第3章3.3過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計

第三章過程控制裝置李臻峰過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計22023/2/4主要內(nèi)容3.1概述3.2變送器3.3控制器3.4執(zhí)行器和防爆柵3.1概述為了熟悉控制裝置，先復(fù)習(xí)一下控制系統(tǒng)的組成：過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計32023/2/4圖

簡單控制系統(tǒng)方框圖3.4執(zhí)行器和防爆柵執(zhí)行器在現(xiàn)代生產(chǎn)過程自動化中起著十分重要作用。它在自動控制系統(tǒng)中接受調(diào)節(jié)器的控制信號，自動地改變操作變量，達到對被調(diào)參數(shù)(如溫度、壓力、液位等)進行調(diào)節(jié)的目的，使生產(chǎn)過程按預(yù)定要求正常進行。過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計42023/2/43.4執(zhí)行器和防爆柵過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計52023/2/4氣動執(zhí)行器電動執(zhí)行器液動執(zhí)行器液動執(zhí)行器的特點是輸出推力很大，但在化工、煉油等生產(chǎn)過程中基本上不使用。因此，只對氣動執(zhí)行器和電動執(zhí)行器以及電—氣轉(zhuǎn)換器進行介紹。3.4執(zhí)行器和防爆柵1.氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器是以壓縮空氣為能源的執(zhí)行器。它的主要特點：結(jié)構(gòu)簡單，輸出推力大、動作可靠、性能穩(wěn)定、維護方便、價格便宜、本質(zhì)安全防爆等。它不僅能與氣動調(diào)節(jié)儀表配套使用，而且還可以通過電／氣轉(zhuǎn)換器或電／氣閥門定位器與電動調(diào)節(jié)儀表或工業(yè)控制計算機配套使用。因此，廣泛用于化工、石油、冶金、電力等工業(yè)部門。過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計62023/2/43.4執(zhí)行器和防爆柵過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計72023/2/4氣動執(zhí)行器由執(zhí)行機構(gòu)和控制機構(gòu)兩部分組成3.4執(zhí)行器和防爆柵過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計82023/2/4上部為執(zhí)行機構(gòu)，下部為控制機構(gòu)。執(zhí)行機構(gòu)是執(zhí)行器的推動裝置，它按控制信號壓力的大小產(chǎn)生相應(yīng)的推力，推動控制機構(gòu)動作，所以它是將信號壓力的大小轉(zhuǎn)換為閥桿位移的裝置。控制機構(gòu)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。3.4執(zhí)行器和防爆柵1）氣動執(zhí)行機構(gòu)氣動執(zhí)行機構(gòu)常用的有薄膜式和活塞式兩大類。薄膜式執(zhí)行機構(gòu)最為常用，它使用彈性膜片將輸入氣壓轉(zhuǎn)變?yōu)閷ν茥U的推力，通過推桿使閥芯產(chǎn)生相應(yīng)的位移，改變閥的開度。過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計92023/2/43.4執(zhí)行器和防爆柵該機構(gòu)可以用作一般控制閥的推動裝置，組成氣動薄膜式執(zhí)行器，習(xí)慣上稱為氣動薄膜控制閥，其的結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、維修方便、應(yīng)用廣泛。

氣動活塞式執(zhí)行機構(gòu)以氣缸內(nèi)的活塞輸出推力，故推力較大，主要適用于大口徑、高壓降的控制閥或蝶閥的推動裝置。

過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計102023/2/43.4執(zhí)行器和防爆柵一個典型的氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu)主要由彈性薄膜、壓縮彈簧和推桿組成。氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu)的輸出是位移，它與信號壓力的關(guān)系為過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計112023/2/43.4執(zhí)行器和防爆柵過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計122023/2/4式中p——通入氣室的信號壓力；

A——波紋膜片的有效面積；

K——彈簧的剛度；

L——執(zhí)行機構(gòu)的推桿位移當執(zhí)行機構(gòu)的規(guī)格確定后，A和K便為常數(shù)，因此執(zhí)行機構(gòu)的位移與信號壓力成比例關(guān)系。

3.4執(zhí)行器和防爆柵原理：當信號壓力通入薄膜氣室時，此壓力乘上膜片的有效面積得到推力，使推桿移動，彈簧受壓，直到彈簧產(chǎn)生的反作用力與薄膜上的推力相平衡為止。信號壓力越大，推力越大，推桿的位移即彈簧的壓縮量也就越大。推桿的位移范圍就是執(zhí)行機構(gòu)的行程。推桿從零走到全行程，閥門就從全開（或全關(guān)）到全關(guān)（或全開）。

過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計132023/2/43.4執(zhí)行器和防爆柵2）控制（調(diào)節(jié)）機構(gòu)控制機構(gòu)即控制閥，實際上是一個局部阻力可以改變的節(jié)流元件。通過閥桿上部與執(zhí)行機構(gòu)相連，下部與閥芯相連。由于閥芯在閥體內(nèi)移動，改變了閥芯與閥座之間的流通面積，即改變了閥的阻力系數(shù)，被控介質(zhì)的流量也就相應(yīng)地改變，從而達到控制工藝參數(shù)的目的。

