过程仪表第七章 执行器

过程仪表第七章执行器执行器的作用：在自动控制系统中，接受调节器的控制信号，自动地改变操作变量，达到对被控参数（如温度压力液位等）进行调节的目的。使生产过程按预定要求正常运行。执行器由执行机构和调节机构组成。执行机构是产生推力或位移的部分，调节机构是指直接改变能量或物料输送量的装置，通常称为调节阀或阀门。按执行机构使用的工作能源分为三类：气动执行

器，电动执行器，液压执行器（液压执行器使用很少）。

1）气动执行器是以压缩空气为能源的执行器。主要特点是：①输出推力大，②本质安全防爆，③维护方便，④便宜等。缺点是需要压缩空气系统，灵敏度和精度差，滞后大，不宜远传（150m以内）。2）电动执行器是以电为能源的执行器：主要特点是：①能源取用方便，②便于集中控制，③停电时执行器保持原位不动，不影响设备安全，④灵敏度和精度高，⑤和电动控制仪表配合方便。缺点是结构复杂，体积大，推力小，价格贵。

§7.2普通执行器和手操器气动执行器

它又称为气动调节阀，气动调节阀是由气压信号控制的阀门。主要包括：气动执行机构和调节机构(阀）两个组成部分，如图所示。上部为执行机构，下部为调节机构。1.气动执行机构

执行机构按调节器输出的控制信号，驱动调节机构动作。气动执行机构的输出方式有角行程输出和直行程输出两种。气动薄膜室推杆阀门阀位指示标牌阀杆直行程输出的气动执行机构有两类：薄膜式和活塞式

薄膜式是用弹性膜片将输入气压转换为推杆的推力，通过推杆使阀芯产生相应的位移，改变阀门开度。气动活塞式执行机构薄膜式执行机构P正作用执行机构反作用执行机构活塞式是以汽缸内的活塞输出推力，由于汽缸允许压力较高，可以获得较大的推力，容易制成长行程的执行机构。以薄膜式执行机构为例，如图所示。其上部是气动薄膜执行机构，它接受0.2*105pa~1.0*105pa(20Kpa~100Kpa)的标准压力信号，将其转换为推力。其输出是位移量，它们之间的关系为：PA=KL

式中P：通入气室的信号压力，

A：为薄膜片的有效面积，

K：弹簧的刚度（弹性系数），

L：为推杆的位移

L=AP/K

表明对于确定的执行机构，A和K为常数，推杆位移量L和输入信号压力成正比。

其工作过程为：当压力信号通入薄膜气室时，压力乘有效面积产生推力，使推杆移动，压缩弹簧，弹簧产生反作用力与薄膜上的推力相平衡为止。信号压力↑→推力↑→推杆位移↑→弹簧压缩量↑→弹簧反作用力↑。推杆位移范围就是执行机构的行程。推杆位移从0→全行程，阀门开度就从全开（全关）到全关（全开），气关式（气开式）。阀门定位器是气动执行器的主要附件，它与气动执行机构配套使用，接受调节器的输出信号，然后产生和调节器输出信号成比例的输出信号控制气动执行器。2．调节机构调节机构就是阀门，如图所示。主要包括：推杆，阀体，阀芯，阀座等。是一个局部阻力可以改变的节流元件。

