过程控制装置课件

第4章过程控制装置第4章过程控制装置14.4执行器一、概述

执行器是自动调节系统中不可缺少的组成部分。执行器的作用：是接受调节器送来的控制信号，自动地改变操纵量(如介质流量、热量等)，达到对被调参数(如压力、温度、液位等)进行调节的目的。执行器是自动调节系统的终端部件，而调节阀则是执行器中最广泛使用的形式。执行器的好坏直接影响到调节系统的正常工作。4.4执行器一、概述2（1）执行器的构成

执行器由执行机构和调节机构两个部分构成，如图所示。执行机构是执行器的推动装置，它根据输入控制信号的大小，产生相应的输出力F（或输出力矩M）和直线位移l（或角位移θ），推动调节机构动作。调节机构是执行器的调节部分，与被调介质直接接触。在执行机构的作用下，调节机构的阀芯产生一定位移，即执行器的开度发生变化，从而直接调节从阀芯、阀座之间流过的控制变量的流量。（1）执行器的构成执行器由执行机构和调节机构两个3（2）执行器的分类按照工作能源分，执行器可分为三大类：气动执行器、电动执行器和液动执行器。化工中常用气动执行器、电动执行器，也称为电、气动调节阀，其外形如下图。气动调节阀是以压缩空气为能源的执行器，它的主要特点是：结构简单、动作可靠、性能稳定、故障率低、价格便宜、维修方便、本质防爆、容易做成大功率等。气动调节阀采用气动执行机构。气动执行机构一般分为薄膜式、活塞式等。电动调节阀由电动执行机构和调节机构两部分组成，可将来自调节器的电信号转换成为位移输出信号，去操纵阀门、挡板等调节机构，以实现自动调节。电动执行机构一般具有直行程式（DKZ型）和角行程式（DKJ型）两种类型。（2）执行器的分类按照工作能源分，执行器可分为三4气动薄膜调节阀MD-52

DA/SR气动控制阀EL-358

电动控制阀气动薄膜调节阀MD-52

DA/5（3）执行器的作用方式执行器有正、反作用两种方式。当输入信号增大时，执行器的流通面积增大，即流过执行器的流量增大，称为正作用；当输入信号增大时，流过执行器的流量减小，称为反作用。正、反作用的气动调节阀通常分别称为气开阀和气关阀。气动调节阀的正、反作用可通过执行机构和调节机构的正、反作用的组合实现。对于电动调节阀，由于改变执行机构的控制器（伺服放大器）的作用方式非常方便，因此一般通过改变执行机构的作用方式实现调节阀的正、反作用。（3）执行器的作用方式执行器有正、反作用两种方式6二、执行器的执行机构执行机构的作用是根据输入信号的大小，产生相应的输出力F（或输出力矩M）和直线位移l（或角位移θ），来克服调节机构中流动流体对阀芯产生的作用力和其他各种阻力，驱动调节机构的阀芯动作。执行机构分为气动式和电动式两种。1、气动执行器的执行机构气动执行器由气动执行机构和调节机构两部分组成。执行机构按调节器输出气压信号(20～100kPa)的大小产生相应的推力，使执行机构推杆产生相应位移，推动调节机构动作。气动执行机构有多种结构形式，主要分为薄膜执行机构、活塞执行机构、长行程执行机构和滚动膜片执行机构。应用中广泛采用的是薄膜执行机构和活塞执行机构。二、执行器的执行机构执行机构的作用是根据输入信7

（1）气动薄膜式执行机构

是最常用的一种气动执行机构。按动作方式可分为正作用式和反作用式。正作用式的信号压力通入波纹膜片上方的薄膜气室，而反作用式的信号压力通入波纹膜片下方的薄膜气室。图4-54和4-55分别为薄膜调节阀及正作用式气动薄膜执行机构示意图。动作原理：弹簧反作用力和信号压力在波纹膜片上的推力相平衡，使推杆稳定在新的位置。推杆的位移也称为执行机构的行程。行程与压力信号成比例关系。气动薄膜执行机构的行程规格有：10、16、25、40、60、100mm等。薄膜的有效面积有200、280、400、630、100、1600cm2六种规格。膜片承受压力为20-100kPa.（1）气动薄膜式执行机构8过程控制装置课件9（2）气动活塞式执行机构气动活塞式执行机构有无弹簧和有弹簧之分，图4-56所示为无弹簧。其基本部分为活塞和气缸，活塞两侧分别输入固定信号和变动信号，或两侧都输入变动信号，活塞在气缸内随其两侧压差而移动。其输出特性有比例式及两位式两种。两位式是根据输入执行活塞两侧的操作压力的大小，活塞从高压侧推向低压侧，使推杆从一个位置移到另一极端位置；比例式是在两位式基础上加有阀门定位器后，使推杆位移与信号压力成比例关系。活塞式执行机构属于强力气动执行机构，具有很大的输出推力，特别适用高静压、高压差、大口径的场合。（2）气动活塞式执行机构102电动执行机构电动执行器由电动执行机构和调节机构两部分组成。电动执行机构可将来自调节器的电信号转换成为位移或角位移输出信号，去操纵阀门、挡板等调节机构，以实现自动调节。电动执行机构主要分为两大类：直行程式与角行程式。角行程式执行机构又可分为单转式（输出角位移小于360o，通常称为角行程式执行机构）和多转式（输出角位移大于360o）。多转式常和闸阀等多转式调节机构配套使用。按照特性不同，电动执行机构可分为比例式和积分式。比例式的位移输出信号与输入电信号成比例关系。积分式接受断续输入信号，其输出位移信号与输入信号成积分关系。电动执行机构由伺服放大器、伺服电机、位置发送器和减速器四部分组成，其构成原理如图所示。2电动执行机构11DKZ型直行程电动执行器以二相低速同步电机为执行电机的交流位置伺服系统，由伺服放大器和执行机构两部分组成。其原理如图。当伺服放大器输入端输入4mADC时，放大器没有输出，电机停转，执行机构输出稳定在预选好的零位。当有大于4mADC的输入时，此输入信号和执行机构的位置反馈信号在伺服放大器的前置级磁放大器中进行磁势综合和比较，得到偏差磁势，由伺服放大器输出，来驱动电机。执行机构的输出轴朝减小这个偏差磁势的方向运转，直到位置反馈信号和输入信号相等为止。图中电动操作器是利用手动开关直接控制电机，使之正、反转动，从而实现对阀门的手动操作的装置。DKZ型直行程电动执行器以二相低速同步电机为执12过程控制装置课件13

