化工仪表及自动化之执行器

化工仪表及自动化第十一章执行器

内容提要气动执行器气动执行器的组成与分类控制阀的流量特性控制阀的选择气动执行器的安装和维护阀门定位器与电-气转换器气动阀门定位器电-气阀门定位器电-气转换器1内容提要电动执行器概述角行程电动执行机构直行程电动执行机构2概述3作用

接受控制器的输出信号,直接控制能量或物料等调节介质的输送量,达到控制温度、压力、流量、液位等工艺参数的目的。

按能源形式分类

气动执行器电动执行器液动执行器执行器从结构来说执行机构调节机构概述气-电转换器电-气转换器电-气阀门定位器气动执行器电动执行器气动控制仪表电动控制仪表图11-1转换单元的使用简图4第一节气动执行器5结构气动执行结构控制阀一、气动执行器的组成与分类1.组成第一节气动执行器常用辅助设备阀门定位器手轮机构图11-2气动薄膜控制阀外形图6第一节气动执行器72.执行机构的分类薄膜式结构简单、价格便宜、维修方便，应用广泛。

活塞式推力较大，用于大口径、高压降控制阀或蝶阀的推动装置。长行程行程长、转矩大，适于输出转角（60°～90°）和力矩。气动薄膜式执行机构有正作用和反作用两种形式。

根据有无弹簧可分为有弹簧的及无弹簧的执行机构。

结构图11-3正作用式气动薄膜执行机构

1—上膜盖；2—波纹膜片；3—下膜盖；4—支架；5—推杆；6—弹簧；7—弹簧座；8—调节件；9—连接阀杆螺母；10—行程标尺第一节气动执行器图11-4反作用式气动薄膜执行机构

1—上膜盖；2—波纹膜片；3—下膜盖；4—密封膜片；5—密封环；6—填块；7—支架；8—推杆；9—弹簧；10—弹簧座；11—衬套；12—调节件；13—行程标尺8第一节气动执行器93.控制阀的分类根据不同的使用要求，控制阀的结构形式主要有以下几种。（1）直通单座控制阀阀体内只有一个阀芯与阀座。特点结构简单、价格便宜、全关时泄漏量少。直通单座阀缺点在压差大的时候，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。第一一节节气气动动执执行行器器10（2））直直通通双双座座控控制制阀阀阀体体内内有有两两个个阀阀芯芯和和两两个个阀阀座座。。特点流体流过的时候，不平衡力小。缺点容易泄漏直通双座阀第一一节节气气动动执执行行器器（3））角角形形控控制制阀阀角形形阀阀的的两两个个接接管管呈呈直直角角形形。。特点流路简单、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。流向一般是底进侧出。11角形阀第一一节节气气动动执执行行器器（4））高高压压控控制制阀阀高压压控控制制阀阀的的结结构构形形式式大大多多为为角角形形,阀阀芯芯头头部部掺铬铬或或镶镶以以硬硬质质合合金金,以以适适应应高高压压差差下下的的冲冲刷刷和和汽汽蚀蚀。。为了了减减少少高高压压差差对对阀阀的的汽汽蚀蚀,有有时时采采用用几级级阀芯芯,把把高高差差压压分分开开,各各级级都都承承担担一一部部分分以以减减少少损损失失。。12第一一节节气气动动执执行行器器（5））三三通通控控制制阀阀共有有三三个个出出入入口口与与工工艺艺管管道道连连接接。。按照流通方式分合流型和分流型两种

13三通阀（A）（B）（A））分分流流型型（B））合合流流型型第一一节节气气动动执执行行器器14（6））隔隔膜膜控控制制阀阀采用用耐耐腐腐蚀蚀衬衬里里的的阀阀体体和和隔隔膜膜。。特点结构简单、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。注意执行机构须有足够的推力隔膜阀第一一节节气气动动执执行行器器（7））蝶蝶阀阀特点结构简单、重量轻、价格便宜、流阻极小。缺点泄漏量大。15蝶阀第一一节节气气动动执执行行器器16（8））球球阀阀节流流元元件件是是带带圆圆孔孔的的球球形形体体（（A））或或是是一一种种V形形缺缺口口球球形形体体（（B））。。特点（A）转动球体可起到控制和切断的作用（B）转动球心使V形缺口起节流和剪切的作用,其特性近似于等百分比型。