阀芯在阀体内上下移动，可以改变阀芯和阀座之间的流通面积，控制通过的流量。

从流体力学的观点，调节阀是一个局部阻力可以变化的节流元件。对于不可压缩的流体，由能量守恒原理可以推导出调节阀的流量方程式为：

当A一定，（p1－p2）不变时，流量仅随阻力系数ζ变化。阻力系数主要与流通面积（阀门开度）有关，也与流体的性质和流动状态有关。调节阀阻力系数的变化是通过阀芯行程的改变来实现的。即改变开度就改变ζ，达到调节Q的目的。（开度↑→ζ↓→Q↑）根据不同的使用要求，调节阀的结构形式有多种多样，如：直通单座阀，直通双座阀，角型阀，高压阀，蝶阀，球阀，隔离阀，三通阀等。（1）直通单座阀流体对阀芯的不平衡作用力大。一般用在小口径、低压差的场合。结构简单、泄漏量小。阀门中的柱式阀芯可以正装，也可以反装。正装阀阀芯下移时，阀芯与阀座间的流通截面积增大反装阀阀芯下移时，阀芯与阀座间的流通截面积减小（2）直通双座阀阀体内有两个阀芯和阀座。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，所以不平衡力小。但是，由于加工的限制，上下两个阀芯阀座不易保证同时密闭，因此泄漏量较大。（3）角形控制阀两个接管呈直角形，一般为底进侧出，这种阀的流路简单、对流体的阻力较小。适用于现场管道要求直角连接，介质为高粘度、高压差和含有少量悬浮物和固体颗粒状的场合。（4）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。（5）隔膜控制阀采用耐腐蚀材料作隔膜，将阀芯与流体隔开。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，故无填料，介质也不会泄漏。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制。适用于大口径、大流量、低压差的场合，也可以用于含少量纤维或悬浮颗粒状介质的控制。（6）蝶阀又名翻板阀。结构简单、重量轻、流阻极小，但泄漏量大。（7）球阀阀芯与阀体都呈球形体，阀芯内开孔。转动阀芯使之与阀体处于不同的相对位置时，就有不同的流通面积。流量变化较快，可起控制和切断的作用，常用于双位式控制。（8）笼式阀阀内有一个圆柱形套筒（笼子）。套筒壁上有一个或几个不同形状的孔（窗口），利用套筒导向，阀芯在套筒内上下移动，改变阀的节流孔面积。可调比大，不平衡力小，更换开孔不同的套筒，就可得到不同的流量特性。但不适于高粘度或带有悬浮物的介质流量控制。（9）凸轮挠曲阀又名偏心旋转阀。其阀芯呈扇形球面状，与挠曲臂及轴套一起铸成，固定在转动轴上。阀芯球面与阀座密封圈紧密接触，密封性好。适用于高粘度或带有悬浮物的介质流量控制。调节阀除了结构类型的不同外，其它的主要技术参数是流量特性和口径。3调节阀的选择

选用调节阀时，一般应考虑以下几个方面。1．调节阀结构的选择通常根据工艺条件，如使用温度、压力，介质的物理、化学特性（如腐蚀性、粘度等），对流量的控制要求等，来选择调节阀的结构形式。例如，一般介质条件选用直通单座阀或直通双座阀；高压介质选用高压阀；强腐蚀介质采用隔膜阀等。气动薄膜式隔膜阀气动薄膜精小型调节阀气动薄膜三通调节阀V型O型对夹薄型气动调节球阀气动法兰调节蝶阀气动对夹式调节蝶阀气动精小型调节阀2．气开式与气关式的选择气动调节阀在气压信号中断后阀门会复位。无压力信号时阀全开，随着信号增大，阀门逐渐关小的称为气关式。反之，无压力信号时阀全闭，随着信号增大，阀门逐渐开大称的为气开式。如气动薄膜调节阀的气开式与气关式：给水阀燃气阀蒸汽例如：选择蒸汽锅炉的控制阀门时，为保证失控状态下锅炉的安全：给水阀应选气关式燃气阀应选气开式阀门气开气关式的选择原则：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。3.调节阀流量特性的选择保证控制品质的重要因素之一是：保持控制系统的总放大倍数在工作范围内尽可能恒定。给定值被控量干扰f控制器传感器执行器被控对象+eWc(s)－W3(s)W1(s)W2(s)K=K1K2K3Kc有的被控对象的放大倍数，在不同的工艺点不同。如热水加热器的热水流量与送风温度的静特性MTT热水Qθθ/θmaxQ/Qmax050%50%100%100%

