結(jié)構(gòu)氣動(dòng)執(zhí)行結(jié)構(gòu)控制閥一課件

化工儀表及自動(dòng)化第十一章執(zhí)行器

內(nèi)容提要?dú)鈩?dòng)執(zhí)行器氣動(dòng)執(zhí)行器的組成與分類控制閥的流量特性控制閥的選擇氣動(dòng)執(zhí)行器的安裝和維護(hù)閥門定位器與電-氣轉(zhuǎn)換器氣動(dòng)閥門定位器電-氣閥門定位器電-氣轉(zhuǎn)換器1內(nèi)容提要電動(dòng)執(zhí)行器概述角行程電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)直行程電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)2概述3作用

接受控制器的輸出信號(hào),直接控制能量或物料等調(diào)節(jié)介質(zhì)的輸送量,達(dá)到控制溫度、壓力、流量、液位等工藝參數(shù)的目的。

按能源形式分類

氣動(dòng)執(zhí)行器電動(dòng)執(zhí)行器液動(dòng)執(zhí)行器執(zhí)行器從結(jié)構(gòu)來說執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)概述氣-電轉(zhuǎn)換器電-氣轉(zhuǎn)換器電-氣閥門定位器氣動(dòng)執(zhí)行器電動(dòng)執(zhí)行器氣動(dòng)控制儀表電動(dòng)控制儀表圖11-1轉(zhuǎn)換單元的使用簡圖4第一節(jié)氣動(dòng)執(zhí)行器5結(jié)構(gòu)氣動(dòng)執(zhí)行結(jié)構(gòu)控制閥一、氣動(dòng)執(zhí)行器的組成與分類1.組成第一節(jié)氣動(dòng)執(zhí)行器常用輔助設(shè)備閥門定位器手輪機(jī)構(gòu)圖11-2氣動(dòng)薄膜控制閥外形圖6第一節(jié)氣動(dòng)執(zhí)行器72.執(zhí)行機(jī)構(gòu)的分類薄膜式結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜、維修方便，應(yīng)用廣泛。

活塞式推力較大，用于大口徑、高壓降控制閥或蝶閥的推動(dòng)裝置。長行程行程長、轉(zhuǎn)矩大，適于輸出轉(zhuǎn)角（60°～90°）和力矩。氣動(dòng)薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)有正作用和反作用兩種形式。

根據(jù)有無彈簧可分為有彈簧的及無彈簧的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

結(jié)構(gòu)圖11-3正作用式氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)

1—上膜蓋；

2—波紋膜片；

3—下膜蓋；4—支架；5—推桿；6—彈簧；7—彈簧座；8—調(diào)節(jié)件；9—連接閥桿螺母；

10—行程標(biāo)尺第一節(jié)氣動(dòng)執(zhí)行器圖11-4反作用式氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)

1—上膜蓋；

2—波紋膜片；3—下膜蓋；4—密封膜片；5—密封環(huán)；6—填塊；7—支架；8—推桿；9—彈簧；10—彈簧座；11—襯套；12—調(diào)節(jié)件；13—行程標(biāo)尺8第一節(jié)氣動(dòng)執(zhí)行器93.控制閥的分類根據(jù)不同的使用要求，控制閥的結(jié)構(gòu)形式主要有以下幾種。（1）直通單座控制閥閥體內(nèi)只有一個(gè)閥芯與閥座。特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜、全關(guān)時(shí)泄漏量少。直通單座閥缺點(diǎn)在壓差大的時(shí)候，流體對(duì)閥芯上下作用的推力不平衡，這種不平衡力會(huì)影響閥芯的移動(dòng)。第一節(jié)氣動(dòng)執(zhí)行器10（2）直通雙座控制閥

