气动控制阀技术与应用

气动控制阀技术与应用一、前言

在电动执行器中执行机构和调节阀基本是可分的两个部分，在气动执行器中两者不可分的，是统一的整体。因此，其控制系统的调节品质不仅与控制阀的特性及其它性能指标有关，还与气动执行机构与控制阀统一整体的综合性能指标有关。控制阀用于调节操作变量的流量，从控制系统整体看，一个控制系统控制得好不好，都要通过控制阀来实现。控制阀的重要性⑴控制阀是节流装置，属于动部件。在控制过程中，控制阀需要不断改变节流件的流通面积，使操作变量变化，以适应负荷的变化。因此，对控制阀阀组件的密封、耐压、腐蚀等提出更高的要求。例如，密封会使控制阀摩擦力增加，控制阀死区加大，造成控制系统控制品质变差等。⑵控制阀的活动部件是造成“跑”、“冒”、“滴”、“漏”的主要原因。⑶控制阀的阀内件与过程介质直接接触，对控制阀的耐腐蚀性、强度、材料等有更高的要求。控制阀的重要性⑶控制阀的节流使能量在阀内部被消耗，因此，降低能耗，降低控制阀的压力损失，和保证较好的控制品质之间要合理选择和兼顾。⑷控制阀对流体进行节流的同时也造成噪声。控制阀造成的噪声和控制阀流路的设计、操作压力、被控介质特性有关，因此，降低噪声、降低压力损失等对控制阀提出更高的要求。⑸控制阀的适应性强。它被安装在各种不同的生产过程，生产过程的低温、高温、高压、大流量、微小流量等操作条件需要控制阀具有各种不同的性能，控制阀应能适应不同的应用要求。控制阀应用中存在的问题⑴控制阀的品种多，规格多，参数多。控制阀为适应不同生产过程的控制要求，如温度、压力、介质特性等，有成百上千种不同规格、不同类型的产品，使控制阀的选型不方便、安装应用不方便、维护不方便、管理不方便。⑵控制阀的可靠性差。控制阀在出厂时的特性与运行一段时间后的特性有很大的差异，例如，泄漏量增加、噪声增大、阀门复线性变差等，给长期稳定运行带来困难。

