化工儀表及自動化-執(zhí)行器課件

第六章執(zhí)行器第六章執(zhí)行器1青島啤酒西安漢斯使用的電動調節(jié)閥電動調節(jié)閥應用于化工行業(yè)青島啤酒西安漢斯使用的電動調節(jié)閥電動調節(jié)閥應用于化工行業(yè)2主要內容概述氣動執(zhí)行器電動執(zhí)行器電-氣轉換器及電-氣閥門定位器數字閥與智能控制閥主要內容概述3概述執(zhí)行器在自控系統(tǒng)中的作用執(zhí)行器是指：閥門－調節(jié)閥(連續(xù)的)、開關閥(過程控制范疇)

電機－連續(xù)的、開關的(屬于流體機械的范疇，起執(zhí)行器的作用)執(zhí)行器在自控系統(tǒng)中的作用：接收控制器輸出的控制信號，使控制閥的開度產生相應變化，從而達到調節(jié)操作變量流量的目的。回顧概述執(zhí)行器在自控系統(tǒng)中的作用執(zhí)行器是指：閥門－調節(jié)閥(連續(xù)的4執(zhí)行器分類氣動執(zhí)行器電動執(zhí)行器液動執(zhí)行器推力最大，但較笨重，現很少使用（化工領域）用壓縮空氣為能源，結構簡單、動作可靠、平穩(wěn)、輸出推動力大、維修方便、防火防爆、價格較低、廣泛應用于化工、煉油生產。標準氣壓信號：0.02-0.1MPa作用是將輸入的直流電流信號線性地轉換為位移量。信號傳遞迅速，安全防爆性能較差，在行程受阻或閥桿被軋住時電機易受損。執(zhí)行器分類氣動執(zhí)行器推力最大，但較笨重，現很少使用（化工領域5化工儀表及自動化-執(zhí)行器課件6第一節(jié)氣動執(zhí)行器組成：執(zhí)行機構和控制機構執(zhí)行機構：執(zhí)行機構是指根據控制器控制信號產生推力或位移的裝置?？刂茩C構：控制（調節(jié)）機構是根據執(zhí)行機構輸出信號去改變能量或物料輸送量的裝置，通常指控制閥?，F場有時就將執(zhí)行器稱為控制閥。輔助裝置：（1）閥門定位器：利用反饋原理來改善執(zhí)行器的性能，實現準確的定位；（2）手輪機構：控制器無輸出或執(zhí)行機構失靈時，直接操縱控制閥。第一節(jié)氣動執(zhí)行器組成：執(zhí)行機構和控制機構7化工儀表及自動化-執(zhí)行器課件8氣動執(zhí)行器的結構與分類

氣動執(zhí)行器的執(zhí)行機構和調節(jié)機構是統(tǒng)一的整體。

氣動執(zhí)行機構主要分為薄膜式和活塞式。

活塞式薄膜式氣動執(zhí)行器的結構與分類氣動執(zhí)行器的執(zhí)行機構和調節(jié)機構是9

這種執(zhí)行機構的輸出位移與輸入氣壓信號成比例關系。當壓力與彈簧的反作用力平衡時,推桿穩(wěn)定在某一位置,信號壓力越大,推桿的位移量也越大。(推桿的位移即為執(zhí)行機構的直線輸出位移,也稱行程。)薄膜式正作用形式:信號壓力增大,推桿向下。

反作用形式:信號壓力增大,推桿向上。按連桿最大位移——行程確定規(guī)格：10，16，25，40，60，100mm

這種執(zhí)行機構的輸出位移與輸入氣壓信號成比例關系。10傳統(tǒng)型

國產正作用式執(zhí)行機構稱為ZMA型，反作用式執(zhí)行機構稱為ZMB型。較大口徑的控制閥都是采用正作用的執(zhí)行機構。信號壓力通過波紋膜片的上方（正作用式）或下方（反作用式）進入氣室。傳統(tǒng)型國產正作用式執(zhí)行機構稱為ZMA型，反作用式執(zhí)11側裝式氣動執(zhí)行機構（增力式執(zhí)行機構）

