化工仪表自动化第5章_过程执行仪表

1、1书名:过程控制系统及仪表(第3版)出版社: 大连理工大学出版社; 第3版 (2010年7月1日) 编著者：李亚芬；主审：邵诚, 丛书名: 高等学校理工科化学工类规划教材 平装: 259页; 语种: 简体中文 开本: 16 ISBN: 9787561115015, ISBN：7-5611-1501-6 条形码: 9787561115015 尺寸: 25.6 x 18.2 x 1.2 cm 重量: 522 g 原价:25.00元2课程小结过程执行仪表：过程执行仪表：o 了解执行器的基本组成；了解执行器的基本组成；o 掌握气动执行器的气开、气关概念；掌握气动执行器的气开、气关概念；o 理解控制阀的

2、流量系数、可调比和流量理解控制阀的流量系数、可调比和流量特性的概念特性的概念；o 了解电气转化器，阀门定位器的作用。了解电气转化器，阀门定位器的作用。3第第5章章 过程执行仪表过程执行仪表 5-1 概述概述 o 过程执行仪表，简称过程执行仪表，简称执行器执行器。o 执行器是自动控制系统的终端执行执行器是自动控制系统的终端执行部件，其作用是接受控制器送来的部件，其作用是接受控制器送来的控制信号，并根据信号的大小直接控制信号，并根据信号的大小直接改变操纵量，从而达到对被控变量改变操纵量，从而达到对被控变量进行控制的目的。进行控制的目的。o 在连续生产过程中，使用最多的在连续生产过程中，使用最多的

3、执行器就是各种执行器就是各种调节阀调节阀。4p 执行器由执行器由执行机构执行机构和和调节机构调节机构组成。组成。p执行机构执行机构：是执行器的推动装：是执行器的推动装置，根据控制信号的大小，产生置，根据控制信号的大小，产生相应的推力或扭矩，从而使调节相应的推力或扭矩，从而使调节机构产生相应的开度变化。机构产生相应的开度变化。p调节机构调节机构：是执行器的调节部：是执行器的调节部件，直接与被控介质接触，当其件，直接与被控介质接触，当其开度发生变化时，被控介质流量开度发生变化时，被控介质流量将被改变，从而实现自动控制。将被改变，从而实现自动控制。5p 执行器的分类：执行器的分类：执行器按其所使用的

4、能源，可分为： 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。p 在实际应用中，使用最多的是气动执行器，其次是电动执行器，最少的是液动执行器。p 气动执行器是以压缩空气为能源的执行器。使用最多的是气动薄膜执行器气动薄膜执行器，如图所示。6这类执行器具有结构简单、动作可靠、安装方便及本质防爆等特点，而且价格较为便宜。气动薄膜执行器气动薄膜执行器由气动薄膜执行由气动薄膜执行机构机构和调节机构调节机构两部分构成。7p 电动执行器是以电为能源的执行器。 与气动执行器比较，具有能源取用方便、信号传输速度快、传递距离远、灵敏度及精度高等特点。 结构复杂、不易于维护、防爆性能不

5、如气动执行器。p液动执行器是以加压液体为能源的执行器，使用较少。8 5-2 执行机构执行机构一、气动执行机构一、气动执行机构p气动执行机构分类：气动执行机构分类：薄膜式执行机构活塞式执行机构长行程执行机构滚筒膜片式执行机构91、薄膜执行机构、薄膜执行机构p 执行机构按动作方执行机构按动作方式可分为正作用和式可分为正作用和反作用：反作用： 输入信号增大，输入信号增大，阀杆下移，为阀杆下移，为正作正作用阀用阀； 输入信号增大，输入信号增大，阀杆上移，为阀杆上移，为反作反作用阀用阀。10输入信输入信号增大，号增大，阀杆下阀杆下移，为移，为正作用正作用阀阀；输入信号输入信号增大，阀增大，阀杆上移，杆上

6、移，为为反作用反作用阀阀。11气动薄膜调节阀输入与输出关系表示为：气动薄膜调节阀输入与输出关系表示为：p薄膜执行机构工作原理：薄膜执行机构工作原理：工作原理：行程与输入气压信号成正比。工作原理：行程与输入气压信号成正比。122、活塞式执行机构p活塞式执行机构的最大操作压力可达500kPa，因此具有较大的推力。主要做大口径、高静压、高压差阀和蝶阀等的推动装置。p活塞式执行机构的结构如图所示。13p活塞式执行机构活塞式执行机构正作用正作用反作用反作用14二、电动执行机构p电动执行机构按其输出形式可分为角行程角行程和直行程直行程执行机构两大类。p角行程角行程将控制信号转换为输出轴的转角输出轴的转角输

