过程控制仪表PPT课件

1、l执行机构： 将调节器的输出信号转换为位移信号。 （驱动） l调节机构：将位移信号转换成流通截面积的变化。 （阀芯）执行器的组成：执行器的组成： 第1页/共76页 它由膜片、阀杆和平衡弹簧等组成，是执行器的推动装置。它接受气动调节器或电/气转换器输出的气压信号，经膜片转换成推力并克服弹簧力后，使阀杆产生位移，带动阀芯动作。 1-上盖 2膜片 3一平衡弹簧 4一阀杆 5阀体 6阀座 7阀芯 1. 气动执行机构第2页/共76页气动执行机构有正作用和反作用两种形式: :当输入气压信号增加时阀杆向下移动时称正作用；当输入气压信号增加时阀杆向上移动时称反作用。在工业生产中口径较大的调节阀通常采用正作用方

2、式。 lKAp 气动薄膜执行机构的静态特性表示平衡状态时输入的气压p与阀杆位移l的关系，即 A为膜片的有效面积；K为平衡弹簧的弹性系数 气动执行机构的动态特性可近似成一阶惯性环节，其惯性的大小取决于膜头空间的大小与气管线的长度和直径。 第3页/共76页气动执行机构（补充参考）第4页/共76页2. 电动执行机构 （不考） 电动执行机构根据配用的调节机构不同，其输出方式有直行程、角行程和多转式三种类型，其电气原理完全相同，仅减速器不一样。 电动执行机构的组成框图 =K Ii （电动执行器可看成比例环节）。 第5页/共76页伺服放大器原理图 第6页/共76页校正网络原理图 第7页/共76页（1） 直

3、通单座阀直通单座阀流体对阀芯的不平流体对阀芯的不平衡作用力大。一般用在小衡作用力大。一般用在小口径、低压差的场合。口径、低压差的场合。q结构简单、泄漏量小。结构简单、泄漏量小。3调节机构调节机构 调节机构就是阀门，是一个调节机构就是阀门，是一个局部阻力可以改变局部阻力可以改变的节流元件的节流元件。通过改变阀芯的行程可以改变调节阀。通过改变阀芯的行程可以改变调节阀的阻力系数，达到控制流量的目的。的阻力系数，达到控制流量的目的。第8页/共76页正装阀正装阀阀芯下移时，阀芯与阀阀芯下移时，阀芯与阀座间的流通截面积增大座间的流通截面积增大阀门中的柱式阀芯可以正装，也可以反装。阀门中的柱式阀芯可以正装，

4、也可以反装。 反装阀反装阀阀芯下移时，阀芯与阀阀芯下移时，阀芯与阀座间的流通截面积减小座间的流通截面积减小第9页/共76页（2 2） 直通双座阀直通双座阀 阀体内有两个阀芯和阀座。阀体内有两个阀芯和阀座。q流体流过时，作用在上、下两个阀芯上的推流体流过时，作用在上、下两个阀芯上的推力方向相反且大小相近，可以互相抵消，所以不平力方向相反且大小相近，可以互相抵消，所以不平衡力小。衡力小。q但是，由于加工的但是，由于加工的限制，上下两个阀芯阀限制，上下两个阀芯阀座不易保证同时密闭，座不易保证同时密闭，因此泄漏量较大。因此泄漏量较大。第10页/共76页（3）角形控制阀角形控制阀两个接管呈直角形，一般为

5、底进侧出，两个接管呈直角形，一般为底进侧出，这种阀的这种阀的流路简单、对流体的阻力较小。流路简单、对流体的阻力较小。q适用于现场管道适用于现场管道要求直角连接，介质要求直角连接，介质为高粘度、高压差和为高粘度、高压差和含有少量悬浮物和固含有少量悬浮物和固体颗粒状的场合。体颗粒状的场合。 第11页/共76页（4 4） 三通控制阀三通控制阀 有三个出入口与工艺管道连接。流通方式有合有三个出入口与工艺管道连接。流通方式有合流型（两种介质混合成一路）和分流型（一种介质流型（两种介质混合成一路）和分流型（一种介质分成两路）两种。适用于配比控制与旁路控制。分成两路）两种。适用于配比控制与旁路控制。第12页

