸入信號增大，輸入信號增大，閥桿下移，為閥桿下移，為正作正作用閥用閥； 輸入信號增大，輸入信號增大，閥桿上移，為閥桿上移，為反作反作用閥用閥。503、其他結(jié)構(gòu)形式的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、其他結(jié)構(gòu)形式的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)51(1)直線流量特性（直線流量特性（n=0）p直流流量特性指閥的相對流量與閥芯相對位移成直線關(guān)