7、出。p直行程直行程将控制信号转换为输出轴的直线位移输出轴的直线位移输出。15o 角行程电动执行机构原理角行程电动执行机构原理电动执行机构由电动执行机构由伺服放大器伺服放大器和和执行机构执行机构两部分组成。执两部分组成。执行机构又包括两相伺服电动机、减速器和位置发送器。行机构又包括两相伺服电动机、减速器和位置发送器。165-3 调节机构调节机构p 调节机构，也称作阀组件，调节机构，也称作阀组件，简称为阀简称为阀，是一个局部阻，是一个局部阻力可以改变的节流部件。力可以改变的节流部件。p 调节机构是按照节流原理调节机构是按照节流原理来工作的。来工作的。阀阀17o 阀的流量特性方程可表示为：阀的流量特

8、性方程可表示为：122()ppAQ32123/kg /mQmsmp pPa流体体积流量，；A -阀的接管截面积， ；，阀前后压力， ；流体密度，；阻力系数。o 调节流量原理调节流量原理： 当阀结构确定，接管截面积当阀结构确定，接管截面积也一定，并假设阀前后压差也一定，并假设阀前后压差（p1-p2）不变时，流过）不变时，流过阀的流量阀的流量Q仅随阻力系数变仅随阻力系数变化。阀芯与阀座之间的流通化。阀芯与阀座之间的流通截面积发生变化，改变了阀截面积发生变化，改变了阀的阻力系数。的阻力系数。 当阀开度增大时，阻力当阀开度增大时，阻力系数减小，流量系数减小，流量Q增大；增大； 当阀开度减小时，阻力当阀

9、开度减小时，阻力系数增大，流量系数增大，流量Q减小。减小。181、直通双座阀、直通双座阀阀体内有两个阀芯和阀体内有两个阀芯和两个阀座。两个阀座。19 阀芯可以正装或者阀芯可以正装或者反装，如图所示。反装，如图所示。 正装正装：阀芯下移，阀芯下移，流通面积减小；流通面积减小； 反装反装：阀芯下移，阀芯下移，流通面积增大流通面积增大20p气开气开：是指随着执行器输入信号的增大，阀的流通：是指随着执行器输入信号的增大，阀的流通截面积也增大；截面积也增大；p气关气关：是指随着执行器输入信号的增大，阀的流通：是指随着执行器输入信号的增大，阀的流通截面积减小。截面积减小。利用执行机构的正、反作用和调节机构

10、阀芯的正、利用执行机构的正、反作用和调节机构阀芯的正、反装来实现执行器的气开或气关。有四种组合方式，反装来实现执行器的气开或气关。有四种组合方式，如图所示。如图所示。气开、气关概念气开、气关概念21四种组合四种组合反作用反作用反作用反作用正作用正作用正作用正作用气关式气关式气开式气开式反装阀反装阀正装阀正装阀P入入P入入P入入P入入QQQQ222、直通单座阀、直通单座阀只有一个阀芯和一个阀只有一个阀芯和一个阀座，其他结构与直通双座，其他结构与直通双座阀相似。座阀相似。233、其他结构形式的调节机构、其他结构形式的调节机构24二、流量系数二、流量系数p流量系数的定义流量系数的定义：在给定行程下，

11、阀前后压差为100kPa，流体的密度为1000kg/m3的条件下，每小时流经阀的流体流量数。通常用Kv来表示。p在工程中，常以阀全开时的最大流量系数Kmax来表示Kv值，称为额定流量系数。例：阀标注的Kv为20，则表示阀全开且阀前后压差为100kPa时，每小时能通过的纯水量为20m325123412122 ()2 () 1010360016.116.110016.15.091000vppAQppAQppAApAAK在实际应用时，在实际应用时，A的单位通常取的单位通常取cm2，p1，p2的单位取的单位取kPa，Q的单位为的单位为m3/h，其它不变。，其它不变。10vpQKp流量方程与流量系数的关

12、系流量方程与流量系数的关系26o 可调比:指阀所能控制的最大流量与最小流量之比。o 通常，可调比用 R 表示，即：三、可调比三、可调比271、理想可调比：阀前后压差不变时。、理想可调比：阀前后压差不变时。maxmamaxminminxmin1010vvvvpKQQpKKRK理性可调比等于最大流量系数与最小流量系数之比。理性可调比等于最大流量系数与最小流量系数之比。统一设计时，统一设计时，R=30282、实际可调比、实际可调比p阀在实际使用时常与管道串联或者与旁路系统并阀在实际使用时常与管道串联或者与旁路系统并联，联，压差变化压差变化，此时的可调比称为，此时的可调比称为实际可调比实际可调比。用。