6、/共76页（5）隔膜控制阀隔膜控制阀 采用耐腐蚀材料作采用耐腐蚀材料作隔膜，将阀芯与流体隔隔膜，将阀芯与流体隔开。开。q结构简单、流阻小、流通能力比同口径的其他结构简单、流阻小、流通能力比同口径的其他种类的阀要大。由于介质用隔膜与外界隔离，故无填种类的阀要大。由于介质用隔膜与外界隔离，故无填料，介质也不会泄漏。料，介质也不会泄漏。q耐腐蚀能力强，适用于强酸、强碱、强腐蚀性耐腐蚀能力强，适用于强酸、强碱、强腐蚀性介质的控制，也能用于高粘度及悬浮颗粒状介质的控介质的控制，也能用于高粘度及悬浮颗粒状介质的控制。制。 第13页/共76页q适用于大口径、适用于大口径、大流量、低压差的场大流量、低压差的场

7、合，也可以用于含少合，也可以用于含少量纤维或悬浮颗粒状量纤维或悬浮颗粒状介质的控制。介质的控制。（6）蝶阀蝶阀又名翻板阀。又名翻板阀。结构简单、重量轻、流阻极小，但泄漏量大。结构简单、重量轻、流阻极小，但泄漏量大。第14页/共76页第15页/共76页气动执行器的应用1. 调节阀的尺寸 通常用公称直径Dg和阀座直径dg表示，它们的确定是合理应用执行器的前提条件。确定调节阀尺寸的主要依据是流通能力，它定义为调节阀全开、阀前后压差为0.1MPa、流体重度为1g/cm3时，每小时通过阀门的流体流量（m3或kg）。 当流体为不可压缩时，通过调节阀的体积流量为: 0122()VgqAppr为流量系数，它取

8、决于调节阀的结构形状和流体流动状况，可从有关手册查阅或由实验确定；A0为调节阀接管截面积；g为重力加速度；r为流体重度。 第16页/共76页依据流通能力的定义，则有 gAC20流通能力C与调节阀的结构参数有确定的对应关系。这就是确定调节阀尺寸的理论依据。 可得流通能力与流体重度、阀前后压差和介质流量三者的定量关系，即 VrCqp第17页/共76页maxqpmaxCmaxC调节阀尺寸的确定过程为：根据通过调节阀的最大流量，r流体重度以及调节阀的前后压差，先由上式求得最大的流通能力，然后选取大于即可依据表32确定出Dg和dg的大小。 的最低级别的C值，公称直径Dg(mm)202532405065阀

9、门直径dg(mm)245678101215202532405065流通能力C单座阀0.080.120.200.320.500.801.22.03.25.0812203256双座阀1016254063公称直径Dg(mm)80100125150200250300阀门直径dg(mm)80100125150200250303流通能力C单座阀80120200280450双座阀10016025040063010001600表3-2 调节阀流通能力C与其尺寸的关系 第18页/共76页序号序号执行机构执行机构作用方式作用方式阀体作用阀体作用方式方式执行器气开、执行器气开、气关形式气关形式a正正正正气关气关b正

10、正反反气开气开c反反正正气开气开d反反反反气关气关2. 执行器的“气开、气关” 方式“气”指输入到执行机构的信号“气开” 表示输入到执行机构的信号增加时，流过执行器的流量增加“气关” 表示输入到执行机构的信号增加时，流过执行器的流量减小第19页/共76页选择调节阀的气开、气关形式 所谓气开式，即当信号压力增加时，阀门开大；气关式则相反，即信号压力增加时，阀门关小。 考虑事故状态时人身、工艺设备的安全； 考虑在事故状态下减少经济损失，保证产品质量。第20页/共76页 给水阀给水阀燃气阀燃气阀蒸汽蒸汽例如锅炉：例如锅炉： 选择蒸汽锅炉的控选择蒸汽锅炉的控制阀门时，为保证失控制阀门时，为保证失控状态