三调节机构(调节阀)调节机构习惯上称为调节阀，是执行器的调节部分，是一个可变阻力的节流元件。通过阀芯在阀体内的移动，改变了阀芯与阀座之间的流通面积，从而改变了被调介质的流量，达到自动调节工艺参数的目的。调节阀有正作用和反作用两种。当阀芯向下位移时，阀芯与阀座之间的流通截面积减少时，称为正作用式或正装；反之，则称为反作用式或反装。对于阀芯直径DN＜25mm的结构为单导向，只能是正装。

三调节机构(调节阀)14工作原理通过阀的流体遵循流体流动的质量守恒和能量守恒定律。对不可压缩流体而言，流体流经调节阀的流量方程为：式中A为管截面的面积；ξ为调节阀的阻力系数，与阀门结构形式、流体性质、阀门前后压差及开度等有关。对不可压缩流体而言，当调节阀口径一定、ΔP/ρ不变的情况下，流量qv仅随阻力系数ξ的变化而变化。即当移动阀芯使开度改变时，调节阀的阻力系数随之变化，从而改变了流量的大小，达到了调节流量的目的。工作原理通过阀的流体遵循流体流动的质量守恒和能量守恒定律15调节阀分类：

调节阀根据阀芯的动作形式，可分为直行程式和转角式两大类。直行程式阀主要包括直通双座阀、直通单座阀、角形阀、三通阀、高压阀、超高压阀、隔膜阀、阀体分离阀等。转角式阀有碟阀、凸轮挠曲阀、球阀等。

●直通双座阀结构特点：阀体内有两个阀芯和阀座。流体从左侧进入，通过阀座阀芯后，由右侧流出，为双导向结构。只要把阀芯反装，就可变正装为反装。流体作用在上下阀芯上的推力，方向相反而大小接近相等，所以其不平衡力很小。但由于上下阀芯不易同时关闭，故泄漏量较大。阀体流路复杂，不适用于高粘度和含纤维介质的场合。见图4-53调节阀分类：16●直通单座阀其阀体内只有一个阀芯和阀座。它具有泄漏量小、易于关断、不平衡力大的特点，适用于泄漏量要求高、压差较小的场合。分为调节型和切断型，主要区别在于阀芯形状不同，调节型为柱塞型，而切断型为平板型。见图4-52●三通阀阀体有三个出、入口与管道相连接，分为合流型和分流型。当阀芯移动时，通过改变阀芯与阀座之间所形成的窗口流通面积而使流量变化，不论是合流型或分流型，若使一路流量增加，另一路流量必然减少。三通阀一般常用于热交换器的旁通调节，一般要求两股流体温差小于150℃。见图4-54●直通单座阀17●碟阀具有流阻小、流量系数大、结构简单、成本低等特点，适用于大口径、大流量、低压差的场合，但泄漏量大。碟阀有：常温碟阀(-20～450℃)、高温碟阀(450～600℃和600～850℃)、低温碟阀(-40～-200℃)和高压碟阀(pN≤3200kPa)四种。选择调节阀时应考虑被调介质工艺条件及流体特性进行选取；●碟阀18常用调节阀的结构示意：（a,b）为直通单座；（c）直通双座；(d)角形阀；(e,f)三通阀；(g)碟阀；(h)套筒阀；(i)偏心旋转阀；(j)V形球阀；(k)O形球阀；常用调节阀的结构示意：（a,b）为直通单座；（c）直通双座；19

四调节阀的流量特性

调节阀的流量特性：是指被调介质流过阀的相对流量与阀门的相对开度之间的关系，表示为一般来说，改变调节阀阀芯与阀座间的流通截面积，便可控制流量。但实际上当阀的流通面积变化时，阀两端压差也发生变化，这又导致流量的改变。因此为方便起见，将流量特性分为理想流量特性和实际的工作流量特性。四调节阀的流量特性一般来说，改变调节阀阀芯与阀座间的流20调节阀的可调比：就是调节阀能够控制的最大流量与最小流量之比，也称为可调范围，即注意：qvmin不等于阀的泄漏量。前者为阀能够控制的流量下限，一般为2-4％qvmax。阀的泄漏量为阀处于关闭状态下的泄漏量，一般小于0.1％流量系数（见后）。在调节阀前后压差保持不变时的可调比称为理想可调比。而实际工作时，因为系统阻力的影响，调节阀前后压差会产生变化，使可调比相应变化，这时的可调比称为实际可调比。调节阀的可调比：就是调节阀能够控制的最大流量与最小流量之比，21