13、用Rr表示。表示。串联管道系统可调比串联管道系统可调比并联管道系统可调比并联管道系统可调比291minmaxmax1minmin1max1maxmin1010vrvpKQpRRQppKp对于串联管道系统可调比：对于串联管道系统可调比：p1min：阀在最大开度时的阀前后压差；：阀在最大开度时的阀前后压差；p1max：阀在最小开度时的阀前后压差；：阀在最小开度时的阀前后压差；30RrR SminPSPS为阀全开时，阀前后压差与为阀全开时，阀前后压差与系统总压差之比，所以：系统总压差之比，所以：结论：随着结论：随着S的减小，实际可的减小，实际可调比将减小，阀的控制能力将调比将减小，阀的控制能力将下降

14、。下降。阀在最小开度时的阀前后压差阀在最小开度时的阀前后压差p1max，约等于总压差，约等于总压差p；max1minminrQpRRQp令：令：31p 对于并联管道系统可调比：对于并联管道系统可调比： Q1max，Q1min：阀能控制的最大，最小流量；：阀能控制的最大，最小流量；Q2：旁路流量；：旁路流量；总管最大流量总管最大流量Qmax:max21maxQQQ1max2max1maxmaxmax(1)QQQQQQ 32(1)rRRRRxmax1minx QQR1max2max1maxmaxmax(1)QQQQQQx为控制阀全开时，流经阀的为控制阀全开时，流经阀的最大流量与总管流量之比。最大流

15、量与总管流量之比。结论：随着结论：随着x的减小，实际可的减小，实际可调比将大大减小，阀的控制能调比将大大减小，阀的控制能力将下降。力将下降。令：令：1maxmaxQxQ33四、流量特性四、流量特性o 阀的流量特性阀的流量特性:是指介质流过阀的相对流量与阀芯是指介质流过阀的相对流量与阀芯相对位移之间的关系。即相对位移之间的关系。即:341理想流量特性理想流量特性理想流量特性：理想流量特性：阀前后压差不变时的流量特性，称为阀前后压差不变时的流量特性，称为理想流量特性；理想流量特性；p 理想流量特性主要有直线、等百分比（对理想流量特性主要有直线、等百分比（对数）、抛物线和快开四种。数）、抛物线和快开

16、四种。uK 阀的放大系数； un 常数，流量特性不同， n 取值不同。35(1)直线流量特性（直线流量特性（n=0）p直流流量特性指阀的相对流量与阀芯相对位移成直线关系。 即： 对上式积分，代入边界条件（ l=0 时，Q =Q min；l = L 时， Q = Qmax）， R = QmaxQmin,则可得：36上式表明 Q / Qmax与 l / L 呈直线关系 ,故称为直线流量特性。特性曲线如下图中特性曲线如下图中 所示：所示：37直线阀特点：直线阀特点：线性阀的放大系数不变。线性阀的放大系数不变。线性阀在小开度时，灵敏度高，调节作用强，线性阀在小开度时，灵敏度高，调节作用强，易产生振荡；

17、在大开度时，灵敏度低，调节作易产生振荡；在大开度时，灵敏度低，调节作用弱，调节缓慢。用弱，调节缓慢。2010*100%100%106050*100%20%509080*100%12.5%8038（）对数流量特性（）对数流量特性（n=1）p等百分比流量特性，是指阀的单位相对位移变化引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比，即： 对上式积分，代入边界条件（ l=0 时，Q =Q min；l = L 时， Q = Qmax）， R = QmaxQmin,则可得：maxmax(/)( / )d Q QQKd l LQ39上式表明 Q / Qmax 与 l / L 之间为对数关系，故也称为对数流量特性对

18、数流量特性。特性曲线如图中2所示。40对数阀的特点：对数阀的特点：o 等百分比阀在小开度时，阀的放大系数小，调节平等百分比阀在小开度时，阀的放大系数小，调节平稳；在大开度时，放大系数大，调节灵敏。稳；在大开度时，放大系数大，调节灵敏。o 相同位移变化所引起的流量变化百分比总是相等的。相同位移变化所引起的流量变化百分比总是相等的。因此，这种阀的调节精度在全行程范围内是不变的。因此，这种阀的调节精度在全行程范围内是不变的。412工作流量特性工作流量特性工作流量特性：工作流量特性：阀前后压差变化时的流量特性，阀前后压差变化时的流量特性，称为工作流量特性。称为工作流量特性。o 在实际工作中，阀是安装在