過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計142023/2/43.4執(zhí)行器和防爆柵根據(jù)不同的使用要求，控制閥的結(jié)構(gòu)型式很多，主要包括有:

直通單座控制閥直通雙座控制閥角形控制閥三通控制閥隔膜控制閥碟閥、球閥、凸輪撓曲閥、籠式閥等。過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計152023/2/43.4執(zhí)行器和防爆柵過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計162023/2/43.4執(zhí)行器和防爆柵控制閥流量特性控制閥的流量特性是指被控介質(zhì)流過閥門的相對流量與閥門的相對開度（相對位移）間的關(guān)系。即過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計172023/2/43.4執(zhí)行器和防爆柵過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計182023/2/4式中:——相對流量

——控制閥在某一開度時的流量

——控制閥在全開時的流量；——控制閥在某一開度時閥芯的行程；——控制閥全開時的行程3.4執(zhí)行器和防爆柵通過控制閥的流量大小不僅與閥的開度有關(guān)，還和前后的壓差高低有關(guān)。工作在管路中的控制閥，當閥開度改變時，隨著流量的變化，閥前后的壓差也發(fā)生變化。為分析方便，在研究閥的特性時，先把閥前后壓差固定為恒值進行研究，然后再考慮閥在管路中的實際情況進行分析。過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計192023/2/43.4執(zhí)行器和防爆柵（1）控制閥的理想流量特性在不考慮控制閥前后壓差變化時得到的流量特性稱為理想流量特性。它取決于閥芯的形狀。過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計202023/2/4主要有直線、對數(shù)、拋物線及快開等幾種。

1-快開2-直線3-拋物線4-對數(shù)3.4執(zhí)行器和防爆柵直線流量特性直線流量特性是指控制閥的相對流量與相對開度成直線關(guān)系，即單位位移變化所引起的流量變化是常數(shù)。用數(shù)學(xué)式表示為

過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計212023/2/4式中K——常數(shù)，即控制閥的放大系數(shù)。

將上式積分可得式中C——積分常數(shù)3.4執(zhí)行器和防爆柵邊界條件為時；時。把邊界條件代入上式可分別得：過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計222023/2/4R是最大流量與最小流量的比值，稱為可調(diào)比，又稱可調(diào)范圍。代入式得3.4執(zhí)行器和防爆柵上式表明與之間呈線性關(guān)系，在直角坐標上是一條直線。要注意的是當可調(diào)比R不同時，特性曲線在縱坐標上的起點是不同的。為便于分析和計算，假設(shè)R=∞，即特性曲線以坐標原點為起點，這時當位移變化10%所引起的流量變化總是10%。但流量變化的相對值是不同的。過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計232023/2/43.4執(zhí)行器和防爆柵為便于分析和計算，假設(shè)R=∞，即特性曲線以坐標原點為起點，這時當位移變化10%所引起的流量變化總是10%。但流量變化的相對值是不同的。10%時，50%時，80%時，過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計242023/2/43.4執(zhí)行器和防爆柵可見，在流量小時，流量變化的相對值大；在流量大時，流量變化的相對值小。也就是說，當閥門在小開度時控制作用太強，而在大開度時控制作用太弱，這是不利于控制系統(tǒng)的正常運行的。過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計252023/2/43.4執(zhí)行器和防爆柵從控制系統(tǒng)來講，當系統(tǒng)處于小負荷時，要克服外界干擾的影響，希望控制閥動作所引起的流量變化量不要太大，以免控制作用太強產(chǎn)生超調(diào)，甚至發(fā)生振蕩。系統(tǒng)處于大負荷時，要克服外界干擾的影響，希望控制閥動作所引起的流量變化量要大一些。以免控制作用微弱而使控制不夠靈敏，直線流量特性不能滿足以上要求。

過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計262023/2/43.4執(zhí)行器和防爆柵對數(shù)流量特性又稱等百分比流量特性，是指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(guān)系。即控制閥的放大系數(shù)隨相對流量的增加而增大。用數(shù)學(xué)式表示為積分得過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計272023/2/43.4執(zhí)行器和防爆柵將邊界條件代入，可得最后得相對開度與相對流量成對數(shù)關(guān)系。放大系數(shù)隨行程的增大而增大。在同樣的行程變化值下，流量小時，流量變化小，控制平穩(wěn)緩和；流量大時，流量變化大，控制靈敏有效。

過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計282023/2/43.4執(zhí)行器和防爆柵拋物線流量特性與之間呈拋物線關(guān)系，在直角坐標上為一條拋物線。它介于直線特性及對數(shù)特性之間，數(shù)學(xué)表達式為

過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計292023/2/43.4執(zhí)行器和防爆柵快開流量特性

