化工仪表及自动化(执行器)

1、化工仪表及自动化化工仪表及自动化第五章第五章 执行器执行器 内容提要内容提要n 气动执行器气动执行器n气动执行器的结构与分类气动执行器的结构与分类n控制阀的流量特性控制阀的流量特性n控制阀的选择控制阀的选择n气动执行器的安装和维护气动执行器的安装和维护n 电动执行器电动执行器n 电电- -气转换器及电气转换器及电- -气阀门定位器气阀门定位器n电电- -气转换器气转换器n电电- -气阀门定位器气阀门定位器1内容提要内容提要n 数字阀与智能控制阀数字阀与智能控制阀n数字阀数字阀n智能控制阀智能控制阀2概述概述3 接收控制器送来的控制信号，改变被控介质的流量，从而将被控变量维持在所要求的数值上或一

2、定的范围内。 p 气动执行器p 电动执行器p 液动执行器第一节第一节 气动执行器气动执行器4 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，推动控制机构动作，所以它是将信号压力的大小转换为阀杆位移的装置。 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。所以它是将阀杆的位移转换为流过阀的流量的装置。 第一节第一节 气动执行器气动执行器阀门定位器阀门定位器手轮机构手轮机构图5-1 气动执行器示意图5第一节第一节 气动执行器气动执行器n 一、气动执行器的结构与分类一、气动执行器的结构与分类6结构简单、价格便宜、维修方便，应用广泛。 推力较大，用于大口径、高压降控制阀或蝶阀的推动装

3、置。 行程长、转矩大，适于输出转角（6090）和力矩。 根据有无弹簧可分为有弹簧的及无弹簧的执行机构。根据有无弹簧可分为有弹簧的及无弹簧的执行机构。 结结构构第一节第一节 气动执行器气动执行器7根据不同的使用要求，控制阀的结构形式主要有以下几种。阀体内只有一个阀芯与阀座。结构简单、泄漏量小，易保证关闭，甚至完全切断。 在压差大的时候，流体对阀芯上下作用的推力不平衡，这种不平衡力会影响阀芯的移动。 图5-2 直通单座阀第一节第一节 气动执行器气动执行器8 阀体内有两个阀芯和阀座。 流体流过的时候，不平衡力小。 容易泄漏可分为正作用式与反作用式两种形式。 图5-3 直通双座阀第一节第一节 气动执行

4、器气动执行器 角形阀的两个接管呈直角形，一般为底进侧出。 流路简单、阻力较小，适于现场管道要求直角连接，介质为高黏度、高压差和含有少量悬浮物和固体颗粒状的场合。 图5-4 角形阀9第一节第一节 气动执行器气动执行器 共有三个出入口与工艺管道连接。 合流型和分流型两种 图5-5 三通阀10第一节第一节 气动执行器气动执行器11 采用耐腐蚀衬里的阀体和隔膜。 结构简单、流阻小、流通能力比同口径的其他种类的阀要大。不易泄漏。耐腐蚀性强，适用于强酸、强碱、强腐蚀性介质的控制，也能用于高黏度及悬浮颗粒状介质的控制。图5-6 隔膜阀注意执行机构须有足够的推力注意执行机构须有足够的推力 第一节第一节 气动执

5、行器气动执行器结构简单、重量轻、价格便宜、流阻极小。泄漏量大。 图5-7 蝶阀12第一节第一节 气动执行器气动执行器13 球阀的阀芯与阀体都呈球形体，转动阀芯使之与阀体处于不同的相对位置时，就具有不同的流通面积，以达到流量控制的目的。 “V”形和“O”形两种开口形式。 图5-8球阀图5-9球阀阀芯的形状第一节第一节 气动执行器气动执行器 阀芯呈扇形球面状，与挠曲臂及轴套一起铸成，固定在转动轴上。 密封性好。重量轻、体积小、安装方便，适用于高黏度或带有悬浮物的介质流量控制。图5-10凸轮挠曲阀14第一节第一节 气动执行器气动执行器15 可调比大、振动小、不平衡力小、结构简单、套筒互换性好，更换不