⑶控制阀笨重，给控制阀的运输、安装维护带来不便。控制阀应用中存在的问题⑷控制阀的流量特性与工业过程被控对象特性不匹配，造成控制系统品质变差。控制阀的理想流量特性已在产品出厂时确定，但工业过程被控对象特性各不相同，加上压降比变化，使控制阀工作流量特性不能与被控对象特性匹配，并使控制系统控制品质变差。⑸环境污染。控制阀对环境的污染主要有控制阀的噪声和控制阀的泄漏。⑹控制阀是耗能设备，降低控制阀的耗能，采用节能技术是控制阀的发展方向。控制阀的分类⒈直通单座阀：直通单座控制阀只有一个阀芯和一个阀座，是一种最常见的控制阀。其特点如下。泄漏量小；允许压差小；流通能力小；由于流体介质对阀芯的推力大，即不平衡力大，因此，在高压差、大口径的应用场合，不宜采用这类控制阀。控制阀的分类⒉套筒阀：套筒阀又称笼式阀，它是阀内件采用阀芯和阀笼(套筒)的控制阀，套筒阀的特点如下；①安装维护方便；②互换性和通用性强。更换不同套筒(节流开孔的形状)来改变控制阀的流量特性。③减少不平衡力影响。套筒阀阀芯上开有平衡孔，使阀芯上所受不平衡力大为减小，同时，它具有阻尼作用，对控制阀稳定运行有力。控制阀的分类⒊直通双座阀：直通双座阀有两个阀芯和两个阀座，其特点如下。①所受不平衡力小，允许的压降大。流体从图示的左侧流入，经两个阀芯和阀座后，汇合到右侧流出，由于上阀芯所受向上的压力和下阀芯所受向下的压力基本平衡，因此，整个阀芯所受不平衡力小。②流通能力大；双座阀的结构控制阀的分类③正阀体和反阀体的改装方便。由于双阀座采用顶底双导向，因此，只需将阀芯和阀座反过来安装就能将正阀体改为反阀体，反阀体改委正阀体。④泄漏量大。双阀座的上、下阀芯不能同时保证关严，因此双阀座的泄漏量较大。⑤抗冲刷能力差。阀内流路复杂，受流体的冲刷较严重，所以它不适用于含纤维介质和高粘度流体的控制。特别是在高压差应用场合，将加重对阀体的冲刷。⑥由于套筒阀阀芯上开有平衡孔，使阀芯上所受不平衡力大为减小，双座阀的优点已不明显。而它的泄漏量大的缺点更为显现。控制阀的分类⒋三通阀：三通阀有两个阀芯和阀座，三通阀按流体的作用方式分为合流阀和分流阀两类。合流阀三通阀和分流阀三通阀的结构类似。其特点如下：①三通阀的气开和气关只能通过选择执行机构的正作用和反作用来实现，双座阀的气开和气关的改变可直接将阀体或阀芯与阀座反装来实现；②三通阀的泄漏量较大；分流三通阀控制阀的分类⒌角形阀：角形阀的流体一般从底部流入，从阀侧面流出。因此流体中的悬浮物和颗粒不易在阀内沉积，具有自净能力，但对阀芯的冲刷较大。采用侧进底出的流向，可改善对阀芯的冲刷损伤，但由于流体流动造成不平衡力方向的变化，使阀芯出现振荡的不稳定现象。为降低不平衡力和改善阀芯的冲刷，可采用套筒式结构。控制阀的分类⒍隔膜阀：隔膜阀由耐腐蚀的隔膜和内衬耐腐蚀材质的阀体组成，适用于强酸、强碱、强腐蚀性流体的切断控制或节流控制。隔膜阀的流量特性（近似快开）差，控制精度低，可调范围小；受隔膜和衬里材质的影响，隔膜阀不能用于高温和高压等工况。隔膜阀用隔膜将流体密封，因此，不需要填料，降低了死区限，避免了泄漏。控制阀的分类⒎球阀：球阀是一类旋转阀，其阀芯是一个带孔的球，根据孔的形状分为O形球阀和V形球阀两类。⑴O型球阀的特点如下。①流量特性近似为快开特性；②阀体对称，流体流向可任意，阀芯可单向旋转，也可双向旋转。③结构简单，维护方便，可采用软密封，密封可靠，泄漏量很小；④可调比高；控制阀的分类⑵V形球阀是在阀芯上有V形切口，切口的形状与控制阀的流量特性有关。V型球阀的特点如下。①V型球阀的流量特性近似为等百分比流量特性；②密封较好，泄漏量小；③流阻小，具有剪切功能，常被用于含纤维、浆料或黏性流体；④流通能力大；⑤可调比大；⑥适用于工作温度-40~450℃，工作压力不大于6.4MPa的场合；控制阀的分类⒏蝶阀，又称翻板阀。①流通能力大，可调比大，压降小；②流量特性在转角0~70度范围内近似为等百分比特性，超过规定转角后，控制阀的运行会不稳定。③控制阀气开和气关方式更换方便；④流路简单，流阻小；⑤可通过阀板形状的设计，改善流路阻力分配，降低所需推力矩。例如，采用动态轮廓阀板，可在0~90度范围内实现等百分比流量特性。控制阀的分类⒐偏心旋转阀：又称为挠曲凸轮阀、偏心球塞控制阀。