1调节阀的理想流量特性

理想流量特性是指调节阀前后压差一定时的流量特性，它是调节阀的固有特性，由阀芯的形状所决定。根据阀芯形状不同，主要有直线、等百分比(对数)、抛物线及快开等四种理想流量特性。1调节阀的理想流量特性22●直线流量特性

当调节阀的相对流量与相对开度成直线关系，即阀杆单位行程变化所引起的流量变化为常数时，称阀具有直线流量特性。即：若边界条件为：l=0,qv=qvmin;l=L,qv=qvmax解得：●直线流量特性当调节阀的相对流量与相对开度成直线关系，即23上式表明qv/qvmax与l/L之间成直线关系。理想特性曲线起始点问题？不在原点具有直线流量特性的调节阀，单位行程变化所引起的流量变化是相等的，但引起的流量变化的相对值不同。如以原来阀位在10％、50％、80％三点为例，当行程变化10％时所引起的流量变化和相对变化见下表。由表可见流量变化绝对值近似相等，流量相对变化量差别很大。阀位％105080流量变化量9.79.69.8相对变化％74.618.512.1上式表明qv/qvmax与l/L之间成直线关系24由此可见，虽然相同的阀杆行程引起的流量变化绝对值相同，但引起的流量变化的相对值是不同的。在流量小时，流量变化的相对值大；而流量大时，流量变化的相对值小。也即当阀门开度小时调节作用太强，易使系统产生振荡；而当阀门开度大时调节作用又太弱，调节不灵敏、不及时。因此具有直线流量特性的调节阀不宜用于负荷变化较大的场合。由此可见，虽然相同的阀杆行程引起的流量变化绝对25●对数流量特性

当调节阀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时，称阀具有对数流量特性，也称为等百分比流量特性。即调节阀的放大系数随相对流量的增加而增大，表示为因此，阀的相对流量与相对开度成对数关系。●对数流量特性因此，阀的相对流量与相对开度成对数关系。26即行程小时，流量变化小；行程大时，流量变化大。只要阀杆行程变化相同，所引起的流量变化的相对值近似相等。因此，具有等百分比特性的调节阀，在小开度时，放大系数小，调节平稳缓和；在大开度时，放大系数大，调节灵敏有效。所以，具有对数流量特性的调节阀，适应能力强，在工业过程控制中应用广泛。阀位％105080流量变化量/流量1.91/78/2118/53相对变化％27.338.134对于等百分比特性的阀门，仍然以图4-61中阀位的10％、50％、80％三点为例，当行程变化10％时，所引起的流量变化量和相对变化量。即行程小时，流量变化小；行程大时，流量变化大。只要阀杆行程变27●快开流量特性当调节阀在较小开度时，流量就达到很大。随着行程增加，很快达到最大流量。这种特性称为快开流量特性。表示为具有快开特性的阀芯形式是平板型的。主要用于迅速启闭的切断阀或双位调节系统。●抛物线流量特性当单位行程的相对流量变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量的平方根成正比时，称阀具有抛物线流量特性。●快开流量特性当调节阀在较小开度时，流量就达到很大。随着282调节阀的工作流量特性

在实际使用调节阀时，由于调节阀串联在管路中或与旁路阀并联，因此阀前后的压差总在变化，这时的流量特性称为调节阀的工作流量特性。

●串联管道工作流量特性当调节阀串联在管路中时，系统的总压差等于管路系统的压差与调节阀的压差之和2调节阀的工作流量特性29串联管道系统的压差△p1与通过的流量的平方成正比。若系统的总压差△p不变，调节阀一旦动作，△p1将随着流量的增大而增加，调节阀两端的压差△pv则相应减少。若以s表示调节阀全开时阀上的压差△pv与系统总压差△p之比，即s=Δpv/Δp，以qvmax表示管道阻力等于零时调节阀的理想流量特性下的全开流量，此时Δpv＝Δp，因此可以得到串联管道以qvmax作为参比值的调节阀工作流量特性。串联管道系统的压差△p1与通过的流量的平方成正比。若系统的总30s＝1时，管道阻力损失为零，系统总压降全落在阀上，工作特性与理想特性一致。随着s值的减小，管道阻力损失增加，调节阀流量特性发生畸变，实际可调比减小，调节阀由直线特性趋向快开特性，等百分比特性渐趋向于直线特性。这就使小开度时放大系数变大，控制不稳定；大开度时放大系数变小、控制迟钝。若s选取过大，阀上压降很大，能量消耗过多。通常希望s值不低于0.3～0.5。s＝1时，管道阻力损失为零，系统总压降全落在阀上，工作特性与31●并联管道的工作流量特性

调节阀一般都装有旁路，以便于手动操作和备用。当生产量提高而阀选得过小时，需要打开一些旁路阀，这就是并联管道的情况。此时，调节阀的理想特性就畸变为工作特性。这时管道总流量随调节阀开度的变化规律称为并联管道时的工作流量特性。设x为并联管道时调节管道阀全开流量与总管最大流量qvmax之比（X=qv1max/qvmax），可以得到压差一定，x不同的并联工作流量特性如图4-65。●并联管道的工作流量特性调节阀一般都装有旁路，以便于手动32过程控制装置课件33当x＝1时，表示旁路阀全关，调节阀特性为理想流量特性。随着x值的减小，即旁路阀的逐渐开大、调节阀的可调比大大降低。而且在实际使用中总有串联管道阻力的影响，调节阀上的压差还会随着流量的增加而降低，使可调范围进一步减小。因此，要尽量避免开通旁路阀的调节方式，以保证调节阀有足够的可调比。若要打开旁路阀，旁路流量最多只能为总流量的百分之十几，即x≥0.8。当x＝1时，表示旁路阀全关，调节阀特性为理想34

