仪表自动化第六章执行器

第6章执行器概述执行机构调节机构调节阀的流量系数和流量特性阀门定位器执行器的选择计算和安装关键点：气开、气关阀（芯）结构及其特点流量系数Kv可调比R流量特性（重点2种）阀门定位器（了解）执行器的简单计算安装6.1概述对执行器的初步认识执行器在自动控制系统中的作用执行器的构成执行器的分类执行器的作用方式气动薄膜直通单座阀气动薄膜直通双座阀气动蝶阀气动球阀气动切断阀电动直通单座阀电动隔膜阀电动三通阀气动薄膜角形阀电磁阀手动截止阀执行器在自控系统中的作用执行器是指：阀门－调节阀(连续的)、开关阀(过程控制范畴)

电机－连续的、开关的(属于流体机械的范畴，起执行器的作用)执行器是控制系统必不可少的环节。执行器工作，使用条件恶劣，它也是控制系统最薄弱的环节原因：执行器与介质（操作变量）直接接触

(强)腐蚀性、(高)粘度、(易)结晶、高温、深冷、高压、高差压执行器在自控系统中的作用：接收调节器（计算机）输出的控制信号，使调节阀的开度产生相应变化，从而达到调节操作变量流量的目的。执行器通常专指阀门执行器的构成图6-2气动薄膜调节阀的外形和内部结构1－薄膜2－平衡弹簧3－阀杆4－阀芯5－阀体6－阀座PO气动执行机构调节机构123456辅助装置：阀门定位器和手动操作机构

执行机构调节机构POIOF→lM→θ流通截面积操纵变量的流量执行机构——根据控制信号产生推力(薄膜、活塞、马达…)。它是执行器的推动装置，它按控制信号的大小产生相应的推力，推动控制机构动作，所以它是将信号的大小转换为阀杆位移的装置控制机构——根据推力产生位移或转角，改变开度。它是执行器的控制部分，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

手操机构——手轮机构的作用是当控制系统因停电、停气、控制器无输出或执行机构失灵时，利用它可以直接操纵控制阀，以维持生产的正常进行。

气动执行器分类－－按使用的能源形式：电动执行器液动执行器气动阀电动阀在过程控制领域应用很少按阀门的输出：连续式(0～100％)开关式(ON/OFF)调节阀**气动调节阀采用气动执行机构优点：结构简单、动作可靠稳定、输出力大、安装维修方便、价格便宜和防火防爆缺点：响应时间大，信号不适于远传采用电/气转换器或电/气阀门定位器，使传送信号为电信号，现场操作为气动信号气动调节阀电信号气信号电动调节阀电动调节阀采用电动执行机构优点：动作较快、能源获取方便，特别适于远距离的信号传送缺点：输出力较小、价格贵，且一般只适用于防爆要求不高的场合直通双座调节阀直通单座调节阀笼式（套筒）调节阀角型调节阀三通调节阀高压调节阀隔膜调节阀波纹管密封调节阀超高压调节阀小流量调节阀低噪音调节阀直行程式调节机构角行程式调节机构