它有一个偏心旋转的阀芯，当控制阀接近关闭时，阀芯的弯曲臂产生挠曲变形，使阀芯的球面球塞与阀座紧密接触，因此密封性能很好。偏心旋转阀的特点如下。①抗冲刷性强。磨损小，使用寿命长。②动态稳定性好。只需要较小力矩就能够严密关闭。流向改变时，流体对阀芯的作用力矩相互抵消，也没有柱塞阀的根切现象，因此，动态稳定性比柱塞阀和蝶阀好。③流量特性接近修正抛物线特性。④可在阀体衬各种耐腐蚀或耐磨损的衬里材料，以适应各种工况的控制要求。⑤重量轻、体积小，安装灵活，通用性强。控制阀的分类⒑闸阀又称闸板阀。它由闸板、两个密封板和阀杆等组成。执行机构通常为长行程执行机构或活塞式执行机构。闸板可采用单闸板，也可采用双闸板，它具有流阻小、行程大、口径大、结构简单等特点，适用于控制精度要求不高的大口径、大流量、低压差的应用场合。与蝶阀比较，闸阀具有较好的剪切能力，特别适合含纤维浆料的控制，由于密封面大，因此闸阀的泄漏量较大。另有一种类似的闸阀，称为平行滑阀。它由两块平行滑块上下移动来控制流量，滑块间的弹簧使滑块紧压滑轨，该类阀具有很小流体阻力和优良密封性能，标准泄漏量达0．00001％C以下。适用于紧急切断或紧急开启的应用场合。填料结构⒈填料函的作用①提供阀杆或阀轴的密封。由于阀杆和阀轴是活动部件，因此，需要用填料函进行密封。②由于阀杆或阀轴移动时有静摩擦力(力矩)和动摩擦力(力矩)，它们使控制阀的静态和动态性能变差，因此，要选用合适的填料函和填料结构使摩擦降低到最小，使用寿命最长。控制阀选择通常考虑工作温度、压力、流量特性、流通能力和材质选择等，对填料函和填料结构的设计和选用考虑较少。随着对控制系统控制品质要求的提高，对控制阀泄漏量的要求也不断提高，因此，填料函选用和结构设计变得越来越重要。填料结构⒉填料过去，填料选择的主要考虑因素是填料工作温度。因此，当温度低于200℃时选用聚四氟乙烯(PTFE)，当温度高于200℃时选用石墨。现在，选用填料时，不仅要考虑工作温度，还要考虑填料的摩擦对控制过程所造成影响，从不同填料的各种性能比较中选择较适合于实际过程和操作条件的填料函和填料结构。填料可以是单一材质，例如聚四氟乙烯或石墨，也可由几种材质混合，例如石墨—PTFE、丝状石墨—冲压成型石墨等。填料结构⒊填料结构填料结构是指填料的排列方式，在保证所需泄漏量等级的前提下尽可能减小摩擦力、延长使用寿命的目的。采用石墨填料的系统，其摩擦要大于采用PTFE填料函的系统，因此，只要温度允许，应采用PTFE填料系统。通常，石墨有丝状、片状和弯片状等几种。丝状石墨可制成编织丝带，它容易与阀杆紧密接触，并净化阀杆表面。但丝状石墨密封性较差，使泄漏加大。因此，丝状石墨填料要冲压成型，增加其致密性。填料结构采用PTFE填料的结构PTFE制成的填料环形状通常，PTFE制成V形环状。填料结构采用石墨填料的结构控制阀的结构特点从结构看，控制阀的特点如下。⒈制阀有各种不同类型，它们的适用场合不同，因此，应根据工艺生产过程的要求合理选择控制阀类型。⒉控制阀分气开和气关两类。气开控制阀在故障状态时关闭，气关控制阀在故障状态时打开。也可采用一些辅助设备组成保位阀或使控制阀自锁，即故障时控制阀保持故障前的阀门开度。⒊气开和气关的方式可通过正、反作用的执行机构类型和正体、反体阀的组合实现，在使用阀门定位器时，也可通过阀门定位器实现。控制阀的特性⒈气动执行机构的传递函数⑴气压转换环节气压转换环节将外部输入信号转换为膜头气室的压力，在气路管线和气室不泄漏时，该环节的输出信号与输入信号应一致。⑵力转换环节力转换环节将气室内压力转换为推力，其静态性能由薄膜的有效面积决定。在实际运行过程中，薄膜的有效面积发生微小变化，会使推力发生微小变化。它造成上下行程时的回差及同样气压下推力的偏差等，从而引入非线性。控制阀的特性⑶位移转换环节位移转换环节是将推力克服不平衡力和摩擦力等合力转换为阀杆位移。该环节与调节机构有联系，它受弹簧刚度影响，也受阀两端压降大小影响，在关闭时还受压紧力的影响。在执行机构中，该环节是受外界影响最大的环节。⒉摩擦和时滞在运行过程中，执行机构的阀杆与用于密封的填料之间存在摩擦。摩擦力阻止物体的运动，它分为静摩擦力和动摩擦力两类。控制阀的特性