由图可见，随着热水流量增大，对送风的加热效果越来越差。因为热交换需要时间，热水很快流走，不能充分热交换所致。但若用蒸汽加热，由于冷凝放热很快，该特性为直线特性。很多对象在工作区域内稳态放大倍数K不是常数，在不同的工艺负荷点，K不相同。因此希望调节阀的流量特性能补偿对象的静特性。（1）若调节对象的静特性是非线性的，工艺负荷变化又大，用等百分比特性补偿。（3）配管阻力大、s值低，等百分比阀会畸变成直线阀。（2）若调节对象的静特性是线性的，或工艺负荷变化不大，用直线阀。4.调节阀口径的选择

为保证工艺的正常进行，必须合理选择调节阀的尺寸。如果调节阀的口径选得太大，使阀门经常工作在小开度位置，造成调节质量不好。如果口径选得太小，阀门完全打开也不能满足最大流量的需要，就难以保证生产的正常进行。调节阀的口径决定了调节阀的流通能力。调节阀的流通能力用流量系数C值表示。二.电动执行器

它也是由执行机构(DZA)和调节机构两部分组成。其中调节机构和气动执行器是通用的，不同的只是电动执行机构，它用电动机产生推力启闭调节阀。电动执行机构用控制电机作动力装置。输出形式有：角行程：电机转动经减速器后输出。直行程：电机转动经减速器减速并转换为直线位移输出。多转式：转角输出，功率比较大，主要用来控制闸阀、截止阀等多转式阀门。这几种执行机构在电气原理上基本相同，只是减速器不一样。相对气动、液动执行器而言，电动执行器主要有3点优势：

(1)无需特殊的气源和空气净化等装置。即使电源失电时，也能保持原执行位置；(2)可远距离传输信号，电缆敷设比气管和液体管道敷设方便得多，且便于线路检查；(3)与计算机连接方便简洁，更适应采用电子信息新技术。1.电动执行器的组成输入信号与位置反馈信号进行比较，将差值放大。驱动电机经减速输出，带动阀门直到位置发送器检测到的位置信号与输入信号相等时，放大器输出为零。电动执行器原理方框图

它由三部分组成：伺服放大器(DFC)，电动操作器，执行机构。来自调节器的信号送到伺服放大器，与位置反馈信号相比较，其差值经放大后去控制伺服电动机正转或反转，经减速器使输出轴产生位移(直线或0~900)输出轴的位移又经位置发送器转换成4~20mA（0~10mA）信号，作为位置指示和反馈信号。反馈信号送到伺服放大器输入端。当反馈信号等于输入信号时，电动机停止转动。此时轴输出就稳定在与输入信号成比例的位置上，电动机也可以通过电动操作器进行手动操作。2.伺服放大器它由前置磁放大器，触发器Ⅰ和Ⅱ以及晶体管主回路等组成。其框图如图所示。3.电动执行器的执行机构(DZA)它由两相交流伺服电动机，位置发送器和减速器组成。1）两相伺服电动机：是执行机构的动力部分，它具有启动转矩大和启动电流较小的特点；2）位置发送器：是差动变压器位移传感器，以产生反馈信号和位置信号；3）减速器：由于电动机转速很高，输出轴全行程时间需25s，输出轴速度0.6r/min，因此电动机主输出轴间要有减速器，减速比为1000~1500三.手操作器它主要实现手动操作，与调节器配合完成自动↔手动，也可以在控制系统出现故障或系统投运时用它进行手动遥控。

分为两类：Q型操作器和D型操作器（Q型与气动执行器配合使用，D型与电动执行器配合使用）。

Q型操作器在控制系统中的位置如图所示。来自调节器的信号4~20mA，经Q型操作器输送到电/气转换器，转换成气压信号20~100Kpa，控制气动执行器。

Q型操作器原理框图如图所示。它由可调恒流源和自动↔手动切换开关组成。处于自动状态时，来自调节器的4~20mA的信号输入经mA表，再输出到电/气转换器，或电动执行器的输入阻抗。

