第3章 33过程控制装置及系统设计

1、第三章第三章 过程控制装置过程控制装置 李臻峰李臻峰 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计2 2021-7-6 主要内容主要内容 n3.1 概述概述 n3.2 变送器变送器 n3.3 控制器控制器 n3.4 执行器和防爆栅执行器和防爆栅 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 3.1 概述概述 n为了熟悉控制装置，先复习一下控制系统的组成：为了熟悉控制装置，先复习一下控制系统的组成： 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计3 2021-7-6 图 简单控制系统方框图 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 3.4 执行器和防

2、爆栅 n执行器执行器在现代生产过程自动化中起着十分重要作在现代生产过程自动化中起着十分重要作 用。用。 n它在自动控制系统中它在自动控制系统中接受调节器的控制信号接受调节器的控制信号，自，自 动地动地改变操作变量改变操作变量，达到对被调参数，达到对被调参数(如温度、压如温度、压 力、液位等力、液位等)进行调节的目的，使生产过程按预定进行调节的目的，使生产过程按预定 要求正常进行。要求正常进行。 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 4 2021-7-6 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 3.4 执行器和防爆栅 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计5 2021-7-6

3、 气动执行器气动执行器 电动执行器电动执行器 液动执行器液动执行器 液动执行器的特点是输出推力很大，但在化工、炼油等生产过液动执行器的特点是输出推力很大，但在化工、炼油等生产过 程中基本上不使用。程中基本上不使用。 因此，只对气动执行器和电动执行器以及电因此，只对气动执行器和电动执行器以及电气转换器进行介气转换器进行介 绍。绍。 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 3.4 执行器和防爆栅 1.气动执行器气动执行器 n气动执行器是气动执行器是以压缩空气为能源以压缩空气为能源的执行器。的执行器。 n它的主要特点：它的主要特点：结构简单，输出推力大、动作可靠、结构简单，输出推力大、动作可靠

4、、 性能稳定、维护方便、价格便宜、本质安全防爆等性能稳定、维护方便、价格便宜、本质安全防爆等。 n它不仅能与气动调节仪表配套使用，而且还可以通过电气转换器或电它不仅能与气动调节仪表配套使用，而且还可以通过电气转换器或电 气阀门定位器与电动调节仪表或工业控制计算机配套使用。气阀门定位器与电动调节仪表或工业控制计算机配套使用。 n因此，广泛用于化工、石油、冶金、电力等工业部门。因此，广泛用于化工、石油、冶金、电力等工业部门。 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 6 2021-7-6 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 3.4 执行器和防爆栅 过程控制装置及系统设计过程控制装置及

5、系统设计 7 2021-7-6 气动执行器由气动执行器由执行机构执行机构和和控制机构控制机构两部分组成两部分组成 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 3.4 执行器和防爆栅 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 8 2021-7-6 上部为上部为执行机构执行机构，下部为，下部为控制机构控制机构。 执行机构是执行器的推动装置，它按控制信号执行机构是执行器的推动装置，它按控制信号 压力的大小产生相应的推力，推动控制机构动压力的大小产生相应的推力，推动控制机构动 作，所以它是将作，所以它是将信号压力的大小转换为阀杆位信号压力的大小转换为阀杆位 移的装置移的装置。 控制机构是执行器的

6、控制部分，它直接与被控控制机构是执行器的控制部分，它直接与被控 介质接触，控制流体的流量，所以它是介质接触，控制流体的流量，所以它是将阀杆将阀杆 的位移转换为流过阀的流量的装置的位移转换为流过阀的流量的装置。 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 3.4 执行器和防爆栅 n1）气动执行机构）气动执行机构 n气动执行机构常用的有气动执行机构常用的有薄膜式薄膜式和和活塞式活塞式两大类。两大类。 n薄膜式执行机构薄膜式执行机构 n 最为常用，它使用弹性膜片将输入气压转变最为常用，它使用弹性膜片将输入气压转变 为对推杆的推力，通过推杆使阀芯产生相应的位为对推杆的推力，通过推杆使阀芯产生相应的位

7、 移，改变阀的开度。移，改变阀的开度。 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 9 2021-7-6 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 3.4 执行器和防爆栅 n该机构可以用作一般控制阀的推动装置，组成该机构可以用作一般控制阀的推动装置，组成气气 动薄膜式执行器动薄膜式执行器，习惯上称为，习惯上称为气动薄膜控制阀气动薄膜控制阀， 其的结构简单、价格便宜、维修方便、应用广泛。其的结构简单、价格便宜、维修方便、应用广泛。 n n气动活塞式执行机构气动活塞式执行机构以气缸内的活塞输出推力，以气缸内的活塞输出推力， 故推力较大，主要适用于大口径、高压降的控制故推力较大，主要适用于大口