閥體內(nèi)有兩個(gè)閥芯和兩個(gè)閥座。

特點(diǎn)流體流過的時(shí)候，不平衡力小。缺點(diǎn)容易泄漏直通雙座閥第一節(jié)氣動(dòng)執(zhí)行器（3）角形控制閥

角形閥的兩個(gè)接管呈直角形。特點(diǎn)流路簡單、阻力較小，適于現(xiàn)場(chǎng)管道要求直角連接，介質(zhì)為高黏度、高壓差和含有少量懸浮物和固體顆粒狀的場(chǎng)合。流向一般是底進(jìn)側(cè)出。11角形閥第一節(jié)氣動(dòng)執(zhí)行器（4）高壓控制閥高壓控制閥的結(jié)構(gòu)形式大多為角形,閥芯頭部摻鉻或鑲以硬質(zhì)合金,以適應(yīng)高壓差下的沖刷和汽蝕。為了減少高壓差對(duì)閥的汽蝕,有時(shí)采用幾級(jí)閥芯,把高差壓分開,各級(jí)都承擔(dān)一部分以減少損失。12第一節(jié)氣動(dòng)執(zhí)行器（5）三通控制閥

共有三個(gè)出入口與工藝管道連接。

按照流通方式分合流型和分流型兩種

13三通閥（A）（B）（A）分流型（B）合流型第一節(jié)氣動(dòng)執(zhí)行器14（6）隔膜控制閥

采用耐腐蝕襯里的閥體和隔膜。特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡單、流阻小、流通能力比同口徑的其他種類的閥要大。不易泄漏。耐腐蝕性強(qiáng)，適用于強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)的控制，也能用于高黏度及懸浮顆粒狀介質(zhì)的控制。注意執(zhí)行機(jī)構(gòu)須有足夠的推力隔膜閥第一節(jié)氣動(dòng)執(zhí)行器（7）蝶閥

特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、價(jià)格便宜、流阻極小。缺點(diǎn)泄漏量大。15蝶閥第一節(jié)氣動(dòng)執(zhí)行器16（8）球閥

節(jié)流元件是帶圓孔的球形體（A）或是一種V形缺口球形體（B）。特點(diǎn)（A）轉(zhuǎn)動(dòng)球體可起到控制和切斷的作用（B）轉(zhuǎn)動(dòng)球心使V形缺口起節(jié)流和剪切的作用,其特性近似于等百分比型。

球閥（A）（B）第一節(jié)氣動(dòng)執(zhí)行器（9）凸輪撓曲閥

閥芯呈扇形球面狀，與撓曲臂及軸套一起鑄成，固定在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上。特點(diǎn)密封性好。重量輕、體積小、安裝方便，適用于要求控制和密封的場(chǎng)合。17凸輪撓曲閥第一節(jié)氣動(dòng)執(zhí)行器18（10）籠式閥

特點(diǎn)可調(diào)比大、振動(dòng)小、不平衡力小、結(jié)構(gòu)簡單、套筒互換性好，更換不同的套筒可得到不同的流量特性，閥內(nèi)部件所受的汽蝕小、噪聲小，是一種性能優(yōu)良的閥，特別適用于要求低噪聲及壓差較大的場(chǎng)合。籠式閥缺點(diǎn)不適用高溫、高黏度及含有固體顆粒的流體。

第一節(jié)氣動(dòng)執(zhí)行器二、控制閥的流量特性

控制閥的流量特性是指被控介質(zhì)流過閥門的相對(duì)流量與閥門的相對(duì)開度（相對(duì)位移）間的關(guān)系，即19第一節(jié)氣動(dòng)執(zhí)行器201.控制閥的理想流量特性

在不考慮控制閥前后壓差變化時(shí)得到的流量特性稱為理想流量特性。它取決于閥芯的形狀（1）直線流量特性

指控制閥的相對(duì)流量與相對(duì)開度成直線關(guān)系。（11-2）圖11-6控制閥的理想流量特性(R=30)

1—直線；2—等百分比(對(duì)數(shù))；3—快開；4—拋物線第一節(jié)氣動(dòng)執(zhí)行器21將（11-2）積分可得（11-3）邊界條件：l=0時(shí)，Q=Qmin;l=L時(shí)Q=Qmax把邊界條件代入式（11-3），可分別得（11-4）R為控制閥的可調(diào)范圍或可調(diào)比。

Qmin不等于控制閥全關(guān)時(shí)的泄漏量，一般是Qmax的2％～4％。注意！第一節(jié)氣動(dòng)執(zhí)行器將式（11-4）代入式（11-3），可得（11-5）注意：當(dāng)可調(diào)比R不同時(shí)，特性曲線在縱坐標(biāo)上的起點(diǎn)是不同的。