特點：薄膜式膜頭裝在支架的側面?zhèn)妊b式氣動執(zhí)行機構（增力式執(zhí)行機構）特點：薄膜式膜頭裝在支12(2)活塞式

活塞式執(zhí)行機構屬于強力氣動執(zhí)行機構。其氣缸允許操作壓力高達0.5MPa，且無彈簧抵消推力，因此輸出推力很大，特別適用于高靜壓、高壓差、大口徑場合。它的輸出特性有兩位式和比例式。兩位式是根據活塞兩側的操作壓力的大小而動作，活塞由高壓側推向低壓側，使推桿從一個極端位置移動到另一個極端位置，其行程達25～100mm，適用于雙位控制系統(tǒng)；比例式是指推桿的行程與輸入壓力信號成比例關系，必須帶有閥門定位器，它適用于控制質量要求較高的系統(tǒng)。(2)活塞式13調節(jié)機構是執(zhí)行器的調節(jié)部分，在執(zhí)行機構的輸出力和輸出位移作用下，調節(jié)機構閥芯的運動，改變了閥芯與閥座之間的流通截面積，即改變了調節(jié)閥的阻力系數，使被控介質流體的流量發(fā)生相應變化。2、控制機構控制機構即控制閥，實際上是一個局部阻力可以改變的節(jié)流元件（1）直通單座控制閥（2）直通雙座控制閥（3）角形控制閥（4）三通控制閥（5）隔膜控制閥（6）蝶閥（7）球閥（8）凸輪撓曲閥（9）籠閥控制閥種類（結構不同）調節(jié)機構是執(zhí)行器的調節(jié)部分，在執(zhí)行機構的輸出力和輸出位移作用14直通單座調節(jié)閥：閥體內只有一個閥芯和一個閥座。結構簡單、泄漏量小（甚至可以完全切斷）允許壓差?。p導向結構的允許壓差較單導向結構大）。直通單座調節(jié)閥它適用于要求泄漏量小，工作壓差較小的干凈介質的場合。在應用中應特別注意其允許壓差，防止閥門關不死。直通單座調節(jié)閥：直通單座調節(jié)閥它適用于要求泄漏量小，工作壓差15直通雙座調節(jié)閥：閥體內有兩個閥芯和閥座。因為流體對上、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閉，因此泄漏量較大的特點。直通雙座調節(jié)閥它適用于閥兩端壓差較大，泄漏量要求不高的干凈介質場合，不適用于高粘度和含纖維的場合。直通雙座調節(jié)閥：直通雙座調節(jié)閥它適用于閥兩端壓差較大，泄漏量16正作用：閥芯向下，閥桿向下，流通面積減少。反作用：閥芯向上，閥桿向下，流通面積增大。

正反作用正作用：閥芯向下，閥桿向下，流通面積減少。正反作用17角形調節(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的調節(jié)。角形閥一般使用于底進側出，此時調節(jié)閥穩(wěn)定性好，在高壓差場合下，為了延長閥芯使用壽命，也可采用側進底出。但側進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。角形調節(jié)閥角形調節(jié)閥：角形調節(jié)閥18三通調節(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節(jié)、配比調節(jié)和旁路調節(jié)。在使用中應注意流體溫差不宜過大，通常小于是150℃，否則會使三通閥產生較大應力而引起變形，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。三通合流閥為介質由兩個輸入口流進混合后由一出口流出；三通分流閥為介質由一入口流進，分為兩個出口流出。三通調節(jié)閥三通調節(jié)閥：三通調節(jié)閥19隔膜控制閥：耐腐蝕性強。結構簡單，流路阻力小，流量系數大，無泄漏量。隔膜控制閥隔膜控制閥：耐腐蝕性強。結構簡單，流路阻力小，流量系數大，無20蝶閥：蝶閥是通過擋板以轉軸為中心旋轉來控制流體的流量。結構緊湊、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角應小于70℃，此時流量特性與等百分比特性相似多用于開關閥蝶閥蝶閥：蝶閥21“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，轉軸帶動球體旋轉，起調節(jié)和切斷作用。該閥結構簡單，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。O”形球閥“O”形球閥：O”形球閥22“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，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。該閥結構簡單，維修方便，關閉性能好，流通能力大，可調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?！癡”形球閥“V”形球閥：“V”形球閥23偏心旋轉閥：轉軸帶動閥芯偏心旋轉體積小，重量輕，使用可靠，維修方便，通用性強，流體阻力小等優(yōu)點，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。偏心旋轉閥（凸輪撓曲閥）偏心旋轉閥：偏心旋轉閥（凸輪撓曲閥）24套筒閥：套筒閥的結構比較特殊，閥體與一般的直通單座閥相似，但閥內有一個圓柱形套筒，又稱籠子，利用套筒導向，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，從而實現流量調節(jié)。套筒閥分為單密封和雙密封兩種結構，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，因而得到廣泛應用，但其價格比較貴。套筒閥套筒閥：套筒閥25閥小結閥小結26化工儀表及自動化-執(zhí)行器課件27化工儀表及自動化-執(zhí)行器課件28二、控制閥的流量特性定義：流量特性是指流過閥門的調節(jié)介質的相對流量與閥桿的相對行程（閥門的相對開度）之間的關系。數學表達式類型：理想特性、工作特性改變控制閥與閥座間的流通截面積，可控制流量。調節(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際流量特性表示控制閥某一開度的流量與全開時流量之比，稱為相對流量。表示控制閥某一開度下閥桿行程與全開時閥桿全行程之比，稱為相對開度。二、控制閥的流量特性定義：流量特性是指流過閥門的調節(jié)介質的相29調節(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）特性①控制閥的理想流量特性(ΔP一定)調節(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30調節(jié)閥的相對流量與相對位移成直線關系，即單位位移變化所引起的流量變化是常數(1)直線流量特性可調比R反映調節(jié)閥的調節(jié)能力的大小