這種流量特性在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，為快開特性?？扉_特性的閥芯形式是平板形的，用于迅速啟閉的切斷閥或雙位控制系統(tǒng)。過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計302023/2/43.4執(zhí)行器和防爆柵控制閥的工作流量特性在實際的工藝裝置上，控制閥由于和其他閥門、設(shè)備、管道等串聯(lián)或并聯(lián)，使閥兩端的壓差隨流量變化而變化，這時的流量特性稱為工作流量特性。過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計312023/2/43.4執(zhí)行器和防爆柵其結(jié)果使控制閥的工作流量特性不同于固有流量特性。串聯(lián)的阻力越大，流量變化引起的控制閥的壓降分配比值變化也越大，特性變化得也越厲害。所以閥的工作流量特性除與閥的結(jié)構(gòu)有關(guān)外，還取決于配管情況。過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計322023/2/43.4執(zhí)行器和防爆柵①串聯(lián)管道工作流量特性

過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計332023/2/4表示的是控制閥與工藝設(shè)備及管道阻力串聯(lián)的情況，這是一種最常見的典型情況。

3.4執(zhí)行器和防爆柵

過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計342023/2/4如果總壓差恒定，那么當閥開度加大時，隨著流量q的增加，設(shè)備及管道上的壓降將隨流量q的平方增加。

3.4執(zhí)行器和防爆柵過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計352023/2/4理想流量特性是直線的閥理想流量特性是對數(shù)的閥3.4執(zhí)行器和防爆柵過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計362023/2/4該圖縱坐標是相對流量，表示串聯(lián)管道阻力為零時，閥全開時達到的最大流量。表示存在管道阻力的情況下，閥全開時閥前后最小壓差占總壓差的百分數(shù)。3.4執(zhí)行器和防爆柵②并聯(lián)管道工作流量特性控制閥一般都裝有旁路，以便手動操作和維護。當生產(chǎn)量提高或控制閥選小了時，只好將旁路閥打開一些，此時就是并聯(lián)管道的情況。

過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計372023/2/43.4執(zhí)行器和防爆柵過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計382023/2/4理想特性為直線型(b)理想特性為等百分比型圖并聯(lián)管道時控制閥的工作特性3.4執(zhí)行器和防爆柵綜合串、并聯(lián)管道的情況，可得如下結(jié)論：a．串、并聯(lián)管道都會使閥的理想流量特性發(fā)生畸變，串聯(lián)管道的影響尤為嚴重。b．串、并聯(lián)管道都會使控制閥的可調(diào)范圍降低，并聯(lián)管道尤為嚴重。c．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。過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計392023/2/43.4執(zhí)行器和防爆柵d．串、并聯(lián)管道會使控制閥的放大系數(shù)減小，即輸入信號變化引起的流量變化值減少。串聯(lián)管道時控制閥若處于大開度，則S值降低對放大系數(shù)影響更為嚴重；并聯(lián)管道時控制閥若處于小開度，則S值降低對放大系數(shù)影響更為嚴重。過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計402023/2/43.4執(zhí)行器和防爆柵控制閥口徑的選擇控制閥的口徑選擇是由控制閥流量系數(shù)C值決定的。

過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計412023/2/4在給定的行程下，當閥兩端壓差為100KPa時，流體密度為1g/cm3時，流經(jīng)控制閥的流體流量（以m3/h表示）控制閥流量系數(shù)表示控制閥容量的大小，是表示控制閥流通能力的參數(shù)。3.4執(zhí)行器和防爆柵對于不可壓縮的流體，且閥前后壓差不太大（即流體為非阻塞流）時，其流量系數(shù)C的計算公式為

式中——流體密度，g/cm3；

p1-p2——閥前后的壓差，kPa；q——流經(jīng)閥的流量，m3/h。

從上式可以看出，如果控制閥前后壓差保持為100KPa，流經(jīng)閥的水（1g/cm3）流量Q即為該閥的C值。過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計422023/2/43.4執(zhí)行器和防爆柵2．電動執(zhí)行器它是以電為能源的執(zhí)行器，接收來自控制器的0~10mA或4~20mA的直流電流信號，并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或直行程位移，去操縱閥門、擋板等控制機構(gòu)，以實現(xiàn)自動控制。過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計432023/2/43.4執(zhí)行器和防爆柵它的主要特點：能源取用方便，信號傳輸速度快，傳送距離遠，便于集中控制，停電時執(zhí)行器保持原位不動，不影響主設(shè)備的安全；靈敏度和精度較高；與電動調(diào)節(jié)儀表配合方便，安裝接線簡單。缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大、推力小、價格貴，平均故障率高于氣動執(zhí)行器。適用于防爆要求不高及缺乏氣源和使用數(shù)量不太多的場合。過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計442023/2/43.4執(zhí)行器和防爆柵電動執(zhí)行器有角行程（DKJ型）、直行程（DKZ型）和多轉(zhuǎn)式等類型。幾種類型的電動執(zhí)行機構(gòu)在電氣原理上基本上是相同的，只是減速器不一樣。角行程電動執(zhí)行機構(gòu)以電動機為動力元件，將輸入的直流電流信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角位移（0~90°）這種執(zhí)行機構(gòu)適用于操縱蝶閥、擋板之類的旋轉(zhuǎn)式控制閥。過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計452023/2/43.4執(zhí)行器和防爆柵直行程執(zhí)行機構(gòu)接收輸入的直流電流信號后，使電動機轉(zhuǎn)動，然后經(jīng)減速器減速并轉(zhuǎn)換為直線位移輸出，去操縱單座、雙座、三通等各種控制閥和其他直線式控制機構(gòu)。多轉(zhuǎn)式電動執(zhí)行機構(gòu)主要用來開啟和關(guān)閉閘閥、截止閥等多轉(zhuǎn)式閥門，由于它的電機功率比較大，最大的有幾十千瓦，一般多用作就地操作和遙控。過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計462023/2/43.4執(zhí)行器和防爆柵過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計472023/2/4上圖為電動執(zhí)行器的主要部分，它主要由伺服放大器(DFC)、電動操作器(DFD)、伺服電動機組成。