22第一節(jié)氣動(dòng)執(zhí)行器23舉例當(dāng)R=30,l/L=0時(shí)，Q/Qmax=0.33假設(shè)R=∞,位移變化量為10%在10％時(shí)，流量變化的相對(duì)值為在50％時(shí)，流量變化的相對(duì)值為在80％時(shí)，流量變化的相對(duì)值為

在流量小時(shí)，流量變化的相對(duì)值大；在流量大時(shí)，流量變化的相對(duì)值小。第一節(jié)氣動(dòng)執(zhí)行器24（2）等百分比（對(duì)數(shù)）流量特性

等百分比流量特性是指單位相對(duì)行程變化所引起的相對(duì)流量變化與此點(diǎn)的相對(duì)流量成正比關(guān)系。（11-6）將（11-6）積分

將前述邊界條件代入

（11-11）第一節(jié)氣動(dòng)執(zhí)行器25（4）拋物線流量特性（3）快開流量特性

這種流量特性在開度較小時(shí)就有較大流量，隨開度的增大，流量很快就達(dá)到最大。

快開特性的閥芯形式是平板形的，適用于迅速啟閉的切斷閥或雙位控制系統(tǒng)。

第一節(jié)氣動(dòng)執(zhí)行器26２.工作流量特性

在實(shí)際生產(chǎn)中，控制閥前后壓差總是變化的，這時(shí)的流量特性稱為工作流量特性。（1）串聯(lián)管道的工作流量特性圖11-7串聯(lián)管道的情形工作流量特性第一節(jié)氣動(dòng)執(zhí)行器27圖11-8管道串聯(lián)時(shí)控制閥的工作流量特性第一節(jié)氣動(dòng)執(zhí)行器28（2）并聯(lián)管道的工作流量特性

控制閥一般都裝有旁路，以便手動(dòng)操作和維護(hù)。當(dāng)生產(chǎn)量提高或控制閥選小了時(shí)，只好將旁路閥打開一些，此時(shí)控制閥的理想流量特性就改變成為工作特性。如圖11-9所示，顯然這時(shí)管路的總流量Q是控制閥流量Q1與旁路流量Q2之和，即Q＝Q1＋Q2。圖11-9并聯(lián)管道情況第一節(jié)氣動(dòng)執(zhí)行器29

以x代表并聯(lián)管道時(shí)控制閥全開時(shí)的流量與總管最大流量Qmax之比，可以得到在壓差Δp為一定時(shí)，而x為不同數(shù)值時(shí)的工作流量特性曲線。圖11-10并聯(lián)管道時(shí)控制閥的工作特性第一節(jié)氣動(dòng)執(zhí)行器30由上圖可見

當(dāng)x＝1，即旁路閥關(guān)閉時(shí)，控制閥的工作流量特性與理想流量特性相同。隨著x值的減小，即旁路閥逐漸打開，雖然閥本身的流量特性變化不大，但可調(diào)范圍大大降低了?？刂崎y關(guān)死，即l/L＝0時(shí)，流量Qmin大大增加。第一節(jié)氣動(dòng)執(zhí)行器在實(shí)際使用中總存在著串聯(lián)管道阻力的影響，控制閥上的壓差還會(huì)隨流量的增加而降低，使可調(diào)范圍下降得更多些，控制閥在工作過程中所能控制的流量變化范圍更小，甚至幾乎不起控制作用。采用打開旁路閥的控制方案是不好的，一般認(rèn)為旁路流量最多只能是總流量的百分之十幾，即x值最小不低于0.8。

31第一節(jié)氣動(dòng)執(zhí)行器32①串、并聯(lián)管道都會(huì)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(yán)重。②串、并聯(lián)管道都會(huì)使控制閥的可調(diào)范圍降低，并聯(lián)管道尤為嚴(yán)重。③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。④串、并聯(lián)管道會(huì)使控制閥的放大系數(shù)減小，串聯(lián)管道時(shí)控制閥大開度時(shí)影響嚴(yán)重，并聯(lián)管道時(shí)控制閥小開度時(shí)影響嚴(yán)重。結(jié)論第一節(jié)氣動(dòng)執(zhí)行器三、控制閥的選擇1.控制閥的尺寸選擇流經(jīng)控制閥的流量為令代入式(11-13),得(11-13)(11-14)C稱為控制閥的流量系數(shù),它與閥芯與閥座的結(jié)構(gòu)、閥前后的壓差、流體性質(zhì)等因素有關(guān)。33第一節(jié)氣動(dòng)執(zhí)行器