当控制阀的输入信号改变方向时，输入信号需变化一定的范围，在该范围内输出信号没有发生可以观察到的变化，这个范围称为控制阀的死区。它使控制系统的调节不及时，造成控制品质变差。输出输入控制阀的特性造成控制阀死区的主要原因如下：①控制阀的摩擦力。控制阀中的静摩擦力和动摩擦力是造成控制阀时滞的主要原因，它使控制系统的调节不及时，有时还会造成调节的过量，是控制系统偏离度增大的主要原因。②阀轴的扭转。在直行程执行器中，填料的摩擦力是控制阀最主要摩擦力，并造成死区。在角行程执行器中，除了填料的摩擦力造成死区外，阀轴的刚度不够也会造成阀轴的扭转，而不会将推力矩传递到阀板，造成死区。控制阀的特性③间隙。控制阀的机械部件连接会有间隙，当某一部件动作方向改变时，会出现空程，这时，机械的运动出现不连续。例如，齿条齿轮执行机构中，齿隙造成死区。④阀门定位器。阀门定位器用于检测阀杆的微小位移，阀门定位器的检测精度不够，放大器的增益不够都会使阀杆的位移不被检测到，从而不能及时输出足够的气体流量，造成死区。

⑤供气压力和流量。供气压力低或供气流量不足，会使执行机构的推力矩不足，阀杆移动速度变慢，造成死区；控制阀的特性⒊控制阀的流量特性控制阀的流量特性是流体流过控制阀得相对流量与相对行程之间的函数关系。根据控制阀两端的压降，控制阀流量特性分为固有流量特性和工作流量特性。固有流量特性是控制阀两端压降恒定时的流量特性，亦称为理想流量特性。工作流量特性是在工作状态下（压降变化）控制阀的流量特性。控制阀出厂所提供的流量特性指固有流量特性。固有流量特性有线性、等百分比（对数）、抛物线、双曲线、快开、平方根等不同类型。常用的固有流量特性有线性、等百分比、快开等几种。控制阀的特性⑴线性流量特性线性流量特性控制阀在不同的行程，如果行程变化量相同，则流量的相对变化量不同。

表1线性流量特性控制阀相对行程与相对流量关系

控制阀行程变化量为10%时，不同位置的相对流量变化量：在相对行程10%处，相对流量变化是（22.67-13）/13=74.38%；

相对行程%1020506090100相对流量%13.022.6751.6761.3390.33100控制阀的特性

在相对行程50%处，相对流量变化是（61.33-51.67）/51.67=18.7%；在相对行程90%处，相对流量变化是（100-90.33）/90.33=10.71%；线性流量特性的控制阀在小开度时，灵敏度很高，行程稍有变化就会引起流量的较大变化，因此在小开度时容易引起振荡。在大开度时，行程要有较大的变化才能够使流量有所变化，因此在大开度时控制呆滞，调节不及时，容易超调，使过度过程变慢。控制阀的特性⑵等百分比流量特性当相对行程变化量相同时，流量也变化相同的百分比，称为等百分比流量特性。

表2等百分比流量特性控制阀相对行程与相对流量关系控制阀行程变化量为10%时，不同位置的相对流量变化量：在相对行程10%处，相对流量变化是（6.58-4.683）/4.683=40.5%；相对行程%1020506090100相对流量%4.6836.5818.2625.6571.17100控制阀的特性

在相对行程50%处，相对流量变化是（25.65-18.26）/18.26=40.5%；在相对行程90%处，相对流量变化是（100-71.17）/71.17=40.5%；等百分比流量特性的控制阀在全行程范围内具有相同的控制精度。在小开度时，增益较小，因此调节平稳，在大开度时，增益较大，能够有效进行调节，使调节及时。控制阀的特性⑶快开流量特性快开流量特性控制阀在小开度时就有较大流量，再增大开度，流量开度已很小。对于需要快速切断或位式控制的场合，常选用快开流量特性。

表3快开流量特性控制阀相对行程与相对流量关系

控制阀行程变化量为10%时，不同位置的相对流量变化量：在相对行程10%处，相对流量变化是（38.13-21.7）/21.7=75.7%；相对行程%1020506090100相对流量%21.738.1375.8384.5399.03100控制阀的特性

在相对行程50%处，相对流量变化是（84.53-75.83）/75.83=11.47%；在相对行程90%处，相对流量变化是（100-99.03）/99.03=0.98%；⑷抛物线流量特性理想抛物线流量特性的曲线介于线性流量特性曲线和等百分比流量特性曲线之间。

表4抛物线流量特性控制阀相对行程与相对流量关系相对行程%1020506090100相对流量%6.9911.9834.9645.384.32100控制阀的特性⒋控制阀的可调比⑴控制阀的固有可调比控制阀的固有可调比是在阀两端压降恒定条件下，控制阀可调节的最大流量和最小流量之比。用R表示，即：R=QMAX/QMIN