处于手动时：①由操作器的可调恒流源向RL提供手动操作电流，其大小可由手动操作电位器调节，并由另一只电流表显示；②跟踪电压输出，向调节器中的积分电容两端提供直流跟踪电压，当调节器积分电容两端接收到跟踪电压后，调节器输出电流就跟随电压作相应改变，为手动→自动无扰切换作准备。③跟踪触点接线端子，其作用是当操作器处于手动状态时，短接PID调节器的微分电阻RD。手动→自动，只要将调节器偏差值调节为0，即能进行切换（因为有跟踪电压输出）。自动→手动，先调手操作器，使手操作器输出电流与调节器输出电流相等，即能进行抗扰切换。序

号

系

列

性能对比

输出动力主要电信号

1

普通系列我国60年代计划经济时期，全国联合设计产品。

具有机械限位和电限位。

结构简单，经济实用。①角行程：

力矩100—10000Nm1.输入信号：

①普通型：开关量

②普通型配伺服放大器：4—20mA

③电子式型：4—20mA

2.输出信号：4—20mA

3.电源电压：220V②直行程：

行程10—100mm

推力4000—16000N

2

引进系列

引进法国伯纳德先进电子式技术，关键元气件原装进口。

直接接受DCS控制，具有过力矩、超行程、断信号、电机过热等保护功能。

性价比高于原装进口伯纳德电动执行器。①角行程：

力矩100—12000Nm1.输入信号：4—20mA

2.输出信号：4—20mA

3.电源电压：220V或380V

②直行程：

行程10—100mm

推力6400—25000N③多转：

额定负载40—250Nm性能对比(四大系列执行器)

3

原装系列

法国伯纳德公司是欧洲著名的电动执行器生产厂家。

具有过力矩、超行程、断信号、电机过热等保护功能。

系列多、规格型式全。①角行程：

力矩80—63000Nm1.输入信号：4—20mA

2.输出信号：4—20mA

3.电源电压：220V或380V

4.多种防护等级

②直行程：

行程10—200mm

推力4000—40000N③多转：

额定负载30—700Nm

4

快速系列

我公司与天津大学共同研制，是我国唯一的、最快的电动执行器。

与蝶阀组成电动快速切断阀，适用于紧急关断场合。

多年来广泛应用与水泥、煤气、烧结等行业，深受用户好评。角行程：

力矩250—6000Nm1.输入信号：开关量

2.输出信号：开关量

3.电源电压：380V

4.切断时间：3秒或6秒

三、

电/气转换器将4～20mA的电流信号转换成20～100KPa的标准气压信号。

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/气转换器作用：

I↑吸力Fi↑

杠杆偏转挡板与喷嘴间隙↓

背压↑

放大器输入↑

输出压力P↑

杠杆的反馈力Ff

↑

杠杆平衡P∝I工作原理负反馈磁铁调零FiFf背压四、阀门定位器气动调节阀中，阀杆的位移是由薄膜上气压推力与弹簧反作用力平衡确定的。为了防止阀杆处的泄漏要压紧填料，使阀杆摩擦力增大，且个体差异较大，这会影响输入信号P的执行精度。解决措施

