过程控制与自动化仪表第三章执行器、安全栅

1、 过程控制仪表过程控制仪表执行器执行器 执行器由执行机构和调节机构（调节阀）两部分组成。接执行器由执行机构和调节机构（调节阀）两部分组成。接受调节器输出的控制信号，并转换成直线位移或角位移来改变受调节器输出的控制信号，并转换成直线位移或角位移来改变调节阀的流通面积，以控制流入或流出被控过程的物料或能量，调节阀的流通面积，以控制流入或流出被控过程的物料或能量，从而实现对过程参数的自动控制。从而实现对过程参数的自动控制。 执行器有自动调节阀门、自动电压调节器、自动电流调节执行器有自动调节阀门、自动电压调节器、自动电流调节器、控制电机等。其中自动调节阀门是最常见的执行器器、控制电机等。其中自动调节阀

2、门是最常见的执行器。 执行器直接安装在现场，直接与介质接触，通常在高温、执行器直接安装在现场，直接与介质接触，通常在高温、高压、高粘度、强腐蚀、易结晶、易燃易爆等场合下工作。高压、高粘度、强腐蚀、易结晶、易燃易爆等场合下工作。执行器执行器自动调节阀按照工作所用自动调节阀按照工作所用能源形式能源形式可分为：可分为：（1 1）电动调节阀：电源配备方便，信号传输快、损失小，可远距离电动调节阀：电源配备方便，信号传输快、损失小，可远距离传输；但推力较小。传输；但推力较小。（2 2）气动调节阀：结构简单，可靠，维护方便，防火防爆；但气源气动调节阀：结构简单，可靠，维护方便，防火防爆；但气源配备不方便。配

3、备不方便。（3 3）液动调节阀：用液压传递动力，推力最大；但安装、维护麻烦，液动调节阀：用液压传递动力，推力最大；但安装、维护麻烦，使用不多。使用不多。工业中使用最多的是气动调节阀和电动调节阀。工业中使用最多的是气动调节阀和电动调节阀。 气动执行机构气动执行机构它接受气动调节器或电它接受气动调节器或电/ /气气转换器输出的气压信号，转换器输出的气压信号，经膜片转换成推力并克服经膜片转换成推力并克服弹簧力后，使阀杆产生位弹簧力后，使阀杆产生位移，带动阀芯动作。移，带动阀芯动作。 1-1-上盖上盖 22膜片膜片 3 3一平衡弹簧一平衡弹簧 4 4一阀杆一阀杆 5 5阀体阀体 6 6阀座阀座 7 7

4、阀芯阀芯 气动执行机构气动执行机构气动执行机构有正作用和气动执行机构有正作用和反作用两种形式反作用两种形式: :当输入气压信号增加时阀当输入气压信号增加时阀杆向下移动时称杆向下移动时称正作用正作用；当输入气压信号增加时阀当输入气压信号增加时阀杆向上移动时称杆向上移动时称反作用反作用。在工业生产中口径较大的在工业生产中口径较大的调节阀通常采用调节阀通常采用正作用正作用方方式。式。1-1-上盖上盖 22膜片膜片 3 3一平衡弹簧一平衡弹簧 4 4一阀杆一阀杆 5 5阀体阀体 6 6阀座阀座 7 7阀芯阀芯 气动执行机构气动执行机构气动薄膜执行机构的气动薄膜执行机构的静态特静态特性性表示平衡状态时输

5、入的气表示平衡状态时输入的气压压p与阀杆位移与阀杆位移l的关系，即的关系，即 1-1-上盖上盖 22膜片膜片 3 3一平衡弹簧一平衡弹簧 4 4一阀杆一阀杆 5 5阀体阀体 6 6阀座阀座 7 7阀芯阀芯 klpA A为膜片的有效面积；为膜片的有效面积；k为平衡弹簧的弹性系数为平衡弹簧的弹性系数 电动执行机构电动执行机构 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。不一样。 来自调节器的输出电流来自调节器的输出电流I