8、径、高压降的控制 阀或蝶阀的推动装置。阀或蝶阀的推动装置。 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 10 2021-7-6 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 3.4 执行器和防爆栅 n一个典型的气动薄膜执行机构主要由一个典型的气动薄膜执行机构主要由弹性薄膜、弹性薄膜、 压缩弹簧和推杆压缩弹簧和推杆组成。组成。 n气动薄膜执行机构的输出是位移，它与信号压力气动薄膜执行机构的输出是位移，它与信号压力 的关系为的关系为 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 11 2021-7-6 KLpA 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 3.4 执行器和防爆栅 过程控制装置及

9、系统设计过程控制装置及系统设计 12 2021-7-6 式中式中 pp通入气室的信号压力；通入气室的信号压力； AA波纹膜片的有效面积；波纹膜片的有效面积； KK弹簧的刚度；弹簧的刚度； LL执行机构的推杆位移执行机构的推杆位移 p K A L 当执行机构的规格确定后，当执行机构的规格确定后，A和和K便为常数，因此便为常数，因此 执行机构的位移与信号压力成比例关系。执行机构的位移与信号压力成比例关系。 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 3.4 执行器和防爆栅 n原理：原理：当信号压力通入薄膜气室时，此压力乘上当信号压力通入薄膜气室时，此压力乘上 膜片的有效面积得到推力，使推杆移动，

10、弹簧受膜片的有效面积得到推力，使推杆移动，弹簧受 压，直到弹簧产生的反作用力与薄膜上的推力相压，直到弹簧产生的反作用力与薄膜上的推力相 平衡为止。平衡为止。 n信号压力越大，推力越大，推杆的位移即弹簧的信号压力越大，推力越大，推杆的位移即弹簧的 压缩量也就越大。压缩量也就越大。 n推杆的位移范围就是执行机构的行程推杆的位移范围就是执行机构的行程。 n推杆从零走到全行程，阀门就从全开（或全关）到全关（或全开）。推杆从零走到全行程，阀门就从全开（或全关）到全关（或全开）。 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 13 2021-7-6 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 3.4 执

11、行器和防爆栅 2）控制（调节）机构）控制（调节）机构 n控制机构即控制机构即控制阀控制阀，实际上是一个局部阻力可以，实际上是一个局部阻力可以 改变的改变的节流元件节流元件。 n通过阀杆上部与执行机构相连，下部与阀芯相连。通过阀杆上部与执行机构相连，下部与阀芯相连。 由于阀芯在阀体内移动，改变了阀芯与阀座之间由于阀芯在阀体内移动，改变了阀芯与阀座之间 的流通面积，即改变了阀的的流通面积，即改变了阀的阻力系数阻力系数，被控介质，被控介质 的流量也就相应地改变，从而达到控制工艺参数的流量也就相应地改变，从而达到控制工艺参数 的目的。的目的。 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 14 202

12、1-7-6 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 3.4 执行器和防爆栅 n根据不同的使用要求，控制阀的结构型式很多，根据不同的使用要求，控制阀的结构型式很多， 主要包括有主要包括有: n 直通单座控制阀直通单座控制阀 n 直通双座控制阀直通双座控制阀 n 角形控制阀角形控制阀 n 三通控制阀三通控制阀 n 隔膜控制阀隔膜控制阀 n 碟阀、球阀、凸轮挠曲阀、笼式阀等。碟阀、球阀、凸轮挠曲阀、笼式阀等。 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 15 2021-7-6 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 3.4 执行器和防爆栅 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计

13、16 2021-7-6 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 3.4 执行器和防爆栅 n控制阀流量特性控制阀流量特性 n控制阀的流量特性是指控制阀的流量特性是指被控介质流过阀门的相对被控介质流过阀门的相对 流量与阀门的相对开度（相对位移）间的关系流量与阀门的相对开度（相对位移）间的关系。 即即 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 17 2021-7-6 m ax ql f qL 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 3.4 执行器和防爆栅 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 18 2021-7-6 式中式中: 相对流量相对流量 控制阀在某一开度时的流量控制阀

14、在某一开度时的流量 控制阀在全开时的流量；控制阀在全开时的流量； 控制阀在某一开度时阀芯的行程；控制阀在某一开度时阀芯的行程； 控制阀全开时的行程控制阀全开时的行程 max q q q max q l L 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 3.4 执行器和防爆栅 n通过控制阀的流量大小不仅与阀的开度有关，还通过控制阀的流量大小不仅与阀的开度有关，还 和前后的和前后的压差高低压差高低有关。有关。 n工作在管路中的控制阀，当阀开度改变时，随着工作在管路中的控制阀，当阀开度改变时，随着 流量的变化，阀前后的压差也发生变化。流量的变化，阀前后的压差也发生变化。 n为分析方便，在研究阀的特性

15、时，为分析方便，在研究阀的特性时，先把阀前后压先把阀前后压 差固定为恒值差固定为恒值进行研究，然后再考虑阀在管路中进行研究，然后再考虑阀在管路中 的实际情况进行分析的实际情况进行分析。 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 19 2021-7-6 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 3.4 执行器和防爆栅 n（1）控制阀的理想流量特性）控制阀的理想流量特性 n在不考虑控制阀前后压差变化时得到的流量特性在不考虑控制阀前后压差变化时得到的流量特性 称为称为理想流量特性理想流量特性。它取决于阀芯的形状。它取决于阀芯的形状 。 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 20 20