同一类型的气动/电动调节阀，分别采用气动执行机构和电动执行机构蝶阀凸轮挠曲调节阀V型球阀O型球阀

分类－－按使用的调节机构：反作用：：当输入信信号增大大时，流流过执行行器的流流量减小小气动调节节阀通常常称为气气关阀正作用：：当输入信信号增大大时，执执行器的的开度增增大，即即流过执执行器的的流量增增大气动调节节阀通常常称为气气开阀执行器的的作用方方式从安全生生产的角角度来确确定正反反作用H如果，介介质是由由强腐蚀蚀性的，，再生产产过程中中不允许许溢出，，调节阀阀的作用用形式？？如果后面面的环节节不允许许没有物物料，调调节阀的的作用形形式？根据控制制信号的的大小，，产生相相应的输输出力F和位移M(直线位移移l或角位移移θ)输出力F用于克服服调节机机构中流流动流体体对阀芯芯产生的的作用力力或作用用力矩，，以及摩摩擦力等等其他各各种阻力力；位移(l或θ)用于带动动调节机机构阀芯芯动作6.2.执行机构构气动执行行机构电动执行行机构气动执行行机构主主要分为为两大类类：薄膜膜式与活活塞式薄膜式与与活塞式式执行机机构又可可分为：：有弹簧簧和无弹弹簧两种种6.2.1.气动执行行机构气源PO气源PO气动执行行机构的的动态特特性为一一阶滞后后环节。。其时间间常数的的大小与与薄膜气气室大小小及引压压导管长长短粗细细有关，，一般为为数秒到到数十秒秒之间。。气动活塞塞式执行行机构基基本结构构和工作作原理气动活塞塞式执行行机构基基本结构构和工作作原理基本部件件：活塞塞和气缸缸活塞在气气缸内随随活塞两两侧压差差而移动动两侧可以以分别输输入一个个固定信信号和一一个变动动信号，，或两侧侧都输入入变动信信号。它的输出出特性有有比例式式及两位位式两种种。两位式是是根据输输入执行行活塞两两侧的操操作压力力的大小小，活塞塞从高压压侧推向向低压侧侧，使推推杆从一一个位置置移到另另一极端端位置比例式是是在两位位式基础础上加有有阀门定定位器后后，使推推杆位移移与信号号压力成成比例关关系。P1P2构成原理理6.2.2.电动执行行机构输入信号号伺服放大大器伺服电机机减速器输出位置发生器＋－ε调节机构是执执行器的调节节部分，在执执行机构的输输出力和输出出位移作用下下，调节机构构阀芯的运动动，改变了阀阀芯与阀座之之间的流通截截面积，即改改变了调节阀阀的阻力系数数，使被控介介质流体的流流量发生相应应变化。6.3.调节机构1—执行机构2—阀杆3—阀芯4—阀座5—阀体6—转轴7—阀板主要构成：阀阀体、阀座、、阀心、和阀阀杆或转轴调节机构的结结构和特点单导向结构直通单座调节节阀：阀体内只有一一个阀芯和一一个阀座。结构简单、泄泄漏量小（甚甚至可以完全全切断）允许压差小（双导向结构构的允许压差差较单导向结结构大）。常用调节阀结结构示意图及及特点——直通单座调节节阀双导向结构它适用于要求求泄漏量小，，工作压差较较小的干净介介质的场合。。在应用中应应特别注意其其允许压差，，防止阀门关关不死。直通双座调节节阀：阀体内有两个个阀芯和阀座座。因为流体对上上、下两阀芯芯上的作用力力可以相互抵抵消，因此双双座阀具有允允许压差大上、下两阀芯芯不易同时关关闭，因此泄泄漏量较大的的特点。常用调节阀结结构示意图及及特点——直通双座调节节阀均为双导向结结构它适用于阀两两端压差较大大，泄漏量要要求不高的干干净介质场合合，不适用于于高粘度和含含纤维的场合合。角形调节阀：：阀体为直角形形流路简单、阻阻力小，适用用于高压差、、高粘度、含含有悬浮物和和颗粒状物质质的调节。角形阀一般使使用于底进侧侧出，此时调调节阀稳定性性好，在高压差场合合下，为了延延长阀芯使用用寿命，也可可采用侧进底底出。但侧进进底出在小开开度时易发生生振荡。角形阀还适用用于工艺管道道直角形配管管的场合。常用调节阀结结构示意图及及特点——角形调节阀分流三通调节节阀三通调节阀：：阀体有三个接接管口，适用用于三个方向向流体的管路路控制系统，，大多用于热热交换器的温温度调节、配配比调节和旁旁路调节。在使用中应注注意流体温差差不宜过大，，通常小于是是150℃，否则会使三三通阀产生较较大应力而引引起变形，造造成连接处泄泄漏或损坏。。