综合上述串、并联管道的情况，可得如下结论。①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。②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。③串联管道使系统总流量减少，并联管道使系统总流量增加。④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。串联管道时控制阀若处于大开度，则S值降低对放大系数影响更为严重，并联管道时控制阀若处于小开度，则x值降低对放大系数影响更为严重。综合上述串、并联管道的情况，可得如下结论。35

五调节阀的流量系数和口径计算(1)流量系数通过调节阀的流量与阀芯阀座的结构、阀前后的压差、流体的性质等因素有关。通常用流量系数表示通过调节阀的流体流通能力。流量系数的定义：在给定行程下，阀两端的压差为0.1MPa、流体密度为1000kg／m3时每小时流经调节阀的流量数(m3/h)，以C表示。当调节阀全开时的流量系数称为额定流量系数，以C100表示。C100反应了调节阀容量大小，是确定调节阀口径大小的主要依据，由阀门制造厂提供给用户。五调节阀的流量系数和口径计算36流量系数的计算：流过调节阀的流体遵循调节阀的流量方程。即：式中A为阀流通截面的面积；ξ为调节阀的阻力系数；a为与单位制有关的常数。上式令P1-P2=1,ρ=1，由调节阀流量系数C的定义可得：

上式可见：C值大小取决于调节阀流通面积和阻力系数。在一定条件下，ξ为常数，因此根据C可以确定阀的公称直径。流量系数的计算：37

（2）调节阀口径的确定

流量系数的计算是选定调节阀口径的最主要的理论依据。工程中通过计算流量系数来确定调节阀的公称通径。具体步骤参见教材170页表4-5。阻塞流(chovkedflow)：当阀入口压力P1保持恒定，逐步降低出口压力P2时，流过阀的流量会增加到一个最大值，继续降低出口压力，流量不再增加，即出现阻塞流。在阻塞流条件下，流经阀的流量不随阀后压力的降低而增加，其关系不遵循调节阀的流量方程。因此计算C值，首先要确定调节阀是否处于阻塞流状态。（2）调节阀口径的确定38阻塞流状态判断：流体通过调节阀，是否为阻塞流可从不可压缩流体和可压缩流体两种情况分析。不可压缩流体用ΔP（=p1-p2）来判断则流体为非阻塞流；否则为阻塞流。对于可压缩流体，用压差比（x=ΔP/p1）来判断。x≥FKxT时为阻塞流；否则为非阻塞流。其中xT为临界压差比，给定调节阀，其固定常数。阻塞流状态判断：39表4-5流量系数C值的计算公式表4-5流量系数C值的计算公式40

调节阀口径确定的步骤A、根据生产能力、设备负荷确定最大流量qvmax和最小流量qvmin；B、根据所选流量特性及系统特点选定S值（Δpv/Δp），求出计算压差（即阀全开时压差）；C、根据流量系数计算公式，计算C100；D、根据已求的C100，在所选用的产品型号标准系列中选取大于C100并最接近的C，从而确定阀门口径；E、验证调节阀开度和可调比。一般调节阀流量应处于10％-90％范围内。调节阀口径确定的步骤41（3）调节阀的选型

调节阀的选型主要包括阀口径选择、型式选择、阀固有流量特性的选择以及阀的材质选择等。阀口径：根据应用场合计算流量系数来确定；调节阀结构型式的选择：十分重要的。有不少场合，由于阀的结构型式选挥不当导致控制系统不能正常运行或运行失败。由于套筒阀、偏心旋转阀、球阀和蝶阀的性能优良，故应用越来越广泛。例子。调节阀的固有流量特性：有线性、等百分比、快开及抛物线等几种。快开特性调节阀基本上作为两位式控制用，抛物线特性的控制阀作为三通阀用。因此，调节阀固有流量特性的选择主要是选用线性特性还是等百分比特性。一般情况下，等百分比特性调节阀能适应负荷变化范围较大的场合，因此在工程上常常优先选用。