16、21-7-6 主要有主要有直线、对数、抛物线及快开直线、对数、抛物线及快开等几种。等几种。 1-快开快开 2-直线直线 3-抛物线抛物线 4-对数对数 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 3.4 执行器和防爆栅 n直线流量特性直线流量特性 直线流量特性是指控制阀的相对直线流量特性是指控制阀的相对 流量与相对开度成流量与相对开度成直线关系直线关系，即单位位移变化所，即单位位移变化所 引起的流量变化是引起的流量变化是常数常数。用数学式表示为。用数学式表示为 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 21 2021-7-6 K L l d Q Q d max 式中式中 K常数，即控制阀

17、的放大系数。常数，即控制阀的放大系数。 将上式积分可得将上式积分可得C L l K Q Q max 式中式中 C积分常数积分常数 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 3.4 执行器和防爆栅 n边界条件为边界条件为 时时 ； 时时 。把。把 边界条件代入上式可分别得：边界条件代入上式可分别得： 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 22 2021-7-6 0l min qq Ll max qq , 1 max min RQ Q C R CK 1 11 R是最大流量与最小流量的比值，称为是最大流量与最小流量的比值，称为可调比可调比， 又称可调范围。代入式得又称可调范围。代入式得

18、L l R RQ Q 11 1 max 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 3.4 执行器和防爆栅 n上式表明上式表明 与与 之间呈之间呈线性关系线性关系，在直角坐标，在直角坐标 上是一条直线。上是一条直线。 要注意的是当可调比要注意的是当可调比R不同时，不同时， 特性曲线在纵坐标上的起点是不同的。特性曲线在纵坐标上的起点是不同的。 n为便于分析和计算，假设为便于分析和计算，假设R=，即特性曲线以坐，即特性曲线以坐 标原点为起点，这时当位移变化标原点为起点，这时当位移变化10%所引起的流所引起的流 量变化总是量变化总是10%。但流量变化的。但流量变化的相对值是不同相对值是不同的的 。

19、 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 23 2021-7-6 max q q L l 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 3.4 执行器和防爆栅 n为便于分析和计算，假设为便于分析和计算，假设R=，即特性曲线以坐，即特性曲线以坐 标原点为起点，这时当位移变化标原点为起点，这时当位移变化10%所引起的流所引起的流 量变化总是量变化总是10%。但流量变化的。但流量变化的相对值相对值是不同的是不同的 。 10%时， 50%时， 80%时， 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 24 2021-7-6 %100%100 10 1020 %20%100 50 5060 %5.

20、12%100 80 8090 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 3.4 执行器和防爆栅 n可见，可见， n在流量小时，流量变化的相对值大在流量小时，流量变化的相对值大； n在流量大时，流量变化的相对值小在流量大时，流量变化的相对值小。 n也就是说，当阀门在小开度时控制作用也就是说，当阀门在小开度时控制作用太强太强，而，而 在大开度时控制作用在大开度时控制作用太弱太弱，这是不利于控制系统，这是不利于控制系统 的正常运行的。的正常运行的。 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 25 2021-7-6 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 3.4 执行器和防爆栅 n从控制

21、系统来讲，从控制系统来讲， n当系统处于小负荷时，要克服外界干扰的影响，当系统处于小负荷时，要克服外界干扰的影响， 希望控制阀动作所引起的流量变化量不要太大，希望控制阀动作所引起的流量变化量不要太大， 以免控制作用太强产生超调，甚至发生振荡。以免控制作用太强产生超调，甚至发生振荡。 n系统处于大负荷时，要克服外界干扰的影响，希系统处于大负荷时，要克服外界干扰的影响，希 望控制阀动作所引起的流量变化量要大一些。望控制阀动作所引起的流量变化量要大一些。 n以免控制作用微弱而使控制不够灵敏，以免控制作用微弱而使控制不够灵敏，直线流量直线流量 特性不能满足以上要求。特性不能满足以上要求。 过程控制装置

22、及系统设计过程控制装置及系统设计 26 2021-7-6 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 3.4 执行器和防爆栅 对数流量特性对数流量特性 n又称又称等百分比流量特性等百分比流量特性，是指单位相对行程变化，是指单位相对行程变化 所引起的相对流量变化与此点的相对流量成所引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比正比 关系关系。即控制阀的放大系数随相对流量的增加而。即控制阀的放大系数随相对流量的增加而 增大。用数学式表示为增大。用数学式表示为 n积分得积分得 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 27 2021-7-6 max max Q Q K L l d Q Q d C L

23、 l K Q Q max ln 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 3.4 执行器和防爆栅 n将边界条件代入，可得将边界条件代入，可得 n最后得最后得 n相对开度与相对流量成对数关系相对开度与相对流量成对数关系。 n放大系数随行程的增大而增大。在同样的行程变放大系数随行程的增大而增大。在同样的行程变 化值下，化值下，流量小时，流量变化小流量小时，流量变化小，控制平稳缓和；，控制平稳缓和； 流量大时，流量变化大流量大时，流量变化大，控制灵敏有效。，控制灵敏有效。 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 28 2021-7-6 RKR RQ Q Cln ,ln 1 lnln max