定義:調節(jié)閥所能調節(jié)的最大流量和最小流量之比

Qmin不是控制閥全關時的泄漏量，是Qmax的2%-4%.國產控制閥：R=30。調節(jié)閥的相對流量與相對位移成直線關系，即單位位移變化所引起的31在10%時，流量的相對值為：在50%時，流量的相對值為：在80%時，流量的相對值為：放大系數K是一個常數，不管閥桿原來在什么位置，只要閥桿有相同的變化，流量的數值也做相同的變化。因此在開度較小時流量相對變化值大，靈敏度過高，控制作用過強，容易產生振蕩，對控制不利；在開度較大時流量相對變化值小，靈敏度又太小，控制緩慢，削弱了控制作用。不適宜用于負荷變化大的場合。在10%時，流量的相對值為：放大系數K是一個常數，不管閥桿原32單位相對位移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(2)等百分比流量特性（對數流量特性）對數閥的放大系數K隨著相對開度增加而增加。在小開度時控制閥的放大系數小，控制平穩(wěn)緩和；在大開度時放大系數大，控制靈敏。單位相對位移變化所引起的相對流量變化與此點的相對流量成正比關33單位相對位移的變化所引起的相對流量變化與此點的相對流量值的平方值的平方根成正比關系(3)拋物線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的相對流量值的平34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?？扉_閥：適用于迅速啟閉的雙位控制系統(tǒng)。在開度較小時就有較大的流量，隨著開度的增大，流量很快就達到最352.工作流量特性定義：實際上控制閥的前后壓差是變化的，此時得到的控制閥的相對流量與相對開度之間的關系稱為工作流量特性。串聯管道情況串聯管道控制閥壓差變化配管系數S：控制閥全開時，控制閥上壓差△p1

與系統(tǒng)總壓差△p之比。2.工作流量特性定義：實際上控制閥的前后壓差是變化的，此36S=1時，系統(tǒng)的總壓差全部降在控制閥上，工作流量特性就表現為理想流量特性。(2)流量特性畸變（0.3<S<0.6）S減小會帶來兩個不利后果：(1)*可調比減小

*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

圖6-16管道串聯時控制閥的工作流量特性S=1時，系統(tǒng)的總壓差全部降在控制閥上，工作流量特性就表現為37選擇原則：S>0.6:認為工作特性與理想特性相同。0.3<S<0.6:S<0.3（流量特性畸變很大）:節(jié)能運行，可以進行靜態(tài)非線性補償

在實際使用中，S選得過大或過小都有不妥之處。S選得過大，在流量相同情況下，管路阻力損耗不變，但是閥上壓降很大，消耗能量過多；S選得過小，則對調節(jié)不利。一般希望S值最小不低于0.3。配管系數S的選擇：選擇原則：在實際使用中，S選得過大或過小都有38（2）并聯管道的工作流量特性作用：（1）方便手動操作和維護（2）當生產量提高或控制閥選小時，可將旁路閥打開一些（2）并聯管道的工作流量特性作用：39總結（串、并聯管道）串、并聯管道都會使閥的理想流量特性發(fā)生畸形，串聯管道的影響尤為嚴重。串、并聯管道都會使控制閥的可調范圍降低，并聯管道尤為嚴重。串聯管道使系統(tǒng)總流量減少，并聯管道使系統(tǒng)總流量增加。串、并聯管道會使控制閥的放大系數減小，即輸入信號引起的流量變化值減小。串聯管道時控制若處于大開度，則s值降低對放大系統(tǒng)影響更為嚴重；并聯管道刊控制閥處于小開度，則x值降低對放大系統(tǒng)影響更為嚴重?？偨Y（串、并聯管道）串、并聯管道都會使閥的理想流量特性發(fā)生畸40三、控制閥的選用

一般包括：控制閥結構形式及特性的選擇；氣開式、氣關式的選擇；控制閥口徑選擇主要依據是：（1）

流體性質如流體種類、粘度、腐蝕性、是否含懸浮顆粒（2）工藝條件如溫度、壓力、流量、壓差、泄漏量（3）過程控制要求控制系統(tǒng)精度、可調比、噪音根據以上各點進行綜合考慮，并參照各種調節(jié)機構的特點及其適用場合，同時兼顧經濟性，來選擇滿足工藝要求的調節(jié)機構。三、控制閥的選用一般包括：主要依據是：41（1）控制閥結構形式及特性的選擇；依據：工藝條件調節(jié)介質特性例如，當控制閥前后壓差較小，要求泄漏量也較小的場合應選用直通單座閥；當控制閥前后壓差較大，并且允許有較大泄漏量的場合選用直通雙座閥；當介質為高粘度，含有懸浮顆粒物時，為避免粘結堵塞現象，便于清洗應選用角型控制閥。5.6.2流量特性的選擇通常是指如何合理選擇線性和對數流量特性。選擇步驟：(1)根據過程特性，選擇閥的工作特性；(2)根據配管情況，從所需的工作特性出發(fā)，推斷理想流量特性。選擇原則：使整個廣義對象具有線性特征。控制閥特性的選取要能夠補償廣義對象特性的非線性性。（1）控制閥結構形式及特性的選擇；依據：工藝條件5.6.242