6、oIo为伺服放大器的控制输入信号，与为伺服放大器的控制输入信号，与位置反馈器信号位置反馈器信号IfIf进行比较，差值经过放大后控制伺服电动机正进行比较，差值经过放大后控制伺服电动机正转或反转，经过减速器后输出位移信号改变调节阀开度。转或反转，经过减速器后输出位移信号改变调节阀开度。 调节机构调节机构 调节机构就是阀门，是一个局部阻力可以改变的节流元件。调节机构就是阀门，是一个局部阻力可以改变的节流元件。根据不同的使用要求，阀门的结构型式很多。根据不同的使用要求，阀门的结构型式很多。 （1 1）直通单座阀）直通单座阀优点：优点：结构简单、泄漏量小。结构简单、泄漏量小。缺点：缺点：流体对阀芯的不平

7、衡作流体对阀芯的不平衡作用力大。一般用在小口径、低用力大。一般用在小口径、低压差的场合。压差的场合。（2 2）直通）直通双双座阀座阀阀体内有两个阀芯和阀座。阀体内有两个阀芯和阀座。优点：优点：流体流过时，作用流体流过时，作用在上、下两个阀芯上的推在上、下两个阀芯上的推力方向相反且大小相近，力方向相反且大小相近，可以互相抵消，所以不平可以互相抵消，所以不平衡力小。衡力小。缺点：缺点：由于加工的限制，由于加工的限制，上下两个阀芯阀座不易保上下两个阀芯阀座不易保证同时密闭，因此泄漏量证同时密闭，因此泄漏量较大。较大。（3 3）角形控制阀）角形控制阀两个接管呈直角形两个接管呈直角形。优点：优点：流路简

8、单、对流体流路简单、对流体的阻力较小。的阻力较小。适用适用：现场管道要求直角现场管道要求直角连接，介质为高粘度、高连接，介质为高粘度、高压差和含有少量悬浮物和压差和含有少量悬浮物和固体颗粒状的场合。固体颗粒状的场合。（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。流通方式有合流型（两种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（一种介质分成两路）两种。适用介质混合成一路）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。于配比控制与旁路控制。（5 5）隔膜控制阀）隔膜控制阀采用耐腐蚀材料作隔膜，采用耐腐蚀材料作隔膜，将阀芯与流体隔开。将阀

9、芯与流体隔开。优点：优点：结构简单、流阻小、结构简单、流阻小、流通能力比同口径的其他流通能力比同口径的其他种类的阀要大。由于介质种类的阀要大。由于介质用隔膜与外界隔离，故无用隔膜与外界隔离，故无填料，介质也不会泄漏。填料，介质也不会泄漏。适用：适用：适用于强酸、强碱、强腐蚀性介质的控制，也能用于高粘适用于强酸、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制。度及悬浮颗粒状介质的控制。 （6 6）蝶蝶阀阀又名翻板阀。又名翻板阀。优点：优点：结构简单、重量轻、结构简单、重量轻、流阻极小流阻极小缺点：缺点：泄漏量大泄漏量大适用：适用：大口径、大流量、大口径、大流量、低压差的场合，也可

10、以用低压差的场合，也可以用于含少量纤维或悬浮颗粒于含少量纤维或悬浮颗粒状介质的控制。状介质的控制。气动执行机构的应用气动执行机构的应用1 1、调节阀的尺寸、调节阀的尺寸 通常用通常用公称直径公称直径DgDg和和阀座直径阀座直径dgdg表示，它们的确定是合理应用执表示，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、阀前后压差为调节阀全开、阀前后压差为0.1MPa0.1MPa、流体重度为、流体重度为1g/cm31g/cm3时，每小时通时，每小时通过阀门的流体流量（过阀门的流体流量（m3m3或

11、或kgkg）。）。 一般根据控制介质的特点和控制要求确定执行器的合理应用，目一般根据控制介质的特点和控制要求确定执行器的合理应用，目前在过程控制中气动执行器占大多数。前在过程控制中气动执行器占大多数。气动执行机构的应用气动执行机构的应用 为流量系数，它取决于调节阀的结构形状和流体流动状况，可为流量系数，它取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；从有关手册查阅或由实验确定；A Ao o为调节阀接管截面积；为调节阀接管截面积；g g为重力加为重力加速度；速度；r r为流体重度。为流体重度。)(2210pprgAqv流量由流体力学可知，体积gACo2依据流通能力定义， 可