24、 min 1 max L l R Q Q 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 3.4 执行器和防爆栅 n抛物线流量特性抛物线流量特性 与与 之间呈之间呈抛物线关系抛物线关系，在直角坐标上为一，在直角坐标上为一 条抛物线。它介于直线特性及对数特性之间，数条抛物线。它介于直线特性及对数特性之间，数 学表达式为学表达式为 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 29 2021-7-6 maxQ Q L l 2 max 11 1 L l R RQ Q 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 3.4 执行器和防爆栅 n快开流量特性快开流量特性 n这种流量特性在开度较小时就有较大流量

25、，随开这种流量特性在开度较小时就有较大流量，随开 度的增大，流量很快就达到最大，为快开特性。度的增大，流量很快就达到最大，为快开特性。 快开特性的阀芯形式是平板形的，用于迅速启闭快开特性的阀芯形式是平板形的，用于迅速启闭 的切断阀或双位控制系统。的切断阀或双位控制系统。 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 30 2021-7-6 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 3.4 执行器和防爆栅 n控制阀的工作流量特性控制阀的工作流量特性 n在实际的工艺装置上，控制阀由于和其他阀门、在实际的工艺装置上，控制阀由于和其他阀门、 设备、管道等串联或并联，使阀两端的压差随流设备、管道等串

26、联或并联，使阀两端的压差随流 量变化而变化，这时的流量特性称为量变化而变化，这时的流量特性称为工作流量特工作流量特 性性。 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 31 2021-7-6 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 3.4 执行器和防爆栅 n其结果使控制阀的工作流量特性不同于固有流量其结果使控制阀的工作流量特性不同于固有流量 特性。串联的阻力越大，流量变化引起的控制阀特性。串联的阻力越大，流量变化引起的控制阀 的压降分配比值变化也越大，特性变化得也越厉的压降分配比值变化也越大，特性变化得也越厉 害。害。 n所以阀的工作流量特性除所以阀的工作流量特性除与阀的结构有关外与阀

27、的结构有关外，还，还 取决于配管情况取决于配管情况。 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 32 2021-7-6 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 3.4 执行器和防爆栅 n串联管道工作流量特性串联管道工作流量特性 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 33 2021-7-6 表示的是控制阀与工艺设备及管道阻力串表示的是控制阀与工艺设备及管道阻力串 联的情况，这是一种最常见的典型情况。联的情况，这是一种最常见的典型情况。 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 3.4 执行器和防爆栅 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 34 2021-7-6 如果

28、总压差如果总压差 恒定，那么当阀开度加大时，随着流恒定，那么当阀开度加大时，随着流 量量q的增加，设备及管道上的压降的增加，设备及管道上的压降 将随流量将随流量q的平的平 方增加。方增加。 P 2 p 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 3.4 执行器和防爆栅 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 35 2021-7-6 理想流量特性是直线的阀 理想流量特性是对数的阀 1min p S p 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 3.4 执行器和防爆栅 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 36 2021-7-6 该图纵坐标是相对流量该图纵坐标是相对流量 ， 表

29、示串联管道阻力表示串联管道阻力 为零时，阀全开时达到的最大流量。为零时，阀全开时达到的最大流量。 表示存表示存 在管道阻力的情况下，阀全开时阀前后最小压差在管道阻力的情况下，阀全开时阀前后最小压差 占总压差占总压差 的百分数。的百分数。 max q q max q p p s min1 min1 p p 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 3.4 执行器和防爆栅 并联管道工作流量特性并联管道工作流量特性 n控制阀一般都装有控制阀一般都装有旁路旁路，以便手动操作和维护。，以便手动操作和维护。 当生产量提高或控制阀选小了时，只好将旁路阀当生产量提高或控制阀选小了时，只好将旁路阀 打开一些

30、，此时就是打开一些，此时就是并联管道并联管道的情况。的情况。 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 37 2021-7-6 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 3.4 执行器和防爆栅 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 38 2021-7-6 理想特性为直线型理想特性为直线型 (b)理想特性为等百分比型理想特性为等百分比型 图图 并联管道时控制阀的工作特性并联管道时控制阀的工作特性 1 q x q 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 3.4 执行器和防爆栅 综合串、并联管道的情况，可得如下结论：综合串、并联管道的情况，可得如下结论： na串、并联管道都会使

31、阀的理想流量特性发生串、并联管道都会使阀的理想流量特性发生畸畸 变变，串联管道的影响尤为严重。，串联管道的影响尤为严重。 nb串、并联管道都会使控制阀的串、并联管道都会使控制阀的可调范围降低可调范围降低， 并联管道尤为严重。并联管道尤为严重。 nc串联管道使系统总流量减少，并联管道使系统串联管道使系统总流量减少，并联管道使系统 总流量增加。总流量增加。 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 39 2021-7-6 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 3.4 执行器和防爆栅 nd串、并联管道会使控制阀的串、并联管道会使控制阀的放大系数减小放大系数减小， 即输入信号变化引起的流量