3.4執(zhí)行器和防爆柵過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計482023/2/4圖伺服放大器框圖3.4執(zhí)行器和防爆柵過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計492023/2/4上圖為電動執(zhí)行器的伺服放大器（DFC），它是由前置磁放大器，觸發(fā)器I和II以及品閘管主回路等組成。伺服放大器有三個輸入通道和一個反饋通道，可同時輸入三輸入信號和一個反饋信號，以滿足復(fù)雜控制系統(tǒng)的要求。3.4執(zhí)行器和防爆柵電動執(zhí)行器的執(zhí)行機構(gòu)（DZA）是由兩相交流伺服電動機（SM）、位置發(fā)送器（WF）和減速器（J）組成。兩相伺服電動機是執(zhí)行機構(gòu)的動力部分，它具有啟動轉(zhuǎn)矩大而啟動電流較小的特點。過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計502023/2/43.4執(zhí)行器和防爆柵位置發(fā)送器是根據(jù)差動變壓器的工作原理，利用輸出軸的位移改變鐵心在差動線圈中的位置，以產(chǎn)生反饋信號和位置信號。由于電動執(zhí)行器所用電動機轉(zhuǎn)速很高，而執(zhí)行器輸出軸全行程時間需25s，即輸出軸轉(zhuǎn)速0.6r/min，因此電動機主輸出軸間要有減速器，減速比為1000~1500。過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計512023/2/43.4執(zhí)行器和防爆柵3．電/氣轉(zhuǎn)換器及閥門定位器電/氣轉(zhuǎn)換器是電動單元組合儀表中的一個轉(zhuǎn)換單元。它能將電動控制系統(tǒng)的標準信號（0~10mA或4~20mA）轉(zhuǎn)換為標準氣壓信號（0.2×105~1.0×105Pa或0.4×105~2.0×105Pa）。過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計522023/2/43.4執(zhí)行器和防爆柵通過它可以組成電/氣混合系統(tǒng)以便發(fā)揮各自的優(yōu)點，擴大其使用范圍。它可用來把電動調(diào)節(jié)器輸出信號經(jīng)轉(zhuǎn)換后用以驅(qū)動氣動執(zhí)行器，或?qū)碜愿鞣N電動變送器的輸出信號經(jīng)轉(zhuǎn)換后送往氣動調(diào)節(jié)器。過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計532023/2/43.4執(zhí)行器和防爆柵過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計542023/2/4圖電/氣轉(zhuǎn)換器簡化原理圖1-噴嘴2-擋板3-導(dǎo)磁件4-支點5-平衡錘

6-波紋管7-放大器8-氣阻9-調(diào)零彈簧3.4執(zhí)行器和防爆柵過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計552023/2/4電/氣轉(zhuǎn)換器是基于力矩平衡原理進行工作的。來自變送器或調(diào)節(jié)器的標準電流信號通過線圈后，產(chǎn)生一個電磁場。此電磁場把可動鐵心磁化，并在磁鋼的永久磁場作用下產(chǎn)生一電磁力矩，使可動鐵心繞支點作逆時針轉(zhuǎn)動。此時固定在可動鐵心上的擋板便靠近噴嘴改變噴嘴和擋板之間的距離。3.4執(zhí)行器和防爆柵過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計562023/2/4噴嘴擋板機構(gòu)是氣動儀表中一種最基本的變換和放大環(huán)節(jié)。它能將擋板對于噴嘴的微小位移靈敏地變換成氣壓信號。氣壓信號經(jīng)過氣動功率放大器后產(chǎn)生的輸出壓力功率增大。此壓力反饋到波紋管中，便可在動鐵心另一端產(chǎn)生一個反饋力矩，此力矩與線圈產(chǎn)生的電磁力矩相平衡，構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)。從而達到使輸出壓力與輸入電信號成比例地變化。3.4執(zhí)行器和防爆柵DDZ—III型電/氣轉(zhuǎn)換器按其防爆型式可分為一般型，安全火花型和安全防爆型。它們的輸入信號為4～20mA，

輸出信號為0.2×105~1.0×105

（大功率0.4×105~2.0×105Pa）

氣源壓力為1.4×9.81×104Pa（大功率2.4×9.81×104Pa)這種轉(zhuǎn)換可用來直接推動氣動執(zhí)行機構(gòu)或作較遠距離的傳送過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計572023/2/43.4執(zhí)行器和防爆柵過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計582023/2/4圖