三通阀有三通通合流阀和三三通分流阀两两种类型。三三通合流阀为为介质由两个个输入口流进进混合后由一一出口流出；三通分流阀为为介质由一入入口流进，分分为两个出口口流出。常用调节阀结结构示意图及及特点——三通调节阀合流三通调节节阀蝶阀：蝶阀是通过挡板以以转轴为中心心旋转来控制制流体的流量量。结构紧凑、体体积小、成本本低，流通能能力大特别适用于低低压差、大口口径、大流量量的气体形或或带有悬浮物物流体的场合合泄漏较大蝶阀通常工作作转角应小于于70℃，此时流量特特性与等百分分比特性相似似多用于开关阀阀常用调节阀结结构示意图及及特点——蝶阀蝶阀偏心旋转阀：：转轴带动阀芯芯偏心旋转体积小，重量量轻，使用可可靠，维修方方便，通用性性强，流体阻阻力小等优点点，适用于粘粘度较大的场场合，在石灰灰、泥浆等流流体中，具有有较好的使用用性能。常用调节阀结结构示意图及及特点——偏心旋转阀偏心旋转阀“O”形球阀：阀芯为一球体体阀芯上开有一一个直径和管管道直径相等等的通孔，转转轴带动球体体旋转，起调调节和切断作作用。该阀结构简单单，维修方便便，密封可靠靠，流通能力力大流量特性为快快开特性，一一般用于位式式控制。常用调节阀结结构示意图及及特点——“O”形球阀“O”形球阀“V”形球阀：阀芯也为一球球体但球体上开孔孔为V形口，随着球球体的旋转，，流通截面积积不断发生变变化，但流通通截面的形状状始终保持为为三角形。该阀结构简单单，维修方便便，关闭性能能好，流通能能力大，可调调比大流量特性近似似为等百分比比特性，适用用于纤维、纸纸浆及含颗粒粒的介质。常用调节阀结结构示意图及及特点——“V”形球阀“V”形球阀孔板流量计的的公式？？6.4.流量系数和流流量特性调节阀的流量量方程依据的原理：：伯努利方程程（能量守恒恒）流量系数是反反映调节阀口口径大小的一一个重要参数数流量系数KV的定义:在调节阀前后后压差为100KPa，流体密度为1g/cm3（即5～40℃的水）的条件件下，调节阀全开时时，每小时通过阀阀门的流体量量（m3）6.4.1.调节阀的流量量系数把上述参数代代入流量方程程，即可算出出实际工况的的流经阀门的的流量事实上，这里里提出流量系系数的概念，，用意不在流流量的计算上上，真正目的的是根据工艺要求求如何来选择择一台合适的的调节阀。可调比R反映调节阀的的调节能力的的大小定义:调节阀所能调调节的最大流流量和最小流流量之比调节阀前后压压差的变化，，会引起可调调比变化，将可调比分分为理想可调调比和实际可可调比。6.4.3.调节阀的可调调比理想可调比由由结构设计决决定，通常(1)理想可调比R(ΔP一定)①串联管道时的的可调比(2)实际可调比Rr(ΔP变化)②并联管道时的的可调比R＞＞1设调节阀流量特特性：介质流流过调节阀的的相对流量与与相对位移（（即阀的相对对开度）之间间的关系调节阀前后压压差的变化，，会引起流量量变化。流量量特性分为理理想流量特性性和实际流量量特性6.4.2.调节阀的流量量特性最大流量最大位移实际位移实际流量调节阀的固有有特性，由阀阀芯的形状所所决定。1-快开特性2-直线特性3-抛物线特性4-等百分比（对对数）特性①理想流量特性性(ΔP一定)特点：a.放大系数是常常数调节阀的相对对流量与相对对位移成直线线关系，即单单位位移变化化所引起的流流量变化是常常数b.Q↑流量相对变化化值↓(1)直线流量特性性特点：a.Q↑放大系数↑单位相对位移移变化所引起起的相对流量量变化与此点点的相对流量量成正比关系系b.流量相对变化化值是常数(2)等百分比流量量特性（对数数流量特性））单位相对位移移的变化所引引起的相对流流量变化与此此点的相对流流量值的平方方值的平方根根成正比关系系(3)抛物线流量特特性为了弥补直线线特性在小开开度时调节性性能差的缺点点，在抛物线线特性基础上上派生出一种种修正抛物线线特性，它在在相对位移30%及相对流量变变20%这段区间内为为抛物线关系系，而在此以以上的范围是是线性关系。。