调节阀的材质选择:主要考虑工艺介质的腐蚀性、温度、压力、气蚀和冲刷等因素。（3）调节阀的选型42六电动执行器电动执行器由电动执行机构和调节机构两部分组成。电动执行机构可将来自调节器的电信号转换成为位移输出信号，去操纵阀门、挡板等调节机构，以实现自动调节。按照输出位移的不同，电动执行机构可分为角行程和直行程两种。具体内容参见第4节第二部分。依据电动执行机构的位移信号，完成调节任务的装置称为调节机构。调节机构主要是指调节阀，具体内容参见第4节第三和第四部分。六电动执行器电动执行器由电动执行机构和调节43七电－气转换器和电－气阀门定位器在过程控制系统中，由于调节执行单元品种繁多，电、气信号常常混合使用，因而需要进行电—气或气—电信号之间的转换。1、电—气转换器电气转换器可以把从电动变送器来的电信号(0～10mA或4～20mA)变成标准气信号(0.02～0.1MPa)，送到气动调节器或气动显示仪表；也可把电动调节器输出信号变成气信号去驱动气动调节阀。电气转换器按力矩平衡原理工作。当电流信号通入置于恒定磁场里的测量线圈中时，会产生一个向上的电磁力（即测量力）。七电－气转换器和电－气阀门定位器在过程控制系统44由于线圈固定在杠杆上，使扛杆绕十字簧片偏转，于是装在杠杆另一端的挡板靠近喷嘴，使其背压升高，经过放大器放大后，一方面输出，一方面反馈到正、负两个波纹管，建立起与测量力矩相平衡的反馈力矩。于是输出信号（0.02～0.IMPa）就与线圈电流成一一对应的关系。p由于线圈固定在杠杆上，使扛杆绕十字簧片偏转，于是装在杠杆另一45电信号和气压信号如何一一对应？电气转换器平衡时，IiA1L1＋P出A2L2＝P出A3L3化简后可得：P出＝Ii×A1L1/（A3L3－A2L2）＝K×Ii通过调零弹簧调零，使：Ii=0时，P出＝0.02MPa则：P出＝K×Ii＋0.02求得K＝(0.1－0.02)/(10－0)＝0.08(MPa/mA)这样就实现了电气转换，并且电、气数值一一对应。电信号和气压信号如何一一对应？462电—气阀门定位器电—气阀门定位器直接接受气动调节器或电动调节器的输出，产生与调节器输出成比例的气压信号，去控制气动执行器。具有电－气转换器和气动阀门定位器两种作用。

电－气阀门定位器具有以下主要功能：●用来改善调节阀的定位精度。●改善阀门的动态特性。●改变阀门动作方向。●用于分程控制。即用一个调节器控制多个调节阀。2电—气阀门定位器47配薄膜执行器的电-气阀门定位器的动作原理如下图。它是按力矩平衡原理工作的。作用：阀门定位反馈电气转换配薄膜执行器的电-气阀门定位器的动作原理如下图。48

工作原理：电－气阀门定位器的动作是按力矩平衡原理工作的。当信号电流通入力矩马达的线圈时，它与永久磁钢作用对主杠杆杆产生一个力矩，使档板靠近喷嘴，经放大器放大后送入薄膜气室使阀芯杆向下移动，并带动反馈杆绕其支点转动，连在同一轴上的反馈凸轮也作逆时针方向转动，通过滚轮使副杠杆绕其支点偏转，拉伸反馈弹簧，当反馈弹簧对主杠杆的拉力与力矩马达作用在主杠杆上的力两者力矩平衡时，仪表达到平衡状态，此时，一定的信号电流就对应于一定的阀门位置。工作原理：49作业：176页20题；22题；30题；作业：50谢谢！谢谢！51第4章过程控制装置第4章过程控制装置524.4执行器一、概述

执行器是自动调节系统中不可缺少的组成部分。执行器的作用：是接受调节器送来的控制信号，自动地改变操纵量(如介质流量、热量等)，达到对被调参数(如压力、温度、液位等)进行调节的目的。执行器是自动调节系统的终端部件，而调节阀则是执行器中最广泛使用的形式。执行器的好坏直接影响到调节系统的正常工作。4.4执行器一、概述53（1）执行器的构成

执行器由执行机构和调节机构两个部分构成，如图所示。执行机构是执行器的推动装置，它根据输入控制信号的大小，产生相应的输出力F（或输出力矩M）和直线位移l（或角位移θ），推动调节机构动作。调节机构是执行器的调节部分，与被调介质直接接触。在执行机构的作用下，调节机构的阀芯产生一定位移，即执行器的开度发生变化，从而直接调节从阀芯、阀座之间流过的控制变量的流量。（1）执行器的构成执行器由执行机构和调节机构两个54（2）执行器的分类按照工作能源分，执行器可分为三大类：气动执行器、电动执行器和液动执行器。化工中常用气动执行器、电动执行器，也称为电、气动调节阀，其外形如下图。气动调节阀是以压缩空气为能源的执行器，它的主要特点是：结构简单、动作可靠、性能稳定、故障率低、价格便宜、维修方便、本质防爆、容易做成大功率等。气动调节阀采用气动执行机构。气动执行机构一般分为薄膜式、活塞式等。电动调节阀由电动执行机构和调节机构两部分组成，可将来自调节器的电信号转换成为位移输出信号，去操纵阀门、挡板等调节机构，以实现自动调节。电动执行机构一般具有直行程式（DKZ型）和角行程式（DKJ型）两种类型。（2）执行器的分类按照工作能源分，执行器可分为三55气动薄膜调节阀MD-52

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DA/56（3）执行器的作用方式执行器有正、反作用两种方式。当输入信号增大时，执行器的流通面积增大，即流过执行器的流量增大，称为正作用；当输入信号增大时，流过执行器的流量减小，称为反作用。正、反作用的气动调节阀通常分别称为气开阀和气关阀。气动调节阀的正、反作用可通过执行机构和调节机构的正、反作用的组合实现。对于电动调节阀，由于改变执行机构的控制器（伺服放大器）的作用方式非常方便，因此一般通过改变执行机构的作用方式实现调节阀的正、反作用。（3）执行器的作用方式执行器有正、反作用两种方式57二、执行器的执行机构执行机构的作用是根据输入信号的大小，产生相应的输出力F（或输出力矩M）和直线位移l（或角位移θ），来克服调节机构中流动流体对阀芯产生的作用力和其他各种阻力，驱动调节机构的阀芯动作。执行机构分为气动式和电动式两种。1、气动执行器的执行机构气动执行器由气动执行机构和调节机构两部分组成。执行机构按调节器输出气压信号(20～100kPa)的大小产生相应的推力，使执行机构推杆产生相应位移，推动调节机构动作。气动执行机构有多种结构形式，主要分为薄膜执行机构、活塞执行机构、长行程执行机构和滚动膜片执行机构。应用中广泛采用的是薄膜执行机构和活塞执行机构。二、执行器的执行机构执行机构的作用是根据输入信58