19、工艺管道系统中的，在实际工作中，阀是安装在工艺管道系统中的，阀前后压差通常是变化的。有时安装要求有旁路阀前后压差通常是变化的。有时安装要求有旁路阀，这就会影响到调节阀所能控制的总流量。阀，这就会影响到调节阀所能控制的总流量。o 在这种情况下在这种情况下, ,阀相对位移与相对流量之间的关阀相对位移与相对流量之间的关系称为工作流量特性。系称为工作流量特性。42（1）串联管道的工作流量特性）串联管道的工作流量特性 定义：定义：s为阀全开时阀前后压差与系统总压差之为阀全开时阀前后压差与系统总压差之比比 ， S = p1min p 43s值不同时流量特性如图所示。值不同时流量特性如图所示。串联管道将使阀

20、的流量特性发生畸变，串联管道将使阀的流量特性发生畸变，s值越小，情况越严重。值越小，情况越严重。实际实际s值不能太小，要求值不能太小，要求s值不低于值不低于 0.3 。s值减小值减小44(2) 并联管道工作流量特性并联管道工作流量特性定义：定义：x 为管道并联时阀全开流量与总管最大流量为管道并联时阀全开流量与总管最大流量之比，即之比，即 x =Q1max/ Qmax45x 值不同时的工作流量特性如图所示。值不同时的工作流量特性如图所示。随着旁路阀开启，阀本身流量特性变化不大。随着旁路阀开启，阀本身流量特性变化不大。一般要求一般要求x 值不能低于值不能低于 0.8 。 46结论：结论：o 串联和

21、并联管道的存在会对阀的理想串联和并联管道的存在会对阀的理想流量特流量特性性产生影响，串联管道影响更大。产生影响，串联管道影响更大。o 串联和并联管道的存在会使阀的串联和并联管道的存在会使阀的可调比可调比下降，下降，并联管道影响更严重。并联管道影响更严重。 o 串联和并联管道的存在对系统的串联和并联管道的存在对系统的总流量总流量有影有影响，串联管道使系统总流量减小，并联管道响，串联管道使系统总流量减小，并联管道使系统总流量增大。使系统总流量增大。47p1. 电电-气转换器气转换器电气转换器是将电动仪表的直流信号转换成气动仪表的气电气转换器是将电动仪表的直流信号转换成气动仪表的气动信号。动信号。例

22、：将调节器输出的直流信号例：将调节器输出的直流信号420mA转换成转换成0.020.1mpa气动信号。气动信号。5-4 电气转换器和阀门定位器电气转换器和阀门定位器482. 电电-气阀门定位器气阀门定位器p 阀门定位器与执行器配套，接受控制器的信号，阀门定位器与执行器配套，接受控制器的信号，输出去控制执行器。输出去控制执行器。p 作用：作用： 一是将电流信号转换成气压信号；一是将电流信号转换成气压信号； 二是可保证阀门的正确定位。二是可保证阀门的正确定位。4950内容简介过程控制系统及仪表(第3版)内容简介：过程控制系统的理论分析和设计需要较多的数学知识，自动化仪表在设计制造方面也有许多技术问

23、题值得探讨。但是，对于工艺技术人员来说，主要关心的问题是控制系统和仪表的基本原理及其应用特性。因此，过程控制系统及仪表(第3版)尽量避免繁杂的数学推导，力求用简明扼要的文字和插图使读者对所学知识有更多的定性了解，通俗易懂，这是过程控制系统及仪表(第3版)的另一个特色。过程控制系统和仪表涉及的领域十分广阔，研究内容也极其丰富。本着理论联系实际、学以致用的原则，过程控制系统及仪表(第3版)在取材方面，不追求包罗万象、面面俱到，而是力争把最基本、最常用的内容都包含进来。突出重点，注重实用是过程控制系统及仪表(第3版)的第三个特色。 第第3版版2010-07第第2版版出版日期：出版日期：2006-08

24、-01 51目录 第1篇 过程控制基础知识第1章 绪论1.1 生产过程自动化概述1.1.1 生产过程及其特点1.1.2 生产过程对控制的要求1.1.3 生产过程自动化的发展历程1.2 过程控制系统的组成及分类1.2.1 过程控制系统的组成1.2.2 过程控制系统的分类1.3 过程控制系统的方块图与工艺控制流程图1.3.1 过程控制系统的方块图1.3.2 过程控制系统的工艺控制流程图1.4 过程控制系统的过渡过程和性能指标1.4.1 过程控制系统的过渡过程1.4.2 过程控制系统的性能指标习题第2章 被控对象的特性2.1 概述2.1.1 基本概念2.1.2 被控对象的阶跃响应特性2.2 被控对象