在调节阀上加装阀门定位器，引入阀杆位移负反馈。使阀杆能按输入信号精确地确定自己的开度。

五、电/气阀门定位器

实际应用中，常把电/气转换器和阀门定位器结合成一体，组成电/气阀门定位器。I↑杠杆上端右移挡板靠近喷嘴P压力↑阀杆下移反馈凸轮右转反馈弹簧右拉杠杆平衡§7.2智能式调节阀随着电子技术的迅速发展，微处理器也被引入到调节阀中，出现了智能式调节阀。主要功能如下：1．控制及执行功能2．补偿及校正功能3．通信功能4．诊断功能5．保护功能智能电动执行机构一、智能电动执行器（一）智能电动执行器特点智能电动执行器按控制电源划分有单相和三相两大类。与传统的电动执行器相比主要有如下特点：①主要技术指标先进，超过国内现有的DDZ-Ⅱ、Ⅲ型电动执行器，如工作死区、基本误差、回差等指标已达到很高水平。②采用了微处理器技术和数字显示技术，以智能伺服放大器取代传统的伺服放大器，以数字式操作器取代原有的模拟指针式操作器。它具有功能强，使用方便，具有自诊断、自调整和PI调节功能。③增加了流量特性软件修正。使一种固有特性的调节器可以拥有多种输出特性，使不能进行阀芯形状修正（蝶阀）的阀也可改变流量特性，可以使非标准特性修正为标准特性。该功能将改变长期以来靠阀芯加工修正特性的现状。④在调节中采用了电制动技术和断续调节技术，对具有自锁功能的执行机构可以取消机械摩擦制动器，大大提高了整机的可靠性。（二）主要技术指称输入信号：0～10mA；4～20mA；RS-232位置发送信号：0～10mA；4～20mA；1K电位器输入通道：2个（电隔离）基本误差：≤士1％（单相）；≤士2.5％（三相）死区：≤0.5％特性修正：固有特性→标准直线固有特性→等百分比主要功能：工作方式选择、故障诊断与报警，电制动、PI调节。（三）单相智能电动执行器工作原理单相智能电动执行器的结构如下图所示。从框图可看出：来自上位调节器或变送器的模拟量信号，经处理后进人智能伺服放大器，智能伺服放大器中的微处理器定时检测该输入信号与位置反馈信号。当接受上位调节器信号且不进行修正时，微处理器比较两个信号，一旦信号不平衡，偏差超出要求值，即发出控制信号，经放大隔离后驱动智能伺服放大器中的功率晶闸管，使其导通带动电动机转动，进而调节阀门开度，同时微处理器也将表示阀门开度的位置信号转换成相应的脉冲量发往操作器的显示器。操作人员可从数字操作器上观察阀门的开度。当接收变送器信号进入PI调节工作方式时，微处理器是将变送器信号与给定值进行比较，并按预先设置好的参数PI进行计算并发出控制信号，调节阀门，直至两个信号达到平衡。当进入特性修正工作方式时，微处理器将不再是仅比较两种信号是否相等，而是对信号按预先设置的特性参数进行计算，使输入信号与阀门位移呈要求的非线性关系。这样就使得改变调节阀流量特性变得很方便，为改善系统的稳定性提供新的方法。三相智能电动执行器对输入信号的处理、特性修正，故障诊断等都一样，只是对输出信号的处理和控制软件做了改动。智能伺服放大器的输出进入三相功率转换器，再驱动三相伺服电动机工作。（四）调节阀流量特性修正实现调节阀特性修正的基本原理：输入修正阀门的固有特性和要达到标准特性的必要参数，计算出达到标准特性时阀门的实际开度。通过修正可使一种调节阀的流量特性变为多种，使固有特性不能通过加工阀门形状来改变的阀（如蝶阀）也可修正到理想特性。二、智能调节阀（一）智能调节阀结构一个智能调节阀大体由以下6部分构成：①带有微处理器及智能控制软件的控制器；②用于提供反馈信号和诊断信号的传感器；③信号变换器；④I/O及通信接口；⑤执行机构；⑥阀体。（二）智能调节阀的特点（1）具有智能控制功能（2）具有保护功能（3）具有通信功能（4）具有诊断功能（5）一体化结构（三）一种新型智能调节阀

STARPAC智能调节阀是美国Valtek公司90年代末推出的，其基本结构和功能如下图所示。其主要性能和特点是：

①阀体的进出口部位和内部安有压力、温度检测器，阀杆内安装阀位检测器。气缸执行机构进出口安装空气压力检测器。这些检测器的输出信号都送到内装的微处理器。②能进行压力、温度、流量的测量和自动控制。流量测量是根据阀门开度所对