11、下锅炉的安全：状态下锅炉的安全： 给水阀应选气关式给水阀应选气关式 燃气阀应选气开式燃气阀应选气开式阀门气开气关式的选择原则：v工艺生产的安全工艺生产的安全（当控制信号中断时，阀门的复位位置能使工（当控制信号中断时，阀门的复位位置能使工艺设备处于安全状态。）艺设备处于安全状态。）第21页/共76页其他一般场合 阀门的选择： 气源中断或电源中断时，进入装置的原料、热源应切断：进料阀选气开切断装置向外流出产品： 出料阀选气开精馏塔回流应打开： 回流阀选气关第22页/共76页说明几点 ： 简单控制系统框图中的各个信号都是增量。图中的箭头表示信号的流向，并非物流或能流的方向。 各环节的增益有正、有负。

12、当该环节的输入增加时，其输出增加，则该环节的增益为正，反之，如果输出减小则增益为负。 对象的增益有正、有负。例如：加热系统的增益为正、冷却系统的增益为负； 气开阀的增益为正、气关阀的增益为负； 正作用控制器的增益为负，反作用控制器的增益为正； 检测变送器的增益一般为正。 通过调整控制器的正反作用来保证系统为负反馈。第23页/共76页调节阀的阀芯位移与流量之间的关系，对控制调节阀的阀芯位移与流量之间的关系，对控制系统的调节品质有很大影响。系统的调节品质有很大影响。流量特性的定义：流量特性的定义：被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开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

13、称为调节阀的流量特性。度（相对位移）间的关系称为调节阀的流量特性。max( )qlfqLq/qmax 相对流量相对流量 l/L 相对开度相对开度 3 调节阀的流量特性第24页/共76页 相对流量相对流量q/qmax 是控制阀某一开是控制阀某一开度流量度流量q与全开时流量与全开时流量qmax之比；之比； 相对开度相对开度l/L 是控制阀某一开度是控制阀某一开度行程行程l与全开行程与全开行程L之比。之比。 调节阀的流量特性不仅与阀门调节阀的流量特性不仅与阀门的结构和开度有关，还与阀前后的的结构和开度有关，还与阀前后的压差有关压差有关，必须分开讨论。，必须分开讨论。max( )qlfqLlq第25页

14、/共76页为了便于分析，先将阀前后压差固定，然后为了便于分析，先将阀前后压差固定，然后再引伸到实际工作情况，于是有再引伸到实际工作情况，于是有固有流量特性固有流量特性与与工作流量特性工作流量特性之分。之分。1、固有（理想）理想）流量特性在将控制阀前后压差固定时得到的流量特性在将控制阀前后压差固定时得到的流量特性称为称为固有流量特性。它流量特性。它取决于阀芯的形状取决于阀芯的形状。（a）快开特性（b）直线特性（c）等百分比特性第26页/共76页（1）直线流量特性直线流量特性控制阀的相对流量与相对开度成直线关系，即控制阀的相对流量与相对开度成直线关系，即单位位移变化所引起的流量变化是常数。用数学式

15、单位位移变化所引起的流量变化是常数。用数学式表示为：表示为：Klldqqdmaxmaxminmaxmaxmax1qqlKCCKCqlq 积分C为积分常数 第27页/共76页可调比可调比R为调节阀所能控制的为调节阀所能控制的最大流量与最小流量的比值。最大流量与最小流量的比值。放大系数放大系数K为常数，不随为常数，不随Q的变化而变化。的变化而变化。国产阀门的可调比国产阀门的可调比R=30。maxmax11(1)qlqRlRmaxmin1qRqC第28页/共76页%10Ll13. 0maxQQ%20Ll23. 0maxQQ流量的相流量的相对变化量对变化量%75%10013. 013. 023. 0小