主要從工藝生產上安全要求出發(fā)。信號壓力中斷時，應保證設備和操作人員的安全。如果閥處于打開位置時危害性小，則應選用氣關式，以使氣源系統(tǒng)發(fā)生故障，氣源中斷時，閥門能自動打開，保證安全。反之閥處于關閉時危害性小，則應選用氣開閥。選擇要求氣開式調節(jié)閥:有信號壓力輸入時閥打開無信號壓力時閥全關氣關式調節(jié)閥:有信號壓力時閥關閉無信號壓力時閥全開2.氣開式與氣關式的選擇主要從工藝生產上安全要求出發(fā)。信號壓力中斷時，應43序號執(zhí)行機構控制閥氣動執(zhí)行器（a）（b）（c）（d）正正反反正反正反氣關（反）氣開（正）氣開（正）氣關（反）表11-1組合方式表圖11-11組合方式圖序號執(zhí)行機構控制閥氣動執(zhí)行器（a）正正氣關（反）表11-144因：供氣中斷時，應使給水閥全開，使得鍋爐不致燒干引起爆炸。故：選氣關閥。鍋爐汽包水位控制帶控制點的流程圖例１：鍋爐汽包水位的控制氣關閥因：供氣中斷時，應使給水閥全開，使得鍋爐不致燒干引起爆炸。鍋45例2：加熱爐爐溫的控制因：供氣中斷時，應使燃料閥全關，停止供應燃料油，不致使加熱爐溫度過高燒壞爐子。故：選氣開閥。加熱爐溫度控制帶控制點的流程圖氣開閥例2：加熱爐爐溫的控制因：供氣中斷時，應使燃料閥全關，停止供463、控制閥口徑的選擇原因：口徑選擇過小，會使流經控制閥的介質達不到所需要的最大流量若企圖通過開大旁路閥來彌補介質流量的不同，會使閥的流量特性產生畸變；口徑選擇過大，不僅會浪費設備投資，而且會使控制閥經常處于小開度工作,控制性能變差,容易使控制系統(tǒng)變得不穩(wěn)定依據：流通能力，用流量系數KV表示。因為：流量系數KV直接反映了流體通過控制閥的最大能力。流通能力定義：控制閥全開時，閥前后壓差為100kPa、流體密度為1g/cm2

時，每小時流經控制閥的流量值（m3/h）不可壓縮流體,計算公式:把上述參數代入流量方程，即可算出實際工況的流經閥門的流量

事實上，這里提出流量系數的概念，用意不在流量的計算上，真正目的是根據工藝要求如何來選擇一臺合適的調節(jié)閥。

3、控制閥口徑的選擇原因：依據：流通能力，用流量系數KV表示47根據工藝要求，即流量Q、前后差壓△P、介質密度ρ，可以用下式來計算調節(jié)閥的流量系數，并以此來作為閥門口徑選擇的依據之一：注意：上式中各參數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的影響流體的流動狀態(tài)也將影響Kv的大小流量系數的計算48根據工藝要求，即流量Q、前后差壓△P、介質密度ρ，可以用下式5.6.5安裝使用安裝使用應考慮以下幾個問題（P101）:(1)垂直安裝在水平管道上。(2)環(huán)境溫度要求：-40℃<溫度<60℃，并遠離振動設備及腐蝕嚴重的地方。(3)便于檢修維護，如靠近地面或樓板，上方留有足夠空間。(4)控制閥箭頭方向與流體流動方向一致。(5)控制閥的公稱通徑與管道直徑不同時，之間要加異徑管(6)應設旁路以便檢修時還可正常維持生產。(7)定期檢修。5.6.5安裝使用安裝使用應考慮以下幾個問題（P101）49第二節(jié)電動執(zhí)行器接收控制器輸出的0～10mA或4～20mA直流電流信號，并將其轉換成相應的角位移或直行程位移，去操縱閥門、擋板等控制機構，以實現自動控制。電動執(zhí)行機構一般可以分為直行程、角行程、多轉式三種。直行程:電動執(zhí)行機構的輸出軸輸出各種大小不同的直線位移，通常用來推動單座、雙座、三通、套筒等形式的控制閥。角行程:電動執(zhí)行機構的輸出軸輸出角位移，轉動角度范圍小于360o,通常用來推動蝶閥、球閥、偏心旋轉閥等轉角式控制閥。多轉式:電動執(zhí)行機構的輸出軸輸出各種大小不等的有效圈數，通常用于推動閘閥或由執(zhí)行電動機帶動旋轉式的調節(jié)機構，如各種泵等。第二節(jié)電動執(zhí)行器接收控制器輸出的0～10mA或4～2050當無信號輸入時，位置反饋信號也為零，放大器無輸出，電機不轉；如有信號輸入，且與反饋信號比較產生偏差，經放大器放大有足夠的輸出功率，驅動伺服電機，經減速后使減速器的輸出軸轉動，直到與輸出軸相連的位置發(fā)生器的輸出電流與輸入信號相等為止。此時輸出軸就穩(wěn)定在與該輸入信號相對應的轉角位置上，實現了輸入電流信號與輸出轉角的轉換。工作過程：輸入信號伺服放大器伺服電機減速器輸出位置發(fā)生器＋－ε當無信號輸入時，位置反饋信號也為零，放大器無輸出，電機不轉；51位置發(fā)生器---主要部分為差動變壓器功能：將執(zhí)行機構輸出軸的位移轉變?yōu)?～10mADC或4～20mADC反饋信號原理：如圖所示，感應電壓USC的大小取決于鐵芯的位置。鐵芯的位置是與執(zhí)行機構輸出軸的位置相對應的。當鐵芯在中間位置時，有U1=U2，輸出電壓USC=0，當鐵芯自中間位置向上位移時，有U1>U2，輸出電壓USC=U1-U2反之，當鐵芯下移時，有U2>U1，此時輸出電壓USC=U2-U1，其相位與上述相反。信號USC經過整流、濾波電路可以得到0～10mADC或4～20mADC信號，它的大小與執(zhí)行機構輸出軸的位移相對應，并反饋到伺服放大器的輸入端，以與輸入信號相比較。位置發(fā)生器---主要部分為差動變壓器功能：將執(zhí)行機構輸出軸的52第三節(jié)電-氣轉換器及電-氣閥門定位器電-氣轉換器:將4～20mADC或0～10mADC轉換為0.02～0.1MPa氣信號，用以控制氣動調節(jié)閥第三節(jié)電-氣轉換器及電-氣閥門定位器電-氣轉換器:將53作用：電-氣轉換和閥門定位器輸入信號：電動控制器的輸出電流輸出信號：標準氣動信號，操縱氣動薄膜控制閥原理：力矩平衡原理電-氣閥門定位器當輸入IO →對主杠桿2產生向左的力F1 →主杠桿繞支點反時針偏轉 →擋板13靠近噴嘴15