（1）气动薄膜式执行机构

是最常用的一种气动执行机构。按动作方式可分为正作用式和反作用式。正作用式的信号压力通入波纹膜片上方的薄膜气室，而反作用式的信号压力通入波纹膜片下方的薄膜气室。图4-54和4-55分别为薄膜调节阀及正作用式气动薄膜执行机构示意图。动作原理：弹簧反作用力和信号压力在波纹膜片上的推力相平衡，使推杆稳定在新的位置。推杆的位移也称为执行机构的行程。行程与压力信号成比例关系。气动薄膜执行机构的行程规格有：10、16、25、40、60、100mm等。薄膜的有效面积有200、280、400、630、100、1600cm2六种规格。膜片承受压力为20-100kPa.（1）气动薄膜式执行机构59过程控制装置课件60（2）气动活塞式执行机构气动活塞式执行机构有无弹簧和有弹簧之分，图4-56所示为无弹簧。其基本部分为活塞和气缸，活塞两侧分别输入固定信号和变动信号，或两侧都输入变动信号，活塞在气缸内随其两侧压差而移动。其输出特性有比例式及两位式两种。两位式是根据输入执行活塞两侧的操作压力的大小，活塞从高压侧推向低压侧，使推杆从一个位置移到另一极端位置；比例式是在两位式基础上加有阀门定位器后，使推杆位移与信号压力成比例关系。活塞式执行机构属于强力气动执行机构，具有很大的输出推力，特别适用高静压、高压差、大口径的场合。（2）气动活塞式执行机构612电动执行机构电动执行器由电动执行机构和调节机构两部分组成。电动执行机构可将来自调节器的电信号转换成为位移或角位移输出信号，去操纵阀门、挡板等调节机构，以实现自动调节。电动执行机构主要分为两大类：直行程式与角行程式。角行程式执行机构又可分为单转式（输出角位移小于360o，通常称为角行程式执行机构）和多转式（输出角位移大于360o）。多转式常和闸阀等多转式调节机构配套使用。按照特性不同，电动执行机构可分为比例式和积分式。比例式的位移输出信号与输入电信号成比例关系。积分式接受断续输入信号，其输出位移信号与输入信号成积分关系。电动执行机构由伺服放大器、伺服电机、位置发送器和减速器四部分组成，其构成原理如图所示。2电动执行机构62DKZ型直行程电动执行器以二相低速同步电机为执行电机的交流位置伺服系统，由伺服放大器和执行机构两部分组成。其原理如图。当伺服放大器输入端输入4mADC时，放大器没有输出，电机停转，执行机构输出稳定在预选好的零位。当有大于4mADC的输入时，此输入信号和执行机构的位置反馈信号在伺服放大器的前置级磁放大器中进行磁势综合和比较，得到偏差磁势，由伺服放大器输出，来驱动电机。执行机构的输出轴朝减小这个偏差磁势的方向运转，直到位置反馈信号和输入信号相等为止。图中电动操作器是利用手动开关直接控制电机，使之正、反转动，从而实现对阀门的手动操作的装置。DKZ型直行程电动执行器以二相低速同步电机为执63过程控制装置课件64

三调节机构(调节阀)调节机构习惯上称为调节阀，是执行器的调节部分，是一个可变阻力的节流元件。通过阀芯在阀体内的移动，改变了阀芯与阀座之间的流通面积，从而改变了被调介质的流量，达到自动调节工艺参数的目的。调节阀有正作用和反作用两种。当阀芯向下位移时，阀芯与阀座之间的流通截面积减少时，称为正作用式或正装；反之，则称为反作用式或反装。对于阀芯直径DN＜25mm的结构为单导向，只能是正装。

三调节机构(调节阀)65工作原理通过阀的流体遵循流体流动的质量守恒和能量守恒定律。对不可压缩流体而言，流体流经调节阀的流量方程为：式中A为管截面的面积；ξ为调节阀的阻力系数，与阀门结构形式、流体性质、阀门前后压差及开度等有关。对不可压缩流体而言，当调节阀口径一定、ΔP/ρ不变的情况下，流量qv仅随阻力系数ξ的变化而变化。即当移动阀芯使开度改变时，调节阀的阻力系数随之变化，从而改变了流量的大小，达到了调节流量的目的。工作原理通过阀的流体遵循流体流动的质量守恒和能量守恒定律66调节阀分类：

调节阀根据阀芯的动作形式，可分为直行程式和转角式两大类。直行程式阀主要包括直通双座阀、直通单座阀、角形阀、三通阀、高压阀、超高压阀、隔膜阀、阀体分离阀等。转角式阀有碟阀、凸轮挠曲阀、球阀等。