16、开度时，流量相对变化量太大，灵敏度高，小开度时，流量相对变化量太大，灵敏度高，控制作用太强，加剧振荡，易产生超调。控制作用太强，加剧振荡，易产生超调。LlRRQQ)11 (1max30Rv直线阀的流量放大系数在任何一点上都是相同直线阀的流量放大系数在任何一点上都是相同的，但其对流量的控制力却是不同的。的，但其对流量的控制力却是不同的。 控制力：阀门开度改变时，相对流量的改变比值。控制力：阀门开度改变时，相对流量的改变比值。 第29页/共76页%50Ll517. 0maxQQ%60Ll613. 0maxQQ流量的相对变化量流量的相对变化量%19%100517. 0517. 0613. 0%80L

17、l806. 0maxQQ%90Ll903. 0maxQQ流量的相对变化量流量的相对变化量%11%100806. 0806. 0903. 0大开度时，流量相对变化量太小，调节作用大开度时，流量相对变化量太小，调节作用弱，调节缓慢。不适于负荷变化大的过程弱，调节缓慢。不适于负荷变化大的过程第30页/共76页直线流量特性%5 .12%100808090%20%100505060%100%100101020)/()/(max KLldQQd第31页/共76页直线流量特性特点 阀心相对开度变化所引起的流量变化是相等的 流量相对变化量（流量变化量与原有流量之比）是不同的： 在小开度时，流量相对变化量大；

18、在大开度时，其流量相对变化最小。 直线流量特性调节阀在小开度时，控制作用强，易引起振荡；在大开度时，控制作用弱，控制缓慢。 第32页/共76页单位相对行程变化所引起的相对流量变化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正比关系：与此点的相对流量成正比关系： 放大系数与流量成正比，随q的增加，放大系数增大 流量的对数lnq与行程l 成正比，故称为对数特性 行程增加相同间隔，流量增加相同的百分比，故称为等百分比特性。VKqqKlldqqdmax1maxmax1max1maxlnCllKqq（2） 等百分比（对数）流量特性1maxmaxllRqq第33页/共76页对数流量特性对数流量特

19、性在不同的开度下具有同样的动作灵敏度，在不同的开度下具有同样的动作灵敏度，适合于负荷变化较大的过程，广泛应用。适合于负荷变化较大的过程，广泛应用。%20%10Ll%60%50Ll%90%80Ll流量的相流量的相对变化量对变化量%401 . 01 . 02 . 0QQQ%405 . 05 . 06 . 0QQQ%408 . 08 . 09 . 0QQQ第34页/共76页对数流量特性maxmax)/()/(QQKLldQQd流量相对变化值是相等的。故称为等百分比特性第35页/共76页对数（等百分比）流量特性 其数学表达式 行程变化相同的百分数，流量在原来基础上变化的相对百分数是相等的，即具有等百分

20、比流量特性。 对数（等百分比）流量特性特点： 调节阀在小开度时，控制缓和平稳 调节阀在大开度时，控制及时有效。1maxmaxllRqq第36页/共76页开度较小时就有较大流量，随开度的增大，流量很快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，故称为快开特性。适用于迅速启闭的切断阀或就达到最大，故称为快开特性。适用于迅速启闭的切断阀或双位控制系统。双位控制系统。1max2maxmaxqqKlldqqd2/1max2max1) 1(1llRRqq积分 放大系数与q成反比，q增加，放大系数减小 q小时，放大系数大，上升快，因此称为快开特性（3）快开特性第37页/共76页第38页/共76

21、页2、调节阀的工作流量特性 实际应用时，调节阀两端的压差是变化的，此时调节阀的相对流量与相对开度之间的关系称为工作流量特性。 为衡量调节阀实际工作流量特性相对于理想流量特性的变化程度，用阻力比系数S来表示：ppSvmin第39页/共76页如图，管道系统总压力如图，管道系统总压力P等于管路系统的压降等于管路系统的压降PG与控与控制阀的压降制阀的压降PV之和。之和。 1) 管道串联时的工作流量特性可看出：调节阀全关时阀上压力最大，基本等于系统总压力；调节阀全开时阀上压力降至最小。第40页/共76页为了表示调节阀两端压差为了表示调节阀两端压差PV的变化范围，以阀权度的变化范围，以阀权度s表示调节阀全开时，表示调节阀全开时，阀前后最小压差阀前后最小压差PVmin与总压力与总压力 P之之比。比。压降比：压降比：VminV