球阀（A）（B）第一一节节气气动动执执行行器器（9））凸凸轮轮挠挠曲曲阀阀阀芯芯呈呈扇扇形形球球面面状状，，与与挠挠曲曲臂臂及及轴轴套套一一起起铸铸成成，，固固定定在在转转动动轴轴上上。。特点密封性好。重量轻、体积小、安装方便，适用于要求控制和密封的场合。17凸轮挠曲阀第一一节节气气动动执执行行器器18（10））笼笼式式阀阀特点可调比大、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。笼式阀缺点不适用高温、高黏度及含有固体颗粒的流体。

第一一节节气气动动执执行行器器二、、控控制制阀阀的的流流量量特特性性控制制阀阀的的流流量量特特性性是指指被被控控介介质质流流过过阀阀门门的的相相对对流流量量与与阀阀门门的的相相对对开开度度（（相相对对位位移移））间间的的关关系系，，即即19第一一节节气气动动执执行行器器201.控控制制阀阀的的理理想想流流量量特特性性在不不考考虑虑控控制制阀阀前前后后压压差差变变化化时时得得到到的的流流量量特特性性称称为为理理想想流流量量特特性性。。它它取取决决于于阀阀芯芯的的形形状状（1））直直线线流流量量特特性性指控制阀的相对流量与相对开度成直线关系。（11-2）图11-6控制阀的理想流量特性(R=30)

1—直线；2—等百分比(对数)；3—快开；4—抛物线第一一节节气气动动执执行行器器21将（11-2）积分可得（11-3）边界条件：l=0时，Q=Qmin;l=L时Q=Qmax把边界条件代入式（11-3），可分别得（11-4）R为控控制制阀阀的的可可调调范范围围或或可可调调比比。。Qmin不等于控制阀全关时的泄漏量，一般是Qmax的2％～4％。注意！第一一节节气气动动执执行行器器将式（11-4）代入式（11-3），可得（11-5）注意意：：当当可可调调比比R不同同时时，，特特性性曲曲线线在在纵纵坐坐标标上上的的起起点点是是不不同同的的。。22第一一节节气气动动执执行行器器23举例当R=30,l/L=0时，Q/Qmax=0.33假设设R=∞∞,位移移变变化化量量为为10%在10％％时时，，流流量量变变化化的的相相对对值值为为在50％％时时，，流流量量变变化化的的相相对对值值为为在80％％时时，，流流量量变变化化的的相相对对值值为为在流流量量小小时时，，流流量量变变化化的的相相对对值值大大；；在在流流量量大大时时，，流流量量变变化化的的相相对对值值小小。。第一一节节气气动动执执行行器器24（2））等等百百分分比比（（对对数数））流流量量特特性性等百百分分比比流流量量特特性性是指指单单位位相相对对行行程程变变化化所所引引起起的的相相对对流流量量变变化化与与此此点点的的相相对对流流量量成成正正比比关关系系。。（11-6）将（11-6）积分