32、变化值减少。即输入信号变化引起的流量变化值减少。 n串联管道时控制阀若处于大开度，则串联管道时控制阀若处于大开度，则S值降低对值降低对 放大系数影响更为严重；放大系数影响更为严重； n并联管道时控制阀若处于小开度，则并联管道时控制阀若处于小开度，则S值降低对值降低对 放大系数影响更为严重。放大系数影响更为严重。 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 40 2021-7-6 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 3.4 执行器和防爆栅 控制阀口径的选择控制阀口径的选择 控制阀的口径选择是由控制阀的口径选择是由控制阀流量系数控制阀流量系数C值决定的。值决定的。 过程控制装置及系统设

33、计过程控制装置及系统设计 41 2021-7-6 在给定的行程下，当阀两端压差为在给定的行程下，当阀两端压差为100KPa时，流体密时，流体密 度为度为1g/cm3时，流经控制阀的流体流量（以时，流经控制阀的流体流量（以m3/h表示）表示） 控制阀流量系数控制阀流量系数表示控制阀容量的大小，是表示控表示控制阀容量的大小，是表示控 制阀流通能力的参数。制阀流通能力的参数。 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 3.4 执行器和防爆栅 n对于不可压缩的流体，且阀前后压差对于不可压缩的流体，且阀前后压差 不太大（即流不太大（即流 体为非阻塞流）时，其流量系数体为非阻塞流）时，其流量系数C的计

34、算公式为的计算公式为 式中式中 流体密度，流体密度，g/cm3； p1-p2阀前后的压差，阀前后的压差，kPa； q流经阀的流量，流经阀的流量，m3/h。 从上式可以看出，如果控制阀前后压差从上式可以看出，如果控制阀前后压差 保持为保持为100KPa，流经，流经 阀的水（阀的水（1g/cm3）流量）流量Q即为该阀的即为该阀的C值。值。 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 42 2021-7-6 P 21 10 pp qC P 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 3.4 执行器和防爆栅 n2电动执行器电动执行器 n它是以电为能源的执行器，接收来自控制器的它是以电为能源的执行器

35、，接收来自控制器的 010mA或或420mA的直流电流信号，并将其转的直流电流信号，并将其转 换成相应的换成相应的角位移角位移或直或直行程位移行程位移，去操纵阀门、，去操纵阀门、 挡板等控制机构，以实现自动控制。挡板等控制机构，以实现自动控制。 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 43 2021-7-6 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 3.4 执行器和防爆栅 n它的它的主要特点主要特点： n能源取用方便，信号传输速度快，传送距离远，能源取用方便，信号传输速度快，传送距离远， 便于集中控制，停电时执行器保持原位不动，不便于集中控制，停电时执行器保持原位不动，不 影响主设备

36、的安全；灵敏度和精度较高；与电动影响主设备的安全；灵敏度和精度较高；与电动 调节仪表配合方便，安装接线简单。调节仪表配合方便，安装接线简单。 n缺点缺点是结构复杂、体积较大、推力小、价格贵，是结构复杂、体积较大、推力小、价格贵， 平均故障率高于气动执行器。平均故障率高于气动执行器。 n适用于防爆要求不高及缺乏气源和使用数量不太适用于防爆要求不高及缺乏气源和使用数量不太 多的场合。多的场合。 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 44 2021-7-6 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 3.4 执行器和防爆栅 n电动执行器有电动执行器有角行程角行程（DKJ型）、型）、直行程直

37、行程（DKZ 型）和型）和多转式多转式等类型。几种类型的电动执行机构等类型。几种类型的电动执行机构 在电气原理上基本上是相同的，只是减速器不一在电气原理上基本上是相同的，只是减速器不一 样。样。 n角行程电动执行机构角行程电动执行机构以电动机为动力元件，将输以电动机为动力元件，将输 入的直流电流信号转换为相应的角位移（入的直流电流信号转换为相应的角位移（090） 这种执行机构适用于操纵这种执行机构适用于操纵蝶阀、挡板之类蝶阀、挡板之类的旋转的旋转 式控制阀。式控制阀。 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 45 2021-7-6 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 3.4 执

38、行器和防爆栅 n直行程执行机构直行程执行机构接收输入的直流电流信号后，使接收输入的直流电流信号后，使 电动机转动，然后经减速器减速并电动机转动，然后经减速器减速并转换为直线位转换为直线位 移输出移输出，去操纵，去操纵单座、双座、三通单座、双座、三通等各种控制阀等各种控制阀 和其他直线式控制机构。和其他直线式控制机构。 n多转式电动执行机构多转式电动执行机构主要用来开启和关闭主要用来开启和关闭闸阀、闸阀、 截止阀截止阀等多转式阀门，由于它的电机功率比较大，等多转式阀门，由于它的电机功率比较大， 最大的有几十千瓦，一般多用作就地操作和遥控。最大的有几十千瓦，一般多用作就地操作和遥控。 过程控制装置