→Pa↑

→使閥桿向下移動 →并帶動反饋桿9繞支點4偏轉 →凸輪5也跟著逆時針偏轉 →從而使反饋彈簧11拉伸 →最終使閥門定位器達到平衡狀態(tài)。此時，一定的信號壓力就對應于一定的閥桿位移，即對應于一定的閥門開度。作用：電-氣轉換和閥門定位器電-氣閥門定位器當輸入IO 54氣動閥門定位器原理與前者完全相同氣動力矩平衡式閥門定位器要將正作用改裝成反作用，只要改變反饋凸輪5的形狀或安裝位置即可。

55氣動閥門定位器原理與前者完全相同55第四節(jié)數字閥和智能控制閥（1）數字閥定義：是一種位式的數字執(zhí)行器，由一系列并聯安裝而且按二進制排列的閥門組成。特點：(1)高分辨率(2)高精度(3)反應速度快，關閉性能好(4)直接與計算機相連(5)沒有滯后、線性好、噪音小缺點：結構復雜、部件多、價格貴，操作錯誤會導致控制錯誤第四節(jié)數字閥和智能控制閥（1）數字閥特點：56（2）智能控制閥集常規(guī)儀表的監(jiān)測、控制、執(zhí)行等作用于一身，具有智能化的控制、限制、診斷、保護和通信功能。智能體現：(1)控制功能(2)通信功能(3)診斷功能（2）智能控制閥集常規(guī)儀表的監(jiān)測、控制、執(zhí)行等作用于一身57第六章執(zhí)行器第六章執(zhí)行器58青島啤酒西安漢斯使用的電動調節(jié)閥電動調節(jié)閥應用于化工行業(yè)青島啤酒西安漢斯使用的電動調節(jié)閥電動調節(jié)閥應用于化工行業(yè)59主要內容概述氣動執(zhí)行器電動執(zhí)行器電-氣轉換器及電-氣閥門定位器數字閥與智能控制閥主要內容概述60概述執(zhí)行器在自控系統(tǒng)中的作用執(zhí)行器是指：閥門－調節(jié)閥(連續(xù)的)、開關閥(過程控制范疇)

電機－連續(xù)的、開關的(屬于流體機械的范疇，起執(zhí)行器的作用)執(zhí)行器在自控系統(tǒng)中的作用：接收控制器輸出的控制信號，使控制閥的開度產生相應變化，從而達到調節(jié)操作變量流量的目的?；仡櫢攀鰣?zhí)行器在自控系統(tǒng)中的作用執(zhí)行器是指：閥門－調節(jié)閥(連續(xù)的61執(zhí)行器分類氣動執(zhí)行器電動執(zhí)行器液動執(zhí)行器推力最大，但較笨重，現很少使用（化工領域）用壓縮空氣為能源，結構簡單、動作可靠、平穩(wěn)、輸出推動力大、維修方便、防火防爆、價格較低、廣泛應用于化工、煉油生產。標準氣壓信號：0.02-0.1MPa作用是將輸入的直流電流信號線性地轉換為位移量。信號傳遞迅速，安全防爆性能較差，在行程受阻或閥桿被軋住時電機易受損。執(zhí)行器分類氣動執(zhí)行器推力最大，但較笨重，現很少使用（化工領域62化工儀表及自動化-執(zhí)行器課件63第一節(jié)氣動執(zhí)行器組成：執(zhí)行機構和控制機構執(zhí)行機構：執(zhí)行機構是指根據控制器控制信號產生推力或位移的裝置?？刂茩C構：控制（調節(jié)）機構是根據執(zhí)行機構輸出信號去改變能量或物料輸送量的裝置，通常指控制閥。現場有時就將執(zhí)行器稱為控制閥。輔助裝置：（1）閥門定位器：利用反饋原理來改善執(zhí)行器的性能，實現準確的定位；（2）手輪機構：控制器無輸出或執(zhí)行機構失靈時，直接操縱控制閥。第一節(jié)氣動執(zhí)行器組成：執(zhí)行機構和控制機構64化工儀表及自動化-執(zhí)行器課件65氣動執(zhí)行器的結構與分類

