過程控制與自動化儀表(執(zhí)行器與防爆柵)

過程控制與自動化儀表湖南大學電氣與信息工程學院涂春鳴主要內容緒論檢測儀表調節(jié)器執(zhí)行器和防爆柵調節(jié)對象的特性及實驗測定單回路調節(jié)系統(tǒng)設計及調節(jié)器參數整定復雜調節(jié)系統(tǒng)主要內容執(zhí)行器概述氣動執(zhí)行器調節(jié)閥的流量特性調節(jié)閥的選擇電/氣轉換器與閥門定位器

電動執(zhí)行器防爆柵概述防爆柵原理4.1執(zhí)行器概述

執(zhí)行器：自動控制系統(tǒng)中的重要組成部分，它根據調節(jié)器的控制信號執(zhí)行動作，從而控制流入或流出被控過程的物料或能量，實現對過程參數的自動控制。執(zhí)行器有自動調節(jié)閥門、自動電壓調節(jié)器、自動電流調節(jié)器、控制電機等。其中自動調節(jié)閥門是最常見的執(zhí)行器，種類繁多。執(zhí)行器組成：執(zhí)行機構（驅動）調節(jié)機構（閥）執(zhí)行器分類電動調節(jié)閥：電源配備方便，信號傳輸快、損失小，可遠距離傳輸；但推力較小。氣動調節(jié)閥：結構簡單，可靠，維護方便，防火防爆；但氣源配備不方便。液動調節(jié)閥：用液壓傳遞動力，推力最大；但安裝、維護麻煩，使用不多。工業(yè)中使用最多的是氣動調節(jié)閥和電動調節(jié)閥。4.2氣動執(zhí)行器

由氣動執(zhí)行機構、調節(jié)閥、閥門定位器（工作條件差或調節(jié)質量要求高的場合）組成；執(zhí)行機構由膜片、推桿和平衡彈簧等部分組成；氣動執(zhí)行器的執(zhí)行機構可看成一階慣性環(huán)節(jié)（而電動執(zhí)行器可看成比例環(huán)節(jié)）。

氣動薄膜推桿閥體閥桿氣動執(zhí)行器的結構由執(zhí)行機構和控制機構（閥）兩部分組成。執(zhí)行機構是推動裝置，它是將信號壓力的大小轉換為閥桿位移的裝置?？刂茩C構是閥門，它將閥桿的位移轉換為流通面積的大小。氣動執(zhí)行器接受氣動調節(jié)器輸出的氣壓信號，經膜片轉換成推力并克服彈簧力后，使閥桿產生位移，帶動閥芯動作。1-上蓋2-膜片3-平衡彈簧4-閥桿5-閥體6-閥座7-閥芯1.執(zhí)行機構執(zhí)行機構按調節(jié)器輸出的控制信號，驅動調節(jié)機構動作。氣動執(zhí)行機構的輸出方式有角行程輸出和直行程輸出兩種。