39、及系统设计过程控制装置及系统设计 46 2021-7-6 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 3.4 执行器和防爆栅 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 47 2021-7-6 上图为电动执行器的主要部分，它主要由上图为电动执行器的主要部分，它主要由伺伺 服放大器服放大器(DFC)、电动操作器、电动操作器(DFD)、伺服电、伺服电 动机动机组成。组成。 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 3.4 执行器和防爆栅 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 48 2021-7-6 图图 伺服放大器框图伺服放大器框图 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 3

40、.4 执行器和防爆栅 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 49 2021-7-6 上图为电动执行器的伺服放大器（上图为电动执行器的伺服放大器（DFC），它是），它是 由前置磁放大器，触发器由前置磁放大器，触发器I和和II以及品闸管主回路以及品闸管主回路 等组成等组成 。 伺服放大器有伺服放大器有三个输入通道三个输入通道和和一个反馈通道一个反馈通道，可，可 同时输入三输入信号和一个反馈信号，以满足复同时输入三输入信号和一个反馈信号，以满足复 杂控制系统的要求。杂控制系统的要求。 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 3.4 执行器和防爆栅 n电动执行器的执行机构（电动执行器的执

41、行机构（DZA）是由两相交流伺）是由两相交流伺 服电动机（服电动机（SM）、位置发送器（）、位置发送器（WF）和减速器）和减速器 （J）组成。）组成。 n两相伺服电动机是执行机构的动力部分，它具有两相伺服电动机是执行机构的动力部分，它具有 启动转矩大而启动电流较小的特点。启动转矩大而启动电流较小的特点。 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 50 2021-7-6 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 3.4 执行器和防爆栅 n位置发送器是根据差动变压器的工作原理，利用位置发送器是根据差动变压器的工作原理，利用 输出轴的位移改变铁心在差动线圈中的位置，以输出轴的位移改变铁心在差

42、动线圈中的位置，以 产生反馈信号和位置信号。产生反馈信号和位置信号。 n由于电动执行器所用电动机转速很高，而执行器由于电动执行器所用电动机转速很高，而执行器 输出轴全行程时间需输出轴全行程时间需25s，即输出轴转速，即输出轴转速0.6r/min， 因此电动机主输出轴间要有减速器，减速比为因此电动机主输出轴间要有减速器，减速比为 10001500。 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 51 2021-7-6 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 3.4 执行器和防爆栅 n3电电/气转换器及阀门定位器气转换器及阀门定位器 n电电/气转换器是电动单元组合仪表中的一个转换单元。气转换

43、器是电动单元组合仪表中的一个转换单元。 它能将电动控制系统的标准信号（它能将电动控制系统的标准信号（010mA或或420mA） 转换为标准气压信号（转换为标准气压信号（0.21051.0105Pa或或 0.41052.0105Pa）。）。 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 52 2021-7-6 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 3.4 执行器和防爆栅 n通过它可以组成通过它可以组成电电/气混合系统气混合系统以便发挥各自的优以便发挥各自的优 点，扩大其使用范围。点，扩大其使用范围。 n它可用来把电动调节器输出信号经转换后用以驱它可用来把电动调节器输出信号经转换后用以驱

44、动气动执行器，或将来自各种电动变送器的输出动气动执行器，或将来自各种电动变送器的输出 信号经转换后送往气动调节器。信号经转换后送往气动调节器。 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 53 2021-7-6 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 3.4 执行器和防爆栅 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 54 2021-7-6 图图 电电/气转换器简化原理图气转换器简化原理图 1-喷嘴喷嘴 2-挡板挡板 3-导磁件导磁件 4-支点支点 5-平衡锤平衡锤 6-波纹管波纹管 7-放大器放大器 8-气阻气阻 9-调零弹簧调零弹簧 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计

45、3.4 执行器和防爆栅 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 55 2021-7-6 电电/气转换器是基于气转换器是基于力矩平衡原理力矩平衡原理进行工作的。进行工作的。 来自变送器或调节器的标准电流信号通过线圈后，来自变送器或调节器的标准电流信号通过线圈后， 产生一个电磁场。此电磁场把可动铁心磁化，并在产生一个电磁场。此电磁场把可动铁心磁化，并在 磁钢的永久磁场作用下产生一电磁力矩，使可动铁磁钢的永久磁场作用下产生一电磁力矩，使可动铁 心绕支点作逆时针转动。心绕支点作逆时针转动。 此时固定在可动铁心上的挡板便靠近喷嘴改变喷嘴此时固定在可动铁心上的挡板便靠近喷嘴改变喷嘴 和挡板之间的距离

46、。和挡板之间的距离。 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 3.4 执行器和防爆栅 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 56 2021-7-6 喷嘴挡板机构是气动仪表中一种最基本的喷嘴挡板机构是气动仪表中一种最基本的变换和放变换和放 大环节大环节。它能将挡板对于喷嘴的微小位移灵敏地变。它能将挡板对于喷嘴的微小位移灵敏地变 换成换成气压信号气压信号。 气压信号经过气动功率放大器后产生的输出压力功气压信号经过气动功率放大器后产生的输出压力功 率增大。此压力反馈到波纹管中，便可在动铁心另率增大。此压力反馈到波纹管中，便可在动铁心另 一端产生一个反馈力矩，此力矩与线圈产生的电磁一端产