電/氣閥門定位器1—力矩馬達；2—主杠桿；3—平衡彈簧；4—反饋凸輪支點；5—反饋凸輪；6—副杠桿；7—副杠桿支點；8—薄膜執(zhí)行機構(gòu)；9—反饋桿；10—滾輪；11—反饋彈簧；12—調(diào)零彈簧；13—擋板；14—噴嘴；15—主杠桿支點3.4執(zhí)行器和防爆柵電氣閥門定位器一方面具有電氣轉(zhuǎn)換器的作用，可用電動控制器輸出的0~10mA或4~20mA信號去操縱氣動執(zhí)行機構(gòu)；另一方面還具有氣動閥門定位器的作用，可以使閥門位置按控制器送來的信號準確定位（即輸入信號與閥門位置呈一一對應(yīng)關(guān)系）。同時，改變圖中反饋凸輪5的形狀或安裝位置，還可以改變控制閥的流量特性和實現(xiàn)正、反作用。過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計592023/2/43.4執(zhí)行器和防爆柵動作原理：當信號電流通入力矩馬達1的線圈時，它與永久磁鋼作用后，對主杠桿2產(chǎn)生一個力矩，于是擋板13靠近噴嘴14，經(jīng)放大器放大后，送入薄膜氣室使杠桿向下移動，并帶動反饋桿9繞其支點4轉(zhuǎn)動，連在同一軸上的反饋凸輪也作逆時針方向轉(zhuǎn)動，通過滾輪使副杠桿6繞其支點偏轉(zhuǎn)，拉伸反饋彈簧11。當反饋彈簧對主杠桿的拉力與力矩馬達作用在主杠桿上的力兩者力矩平衡時，儀表達到平衡狀態(tài)。此時，一定的信號電流就對應(yīng)于一定的閥門位置。過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計602023/2/43.4執(zhí)行器和防爆柵【特別提示】1.執(zhí)行機構(gòu)選擇的主要考慮因素：執(zhí)行機構(gòu)選擇的主要考慮因素是：①可靠性；②經(jīng)濟性；③動作平穩(wěn)、足夠的輸出力矩；④結(jié)構(gòu)簡單、維護方便。過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計612023/2/43.4執(zhí)行器和防爆柵2.電動執(zhí)行機構(gòu)與氣動執(zhí)行機構(gòu)的選擇比較：（1）氣動執(zhí)行機構(gòu)簡單可靠；老式電動執(zhí)行機構(gòu)可靠性差是它過去的一貫弱點，然而在90年代電子式執(zhí)行機構(gòu)的發(fā)展徹底解決了這一問題，可以在5~10年內(nèi)免維修，它的可靠性甚至超過了氣動執(zhí)行機構(gòu)。過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計622023/2/43.4執(zhí)行器和防爆柵（2）驅(qū)動源氣動執(zhí)行機構(gòu)的最大不足就是需別設(shè)置氣源站，增加了費用；電動閥的驅(qū)動源隨地可取。（3）價格方面氣動執(zhí)行機構(gòu)必須附加閥門定位器，再加上氣源，其費用與電動閥不相上下（進口電氣閥門定位器與進口電子式執(zhí)行機構(gòu)價格相當；國產(chǎn)定位器與國產(chǎn)電動執(zhí)行器不相上下）。過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計632023/2/43.4執(zhí)行器和防爆柵（4）推力和剛度：兩者相當。（5）防火防爆：“氣動執(zhí)行機構(gòu)+電氣閥門定位器”略好于電動執(zhí)行機構(gòu)。過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計642023/2/43.4執(zhí)行器和防爆柵3.4.2防爆柵在某些生產(chǎn)現(xiàn)場存在著各種易燃、易爆氣體或蒸汽，或存在有爆炸性粉塵、易燃纖維等，它們與空氣混合或接觸即具有爆炸危險，使其周圍空間成為具有不同程度爆炸危險的揚所。安裝在這種危險場所的現(xiàn)場儀表（如變送器或執(zhí)行器）如果產(chǎn)生火花，就容易引起燃燒或爆炸。因此，安裝在危險場所的現(xiàn)場儀表應(yīng)具有防爆性能。過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計652023/2/43.4執(zhí)行器和防爆柵氣動儀表從本質(zhì)上說具有防爆性能，過去在石油、化工等工業(yè)部門幾乎都采用氣動儀表。后來，隨著工業(yè)的大型化、復(fù)雜化以及對自動化要求的相應(yīng)提高，電動儀表和裝置占據(jù)了絕對的統(tǒng)治地位，這種發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一是現(xiàn)場儀表及整個系統(tǒng)的防爆問題的解決。過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計692023/2/43.4執(zhí)行器和防爆柵1．危險場所我國在1987年公布的《爆炸危險場所電氣安全規(guī)程》（試行）將爆炸危險場所劃分為兩種五級。1）第一種場所第一種場所指爆炸性氣體或可燃蒸汽與空氣混合形成爆炸性氣體溫合物的場所。按其危險程度的大小分為三個區(qū)域等級。過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計702023/2/43.4執(zhí)行器和防爆柵（1）0級區(qū)域（0區(qū)）：在正常情況下，爆炸性氣體混合物連續(xù)地、短時間頻繁地出現(xiàn)或長時間存在的場所。（2）1級區(qū)域（1區(qū)）：在正常情況下，爆炸性氣體溫合物有可能出現(xiàn)的場所。（3）2級區(qū)域（2區(qū)）：在正常情況下，爆炸性氣體混合物不能出現(xiàn)，僅在不正常情況下偶爾短時間出現(xiàn)的場所。過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計712023/2/43.4執(zhí)行器和防爆柵2）第二種場所第二種場所指爆炸性粉塵或易燃纖維與空氣混合形成爆炸性混合物的場所。按其危險程度的大小分為二個區(qū)域等級。過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計722023/2/43.4執(zhí)行器和防爆柵（1）10級區(qū)域（10區(qū)）：在正常情況下，爆炸性粉塵或易燃纖維與空氣的混合物可能連續(xù)地、短時間頻繁地出現(xiàn)或長時間存在的場所。（2）11圾區(qū)域（11區(qū)）：在正常情況下，爆炸性粉塵或易燃纖維與空氣的混合物不能出現(xiàn)，僅在不正常情況下偶爾短時間出現(xiàn)的場所。過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計732023/2/43.4執(zhí)行器和防爆柵2．防爆柵的工作原理