氣動活塞式執(zhí)行機構薄膜式執(zhí)行機構P正作用執(zhí)行機構反作用執(zhí)行機構（1）直通單座閥流體對閥芯的不平衡作用力大。一般用在小口徑、低壓差的場合。結構簡單、泄漏量小。2．調節(jié)機構調節(jié)機構就是閥門，是一個局部阻力可以改變的節(jié)流元件。通過改變閥芯的行程可以改變調節(jié)閥的阻力系數，達到控制流量的目的。正裝閥閥芯下移時，閥芯與閥座間的流通截面積增大閥門中的柱式閥芯可以正裝，也可以反裝。反裝閥閥芯下移時，閥芯與閥座間的流通截面積減?。?）直通雙座閥閥體內有兩個閥芯和閥座。流體流過時，作用在上、下兩個閥芯上的推力方向相反且大小相近，可以互相抵消，所以不平衡力小。但是，由于加工的限制，上下兩個閥芯閥座不易保證同時密閉，因此泄漏量較大。（3）角形控制閥兩個接管呈直角形，一般為底進側出，這種閥的流路簡單、對流體的阻力較小。適用于現場管道要求直角連接，介質為高粘度、高壓差和含有少量懸浮物和固體顆粒狀的場合。（4）三通控制閥有三個出入口與工藝管道連接。流通方式有合流型（兩種介質混合成一路）和分流型（一種介質分成兩路）兩種。適用于配比控制與旁路控制。（5）隔膜控制閥采用耐腐蝕材料作隔膜，將閥芯與流體隔開。結構簡單、流阻小、流通能力比同口徑的其他種類的閥要大。由于介質用隔膜與外界隔離，故無填料，介質也不會泄漏。耐腐蝕能力強，適用于強酸、強堿、強腐蝕性介質的控制，也能用于高粘度及懸浮顆粒狀介質的控制。適用于大口徑、大流量、低壓差的場合，也可以用于含少量纖維或懸浮顆粒狀介質的控制。（6）蝶閥又名翻板閥。結構簡單、重量輕、流阻極小，但泄漏量大。（7）球閥閥芯與閥體都呈球形體，閥芯內開孔。轉動閥芯使之與閥體處于不同的相對位置時，就有不同的流通面積。流量變化較快，可起控制和切斷的作用，常用于雙位式控制。4.3調節(jié)閥的流量特性

調節(jié)閥的閥心位移與流量之間的關系，對控制系統(tǒng)的調節(jié)品質有很大影響。流量特性的定義：被控介質流過閥門的相對流量與閥門的相對開度（相對位移）間的關系稱為調節(jié)閥的流量特性。q/qmax—相對流量l/L—相對開度調節(jié)閥的流量特性不僅與閥門的結構和開度有關，還與閥前后的壓差有關，必須分開討論。lq相對流量q/qmax

是控制閥某一開度流量q與全開時流量qmax之比；相對開度l/L是控制閥某一開度行程l與全開行程L之比。為了便于分析，先將閥前后壓差固定，然后再引伸到實際工作情況，于是有固有流量特性與工作流量特性之分。1、固有（理想）流量特性在將控制閥前后壓差固定時得到的流量特性稱為固有流量特性。它取決于閥芯的形狀。（a）快開特性（b）直線特性（c）等百分比特性（1）直線流量特性控制閥的相對流量與相對開度成直線關系，即單位位移變化所引起的流量變化是常數。用數學式表示為：積分C為積分常數直線流量特性特點閥心相對開度變化所引起的流量變化是相等的流量相對變化量（流量變化量與原有流量之比）是不同的：在小開度時，流量相對變化量大；在大開度時，其流量相對變化最小。直線流量特性調節(jié)閥在小開度時，控制作用強，易引起振蕩；在大開度時，控制作用弱，控制緩慢。

可調比R為調節(jié)閥所能控制的最大流量與最小流量的比值。

其中qmin不是指閥門全關時的泄漏量，而是閥門能平穩(wěn)控制的最小流量，約為最大流量的2~4%一般閥門的可調比R=30?？刂屏Γ洪y門開度改變時，相對流量的改變比值。例如在不同的開度上，再分別增加10%開度，相對流量的變化比值為10％時：[（20-10）/10]×100%=100%50％時：[（60-50）/50]×100%=20%80％時：[（90-80）/80]×100%=12.5%Q/Q100L/Lmaxs=1