氣動執(zhí)行器的執(zhí)行機構和調節(jié)機構是統(tǒng)一的整體。

氣動執(zhí)行機構主要分為薄膜式和活塞式。

活塞式薄膜式氣動執(zhí)行器的結構與分類氣動執(zhí)行器的執(zhí)行機構和調節(jié)機構是66

這種執(zhí)行機構的輸出位移與輸入氣壓信號成比例關系。當壓力與彈簧的反作用力平衡時,推桿穩(wěn)定在某一位置,信號壓力越大,推桿的位移量也越大。(推桿的位移即為執(zhí)行機構的直線輸出位移,也稱行程。)薄膜式正作用形式:信號壓力增大,推桿向下。

反作用形式:信號壓力增大,推桿向上。按連桿最大位移——行程確定規(guī)格：10，16，25，40，60，100mm

這種執(zhí)行機構的輸出位移與輸入氣壓信號成比例關系。67傳統(tǒng)型

國產正作用式執(zhí)行機構稱為ZMA型，反作用式執(zhí)行機構稱為ZMB型。較大口徑的控制閥都是采用正作用的執(zhí)行機構。信號壓力通過波紋膜片的上方（正作用式）或下方（反作用式）進入氣室。傳統(tǒng)型國產正作用式執(zhí)行機構稱為ZMA型，反作用式執(zhí)68側裝式氣動執(zhí)行機構（增力式執(zhí)行機構）

特點：薄膜式膜頭裝在支架的側面?zhèn)妊b式氣動執(zhí)行機構（增力式執(zhí)行機構）特點：薄膜式膜頭裝在支69(2)活塞式

活塞式執(zhí)行機構屬于強力氣動執(zhí)行機構。其氣缸允許操作壓力高達0.5MPa，且無彈簧抵消推力，因此輸出推力很大，特別適用于高靜壓、高壓差、大口徑場合。它的輸出特性有兩位式和比例式。兩位式是根據活塞兩側的操作壓力的大小而動作，活塞由高壓側推向低壓側，使推桿從一個極端位置移動到另一個極端位置，其行程達25～100mm，適用于雙位控制系統(tǒng)；比例式是指推桿的行程與輸入壓力信號成比例關系，必須帶有閥門定位器，它適用于控制質量要求較高的系統(tǒng)。(2)活塞式70調節(jié)機構是執(zhí)行器的調節(jié)部分，在執(zhí)行機構的輸出力和輸出位移作用下，調節(jié)機構閥芯的運動，改變了閥芯與閥座之間的流通截面積，即改變了調節(jié)閥的阻力系數，使被控介質流體的流量發(fā)生相應變化。2、控制機構控制機構即控制閥，實際上是一個局部阻力可以改變的節(jié)流元件（1）直通單座控制閥（2）直通雙座控制閥（3）角形控制閥（4）三通控制閥（5）隔膜控制閥（6）蝶閥（7）球閥（8）凸輪撓曲閥（9）籠閥控制閥種類（結構不同）調節(jié)機構是執(zhí)行器的調節(jié)部分，在執(zhí)行機構的輸出力和輸出位移作用71直通單座調節(jié)閥：閥體內只有一個閥芯和一個閥座。結構簡單、泄漏量小（甚至可以完全切斷）允許壓差?。p導向結構的允許壓差較單導向結構大）。直通單座調節(jié)閥它適用于要求泄漏量小，工作壓差較小的干凈介質的場合。在應用中應特別注意其允許壓差，防止閥門關不死。直通單座調節(jié)閥：直通單座調節(jié)閥它適用于要求泄漏量小，工作壓差72直通雙座調節(jié)閥：閥體內有兩個閥芯和閥座。因為流體對上、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閉，因此泄漏量較大的特點。直通雙座調節(jié)閥它適用于閥兩端壓差較大，泄漏量要求不高的干凈介質場合，不適用于高粘度和含纖維的場合。直通雙座調節(jié)閥：直通雙座調節(jié)閥它適用于閥兩端壓差較大，泄漏量73正作用：閥芯向下，閥桿向下，流通面積減少。反作用：閥芯向上，閥桿向下，流通面積增大。