防爆柵的種類很多，有電阻式、齊納式、隔離式等。其中電阻限流式最簡單，只在兩根電源線（也是信號線）上串聯(lián)一定的電阻，對進入危險場所的電流作必要的限制。其缺點是正常工作狀況下電源電壓也受衰減，且防爆定額低，使用范圍不大。目前用得最多的防爆柵有：齊納式防爆柵及隔離式防爆柵。過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計742023/2/43.4執(zhí)行器和防爆柵1）齊納式防爆柵齊納式防爆柵利用齊納二極管的擊穿特性進行限壓，用電阻進行限流，是一種應(yīng)用較多的安全單元，其原理線路如圖所示。過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計752023/2/43.4執(zhí)行器和防爆柵當輸入電壓Vi在正常范圍（24V）內(nèi)時，齊納管VD1、VD2不動作、只有當輸入出現(xiàn)過電壓，達到齊納管擊穿電壓（約28V）時，齊納管導(dǎo)通，于是大電流流過快速熔斷絲F，使熔絲很快熔斷，一方面保護齊納管不致?lián)p壞，同時使危險電壓與現(xiàn)場隔離。過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計762023/2/43.4執(zhí)行器和防爆柵在熔絲熔斷前，防爆柵輸出電壓Vo不會大于齊納管VD1的擊穿電壓VZ，而進入現(xiàn)場的電流被限流電阻R1限制在安全的范圍之內(nèi)。圖中為保證限壓的可靠性，用了兩級齊納管限壓電路。過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計772023/2/43.4執(zhí)行器和防爆柵齊納安全柵的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、精度高、價格便宜、可靠、通用性高，而且防爆額定電壓也可做得很高。齊納安全柵對其主要構(gòu)成元件有很高要求。主要要求有：當反向電壓超過其擊穿電壓V0，但不超過其額定功率時，在反向電壓除去或降壓后應(yīng)恢復(fù)其原有特性；快速熔斷絲F在超過其額定電流時應(yīng)迅速熔斷，其熔斷時間應(yīng)不超過齊納二極管過電流斷路時間的1/1000s。過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計782023/2/43.4執(zhí)行器和防爆柵但是這種簡單的齊納式防爆柵合兩個不完善的地方。首先，限流電阻R1、R2的存在，對儀表正常范圍內(nèi)的工作仍有影響，這些電阻值取小了起不到限流作用，取大了影響儀表的恒流特性。理想的限流電阻在安全范圍內(nèi)應(yīng)不起限流作用，即阻值為零；而當電流一旦超出安全范圍，其阻值驟增（動態(tài)電阻值為無窮大），起強烈的限制作用。顯然，用固定電阻來限流是達不到這樣的要求的。過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計792023/2/43.4執(zhí)行器和防爆柵這個防爆柵的另一個不足之處是負端需要接地，通常一個信號回路只允許一點接地，若有兩點以上接地會造成信號通過大地短路或形成干擾?，F(xiàn)在如果在防爆柵上把一個端直接接了地，那么其他地方，如變送器、調(diào)節(jié)器等就不能再有接地點，這在使用中往往是不可行的。過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計802023/2/43.4執(zhí)行器和防爆柵下圖是一種改進型的齊納式防爆柵。與基本電路相比，在兩處做了重要改進：過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計812023/2/43.4執(zhí)行器和防爆柵過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計822023/2/4①這里增加了一套由齊納管VD3、VD4和快速熔斷絲F1、F2組成的限壓電器，并取消了直接接地點，改為在背靠背連接的齊納管中點接地。這樣，在正常工作范圍內(nèi)，這些齊納管都不導(dǎo)通，防爆柵是不接地的。在事故情況下，輸入出現(xiàn)過電壓時，這些齊納管導(dǎo)通，對輸入過電壓進行限制，并通過中間接地點，保證兩根信號線上分別對地的電壓不超過一定的數(shù)值。3.4執(zhí)行器和防爆柵②這里用晶體管限流電路取代基本電路中的固定電阻，可以達到近于理想的限流效果。圖3-60中，限流電路用虛線框著，實際裝置中為確保安全，用這樣完全相同的兩套電路串聯(lián)，這里只畫出了其中的一套。這個電路的工作原理是這樣的，場效應(yīng)管VT3工作于零偏壓，作為恒流源向晶體管VTl提供足夠的基極電流，保證VT1在信號電流為4—20mA的正常范圍內(nèi)處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)。