直線閥的流量放大系數在任何一點上都是相同的，但其對流量的控制力卻是不同的。（2）對數（等百分比）流量特性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系：曲線斜率（放大系數）隨行程的增大而增大。流量小時，流量變化小；流量大時，流量變化大。對數（等百分比）流量特性特點：調節(jié)閥在小開度時，控制緩和平穩(wěn)調節(jié)閥在大開度時，控制及時有效。等百分比閥在各流量點的放大系數不同，但對流量的控制力卻是相同的。10%處：（6.58%-4.68%）/4.68%≈41%50%處：（25.7%-18.2%）/18.2%≈41%80%處：（71.2%-50.6%）/50.6%≈41%同樣以10％、50％及80％三點為例，分別增加10%開度，相對流量變化的比值為：Q/Q100L/Lmaxs=1（3）快開特性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，故稱為快開特性。適用于迅速啟閉的切斷閥或雙位控制系統(tǒng)。積分2、調節(jié)閥的工作流量特性實際使用時，調節(jié)閥裝在具有阻力的管道系統(tǒng)中。管道對流體的阻力隨流量而變化，閥前后壓差也是變化的，流量特性會發(fā)生畸變，稱為工作流量特性。如圖，管道系統(tǒng)總壓力ΔP等于管路系統(tǒng)的壓降ΔPG與控制閥的壓降ΔPT之和。P△PGQ△PT管路及設備△PG△PT調節(jié)閥△P△P從串聯(lián)管道中調節(jié)閥兩端壓差△PT的變化曲線可看出，調節(jié)閥全關時閥上壓力最大，基本等于系統(tǒng)總壓力；調節(jié)閥全開時閥上壓力降至最小。為了表示調節(jié)閥兩端壓差△PT的變化范圍，以閥權度s表示調節(jié)閥全開時，閥前后最小壓差△PTmin與總壓力△

P之比。s=PTmin

/△

PP△PGQ△PT管路及設備△PG△PT調節(jié)閥△P△P流量特性畸變：以qmax表示串聯(lián)管道阻力為零時(s=1)，閥全開時達到的最大流量?？傻么?lián)管道在不同s值時，以自身qmax作參照的工作流量特性。對數閥變?yōu)橹本€閥直線閥變?yōu)榭扉_閥s↓調節(jié)閥的流量特性曲線a)－直線；b)－對數（等百分比）串聯(lián)管道使調節(jié)閥的流量特性發(fā)生畸變。串聯(lián)管道使調節(jié)閥的流量可調范圍降低，最大流量減小。串聯(lián)管道會使調節(jié)閥的放大系數減小，調節(jié)能力降低，s值低于0.3時，調節(jié)閥能力基本喪失。選用調節(jié)閥時，一般應考慮以下幾個方面。1．調節(jié)閥結構的選擇通常根據工藝條件，如使用溫度、壓力，介質的物理、化學特性（如腐蝕性、粘度等），對流量的控制要求等，來選擇調節(jié)閥的結構形式。例如，一般介質條件選用直通單座閥或直通雙座閥；高壓介質選用高壓閥；強腐蝕介質采用隔膜閥等。4.4調節(jié)閥的選擇

氣動薄膜三通調節(jié)閥氣動薄膜精小型調節(jié)閥氣動薄膜式隔膜閥V型O型對夾薄型氣動調節(jié)球閥氣動法蘭調節(jié)蝶閥氣動對夾式調節(jié)蝶閥氣動精小型調節(jié)閥2．氣開式與氣關式的選擇

氣動調節(jié)閥在氣壓信號中斷后閥門會復位。無壓力信號時閥全開，隨著信號增大，閥門逐漸關小的稱為氣關式。反之，無壓力信號時閥全閉，隨著信號增大，閥門逐漸開大的稱為氣開式。閥門氣開氣關式的選擇原則：安全當控制信號中斷時，閥門的復位位置能使工藝設備處于安全狀態(tài)?？紤]事故狀態(tài)時人身、工藝設備的安全；考慮在事故狀態(tài)下減少經濟損失，保證產品質量。氣動執(zhí)行機構有正作用和反作用兩種形式:當輸入氣壓信號增加時閥桿向下移動時稱正作用；當輸入氣壓信號增加時閥桿向上移動時稱反作用。在工業(yè)生產中口徑較大的調節(jié)閥通常采用正作用方式。閥的“氣開、氣關”有四種構成方式序號執(zhí)行機構作用方式閥體安裝方式執(zhí)行器氣開、氣關形式a正作用正裝氣關b正作用反裝氣開c反作用正裝氣開d反作用反裝氣關氣關式氣關式氣開式氣開式