6、同的套筒可得到不同的流量特性，阀内部件所受的汽蚀小、噪声小，是一种性能优良的阀，特别适用于要求低噪声及压差较大的场合。 不适用高温、高黏度及含有固体颗粒的流体。 图5-11笼式阀第一节第一节 气动执行器气动执行器n 二、控制阀的流量特性二、控制阀的流量特性 是指被控介质流过阀门的相对是指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，即流量与阀门的相对开度（相对位移）间的关系，即 LlfQQmax16第一节第一节 气动执行器气动执行器17图5-12不同流量特性的阀芯形状1快开；2直线；3抛物线；4等百分比 在不考虑控制阀前后压差变化时得到的流量特性称为理想流量特性。它取决于阀芯

7、的形状 指控制阀的相对流量与相对开度成直线关系。KLldQQdmax（5-2）第一节第一节 气动执行器气动执行器CLlKQQmax18将（5-2）积分可得（5-3）：l=0时，Q=Qmin; l=L时Q=Qmax把边界条件代入式（5-3），可分别得RCKRQQC111,1maxmin（5-4） Qmin不等于控制阀全关时的泄漏量，一般是不等于控制阀全关时的泄漏量，一般是Qmax的的2 24 4。注意！注意！第一节第一节 气动执行器气动执行器将式（5-4）代入式（5-3），可得LlRRQQ111max 19第一节第一节 气动执行器气动执行器%100%10010102020图5-13理想流量特性1

8、快开；2直线；3抛物线；4等百分比曲线举例举例当当R=30,=30,l/L=0=0时，时，Q/Qmaxmax=0.33=0.33假设假设R=,位移变化量为位移变化量为10%10%在在1010时，流量变化的相对值为时，流量变化的相对值为在在5050时，流量变化的相对值为时，流量变化的相对值为 在在8080时，流量变化的相对值为时，流量变化的相对值为 %20100505060%5 .12%100808090在流量小时，流量变化的相对值大；在流量大时，流量变化的相对值小。第一节第一节 气动执行器气动执行器maxmaxQQKLldQQdCLlKQQmaxlnRKRRQQCln,ln1lnlnmaxmi

9、n21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正比关系。1maxLlRQQ（5-6）将（5-6）积分 将前述边界条件代入 （5-7）第一节第一节 气动执行器气动执行器222max111LlRRQQ 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。 快开特性的阀芯形式是平板形的，适用于迅速启闭的切断阀或双位控制系统。 第一节第一节 气动执行器气动执行器23 在实际生产中，控制阀前后压差总是变化的，这时的流量特性称为图5-14 串联管道的情形图5-15 管道串联时控制阀压差变化情况第一节第一节 气动执行器气动执行器图5-16管道串联时控制阀的工作特性24第

10、一节第一节 气动执行器气动执行器25 控制阀一般都装有旁路，以便手动操作和维护。当生产量提高或控制阀选小了时，只好将旁路阀打开一些，此时控制阀的理想流量特性就改变成为工作特性。图5-17 并联管道的情况如图如图5-17所示，显然这时管所示，显然这时管路的总流量路的总流量Q是控制阀流量是控制阀流量Q1与旁路流量与旁路流量Q2之和，即之和，即QQ1Q2。 第一节第一节 气动执行器气动执行器26 以x代表并联管道时控制阀全开时的流量Q1max与总管最大流量Qmax之比，可以得到在压差p为一定时，而x为不同数值时的工作流量特性曲线。 图5-18并联管道时控制阀的工作特性第一节第一节 气动执行器气动执行