過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計832023/2/43.4執(zhí)行器和防爆柵因此，在正常工作時，防爆柵的電阻很小，信號電流可十分流暢地通過。在事故狀態(tài)下，如果回路電流超過24mA，則電阻R1上的壓降將超過0.6V，于是晶體管VT2導(dǎo)通，使恒流管VT3的電流一部分流向VT2，出于VTl的基極電流被減小，VTl將退出飽和，在集電極-發(fā)射極間呈現(xiàn)一定電阻值，起到限流作用。隨著回路電流的進一步加大，限流作用也愈加強烈，最終把電流限制在不超過30mA。過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計842023/2/43.4執(zhí)行器和防爆柵這種經(jīng)過改進的齊納式防爆柵因?qū)ι厦嫣岬降膬蓚€問題有了較好的解決，在生產(chǎn)上有一定的應(yīng)用?？偟膩碚f，齊納式防爆柵結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，防爆定額可以做得比較高，可靠性也比較好，被認為是防爆柵的一個重要的發(fā)展方向。過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計852023/2/43.4執(zhí)行器和防爆柵不過，這種防爆柵要求特殊的快速熔斷絲。由于齊納二極管過載能力低，所以對熔絲的熔斷時間和可靠性要求非常高，當電流超過安全值時，要求它能很快熔斷。一般要求流過的電流為額定電流10倍時，應(yīng)在1ms的時間內(nèi)熔斷。這種快速熔斷絲的制造有一定難度，對選材和制造工藝有很高的要求。即使?jié)M足了這些要求，熔絲的特性仍可能比較分散。由于熔絲是一次性使用的元件，無法進行逐個測試，所以有人認為這種防爆柵的可靠性是不理想的。過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計862023/2/43.4執(zhí)行器和防爆柵2）隔離式防爆柵我國生產(chǎn)的DDZ—III型儀表中，在要求較高的場合，防爆柵采用隔離式的方案，以變壓器作為隔離元件，分別將輸入、輸出和電源電路進行隔離，以防止危險能量直接竄入現(xiàn)場。同時用晶體管限壓限流電路，對事故狀況下的過電壓或過電流作截止式的控制。過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計872023/2/43.4執(zhí)行器和防爆柵DDZ—III型儀表的隔離式防爆柵有兩種，一種是和變送器配合使用的檢測端防爆柵一種是和執(zhí)行器配合使用的執(zhí)行端防爆柵過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計882023/2/43.4執(zhí)行器和防爆柵（1）檢測端防爆柵過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計892023/2/4圖檢測防爆柵的框圖3.4執(zhí)行器和防爆柵防爆柵的原理：24V直流電源經(jīng)直流—交流變換器變成8kHz的交流電壓，經(jīng)變壓器T1傳遞，一路經(jīng)整流濾波和限壓限流電路為變送器提供電源（仍為直流24V），另一路經(jīng)整流濾波為解調(diào)放大器提供電源。過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計902023/2/43.4執(zhí)行器和防爆柵從變送器獲得的4—20mA信號電流經(jīng)限壓限流電路進入調(diào)制器，被調(diào)制成交流后，由變壓器T2耦合給解調(diào)放大器，經(jīng)解調(diào)后恢復(fù)成4—20mA的直流信號，輸出給控制室儀表。所以，從信號傳送的角度來看，防爆柵是一個傳遞系數(shù)為1的傳送器，被傳送的信號經(jīng)過→調(diào)制變壓器耦合→解調(diào)的過程后，照原樣送出。這里電源、變送器、控制室儀表之間除磁通聯(lián)系之外，電路上是互相絕緣的。過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計912023/2/43.4執(zhí)行器和防爆柵檢測端防爆柵作為現(xiàn)場變送器與控制室儀表和電源的聯(lián)系紐帶，一方面向變送器提供電源，同時把變送器送來的信號電流經(jīng)隔離變壓器1：1的傳送給控制室儀表。在上述傳遞過程中，依靠雙重限壓限流電路，使任何情況下輸往危險場所的電壓和電流不超過30V、30mA（直流），從而確保危險場所的安全。