●直通双座阀结构特点：阀体内有两个阀芯和阀座。流体从左侧进入，通过阀座阀芯后，由右侧流出，为双导向结构。只要把阀芯反装，就可变正装为反装。流体作用在上下阀芯上的推力，方向相反而大小接近相等，所以其不平衡力很小。但由于上下阀芯不易同时关闭，故泄漏量较大。阀体流路复杂，不适用于高粘度和含纤维介质的场合。见图4-53调节阀分类：67●直通单座阀其阀体内只有一个阀芯和阀座。它具有泄漏量小、易于关断、不平衡力大的特点，适用于泄漏量要求高、压差较小的场合。分为调节型和切断型，主要区别在于阀芯形状不同，调节型为柱塞型，而切断型为平板型。见图4-52●三通阀阀体有三个出、入口与管道相连接，分为合流型和分流型。当阀芯移动时，通过改变阀芯与阀座之间所形成的窗口流通面积而使流量变化，不论是合流型或分流型，若使一路流量增加，另一路流量必然减少。三通阀一般常用于热交换器的旁通调节，一般要求两股流体温差小于150℃。见图4-54●直通单座阀68●碟阀具有流阻小、流量系数大、结构简单、成本低等特点，适用于大口径、大流量、低压差的场合，但泄漏量大。碟阀有：常温碟阀(-20～450℃)、高温碟阀(450～600℃和600～850℃)、低温碟阀(-40～-200℃)和高压碟阀(pN≤3200kPa)四种。选择调节阀时应考虑被调介质工艺条件及流体特性进行选取；●碟阀69常用调节阀的结构示意：（a,b）为直通单座；（c）直通双座；(d)角形阀；(e,f)三通阀；(g)碟阀；(h)套筒阀；(i)偏心旋转阀；(j)V形球阀；(k)O形球阀；常用调节阀的结构示意：（a,b）为直通单座；（c）直通双座；70

四调节阀的流量特性

调节阀的流量特性：是指被调介质流过阀的相对流量与阀门的相对开度之间的关系，表示为一般来说，改变调节阀阀芯与阀座间的流通截面积，便可控制流量。但实际上当阀的流通面积变化时，阀两端压差也发生变化，这又导致流量的改变。因此为方便起见，将流量特性分为理想流量特性和实际的工作流量特性。四调节阀的流量特性一般来说，改变调节阀阀芯与阀座间的流71调节阀的可调比：就是调节阀能够控制的最大流量与最小流量之比，也称为可调范围，即注意：qvmin不等于阀的泄漏量。前者为阀能够控制的流量下限，一般为2-4％qvmax。阀的泄漏量为阀处于关闭状态下的泄漏量，一般小于0.1％流量系数（见后）。在调节阀前后压差保持不变时的可调比称为理想可调比。而实际工作时，因为系统阻力的影响，调节阀前后压差会产生变化，使可调比相应变化，这时的可调比称为实际可调比。调节阀的可调比：就是调节阀能够控制的最大流量与最小流量之比，72

1调节阀的理想流量特性

理想流量特性是指调节阀前后压差一定时的流量特性，它是调节阀的固有特性，由阀芯的形状所决定。根据阀芯形状不同，主要有直线、等百分比(对数)、抛物线及快开等四种理想流量特性。1调节阀的理想流量特性73●直线流量特性

当调节阀的相对流量与相对开度成直线关系，即阀杆单位行程变化所引起的流量变化为常数时，称阀具有直线流量特性。即：若边界条件为：l=0,qv=qvmin;l=L,qv=qvmax解得：●直线流量特性当调节阀的相对流量与相对开度成直线关系，即74上式表明qv/qvmax与l/L之间成直线关系。理想特性曲线起始点问题？不在原点具有直线流量特性的调节阀，单位行程变化所引起的流量变化是相等的，但引起的流量变化的相对值不同。如以原来阀位在10％、50％、80％三点为例，当行程变化10％时所引起的流量变化和相对变化见下表。由表可见流量变化绝对值近似相等，流量相对变化量差别很大。阀位％105080流量变化量9.79.69.8相对变化％74.618.512.1上式表明qv/qvmax与l/L之间成直线关系75由此可见，虽然相同的阀杆行程引起的流量变化绝对值相同，但引起的流量变化的相对值是不同的。在流量小时，流量变化的相对值大；而流量大时，流量变化的相对值小。也即当阀门开度小时调节作用太强，易使系统产生振荡；而当阀门开度大时调节作用又太弱，调节不灵敏、不及时。因此具有直线流量特性的调节阀不宜用于负荷变化较大的场合。由此可见，虽然相同的阀杆行程引起的流量变化绝对76●对数流量特性

当调节阀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时，称阀具有对数流量特性，也称为等百分比流量特性。即调节阀的放大系数随相对流量的增加而增大，表示为因此，阀的相对流量与相对开度成对数关系。●对数流量特性因此，阀的相对流量与相对开度成对数关系。77即行程小时，流量变化小；行程大时，流量变化大。只要阀杆行程变化相同，所引起的流量变化的相对值近似相等。因此，具有等百分比特性的调节阀，在小开度时，放大系数小，调节平稳缓和；在大开度时，放大系数大，调节灵敏有效。所以，具有对数流量特性的调节阀，适应能力强，在工业过程控制中应用广泛。阀位％105080流量变化量/流量1.91/78/2118/53相对变化％27.338.134对于等百分比特性的阀门，仍然以图4-61中阀位的10％、50％、80％三点为例，当行程变化10％时，所引起的流量变化量和相对变化量。即行程小时，流量变化小；行程大时，流量变化大。只要阀杆行程变78●快开流量特性当调节阀在较小开度时，流量就达到很大。随着行程增加，很快达到最大流量。这种特性称为快开流量特性。表示为具有快开特性的阀芯形式是平板型的。主要用于迅速启闭的切断阀或双位调节系统。●抛物线流量特性当单位行程的相对流量变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量的平方根成正比时，称阀具有抛物线流量特性。●快开流量特性当调节阀在较小开度时，流量就达到很大。随着792调节阀的工作流量特性