11、器27 当x1，即旁路阀关闭、Q20时，控制阀的工作流量特性与它的理想流量特性相同。 随着x值的减小，即旁路阀逐渐打开，虽然阀本身的流量特性变化不大，但可调范围大大降低了。 控制阀关死，即l/L0时，流量Qmin比控制阀本身的Q1min大得多。第一节第一节 气动执行器气动执行器 在实际使用中总存在着串联管道阻力的影响，控制阀上的压差还会随流量的增加而降低，使可调范围下降得更多些，控制阀在工作过程中所能控制的流量变化范围更小，甚至几乎不起控制作用。 采用打开旁路阀的控制方案是不好的，一般认为旁路流量最多只能是总流量的百分之十几，即x值最小不低于0.8。 28第一节第一节 气动执行器气动执行器29

12、 串、并联管道都会使阀的理想流量特性发生畸变，串联管道的影响尤为严重。 串、并联管道都会使控制阀的可调范围降低，并联管道尤为严重。 串联管道使系统总流量减少，并联管道使系统总流量增加。 串、并联管道会使控制阀的放大系数减小，即输入信号变化引起的流量变化值减少。 第一节第一节 气动执行器气动执行器n 三、控制阀的选择三、控制阀的选择30 主要根据工艺条件，如温度、压力及介质的物理、化学特性（如腐蚀性、黏度等）来选择。 先按控制系统的特点来选择阀的希望流量特性，然后再考虑工艺配管情况来选择相应的理想流量特性。 第一节第一节 气动执行器气动执行器 主要从工艺生产上安全要求出发。主要从工艺生产上安全要

13、求出发。信号压力中断时，应保证设备和操作人员的安全。如果阀处于打开位置时危害性小，则应选用气关式，以使气源系统发生故障，气源中断时，阀门能自动打开，保证安全。反之阀处于关闭时危害性小，则应选用气开阀。 有压力信号时阀关、无信号压力时阀开的为气关式气关式。反之，为气开式气开式。31第一节第一节 气动执行器气动执行器序号序号执行机构执行机构控制阀控制阀气动执行器气动执行器（a a）（b b）（c c）（d d）正正正正反反反反正正反反正正反反气关（正）气关（正）气开（反）气开（反）气开（反）气开（反）气关（正）气关（正）32表5-1组合方式表图5-19 组合方式图第一节第一节 气动执行器气动执行器

14、33 口径选择得过小，会使流经控制阀的介质达不到所需要的最大流量。 口径选择得过大，会浪费设备投资，且使控制阀经常处于小开度工作，控制性能变差，易使控制系统变得不稳定。 控制阀的口径选择是由控制阀流量系数控制阀的口径选择是由控制阀流量系数KV值决定的。值决定的。流量系数流量系数KV的定义为：当阀两端压差为的定义为：当阀两端压差为100100kPa，流体密度，流体密度为为1 1g/cm3，阀全开时，流经控制阀的流体流量。，阀全开时，流经控制阀的流体流量。 2110ppQKV对于不可压缩的流体，且阀前后压差p1p2不太大时，有 第一节第一节 气动执行器气动执行器n 四、气动执行器的安装和维护四、气

15、动执行器的安装和维护34（1 1）为便于维护检修，气动执行器应安装在靠近地面）为便于维护检修，气动执行器应安装在靠近地面或楼板的地方。或楼板的地方。 （2 2）气动执行器应安装在环境温度不高于）气动执行器应安装在环境温度不高于+60+60和不和不低于低于-40-40的地方，并应远离振动较大的设备。的地方，并应远离振动较大的设备。 （3 3）阀的公称通径与管道公称通径不同时，两者之间）阀的公称通径与管道公称通径不同时，两者之间应加一段异径管。应加一段异径管。第一节第一节 气动执行器气动执行器（5 5）通过控制阀的流体方向在阀体上有箭头标明，）通过控制阀的流体方向在阀体上有箭头标明，不能装反。不能

16、装反。 （4 4）气动执行器应该是正立垂直安装于水平管道上。）气动执行器应该是正立垂直安装于水平管道上。特殊情况下需要水平或倾斜安装时，除小口径阀外，特殊情况下需要水平或倾斜安装时，除小口径阀外，一般应加支撑。即使正立垂直安装，当阀的自重较大一般应加支撑。即使正立垂直安装，当阀的自重较大和有振动场合时，也应加支撑。和有振动场合时，也应加支撑。 （6 6）控制阀前后一般要各装一只切断阀，以便修理）控制阀前后一般要各装一只切断阀，以便修理时拆下控制阀。考虑到控制阀发生故障或维修时，不时拆下控制阀。考虑到控制阀发生故障或维修时，不影响工艺生产的继续进行，一般应装旁路阀。影响工艺生产的继续进行，一般应