12、得流通能力与流体重度、阀前后压差和介质流量三者的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，即定量关系，即 prqCV课堂练习课堂练习某单座调节阀全开时其最大流量为某单座调节阀全开时其最大流量为0.032 m0.032 m/s/s，前后压差为，前后压差为0.1MPa0.1MPa，流体重度为，流体重度为1000kg/m1000kg/m，求其流通能力，试选取适，求其流通能力，试选取适当的公称直径和阀座直径。当的公称直径和阀座直径。气动执行机构的应用气动执行机构的应用2 2、执行器的气开、气关、执行器的气开、气关气开：气开：当气压信号当气压信号P P大于大于0.02MPa0.02MP

13、a时，阀由关闭至打开；时，阀由关闭至打开；气关：气关：当气压信号当气压信号P P大于大于0.02MPa0.02MPa时，阀由全开至关闭。时，阀由全开至关闭。 调节阀气开、气关的选择，主要从工艺生产的安全来考虑。即当调节阀气开、气关的选择，主要从工艺生产的安全来考虑。即当发生断电或其他故障引起的控制信号中断时，执行器的工作状态应避发生断电或其他故障引起的控制信号中断时，执行器的工作状态应避免损坏设备和伤害操作人员。免损坏设备和伤害操作人员。一般的加热器，当控制信号中断时，需要执行器处于关闭状一般的加热器，当控制信号中断时，需要执行器处于关闭状态，停止加热，使设备不至于因温度过高而发生事故或危险，

14、态，停止加热，使设备不至于因温度过高而发生事故或危险，这时应选择气开还是气关？这时应选择气开还是气关？烧水所用锅炉的进水执行器，当控制信号中断时，需要执行烧水所用锅炉的进水执行器，当控制信号中断时，需要执行器处于打开状态，保证有水进入锅炉，不至于产生烧干导致器处于打开状态，保证有水进入锅炉，不至于产生烧干导致爆炸事故，这时应选择气开还是气关？爆炸事故，这时应选择气开还是气关？执行机构有正反作用，阀体也有正反两种形式，故气开气关有四种构成执行机构有正反作用，阀体也有正反两种形式，故气开气关有四种构成3 3、调节阀的流量特性、调节阀的流量特性流量特性的定义：被控介质流过阀门的相对流量特性的定义：被

15、控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度（相对位移）间的关流量与阀门的相对开度（相对位移）间的关系系，即，即lq)(maxLlfqq相对流量相对流量q/qmax q/qmax 是控制阀某一开度流量是控制阀某一开度流量q q与与全开时流量全开时流量qmaxqmax之比；之比；相对开度相对开度l l/L /L 是控制阀某一开度行程是控制阀某一开度行程l l与全与全开行程开行程L L之比。之比。 由前式可知流量大小由前式可知流量大小不仅与阀门的结构和开度有关，还与阀不仅与阀门的结构和开度有关，还与阀前后的压差有关，前后的压差有关，于于是有是有理想理想流量特性流量特性与与工作流量特性工作流量特性之分。

16、之分。（1 1）理想流量特性）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称为在将控制阀前后压差固定时得到的流量特性称为理想理想流量特流量特性。它取决于阀芯的形状。性。它取决于阀芯的形状。（a）快开特性）快开特性（b）直线特性直线特性（c）等百分比特性等百分比特性1 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，即单位位移变化所引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。用数学式表示为：起的流量变化是常数。用数学式表示为：CllKqqKlldqqdmaxmaxmaxmax)()(定义定义可调比可调比R R为调节阀所能控制的最大流量

17、与最小流量的比值为调节阀所能控制的最大流量与最小流量的比值，即，即RllRqqCqqR1)11 (,1maxmaxminmax代入上式可得1 1）直线流量特性）直线流量特性当可调范围当可调范围R R一定时，呈线一定时，呈线性关系。且规定，当性关系。且规定，当l/lmax=0l/lmax=0时，时，q/qmax=3.3%;q/qmax=3.3%;当当l/lmax=100%l/lmax=100%时，时，q/qmax=100%q/qmax=100%。CllKqqmaxmaxRllRqq1)11 (maxmax2 2）对数流量特性）对数流量特性 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单位