正反作用正作用：閥芯向下，閥桿向下，流通面積減少。正反作用74角形調節(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的調節(jié)。角形閥一般使用于底進側出，此時調節(jié)閥穩(wěn)定性好，在高壓差場合下，為了延長閥芯使用壽命，也可采用側進底出。但側進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。角形調節(jié)閥角形調節(jié)閥：角形調節(jié)閥75三通調節(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節(jié)、配比調節(jié)和旁路調節(jié)。在使用中應注意流體溫差不宜過大，通常小于是150℃，否則會使三通閥產生較大應力而引起變形，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。三通合流閥為介質由兩個輸入口流進混合后由一出口流出；三通分流閥為介質由一入口流進，分為兩個出口流出。三通調節(jié)閥三通調節(jié)閥：三通調節(jié)閥76隔膜控制閥：耐腐蝕性強。結構簡單，流路阻力小，流量系數大，無泄漏量。隔膜控制閥隔膜控制閥：耐腐蝕性強。結構簡單，流路阻力小，流量系數大，無77蝶閥：蝶閥是通過擋板以轉軸為中心旋轉來控制流體的流量。結構緊湊、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角應小于70℃，此時流量特性與等百分比特性相似多用于開關閥蝶閥蝶閥：蝶閥78“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，轉軸帶動球體旋轉，起調節(jié)和切斷作用。該閥結構簡單，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。O”形球閥“O”形球閥：O”形球閥79“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，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。該閥結構簡單，維修方便，關閉性能好，流通能力大，可調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?！癡”形球閥“V”形球閥：“V”形球閥80偏心旋轉閥：轉軸帶動閥芯偏心旋轉體積小，重量輕，使用可靠，維修方便，通用性強，流體阻力小等優(yōu)點，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。偏心旋轉閥（凸輪撓曲閥）偏心旋轉閥：偏心旋轉閥（凸輪撓曲閥）81套筒閥：套筒閥的結構比較特殊，閥體與一般的直通單座閥相似，但閥內有一個圓柱形套筒，又稱籠子，利用套筒導向，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，從而實現流量調節(jié)。套筒閥分為單密封和雙密封兩種結構，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，因而得到廣泛應用，但其價格比較貴。套筒閥套筒閥：套筒閥82閥小結閥小結83化工儀表及自動化-執(zhí)行器課件84化工儀表及自動化-執(zhí)行器課件85二、控制閥的流量特性定義：流量特性是指流過閥門的調節(jié)介質的相對流量與閥桿的相對行程（閥門的相對開度）之間的關系。數學表達式類型：理想特性、工作特性改變控制閥與閥座間的流通截面積，可控制流量。調節(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際流量特性表示控制閥某一開度的流量與全開時流量之比，稱為相對流量。表示控制閥某一開度下閥桿行程與全開時閥桿全行程之比，稱為相對開度。二、控制閥的流量特性定義：流量特性是指流過閥門的調節(jié)介質的相86調節(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）特性①控制閥的理想流量特性(ΔP一定)調節(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87調節(jié)閥的相對流量與相對位移成直線關系，即單位位移變化所引起的流量變化是常數(1)直線流量特性可調比R反映調節(jié)閥的調節(jié)能力的大小

定義:調節(jié)閥所能調節(jié)的最大流量和最小流量之比

Qmin不是控制閥全關時的泄漏量，是Qmax的2%-4%.國產控制閥：R=30。調節(jié)閥的相對流量與相對位移成直線關系，即單位位移變化所引起的88在10%時，流量的相對值為：在50%時，流量的相對值為：在80%時，流量的相對值為：放大系數K是一個常數，不管閥桿原來在什么位置，只要閥桿有相同的變化，流量的數值也做相同的變化。因此在開度較小時流量相對變化值大，靈敏度過高，控制作用過強，容易產生振蕩，對控制不利；在開度較大時流量相對變化值小，靈敏度又太小，控制緩慢，削弱了控制作用。不適宜用于負荷變化大的場合。在10%時，流量的相對值為：放大系數K是一個常數，不管閥桿原89單位相對位移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(2)等百分比流量特性（對數流量特性）對數閥的放大系數K隨著相對開度增加而增加。在小開度時控制閥的放大系數小，控制平穩(wěn)緩和；在大開度時放大系數大，控制靈敏。單位相對位移變化所引起的相對流量變化與此點的相對流量成正比關90單位相對位移的變化所引起的相對流量變化與此點的相對流量值的平方值的平方根成正比關系(3)拋物線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的相對流量值的平91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?？扉_閥：適用于迅速啟閉的雙位控制系統(tǒng)。在開度較小時就有較大的流量，隨著開度的增大，流量很快就達到最922.工作流量特性定義：實際上控制閥的前后壓差是變化的，此時得到的控制閥的相對流量與相對開度之間的關系稱為工作流量特性。串聯管道情況串聯管道控制閥壓差變化配管系數S：控制閥全開時，控制閥上壓差△p1

與系統(tǒng)總壓差△p之比。2.工作流量特性定義：實際上控制閥的前后壓差是變化的，此93S=1時，系統(tǒng)的總壓差全部降在控制閥上，工作流量特性就表現為理想流量特性。(2)流量特性畸變（0.3<S<0.6）S減小會帶來兩個不利后果：(1)*可調比減小

*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

圖6-16管道串聯時控制閥的工作流量特性S=1時，系統(tǒng)的總壓差全部降在控制閥上，工作流量特性就表現為94選擇原則：S>0.6:認為工作特性與理想特性相同。0.3<S<0.6:S<0.3（流量特性畸變很大）:節(jié)能運行，可以進行靜態(tài)非線性補償

在實際使用中，S選得過大或過小都有不妥之處。S選得過大，在流量相同情況下，管路阻力損耗不變，但是閥上壓降很大，消耗能量過多；S選得過小，則對調節(jié)不利。一般希望S值最小不低于0.3。配管系數S的選擇：選擇原則：在實際使用中，S選得過大或過小都有95（2）并聯管道的工作流量特性作用：（1）方便手動操作和維護（2）當生產量提高或控制閥選小時，可將旁路閥打開一些（2）并聯管道的工作流量特性作用：96總結（串、并聯管道）串、并聯管道都會使閥的理想流量特性發(fā)生畸形，串聯管道的影響尤為嚴重。串、并聯管道都會使控制閥的可調范圍降低，并聯管道尤為嚴重。串聯管道使系統(tǒng)總流量減少，并聯管道使系統(tǒng)總流量增加。串、并聯管道會使控制閥的放大系數減小，即輸入信號引起的流量變化值減小。串聯管道時控制若處于大開度，則s值降低對放大系統(tǒng)影響更為嚴重；并聯管道刊控制閥處于小開度，則x值降低對放大系統(tǒng)影響更為嚴重。總結（串、并聯管道）串、并聯管道都會使閥的理想流量特性發(fā)生畸97三、控制閥的選用