17、装旁路阀。 35第一节第一节 气动执行器气动执行器36（7 7）控制阀安装前，应对管路进行清洗，排去污物和焊）控制阀安装前，应对管路进行清洗，排去污物和焊渣。安装后还应再次对管路和阀门进行清洗，并检查阀门渣。安装后还应再次对管路和阀门进行清洗，并检查阀门与管道连接处的密封性能。当初次通入介质时，应使阀门与管道连接处的密封性能。当初次通入介质时，应使阀门处于全开位置以免杂质卡住。处于全开位置以免杂质卡住。 图5-20控制阀在管道中的安装1调节阀；2切断阀；3旁路阀（8 8）在日常使用中，要对控制阀经常维护和定期检修。）在日常使用中，要对控制阀经常维护和定期检修。 第二节第二节 电动执行器电动执行

18、器37 电动执行器接收来自控制器的电动执行器接收来自控制器的0 01010mA或或4 42020mA的直流电流信号，并将其转换成相应的角位移或直行程位的直流电流信号，并将其转换成相应的角位移或直行程位移，去操纵阀门、挡板等控制机构，以实现自动控制。移，去操纵阀门、挡板等控制机构，以实现自动控制。 第二节第二节 电动执行器电动执行器 主要由伺服放大器、伺服电动机、减速器、位置发送器和操纵器组成。 图5-21 角行程执行机构的组成示意图38第二节第二节 电动执行器电动执行器39 是能将执行机构输出轴的位移转是能将执行机构输出轴的位移转变为变为0 010mA DC（或（或4 420mA DC）反馈信

19、号的装置，它的主要部分是差反馈信号的装置，它的主要部分是差动变压器。动变压器。 图5-22差动变压器原理图 电动执行机构不仅可与控制器配合实现自动控制，电动执行机构不仅可与控制器配合实现自动控制，还可通过操纵器实现控制系统的自动控制和手动控制还可通过操纵器实现控制系统的自动控制和手动控制的相互切换。当操纵器的切换开关置于手动操作位置的相互切换。当操纵器的切换开关置于手动操作位置时，由正、反操作按钮直接控制电机的电源，以实现时，由正、反操作按钮直接控制电机的电源，以实现执行机构输出轴的正转或反转，进行遥控手动操作。执行机构输出轴的正转或反转，进行遥控手动操作。 第三节第三节 电电-气转换器及电气

20、转换器及电-气阀门定位器气阀门定位器 电-气转换器可以把电动变送器来的电信号变为气信号，送到气动控制器或气动显示仪表；也可把电动控制器的输出信号变为气信号去驱动气动控制阀，此时常用电气阀门定位器，它具有电-气转换器和气动阀门定位器两种作用。 40第三节第三节 电电-气转换器及电气转换器及电-气阀门定位器气阀门定位器n 一、电一、电-气转换器气转换器41图5-23电-气转换器原理结构图1喷嘴挡板；2调零弹簧；3负反馈波纹管；4十字弹簧；5正反馈波纹管；6杠杆；7测量线圈；8磁钢；9铁芯；10放大器第三节第三节 电电-气转换器及电气转换器及电-气阀门定位器气阀门定位器n 二、电二、电-气阀门定位器气阀门定位器42 具有电-气转换器的作用，可用电动控制器输出的010 mA DC或420 mA DC信号去操纵气动执行机构； 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准确定位。 改变图5-24中反馈凸轮5的形状或安装位置，还可以改变控制阀的流量特性和实现正、反作用。 第三节第三节 电电-气转换器及电气转换器及电-气阀门定位器气阀门定位器图5-24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；1