18、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：成正比关系：1max1maxmax1maxmaxln)()(CllKqqKqqKlldqqdVminmax1maxmin1ln,lnCqqKqq得到2 2）对数流量特性）对数流量特性曲线斜率（放大系数）随行曲线斜率（放大系数）随行程的增大而增大。流量小时，程的增大而增大。流量小时，流量变化小；流量大时，流流量变化小；流量大时，流量变化大。量变化大。) 1(lnmaxmaxllqq3 3）快开流量特性）快开流量特性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，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

19、开特性。适用于迅速启闭的切断阀或双位控制系统。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。2/1max2max1max2maxmax 1) 1(1)()()(llRRqqqqKlldqqd3 3）快开流量特性）快开流量特性（2 2）工作流量特性）工作流量特性实际使用时，调节阀装在具有阻力的管道系统中。管道对流体的阻力实际使用时，调节阀装在具有阻力的管道系统中。管道对流体的阻力随流量而变化，阀前后压差也是变化的，这时流量特性会发生畸变。随流量而变化，阀前后压差也是变化的，这时流量特性会发生畸变。1 1）管道串联）管道串联调节阀前后差压是总差压的一部分，当总差压一定时，随着阀门开度调节阀

20、前后差压是总差压的一部分，当总差压一定时，随着阀门开度的增加，流量随之增加，阀前后差压减小，理想流量特性变异。的增加，流量随之增加，阀前后差压减小，理想流量特性变异。 工程上常用阻力系数工程上常用阻力系数S S表征串联阻力对流量特性的影响。表征串联阻力对流量特性的影响。qmaxqmax表表示串联管道阻力为零、调节阀全开时的流量；示串联管道阻力为零、调节阀全开时的流量；S S则定义为阀全开时阀则定义为阀全开时阀前后压差前后压差PVmin与系统总压差的比值，即与系统总压差的比值，即 S= PVmin / PS=1S=1时，理想流量特性时，理想流量特性S S1 1时，流量特性畸变，直线阀变为快开阀，

21、对数阀变为直线阀。时，流量特性畸变，直线阀变为快开阀，对数阀变为直线阀。实际应用中，实际应用中，S S不低于不低于0.30.50.30.52 2）管道并联）管道并联 在现场使用中，调节阀一般都装有旁路管道和手动阀，以便于手在现场使用中，调节阀一般都装有旁路管道和手动阀，以便于手动操作和维护。动操作和维护。 图中图中S=1S=1时，旁路阀关闭，工作流量特性即为理想流量特性。时，旁路阀关闭，工作流量特性即为理想流量特性。随着旁路阀逐渐打开，随着旁路阀逐渐打开，SS值逐渐减小，调节阀的可调范围也将大大值逐渐减小，调节阀的可调范围也将大大降低，从而使调节阀的控制能力大大下降，影响控制效果。根据实际降低

22、，从而使调节阀的控制能力大大下降，影响控制效果。根据实际经验，经验，SS值不能低于值不能低于0.80.8。 图图3 337 37 并联管道时调节阀工作流量特性并联管道时调节阀工作流量特性a)直线阀直线阀 b)对数阀对数阀（3 3）流量特性的选择）流量特性的选择依据过程特性选择依据过程特性选择 一个过程控制系统，在负荷变动的情况下，要使系统保持期望的控一个过程控制系统，在负荷变动的情况下，要使系统保持期望的控制品质，则必须要求系统总的放大系数在整个操作范围内保持不变。一制品质，则必须要求系统总的放大系数在整个操作范围内保持不变。一般变送器、已整定好的调节器、执行机构等放大系数基本上是不变的，般变

23、送器、已整定好的调节器、执行机构等放大系数基本上是不变的，但过程特性则往往是非线性的，其放大系数随负荷而变。因此，必须通但过程特性则往往是非线性的，其放大系数随负荷而变。因此，必须通过合理选择调节阀的工作特性，以补偿过程的非线性，其选择原则为过合理选择调节阀的工作特性，以补偿过程的非线性，其选择原则为 0vK K 常数调节阀的放大系数 被控过程的放大系数 电气转换器电气转换器 为了使气动调节阀能够接收电动调节器的输出信号，必须把标准为了使气动调节阀能够接收电动调节器的输出信号，必须把标准电流信号转换为标准气压信号。电流信号转换为标准气压信号。将将420mA的电流的电流信号信号转换成转换成201