在实际使用调节阀时，由于调节阀串联在管路中或与旁路阀并联，因此阀前后的压差总在变化，这时的流量特性称为调节阀的工作流量特性。

●串联管道工作流量特性当调节阀串联在管路中时，系统的总压差等于管路系统的压差与调节阀的压差之和2调节阀的工作流量特性80串联管道系统的压差△p1与通过的流量的平方成正比。若系统的总压差△p不变，调节阀一旦动作，△p1将随着流量的增大而增加，调节阀两端的压差△pv则相应减少。若以s表示调节阀全开时阀上的压差△pv与系统总压差△p之比，即s=Δpv/Δp，以qvmax表示管道阻力等于零时调节阀的理想流量特性下的全开流量，此时Δpv＝Δp，因此可以得到串联管道以qvmax作为参比值的调节阀工作流量特性。串联管道系统的压差△p1与通过的流量的平方成正比。若系统的总81s＝1时，管道阻力损失为零，系统总压降全落在阀上，工作特性与理想特性一致。随着s值的减小，管道阻力损失增加，调节阀流量特性发生畸变，实际可调比减小，调节阀由直线特性趋向快开特性，等百分比特性渐趋向于直线特性。这就使小开度时放大系数变大，控制不稳定；大开度时放大系数变小、控制迟钝。若s选取过大，阀上压降很大，能量消耗过多。通常希望s值不低于0.3～0.5。s＝1时，管道阻力损失为零，系统总压降全落在阀上，工作特性与82●并联管道的工作流量特性

调节阀一般都装有旁路，以便于手动操作和备用。当生产量提高而阀选得过小时，需要打开一些旁路阀，这就是并联管道的情况。此时，调节阀的理想特性就畸变为工作特性。这时管道总流量随调节阀开度的变化规律称为并联管道时的工作流量特性。设x为并联管道时调节管道阀全开流量与总管最大流量qvmax之比（X=qv1max/qvmax），可以得到压差一定，x不同的并联工作流量特性如图4-65。●并联管道的工作流量特性调节阀一般都装有旁路，以便于手动83过程控制装置课件84当x＝1时，表示旁路阀全关，调节阀特性为理想流量特性。随着x值的减小，即旁路阀的逐渐开大、调节阀的可调比大大降低。而且在实际使用中总有串联管道阻力的影响，调节阀上的压差还会随着流量的增加而降低，使可调范围进一步减小。因此，要尽量避免开通旁路阀的调节方式，以保证调节阀有足够的可调比。若要打开旁路阀，旁路流量最多只能为总流量的百分之十几，即x≥0.8。当x＝1时，表示旁路阀全关，调节阀特性为理想85

综合上述串、并联管道的情况，可得如下结论。①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。②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。③串联管道使系统总流量减少，并联管道使系统总流量增加。④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。串联管道时控制阀若处于大开度，则S值降低对放大系数影响更为严重，并联管道时控制阀若处于小开度，则x值降低对放大系数影响更为严重。综合上述串、并联管道的情况，可得如下结论。86

五调节阀的流量系数和口径计算(1)流量系数通过调节阀的流量与阀芯阀座的结构、阀前后的压差、流体的性质等因素有关。通常用流量系数表示通过调节阀的流体流通能力。流量系数的定义：在给定行程下，阀两端的压差为0.1MPa、流体密度为1000kg／m3时每小时流经调节阀的流量数(m3/h)，以C表示。当调节阀全开时的流量系数称为额定流量系数，以C100表示。C100反应了调节阀容量大小，是确定调节阀口径大小的主要依据，由阀门制造厂提供给用户。五调节阀的流量系数和口径计算87流量系数的计算：流过调节阀的流体遵循调节阀的流量方程。即：式中A为阀流通截面的面积；ξ为调节阀的阻力系数；a为与单位制有关的常数。上式令P1-P2=1,ρ=1，由调节阀流量系数C的定义可得：

上式可见：C值大小取决于调节阀流通面积和阻力系数。在一定条件下，ξ为常数，因此根据C可以确定阀的公称直径。流量系数的计算：88

（2）调节阀口径的确定

流量系数的计算是选定调节阀口径的最主要的理论依据。工程中通过计算流量系数来确定调节阀的公称通径。具体步骤参见教材170页表4-5。阻塞流(chovkedflow)：当阀入口压力P1保持恒定，逐步降低出口压力P2时，流过阀的流量会增加到一个最大值，继续降低出口压力，流量不再增加，即出现阻塞流。在阻塞流条件下，流经阀的流量不随阀后压力的降低而增加，其关系不遵循调节阀的流量方程。因此计算C值，首先要确定调节阀是否处于阻塞流状态。（2）调节阀口径的确定89阻塞流状态判断：流体通过调节阀，是否为阻塞流可从不可压缩流体和可压缩流体两种情况分析。不可压缩流体用ΔP（=p1-p2）来判断则流体为非阻塞流；否则为阻塞流。对于可压缩流体，用压差比（x=ΔP/p1）来判断。x≥FKxT时为阻塞流；否则为非阻塞流。其中xT为临界压差比，给定调节阀，其固定常数。阻塞流状态判断：90表4-5流量系数C值的计算公式表4-5流量系数C值的计算公式91

调节阀口径确定的步骤A、根据生产能力、设备