一般包括：控制閥結構形式及特性的選擇；氣開式、氣關式的選擇；控制閥口徑選擇主要依據是：（1）

流體性質如流體種類、粘度、腐蝕性、是否含懸浮顆粒（2）工藝條件如溫度、壓力、流量、壓差、泄漏量（3）過程控制要求控制系統(tǒng)精度、可調比、噪音根據以上各點進行綜合考慮，并參照各種調節(jié)機構的特點及其適用場合，同時兼顧經濟性，來選擇滿足工藝要求的調節(jié)機構。三、控制閥的選用一般包括：主要依據是：98（1）控制閥結構形式及特性的選擇；依據：工藝條件調節(jié)介質特性例如，當控制閥前后壓差較小，要求泄漏量也較小的場合應選用直通單座閥；當控制閥前后壓差較大，并且允許有較大泄漏量的場合選用直通雙座閥；當介質為高粘度，含有懸浮顆粒物時，為避免粘結堵塞現象，便于清洗應選用角型控制閥。5.6.2流量特性的選擇通常是指如何合理選擇線性和對數流量特性。選擇步驟：(1)根據過程特性，選擇閥的工作特性；(2)根據配管情況，從所需的工作特性出發(fā)，推斷理想流量特性。選擇原則：使整個廣義對象具有線性特征?？刂崎y特性的選取要能夠補償廣義對象特性的非線性性。（1）控制閥結構形式及特性的選擇；依據：工藝條件5.6.299

主要從工藝生產上安全要求出發(fā)。信號壓力中斷時，應保證設備和操作人員的安全。如果閥處于打開位置時危害性小，則應選用氣關式，以使氣源系統(tǒng)發(fā)生故障，氣源中斷時，閥門能自動打開，保證安全。反之閥處于關閉時危害性小，則應選用氣開閥。選擇要求氣開式調節(jié)閥:有信號壓力輸入時閥打開無信號壓力時閥全關氣關式調節(jié)閥:有信號壓力時閥關閉無信號壓力時閥全開2.氣開式與氣關式的選擇主要從工藝生產上安全要求出發(fā)。信號壓力中斷時，應100序號執(zhí)行機構控制閥氣動執(zhí)行器（a）（b）（c）（d）正正反反正反正反氣關（反）氣開（正）氣開（正）氣關（反）表11-1組合方式表圖11-11組合方式圖序號執(zhí)行機構控制閥氣動執(zhí)行器（a）正正氣關（反）表11-1101因：供氣中斷時，應使給水閥全開，使得鍋爐不致燒干引起爆炸。故：選氣關閥。鍋爐汽包水位控制帶控制點的流程圖例１：鍋爐汽包水位的控制氣關閥因：供氣中斷時，應使給水閥全開，使得鍋爐不致燒干引起爆炸。鍋102例2：加熱爐爐溫的控制因：供氣中斷時，應使燃料閥全關，停止供應燃料油，不致使加熱爐溫度過高燒壞爐子。故：選氣開閥。加熱爐溫度控制帶控制點的流程圖氣開閥例2：加熱爐爐溫的控制因：供氣中斷時，應使燃料閥全關，停止供1033、控制閥口徑的選擇原因：口徑選擇過小，會使流經控制閥的介質達不到所需要的最大流量若企圖通過開大旁路閥來彌補介質流量的不同，會使閥的流量特性產生畸變；口徑選擇過大，不僅會浪費設備投資，而且會使控制閥經常處于小開度工作,控制性能變差,容易使控制系統(tǒng)變得不穩(wěn)定依據：流通能力，用流量系數KV表示。因為：流量系數KV直接反映了流體通過控制閥的最大能力。流通能力定義：控制閥全開時，閥前后壓差為100kPa、流體密度為1g/cm2

時，每小時流經控制閥的流量值（m3/h）不可壓縮流體,計算公式:把上述參數代入流量方程，即可算出實際工況的流經閥門的流量

事實上，這里提出流量系數的概念，用意不在流量的計算上，真正目的是根據工藝要求如何來選擇一臺合適的調節(jié)閥。

3、控制閥口徑的選擇原因：依據：流通能力，用流量系數KV表示104根據工藝要求，即流量Q、前后差壓△P、介質密度ρ，可以用下式來計算調節(jié)閥的流量系數，并以此來作為閥門口徑選擇的依據之一：注意：上式中各參數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的影響流體的流動狀態(tài)也將影響Kv的大小流量系數的計算105根據工藝要求，即流量Q、前后差壓△P、介質密度ρ，可以用下式5.6.5安裝使用安裝使用應考慮以下幾個問題（P101）:(1)垂直安裝在水平管道上。(2)環(huán)境溫度要求：-40℃<溫度<60℃，并遠離振動設備及腐蝕嚴重的地方。(3)便于檢修維護，如靠近地面或樓板，上方留有足夠空間。(4)控制閥箭頭方向與流體流動方向一致