額定流量系數(shù)指在控制閥全開,閥兩端壓差為0.1MPa,介質(zhì)密度為1g/cm3時(shí),流經(jīng)控制閥的介質(zhì)流量數(shù)(以m3/h表示)。舉例有一個(gè)C值為40的控制閥,表示當(dāng)此閥全開,閥前后壓差為0.1MPa時(shí),每小時(shí)能通過的水量為40m3。由式(11-14)可知,當(dāng)生產(chǎn)工藝中需要的流量Q和壓差Δp決定后,就可確定閥門的流量系數(shù)C,再從流量系數(shù)C就可選擇閥門的尺寸?，F(xiàn)在,用控制閥流量系數(shù)KV代替流量系數(shù)C。34第一節(jié)氣動(dòng)執(zhí)行器35

主要根據(jù)工藝條件，如溫度、壓力及介質(zhì)的物理、化學(xué)特性（如腐蝕性、黏度等）來選擇。

結(jié)構(gòu)形式選擇特性選擇

先按控制系統(tǒng)的特點(diǎn)來選擇閥的希望流量特性，然后再考慮工藝配管情況來選擇相應(yīng)的理想流量特性。目前使用比較多的是等百分比流量特性。

2.控制閥結(jié)構(gòu)與特性的選擇第一節(jié)氣動(dòng)執(zhí)行器

主要從工藝生產(chǎn)上安全要求出發(fā)。信號(hào)壓力中斷時(shí)，應(yīng)保證設(shè)備和操作人員的安全。如果閥處于打開位置時(shí)危害性小，則應(yīng)選用氣關(guān)式，以使氣源系統(tǒng)發(fā)生故障，氣源中斷時(shí)，閥門能自動(dòng)打開，保證安全。反之閥處于關(guān)閉時(shí)危害性小，則應(yīng)選用氣開閥。選擇要求壓力信號(hào)增加時(shí)，閥關(guān)小、壓力信號(hào)減小時(shí)閥開大的為氣關(guān)式。反之，為氣開式。

3.氣開式與氣關(guān)式的選擇36第一節(jié)氣動(dòng)執(zhí)行器序號(hào)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制閥氣動(dòng)執(zhí)行器（a）（b）（c）（d）正正反反正反正反氣關(guān)（反）氣開（正）氣開（正）氣關(guān)（反）37表11-1組合方式表圖11-11組合方式圖第一節(jié)氣動(dòng)執(zhí)行器四、控制閥的安裝和維護(hù)38（1）為便于維護(hù)檢修，氣動(dòng)執(zhí)行器應(yīng)安裝在靠近地面或樓板的地方。

（2）氣動(dòng)執(zhí)行器應(yīng)安裝在環(huán)境溫度不高于+60℃和不低于-40℃的地方，并應(yīng)遠(yuǎn)離振動(dòng)較大的設(shè)備。（3）閥的公稱通徑與管道公稱通徑不同時(shí)，兩者之間應(yīng)加一段異徑管。第一節(jié)氣動(dòng)執(zhí)行器（5）通過控制閥的流體方向在閥體上有箭頭標(biāo)明，不能裝反。（4）氣動(dòng)執(zhí)行器應(yīng)該是正立垂直安裝于水平管道上。特殊情況下需要水平或傾斜安裝時(shí)，除小口徑閥外，一般應(yīng)加支撐。即使正立垂直安裝，當(dāng)閥的自重較大和有振動(dòng)場(chǎng)合時(shí)，也應(yīng)加支撐。（6）控制閥前后一般要各裝一只切斷閥，以便修理時(shí)拆下控制閥。考慮到控制閥發(fā)生故障或維修時(shí)，不影響工藝生產(chǎn)的繼續(xù)進(jìn)行，一般應(yīng)裝旁路閥。39第一節(jié)氣動(dòng)執(zhí)行器40（7）控制閥安裝前，應(yīng)對(duì)管路進(jìn)行清洗，排去污物和焊渣。安裝后還應(yīng)再次對(duì)管路和閥門進(jìn)行清洗，并檢查閥門與管道連接處的密封性能。當(dāng)初次通入介質(zhì)時(shí)，應(yīng)使閥門處于全開位置以免雜質(zhì)卡住。圖11-12控制閥在管道中的安裝1—調(diào)節(jié)閥；2—切斷閥；3—旁路閥（8）在日常使用中，要對(duì)控制閥經(jīng)常維護(hù)和定期檢修。