25、特性的数学描述2.2.1 一阶对象的机理建模及特性分析2.2.2 二阶对象的机理建模及特性分析2.2.3 纯滞后对象的机理建模及特性分析2.3 被控对象的实验测试建模2.3.1 阶跃响应曲线的获取2.3.2 一阶纯滞后对象特性参数的确定2.3.3 二阶对象特性参数的确定习题 第2篇 过程自动化装置第3章 过程测量仪表 3.1 测量仪表中的基本概念3.1.1 测量过程及测量仪表3.1.2 检测系统的基本特性及性能指标 3.2 温度测量3.2.1 概述3.2.2 热电偶温度计3.2.3 热电阻温度计3.2.4 温度测量仪表的选用3.2.5 温度交迭器3.2.6 一体化温度变送器3.2.7 智能温度

26、变送器 3.3 压力测量3.3.1 概述3.3.2 弹性式压力表3.3.3 电容武压力变送器3.3.4 扩散硅压力变送器3.3.5 智能差压变送器3.3.6 压力表的选择和使用 3.4 流量测量3.4.1 概述3.4.2 差压式流量计3.4.3 容积式流量计3.4.4 浮子式流量计3.4.5 电磁流量计3.4.6 涡街流量计52 3.5 物位测量3.5.1 概述3.5.2 静压式液位计3.5.3 磁浮子式液位计3.5.4 电容武物位计3.5.5 其他物位测量仪表 3.6 显示仪表3.6.1 概述3.6.2 模拟式显示仪表3.6.3 数字式显示仪表3.6.4 智能化、数字化记录仪习题 第4章 过

27、程控制仪表4.1 基本控制规律4.1.1 位式控制4.1.2 比例控制4.1.3 比例积分控制4.1.4 比例微分控制4.1.5 比例积分微分控制4.2 DDZ一型调节器4.2.1 主要功能4.2.2 构成原理4.3 可编程调节器4.3.1 KMM可编程调节器的构成4.3.2 KMM可编程调节器的主要功能4.3.3 正面板和侧面板 4.4 可编程控制器4.4.1 可编程控制器的产生与发展4.4.2 可编程控制器的应用场合4.4.3 可编程控制器的构成、分类及工作过程4.4.4 可编程控制器的编程语言4.4.5 可编程控制器选型基本原则4.4.6 松下FPI可编程控制器习题第5章 过程执行仪表5

28、.1 概述5.2 执行机构5.2.1 气动执行机构5.2.2 电动执行机构5.3 调节机构5.3.1 常用调节机构及特点5.3.2 流量系数与可调比5.3.3 流量特性5.4 电一气转换器和阀门定位器5.4.1 电一气转换器5.4.2 阀门定位器的主要用途5.4.3 电一气阀门定位器习题53 第3篇 垃程控制系统 第6章 简单控制系统6.1 概述6.2 被控变量的选择6.3 操纵变量的选择6.3.1 对象静态特性对控制质量的影响6.3.2 对象动态特性对控制质量的影响6.3.3 选择操纵变量的原则6.4 控制系统中盼测量变送问题6.4.1 测量变送问题对控制质量的影响6.4.2 克服测量变送问

29、题的措施6.5 执行器的选择6.5.1 阀流量特性的选择6.5.2 执行器开闭形式的选择6.6 控制器的选择6.6.1 控制规律的选择6.6.2 控制器正反作用的确定6.7 控制系统的投运及控制器参数的整定6.7.1 控制系统的投运6.7.2 控制器参数的整定习题第7章 复杂控制系统7.1 串级控制系统7.1.1 串级控制系统的结构7.1.2 串级控制系统的工作过程7.1.3 串级控制系统的特点及应用场合7.1.4 串级控制系统设计中的几个问题7.1.5 串级控制系统的整定 7.2 比值控制系统7.2.1 概述7.2.2 比值控制系统的类型7.3 前馈控制系统7.3.1 概述7.3.2 前馈控制系统的结构形式7.3.3 前馈控制系统的应用7.4 均匀控制系统7.4.1 均匀控制问题的提出7.4.2 均匀控制的特点7.4.3 均匀控制系统的结构形式7.5