在开度较小时时就有较大的的流量，随着着开度的增大大，流量很快快就达到最大大；此后再增增加开度，流流量变化很小小有效位移一般般为阀座直径径的1/4适用于迅速启启闭的位式控控制或程序控控制系统(4)快开流量特性性上述4种流量特性中中：直线和等等百分比最常常用。(1)串联管道时*流量特性发生生畸变直线特性→快开特性等百分比特性性→直线特性*可调比减小②工作流量特性性(ΔP变化)(2)并联管道时时的工作流流量特性通常一般X值不能低于于0.8，即旁路流量量只能为总总流量的百百分数之十十几。可调比将大大大下降供参考执行器的选选用是否得得当，将直直接影响控控制系统的的控制质量量、安全性性和可靠性性执行器的选选择，主要要是从以下下三方面考考虑：1.调节阀的结结构形式；；2.调节阀的流流量特性；；3.调节阀的口口径。6.6.执行器的选选择计算执行机构的的选择6.6.1.执行器结构构形式的选选择比较项目气动薄膜执行机构电动执行机构可靠性高（简单、可靠）较低驱动能源需另设气源简单方便价格低高输出力大小刚度小大防爆好差工作环境大（－40～＋80℃）小（－10～＋55℃）可以根据实实际使用要要求，综合合考虑确定定选择执行机机构时，还还必须考虑虑执行机构构的输出力（力力矩）应大大于它所受受到的负荷荷力（力矩矩）负荷力（力力矩）包括括流体对阀阀芯产生的的作用力（（不平衡力力）或作用用力矩（不不平衡力矩矩）阀杆的的摩擦力、、重量以及及压缩弹簧簧的预紧力力对于气动薄薄膜执行机机构:工作压差小小于最大允允许压差但当所用调调节阀的口口径较大或或压差较高高时，执行行机构要求求有更大的输出力力，此时可可考虑用活塞式执行行机构，也可选用用薄膜执行机机构再配上阀门定位器器。(1)执行机构的的选择气开式调节节阀:有信号压力力输入时阀阀打开无信号压力力时阀全关关气关式调节节阀:有信号压力力时阀关闭闭无信号压力力时阀全开开气开气关的的选择考虑虑原则是：：信号压力中中断时，应应保证设备备和操作人人员的发全全，如阀门门处于打开开位置时危危害性小，，则应选用用气关式；；反之，则则用气开式式。确定整个调调节阀的作作用方式主要依据是是：（1）流体性质如流体种类类、粘度、、腐蚀性、、是否含悬悬浮颗粒（2）工艺条件如温度、压压力、流量量、压差、、泄漏量（3）过程控制要要求控制系统精精度、可调调比、噪音音根据以上各各点进行综综合考虑，，并参照各各种调节机构的的特点及其其适用场合合，同时兼兼顾经济性，来选择择满足工艺艺要求的调调节机构。。(2)调节机构的的选择实际上是指指如何选择择直线特性性和等百分分比特性经验准则:适当地选择择调节阀的的特性，以以阀的放大大系数的变变化来补偿偿控制对象象放大系数数的变化，，使控制系系统总的放放大系数保保持不变或或近似不变变（1）考虑系统统的控制品品质6.6.2.执行器流量量特性的选选择调节阀在串串联管道时时的工作流流量特性与与S值的大小有有关，即与与工艺配管管情况有关关。因此，，在选择其其特性时，，还必须考考虑工艺配配管情况。。（2）考虑工艺艺管道情况况1.根据系统的的特点选择择所需要的的工作流量量特性2.考虑工艺配配管情况确确定相应的的理想流量量特性P182表5-5具体做法:直线特性调调节阀在小小开度时流流量相对变变化值大，，控制过于于灵敏，易易引起振荡荡，且阀芯芯、阀座也也易受到破破坏，因此此在S值小、负荷荷变化大的的场合，不不宜采用。。等百分比比特性调节节阀的放大大系数随调调节阀行程程增加而增增大，流量量相对变化化值是恒定定不变的，，因此它对对负荷变化化有较强的的适应性。。（3）考虑负荷荷变化情况况结论：常用的调节节阀流量特特性为“线性”和“等百分比”在设计过程程中，当流流量特性难难以确定时时，优先选选用“等百分比”特性，它的的适应性更更强。首先必须要要合理确定定调节阀流流量和压差差的数据。。通常把代入入计算公式式中的流量量和压差分分别称为计计算流量和和计算压差差。而在根据计计算所得到到的流量系系数选择调调节阀口径径之后，还还应对所选选调节阀开开度和可调调节比进行行验算，以以保证所选选调节阀的的口径能满满足控制