給水閥燃氣閥蒸汽例如：選擇蒸汽鍋爐的控制閥門時，為保證失控狀態(tài)下鍋爐的安全：

給水閥應選氣關式

燃氣閥應選氣開式安全原則3.調節(jié)閥流量特性的選擇保證控制品質的重要因素之一是：保持控制系統(tǒng)的總放大倍數在工作范圍內盡可能恒定。給定值被控量干擾f

控制器傳感器執(zhí)行器被控對象+eWc(s)－W3(s)W1(s)W2(s)K=K1K2K3Kc很多對象在工作區(qū)域內穩(wěn)態(tài)放大倍數K不是常數，在不同的工藝負荷點，K不相同。因此希望調節(jié)閥的流量特性能補償對象的靜特性。（1）若調節(jié)對象的靜特性是非線性的，工藝負荷變化又大，用等百分比特性補償。（3）配管阻力大、s值低，等百分比閥會畸變成直線閥。（2）若調節(jié)對象的靜特性是線性的，或工藝負荷變化不大，用直線閥。4.調節(jié)閥口徑的選擇為保證工藝的正常進行，必須合理選擇調節(jié)閥的尺寸。如果調節(jié)閥的口徑選得太大，使閥門經常工作在小開度位置，造成調節(jié)質量不好。如果口徑選得太小，閥門完全打開也不能滿足最大流量的需要，就難以保證生產的正常進行。調節(jié)閥的口徑決定了調節(jié)閥的流通能力。

調節(jié)閥的流通能力用流量系數C值表示。流量系數C的定義：在閥兩端壓差100kPa，流體為水（103Kg／m3）的條件下，閥門全開時每小時能通過調節(jié)閥的流體流量（m3/h）。例如，某一閥門全開、閥兩端壓差為100kPa時，流經閥的水流量為20m3/h，則該調節(jié)閥的流量系數為：C=20。

在調節(jié)閥技術手冊上，給出了各種閥門的口徑和流通能力C，供用戶查閱。CDg實際應用中閥門兩端壓差不一定是100kPa，流經閥門的流體也不一定是水，因此必須換算。液體流量系數C值的計算將4～20mA的電流信號轉換成20～100KPa的標準氣壓信號。為了使氣動調節(jié)閥能夠接收電動調節(jié)器的輸出信號，必須把標準電流信號轉換為標準氣壓信號。1、電/氣轉換器4.5電/氣轉換器與閥門定位器

I↑

吸力Fi↑

杠桿偏轉

擋板與噴嘴間隙↓

背壓↑

放大器輸入↑

輸出壓力P↑

杠桿的反饋力Ff

↑

杠桿平衡

P∝I電/氣轉換器工作原理負反饋磁鐵FiFf背壓氣動調節(jié)閥中，閥桿的位移是由薄膜上氣壓推力與彈簧反作用力平衡確定的。為了防止閥桿處的泄漏要壓緊填料，使閥桿摩擦力增大，且個體差異較大，這會影響輸入信號P的執(zhí)行精度。2、閥門定位器

閥門定位器

氣動執(zhí)行器的主要附件，用于工作條件差或調節(jié)質量要求高的場合克服填料對閥桿摩擦力和流體對閥心作用力原理：利用閥桿位移負反饋來改善調節(jié)閥的定位精度和靈敏度。

實現準確定位；改善調節(jié)閥的動態(tài)特性；改變調節(jié)閥的流量特性；實現分程控制。解決措施在調節(jié)閥上加裝閥門定位器，引入閥桿位移負反饋。使閥桿能按輸入信號精確地確定自己的開度。3、電/氣閥門定位器

電/氣轉換器和閥門定位器組成電/氣閥門定位器。I↑

杠桿上端右移

擋板靠近噴嘴

P壓力↑閥桿下移反饋凸輪右轉反饋彈簧右拉杠桿平衡4.6電動調節(jié)閥

組成：執(zhí)行機構+調節(jié)閥