47、生一个反馈力矩，此力矩与线圈产生的电磁 力矩相平衡，构成力矩相平衡，构成闭环系统闭环系统。从而达到使输出压力。从而达到使输出压力 与输入电信号成比例地变化。与输入电信号成比例地变化。 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 3.4 执行器和防爆栅 nDDZIII型电型电/气转换器按其防爆型式可分为气转换器按其防爆型式可分为一般型，一般型， 安全火花型和安全防爆型安全火花型和安全防爆型。 n它们的它们的输入信号输入信号为为420mA， n 输出信号输出信号为为0.21051.0105 n （大功率（大功率0.41052.0105Pa） n 气源压力气源压力为为1.49.81104Pa n

48、（大功率（大功率2.49.81104Pa) n这种转换可用来直接推动气动执行机构或作较远距离的传送这种转换可用来直接推动气动执行机构或作较远距离的传送 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 57 2021-7-6 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 3.4 执行器和防爆栅 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 58 2021-7-6 图 电/气阀门定位器 1力矩马达；2主杠杆；3平衡弹簧；4反馈凸轮支点；5反馈凸轮； 6副杠杆；7副杠杆支点；8薄膜执行机构；9反馈杆；10滚轮； 11反馈弹簧；12调零弹簧；13挡板；14喷嘴；15主杠杆支点 过程控制装置及系统设计过程

49、控制装置及系统设计 3.4 执行器和防爆栅 n电气阀门定位器一方面具有电气转换器的作用，可用电气阀门定位器一方面具有电气转换器的作用，可用 电动控制器输出的电动控制器输出的010mA或或420mA信号去操纵气信号去操纵气 动执行机构；另一方面还具有气动阀门定位器的作用，动执行机构；另一方面还具有气动阀门定位器的作用， 可以使阀门位置按控制器送来的信号可以使阀门位置按控制器送来的信号准确定位准确定位（即输（即输 入信号与阀门位置呈一一对应关系）。同时，改变图入信号与阀门位置呈一一对应关系）。同时，改变图 中反馈凸轮中反馈凸轮5的形状或安装位置，还可以改变控制阀的形状或安装位置，还可以改变控制阀

50、的流量特性和实现正、反作用。的流量特性和实现正、反作用。 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 59 2021-7-6 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 3.4 执行器和防爆栅 n动作原理：动作原理：当信号电流通入力矩马达当信号电流通入力矩马达1的线圈时，它与的线圈时，它与 永久磁钢作用后，对主杠杆永久磁钢作用后，对主杠杆2产生一个力矩，于是挡板产生一个力矩，于是挡板 13靠近喷嘴靠近喷嘴14，经放大器放大后，送入薄膜气室使杠，经放大器放大后，送入薄膜气室使杠 杆向下移动，并带动反馈杆杆向下移动，并带动反馈杆9绕其支点绕其支点4转动，连在同一转动，连在同一 轴上的反馈凸轮也

51、作逆时针方向转动，通过滚轮使副杠轴上的反馈凸轮也作逆时针方向转动，通过滚轮使副杠 杆杆6绕其支点偏转，拉伸反馈弹簧绕其支点偏转，拉伸反馈弹簧11。 n当反馈弹簧对主杠杆的拉力与力矩马达作用在主杠杆上当反馈弹簧对主杠杆的拉力与力矩马达作用在主杠杆上 的力两者力矩平衡的力两者力矩平衡时，仪表达到平衡状态。此时，一定时，仪表达到平衡状态。此时，一定 的信号电流就对应于一定的阀门位置。的信号电流就对应于一定的阀门位置。 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 60 2021-7-6 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 3.4 执行器和防爆栅 【特别提示特别提示】 n1.执行机构选择的主

52、要考虑因素：执行机构选择的主要考虑因素： 执行机构选择的主要考虑因素是：执行机构选择的主要考虑因素是： 可靠性；可靠性； 经济性；经济性； 动作平稳、足够的输出力矩；动作平稳、足够的输出力矩； 结构简单、维护方便。结构简单、维护方便。 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 61 2021-7-6 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 3.4 执行器和防爆栅 n2.电动执行机构与气动执行机构的选择比较：电动执行机构与气动执行机构的选择比较： （1）气动执行机构简单可靠；）气动执行机构简单可靠； 老式电动执行机构可靠性差是它过去的一贯弱点，老式电动执行机构可靠性差是它过去的一贯弱点

53、， 然而在然而在 90 年代电子式执行机构的发展彻底解决了年代电子式执行机构的发展彻底解决了 这一问题，可以在这一问题，可以在 510年内免维修，它的可靠性年内免维修，它的可靠性 甚至超过了气动执行机构。甚至超过了气动执行机构。 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 62 2021-7-6 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 3.4 执行器和防爆栅 （2）驱动源）驱动源 气动执行机构的最大不足就是需别设置气源站，增气动执行机构的最大不足就是需别设置气源站，增 加了费用；电动阀的驱动源随地可取。加了费用；电动阀的驱动源随地可取。 （3）价格方面）价格方面 气动执行机构必须附加阀