24、00KPa的标准气压信号。的标准气压信号。力平衡式电气转换器力平衡式电气转换器 I I 吸力吸力Fi Fi 杠杆偏转杠杆偏转 挡板与喷嘴间隙挡板与喷嘴间隙 背压背压 放放大器输入大器输入 输出压力输出压力P P 杠杆的反馈力杠杆的反馈力Ff Ff 杠杆平衡杠杆平衡 PIPI负反馈负反馈磁铁磁铁调零调零FiFf背压背压智能式电智能式电动执行器动执行器智能式电动执行器智能式电动执行器与常规电动执行器相比有如下特点：与常规电动执行器相比有如下特点：1）具有智能化和高精度的控制功能。具有智能化和高精度的控制功能。2）一体化的结构设计思想。一体化的结构设计思想。3）具有智能化的通信功能。具有智能化的通信

25、功能。4）具有智能化的自诊断与保护功能。具有智能化的自诊断与保护功能。5）具有灵活的组态功能，具有灵活的组态功能，“一机多用一机多用”，提高了经济效益。，提高了经济效益。安全火花防爆系统安全火花防爆系统构成安全火花防爆系统的二要素：构成安全火花防爆系统的二要素： 在危险现场使用的仪表必须是安全火花防爆仪表（本安仪表）。在危险现场使用的仪表必须是安全火花防爆仪表（本安仪表）。 现场仪表与危险场所之间的电路连接必须经过安全栅（防爆栅）。现场仪表与危险场所之间的电路连接必须经过安全栅（防爆栅）。 安全栅（又称防爆栅）是防止危险电能从控制系统信号线进入现安全栅（又称防爆栅）是防止危险电能从控制系统信号

26、线进入现场仪表的安全保护器。场仪表的安全保护器。 不同的危险等级对电气设备的防爆要求不同，煤矿井下用电气设不同的危险等级对电气设备的防爆要求不同，煤矿井下用电气设备属备属类设备；有爆炸性气体的工厂用电气设备属类设备；有爆炸性气体的工厂用电气设备属类设备；有爆炸类设备；有爆炸性粉尘的工厂用电气设备属性粉尘的工厂用电气设备属类设备。类设备。 简单齐纳式安全栅简单齐纳式安全栅基本原理：基本原理：简单齐纳式安全栅是利用齐纳二极管的反向击穿特性进行简单齐纳式安全栅是利用齐纳二极管的反向击穿特性进行限压、用固定电阻进行限流限压、用固定电阻进行限流 。不足不足：（1 1）固定的限流电阻其大小难以选择固定的限

27、流电阻其大小难以选择 （2 2）接地不合理接地不合理改进型齐纳式安全栅改进型齐纳式安全栅（1 1）由四个齐纳二极管和四个快速熔断丝组成双重限压电路，取消了由四个齐纳二极管和四个快速熔断丝组成双重限压电路，取消了直接接地点。当输入出现过电压，二极管导通，对过电压进行限制。直接接地点。当输入出现过电压，二极管导通，对过电压进行限制。（2 2）双重晶体管限流电路代替固定电阻，以达到近似理想的限流效果。双重晶体管限流电路代替固定电阻，以达到近似理想的限流效果。改进后的齐纳式安全栅改进后的齐纳式安全栅齐纳式安全栅齐纳式安全栅优点：优点：结构简单，价格便宜。结构简单，价格便宜。缺点：缺点：过载能力低，难以解决熔丝的熔断时间和可靠性之间的过载能力低，难以解决熔丝的熔断时间和可靠性之间的矛盾，熔丝为一次性元件，烧坏后需更换，对控制系统的自动矛盾，熔丝为一次性元件，烧坏后需更换，对控制系统的自动化程度带来不利影响。化程度带来不利影响。隔离式安全栅隔离式安全栅 用用变压器变压器作为隔离元件，分别将输入、输出和电源进行隔作为隔离元件，分别将