過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計922023/2/43.4執(zhí)行器和防爆柵過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計932023/2/4圖3-68檢測端防爆柵的簡化原理圖3.4執(zhí)行器和防爆柵電源直流交流變換器：它由晶體管VTl、VT2、二極管VD1—VD4和變壓器T1等組成。這是一個磁耦合自激多諧振蕩器。晶體管限壓限流電路：圖中防爆柵中為了可靠，串聯(lián)使用了兩套完全相同的限壓限流電路，晶體管VT3、VT4、齊納管VD15等為一套，晶體管VT5、VT6、齊納管VD16等為另一套。過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計942023/2/43.4執(zhí)行器和防爆柵為敘述方便，圖中畫出了其中的一套。晶體管VT4和變送器串聯(lián)，執(zhí)行限壓限流動作。VT4的基極電路被晶體管化控制，在正常工作中VT3是不通的，VT4由電容C3兩端的整流濾波電壓經(jīng)電阻R7取得足夠的基極電流，處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，變送器的4～20mA信號電流可十分流場地通過限壓限流電路。過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計952023/2/43.4執(zhí)行器和防爆柵看一下晶體管VT3的基極—發(fā)射極電路便可發(fā)現(xiàn)，如果電阻R5、R6上的壓降超過0.6V，VT3開始導(dǎo)通，使晶體管VT4的基極電流減小。過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計962023/2/4圖3-69限壓限流電路3.4執(zhí)行器和防爆柵若VT3的電流很大，則經(jīng)過R7的電流將大部分或全部通過VT3又，而不流入VT4的基極，使晶體管VT4退出飽和，進入放大或截止區(qū)。過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計972023/2/4圖3-69限壓限流電路3.4執(zhí)行器和防爆柵電路出現(xiàn)這種情況的原因有如下兩種：①電源出現(xiàn)過電壓：圖中齊納管VD15的擊穿電壓約為30V。如果濾波電容C4上的整流電壓超過30V，則齊納管VD15導(dǎo)通，經(jīng)電阻R4向晶體管VT3的基極提供電流，VT3導(dǎo)通且奪取VT4的基極電流，使VT4趨于關(guān)斷，送往現(xiàn)場的電壓UAB減小，起到限制電壓的作用。過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計982023/2/4圖3-69限壓限流電路3.4執(zhí)行器和防爆柵②變送器出現(xiàn)過電流：圖中電阻R6上信號電流在20mA的正常范圍內(nèi)時壓降不超過0.6V，另外由于電阻R5（18kΩ)的存在，R6上的壓降即使稍微超過0.6V，VT3也不會充分導(dǎo)通。過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計992023/2/4圖3-69限壓限流電路3.4執(zhí)行器和防爆柵如果變送器電流超過25mA左右時，R6上的壓降將逐漸使VT3又充分導(dǎo)通，奪取VT4的基極電流，使VT4發(fā)揮作用，把流入現(xiàn)場的電流限制在30mA以內(nèi)。過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計1002023/2/4圖3-69限壓限流電路3.4執(zhí)行器和防爆柵過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計1012023/2/4上述限壓限流電路的特性如圖3-70所示。當濾波電容C4的整流電壓UC4小于30V時，輸出電壓UAB＝UC4，晶體管VT4不起任何限壓作用3.4執(zhí)行器和防爆柵過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計1022023/2/4但UC4＞30V時，VT4很快趨于關(guān)斷,隨著UC4的增大，UAB很快降為零。同理，電路的限流作用也是通過晶體管VT4使輸出電壓UAB降低來實現(xiàn)的。3.4執(zhí)行器和防爆柵這里需要說明的是，上頁圖中限壓限流晶體管VT4、VT6的耐壓必須足夠高。因為當電源出現(xiàn)過電壓時，VT4、VT6都處于關(guān)斷狀態(tài)，這樣全部過電壓都加在這兩個晶體管上。過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計1032023/2/43.4執(zhí)行器和防爆柵DDZ—III型儀表防爆柵的防爆定額為交直流220V，當這樣高的事故電壓加在防爆柵的電源端時，實驗測得的變壓器T1副邊最大峰值電壓約為100V（按原副邊匝數(shù)比要超過220V，但由于鐵氧體磁心飽和，輸出電壓沒有那樣高）過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計1042023/2/43.4執(zhí)行器和防爆柵為了安全，設(shè)計時按220V直接加到限壓限流電路輸入端考慮；再留一些裕量，這些晶體管的反向擊穿電壓VCBO加取350V。與限壓限流電路串聯(lián)的二極管VD17、VD18是為防止電壓反向而設(shè)置的。過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計1052023/2/43.4執(zhí)行器和防爆柵

調(diào)制和解調(diào)放大部分：過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計1062023/2/4圖3-71調(diào)制和解調(diào)放大電路二線制變送器的電源是靠二極管VD9、VD10、VD13、VD14全波整流供給的。3.4執(zhí)行器和防爆柵過程控制裝置及系統(tǒng)設(shè)計1072023/2/4由于VD13和VD14是在電源正負半波交替工作的，因此將變壓器B2初級線圈的上下兩半分別接入這兩個二極管支路中時，在VD13、VD14的開關(guān)作用下，變送器的4—20mA直流信號電流將交替地進入變壓器初級線圈的上下兩部分，使其次級出現(xiàn)方波電壓。

這里，變壓器T2