第二節(jié)閥門定位器與電-氣轉(zhuǎn)換器一、電-氣閥門定位器采用電-氣閥門定位器后，可用電動(dòng)控制器輸出的0～10mA

或4～20mADC電流信號(hào)去操縱氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)；41第二節(jié)閥門定位器與電-氣轉(zhuǎn)換器圖11-14電-氣閥門定位器

1—永久磁鋼；2—導(dǎo)磁體；3—主杠桿(銜鐵)；4—平衡彈簧；5—反饋凸輪支點(diǎn)；6—反饋凸輪；7—副杠桿；8—副杠桿支點(diǎn)；9—薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)；10—反饋桿；11—滾輪；12—反饋彈簧；13—調(diào)零彈簧；14—擋板；15—噴嘴；16—主杠桿支點(diǎn)；17—放大器42第二節(jié)閥門定位器與電-氣轉(zhuǎn)換器二、智能式閥門定位器智能式閥門定位器只接受4～20mADC電流信號(hào)的，也有接受4～20mADC的模擬信號(hào)又接受數(shù)字信號(hào)，即有HART通訊的閥門定位器，還有只進(jìn)行數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)默F(xiàn)場(chǎng)總線閥門定位器。

43第二節(jié)閥門定位器與電-氣轉(zhuǎn)換器三、電-氣轉(zhuǎn)換器可將來自電動(dòng)控制器的輸出信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換后用以驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)執(zhí)行器,或者將來自各種電動(dòng)變送器的輸出信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換后送往氣動(dòng)控制器。圖11-15電-氣轉(zhuǎn)換器原理結(jié)構(gòu)圖1—噴嘴擋板；2—調(diào)零彈簧；3—負(fù)反饋波紋管；4—十字彈簧；5—正反饋波紋管；6—杠桿；7—測(cè)量線圈；8—磁鋼；9—鐵芯；10—放大器44第三節(jié)電動(dòng)執(zhí)行器定義

電動(dòng)執(zhí)行器是電動(dòng)控制系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。它把來自控制儀表的0～10mA或4～20mA的直流統(tǒng)一電信號(hào),轉(zhuǎn)換成與輸入信號(hào)相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角或位移,以推動(dòng)各種類型的控制閥,從而達(dá)到連續(xù)控制生產(chǎn)工藝過程中的流量,或簡單地開啟和關(guān)閉閥門以控制流體的通斷,達(dá)到自動(dòng)控制生產(chǎn)過程的目的。45第三節(jié)電動(dòng)執(zhí)行器一、概述

1.電動(dòng)執(zhí)行器的特點(diǎn)①由于工頻電源取用方便,不需增添專門裝置,特別是執(zhí)行器應(yīng)用數(shù)量不太多的單位,更為適宜;②動(dòng)作靈敏、精度較高、信號(hào)傳輸速度快、傳輸距離可以很長,便于集中控制;③在電源中斷時(shí),電動(dòng)執(zhí)行器能保持原位不動(dòng),不影響主設(shè)備的安全;④與電動(dòng)控制儀表配合方便,安裝接線簡單;⑤體積較大、成本較貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維修麻煩,并只能應(yīng)用于防爆要求不太高的場(chǎng)合47第三節(jié)電動(dòng)執(zhí)行器

2.電動(dòng)執(zhí)行器的組成兩大部分

電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)其輸出形式不同角行程電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)直行程電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)多轉(zhuǎn)式電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。48第三節(jié)電動(dòng)執(zhí)行器二、角行程電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

DKJ型角行程電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)以交流220V為動(dòng)力,接受控制器的直流電流輸出