54、门定位器，再加上气源，气动执行机构必须附加阀门定位器，再加上气源， 其费用与电动阀不相上下（进口电气阀门定位器与其费用与电动阀不相上下（进口电气阀门定位器与 进口电子式执行机构价格相当；国产定位器与国产进口电子式执行机构价格相当；国产定位器与国产 电动执行器不相上下）。电动执行器不相上下）。 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 63 2021-7-6 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 3.4 执行器和防爆栅 n（4）推力和刚度：两者相当。）推力和刚度：两者相当。 n（5）防火防爆：）防火防爆：“气动执行机构气动执行机构 + 电气阀门定电气阀门定 位器位器”略好于电动执行机

55、构。略好于电动执行机构。 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 64 2021-7-6 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 3.4 执行器和防爆栅 n3.4.2 防爆栅防爆栅 n在某些生产现场存在着各种易燃、易爆气体或蒸在某些生产现场存在着各种易燃、易爆气体或蒸 汽，或存在有爆炸性粉尘、易燃纤维等，它们与汽，或存在有爆炸性粉尘、易燃纤维等，它们与 空气混合或接触即具有爆炸危险，使其周围空间空气混合或接触即具有爆炸危险，使其周围空间 成为具有不同程度爆炸危险的扬所。安装在这种成为具有不同程度爆炸危险的扬所。安装在这种 危险场所的现场仪表（如变送器或执行器）如果危险场所的现场仪表

56、（如变送器或执行器）如果 产生火花，就容易引起燃烧或爆炸。产生火花，就容易引起燃烧或爆炸。 n因此，因此，安装在危险场所的现场仪表应具有防爆性安装在危险场所的现场仪表应具有防爆性 能。能。 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 65 2021-7-6 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 3.4 执行器和防爆栅 n气动仪表从本质上说具有防爆性能，过去在石油、气动仪表从本质上说具有防爆性能，过去在石油、 化工等工业部门几乎都采用气动仪表。化工等

57、工业部门几乎都采用气动仪表。 n后来，随着工业的大型化、复杂化以及对自动化要后来，随着工业的大型化、复杂化以及对自动化要 求的相应提高，电动仪表和装置占据了绝对的统治求的相应提高，电动仪表和装置占据了绝对的统治 地位，这种发展的关键技术之一是现场仪表及整个地位，这种发展的关键技术之一是现场仪表及整个 系统的系统的防爆问题防爆问题的解决。的解决。 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 69 2021-7-6 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 3.4 执行器和防爆栅 n1危险场所危险场所 n我国在我国在1987年公布的年公布的爆炸危险场所电气安全规爆炸危险场所电气安全规 程程（

58、试行）将爆炸危险场所划分为（试行）将爆炸危险场所划分为两种五级两种五级。 n1）第一种场所）第一种场所 n第一种场所指爆炸性气体或可燃蒸汽与空气混合第一种场所指爆炸性气体或可燃蒸汽与空气混合 形成爆炸性气体温合物的场所。形成爆炸性气体温合物的场所。按其危险程度的按其危险程度的 大小分为大小分为三个区域等级三个区域等级。 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 70 2021-7-6 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 3.4 执行器和防爆栅 n（1）0级区域（级区域（0区）：区）：在正常情况下，爆炸性在正常情况下，爆炸性 气体混合物连续地、短时间频繁地出现或长时间气体混合物连续

59、地、短时间频繁地出现或长时间 存在的场所。存在的场所。 n（2）1级区域（级区域（1区）：区）：在正常情况下，爆炸性在正常情况下，爆炸性 气体温合物有可能出现的场所。气体温合物有可能出现的场所。 n（3）2级区域（级区域（2区）：区）：在正常情况下，爆炸性在正常情况下，爆炸性 气体混合物不能出现，仅在不正常情况下偶尔短气体混合物不能出现，仅在不正常情况下偶尔短 时间出现的场所。时间出现的场所。 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 71 2021-7-6 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 3.4 执行器和防爆栅 n2）第二种场所）第二种场所 n第二种场所指爆炸性粉尘或易燃纤

60、维与空气混合第二种场所指爆炸性粉尘或易燃纤维与空气混合 形成爆炸性混合物的场所。形成爆炸性混合物的场所。按其危险程度的大小按其危险程度的大小 分为分为二个区域等级二个区域等级。 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 72 2021-7-6 过程控制装置及系统设计过程控制装置及系统设计 3.4 执行器和防爆栅 n（1）10级区域（级区域（10区）：区）：在正常情况下，爆炸在正常情况下，爆炸 性粉尘或易燃纤维与空气的混合物可能连续地、性粉尘或易燃纤维与空气的混合物可能连续地、 短时间频繁地出现或长时间存在的场所。短时间频繁地出现或长时间存在的场所。 n（2）11圾区域（圾区域（11区）：区