将前述边界条件代入

（11-11）第一一节节气气动动执执行行器器25（4））抛抛物物线线流流量量特特性性（3））快快开开流流量量特特性性这种种流流量量特特性性在在开开度度较较小小时时就就有有较较大大流流量量，，随随开开度度的的增增大大，，流流量量很很快快就就达达到到最最大大。。快开开特特性性的的阀阀芯芯形形式式是是平平板板形形的的，，适适用用于于迅迅速速启启闭闭的的切切断断阀阀或或双双位位控控制制系系统统。。第一一节节气气动动执执行行器器26２.工工作作流流量量特特性性在实实际际生生产产中中，，控控制制阀阀前前后后压压差差总总是是变变化化的的，，这这时时的的流流量量特特性性称称为为工作作流流量量特特性性。。（1））串串联联管管道道的的工工作作流流量量特特性性图11-7串联管道的情形工作流量特性第一一节节气气动动执执行行器器27图11-8管道串联时控制阀的工作流量特性第一一节节气气动动执执行行器器28（2））并并联联管管道道的的工工作作流流量量特特性性控制制阀阀一一般般都都装装有有旁旁路路，，以以便便手手动动操操作作和和维维护护。。当当生生产产量量提提高高或或控控制制阀阀选选小小了了时时，，只只好好将将旁旁路路阀阀打打开开一一些些，，此此时时控控制制阀阀的的理理想想流流量量特特性性就就改改变变成成为为工工作作特特性性。。如图图11-9所所示示，，显显然然这这时时管管路路的的总总流流量量Q是控控制制阀阀流流量量Q1与旁旁路路流流量量Q2之和和，，即即Q＝Q1＋Q2。图11-9并联管道情况第一一节节气气动动执执行行器器29以x代表表并并联联管管道道时时控控制制阀阀全全开开时时的的流流量量与与总总管管最最大大流流量量Qmax之比比，，可可以以得得到到在在压压差差Δp为一一定定时时，，而而x为不不同同数数值值时时的的工工作作流流量量特特性性曲曲线线。。图11-10并联管道时控制阀的工作特性第一一节节气气动动执执行行器器30由上上图图可可见见当x＝1，即即旁路阀阀关闭时时，控制制阀的工工作流量量特性与与理想流流量特性性相同。。随着x值的减小小，即旁旁路阀逐逐渐打开开，虽然然阀本身身的流量量特性变变化不大大，但可可调范围围大大降降低了。。控制阀关关死，即即l/L＝0时，，流量Qmin大大增加加。第一节气气动执执行器在实际使使用中总总存在着着串联管管道阻力力的影响响，控制制阀上的的压差还还会随流流量的增增加而降降低，使使可调范范围下降降得更多多些，控控制阀在在工作过过程中所所能控制制的流量量变化范范围更小小，甚至至几乎不不起控制制作用。。采用打开开旁路阀阀的控制制方案是是不好的的，一般般认为旁旁路流量量最多只只能是总总流量的的百分之之十几，，即x值最小不不低于0.8。。31第一节气气动执执行器32①串、、并联管管道都会会使阀的的理想流流量特性性发生畸畸变，串串联管道道的影响响尤为严严重。②串、、并联管管道都会会使控制制阀的可可调范围围降低，，并联管管道尤为为严重。。③串联联管道使使系统总总流量减减少，并并联管道道使系统统总流量量增加。。④串、、并联管管道会使使控制阀阀的放大大系数减减小，串串联管道道时控制制阀大开开度时影影响严重重，并联联管道时时控制阀阀小开度度时影响响严重。。结论第一节气气动执执行器三、控制制阀的选选择1.控制制阀的尺尺寸选择择流经控制制阀的流流量为令代入式(11-13),得(11-13)(11-14)C称为控制阀的的流量系系数,它与阀阀芯与阀阀座的结结构、阀阀前后的的压差、、流体性性质等因因素有关关。33第一节气气动执执行器额定流量量系数指在控制制阀全开开,阀两两端压差差为0.1MPa,介质密密度为1g/cm3时,流经经控制阀阀的介质质流量数数(以m3/h表示)。。举例有一个C值为40的控制阀,表示当此阀全开,阀前后压差为0.1MPa时,每小时能通过的水量为40m3。由式(11-14)可知,当生产工艺中需要的流量Q和压差Δp决定后,就可确定阀门的流量系数C,再从流量系数C就可选择阀门的尺寸。现在,用控制阀流量系数KV代替流量系数C。34第一节气气动执执行器35主要根据据工艺条条件，如如温度、、压力及及介质的的物理、、化学特特性（如如腐蚀性性、黏度度等）来来选择。。结构形式式选择特性选择择先按控制制系统的的特点来来选择阀阀的希望望流量特特性，然然后再考考虑工艺艺配管情情况来选选择相应应的理想想流量特特性。目前使用用比较多多的是等等百分比比流量特特性。2.控制制阀结构构与特性性的选择择第一节气气动执执行器主要从工工艺生产产上安全全要求出出发。信号压力力中断时时，应保保证设备备和操作作人员的的安全。。如果阀阀处于打打开位置置时危害害性小，，则应选选用气关关式，以以使气源源系统发发生故障障，气源源中断时时，阀门门能自动动打开，，保证安安全。反反之阀处处于关闭闭时危害害性小，，则应选选用气开开阀。选择要求求压力信号号增加时时，阀关关小、压压力信号号减小时时阀开大大的为气关式。反之，，为气开式。3.气开开式与气气关式的的选择36第一节气气动执执行器序号执行机构控制阀气动执行器（a）（b）（c）（d）正正反反正反正反气关（反）气开（正）气开（正）气关（反）37表11-1组组合方式式表图11-11组合方式图第一节气气动执执行器四、控制制阀的安安装和维维护38（1）为为便于维维护检修修，气动动执行器器应安装装在靠近近地面或或楼板的的地方。。（2）气气动执行行器应安安装在环环境温度度不高于于+60℃和不不低于-40℃℃的地方方，并应应远离振振动较大大的设备备。（3）阀阀的公称称通径与与管道公公称通径径不同时时，两者者之间应应加一段段异径管管。第一节气气动执执行器（5）通通过控制制阀的流流体方向向在阀体体上有箭箭头标明明，不能能装反。。（4）气气动执行行器应该该是正立立垂直安安装于水水平管道道上。特特殊情况况下需要要水平或或倾斜安安装时，，除小口口径阀外外，一般般应加支支撑。即即使正立立垂直安安装，当当阀的自自重较大大和有振振动场合合时，也也应加支支撑。（6）控控制阀前前后一般般要各装装一只切切断阀，，以便修修理时拆拆下控制制阀。考考虑到控控制阀发发生故障障或维修修时，不不影响工工艺生产产的继续续进行，，一般应应装旁路路阀。39第一节气气动执执行器40（7）控控制阀安安装前，，应对管管路进行行清洗，，排去污污物和焊焊渣。安安装后还还应再次次对管路路和阀门门进行清清洗，并并检查阀阀门与管管道连接接处的密密封性能能。当初初次通入入介质时时，应使使阀门处处于全开开位置以以免杂质质卡住。。图11-12控制阀在管道中的安装1—调节阀；2—切断阀；3—旁路阀（8）在在日常使使用中，，要对控控制阀经经常维护护和定期期检修。。第二节阀阀门定定位器与与电-气气转换器器一、气动动阀门定定位器41气动阀门门定位器器与气动动控制阀阀配套使使用,组组成闭环环系统,利用反反馈原理理来改善善控制阀阀的定位位精度和和提高灵灵敏度,并能以以较大功功率克服服阀杆的的摩擦力力、介质质的不平平衡力等等影响,从而使使控制阀阀门位置置能按控控制仪表表来的控控制信号号实现正正确定位位。组成及作作用分类定位器有有正作用用和反作作用两种种。第二节阀阀门定定位器与与电-气气转换器器42图11-13气动阀门定位器

1—波纹管；2—主杠杆；3—量程弹簧；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;12—调零弹簧；13—挡板；14—喷嘴；15—主杠杆支点；16—放大器第二节阀阀门定定位器与与电-气气转换器器二、电-气阀门门定位器器采用电-气阀门门定位器器后，可可用电动动控制器器输出的的0～10mA或4～20mADC电流信号号去操纵纵气动执执行机构构；43第二节阀阀门定定位器与与电-气气转换器器图11-14电-气阀门定位器

1—永久磁钢；2—导磁体；3—主杠杆(衔铁)；4—平衡弹簧；5—反馈凸轮支点；6—反馈凸轮；7—副杠杆；8—副杠杆支点；9—薄膜执行机构；10—反馈杆；11—滚轮；12—反馈弹簧；13—调零弹簧；14—挡板；15—喷嘴；16—主杠杆支点；17—放大器44第二节阀阀门定定位器与与电-气气转换器器三、电-气转换换器可将来自自电动控控制器的的输出信信号经转转换后用用以驱动动气动执执行器,或者将将来自各各种电动动变送器器的输出出信号经经转换后后送往气气动控制制器。图11-15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45第三节电电动执执行器定义电动执行行器是电电动控制制系统中中的一个个重要组组成部分分。它把把来自控控制仪表表的0～10mA或4～20mA的直流统统一电信信号,转转换成与与输入信信号相对对应的转转角或位位移,以以推动各各种类型型的控制制阀,从从而达到到连续控控制生产产工艺过过程中的的流量,或简单单地开启启和关闭闭阀门以以控制流流体的通通断,达达到自动动控制生生产过程程的目的的。46第三节电电动执执行器一、概述述1.电动动执行器器的特点点①由于于工频电电源取用用方便,不需增增添专门门装置,特别是是执行器器应用数数量不太太多的单单位,更更为适宜宜;②动作作灵敏、、精度较较高、信信号传输输速度快快、传输输距离可可以很长长,便于于集中控控制;③在电电源中断断时,电电动执行行器能保保持原位位不动,不影响响主设备备的安全全;④与电电动控制制仪表配配合方便便,安装装接线简简单;⑤体积积较大、、成本较较贵、结结构复杂杂、维修修麻烦,并只能能应用于于防爆要要求不太太高的场场合47第三节电电动执执行器2.电动动执行器器的组成成两大部分分电动执行行机构调节机构构电动执行行机构根根据其输输出形式式不同角行程电电动执行行机构直行程电电动执行行机构多转式电电动执行行机构。。48第三节电电动执执行器二、角行行程电动动执行机机构DKJ型角行程程电动执执行机构构以交流流220V为