固有可调比反映控制阀能够调节流量的能力，在控制阀出厂时已经确定。通常，国产控制阀的固有可调比是R=30，国外一些控制阀产品可做到R=50或更高，旋转阀的固有可调比可达300。⑵控制阀的实际可调比控制阀的实际可调比是在控制阀的工作状态下，可调节的最大流量和最小流量之比。控制阀的特性①串联管道的可调比压降比s表示控制阀全开时阀两端的压降与系统总压降之比。压降比也称阀阻比，一般情况下，压降比s≤1。从提高实际可调比看，应使系统总压降大部分损失在控制阀两端，即提高压降比s，从节能看，应使控制阀两端的压损尽可能小，即减小压降比s。实际应用时，将控制阀上下游节流阀全开，降低管道压降来提高s，使控制阀实际可调比提高。控制阀的特性②并联管道的可调比由于存在并联旁路管道，流过总管的流量等于流过控制阀的流量和流过并联管道的流量之和。当旁路流量越大，控制阀的实际可调比就越小。实际应用时，不应将控制阀旁路打开，如果旁路阀门开度越大，控制阀的实际可调比就越小，控制品质就变差。控制阀的特性⑶提高控制阀可调比的措施①应尽可能降低控制阀所在串联管路的阻力。因此配管设计应减少不必要的弯头、截止阀、缩径管等附加管件，减少管段长度。②尽可能不使用旁路进行控制，正常工作时，应关闭旁路阀，如有必要使用旁路阀，旁路阀应控制在较小的开度。③选用固有可调比高的控制阀，例如球阀、蝶阀等旋转阀。控制阀性能对控制系统的影响⒈执行机构性能对控制系统控制品质的影响执行机构性能对控制系统控制品质的影响包括静态性能和动态性能的影响。静态性能指在系统稳定时执行机构的稳态性能，例如非线性误差、回差等。动态性能指在执行机构运动过程中的性能，例如死区、响应时间等。由于执行机构和调节机构是相互联系的，因此，执行机构和调节机构的部分性能并不能够细分。⑴静态性能对控制系统控制品质的影响执行机构的静态性能是稳态时，输入信号与阀杆位移之间的关系、静态性能与弹簧的刚度、薄膜的有效面积、阀杆与填料之间的静摩擦有关。控制阀性能对控制系统的影响下列执行机构静态性能的基本指标①基本误差；②回差；③死区；④重复性误差；⑤线性度误差；⑵动态性能对控制系统控制品质的影响执行机构动态性能指时间常数和时滞。控制系统控制品质受到组成控制系统各环节时间常数和时滞的综合影响。时间常数的影响。在组成控制系统的各环节中，通常执行机构的时间常数较大，动作缓慢，使控制系统容易不稳定。控制阀性能对控制系统的影响对于执行机构可采取一些措施来降低时间常数。

①缩短管线长度，或在执行器处安装电气转换器；②采用内壁光洁度高的连接管线，减少中间弯头；③提高工作压力④增大气源管的直径，增加进气量。时滞的影响。执行机构的时滞使控制作用不能及时引起操纵变量变化，使控制品质变差。可采取增大连接管直径，提高工作压力的方法来改善。控制阀性能对控制系统的影响⒉调节机构性能对控制系统控制品质的影响⑴静态性能对控制系统控制品质的影响调节机构的静态性能表示稳态时，控制阀阀杆行程与流量之间的关系。同样也存在基本误差、回差等性能指标。在调节机构静态性能中，对控制系统影响最大的静态性能是流量特性。提高调节机构静态性能的措施有：①合理选用控制阀的流量特性;②采用补偿环节;⑵动态性能对控制系统控制品质的影响。①死区的影响。调节机构动态性能对控制系统的影响主要指死区的影响。控制阀性能对控制系统的影响

调节机构的死区是控制阀组件的固有特性。调节机构的死区造成调节不及时，控制系统品质变差。除了改进阀杆密封的填料结构，采用合适密封材料等以外，主要改进措施是通过阀门定位器与原控制系统组成串级控制系统。根据串级控制系统的特点，它对副环的非线性等特性有一定的补偿作用，使控制系统的控制指标得到较大改善。②流体流向的影响。流体流向影响控制阀的不平衡力，造成系统稳定性变化。气动执行机构

执行机构是将控制器输出信号转换为控制阀阀杆直线位移或阀轴角位移的装置。⒈气动薄膜执行机构气动薄膜执行机构是最常用的执行机构。它结构简单，动作可靠，维护方便，成本低廉，得到广泛应用。它分为正作用和反作用两种执行方式。正作用执行机构在输入信号增加时，推杆的位移向外；反作用执行机构在输入信号增加时，推杆的位移向内。⑴气动薄膜执行机构的结构。正、反作用执行机构的结构基本相同，由上膜盖、下膜盖、薄膜膜片、推杆、弹簧、调节件、支架和行程显示板组成。气动执行机构

正、反作用执行机构结构的主要区别是反作用执行机构的输入信号在膜片下部，引出的阀杆也在下部，因此阀杆引出处要用密封套进行密封，而正作用执行机构的输入信号在膜片上部，推杆引出处在膜片下部，由于薄膜片的良好密封，因此在阀杆引出处不需要密封。气动执行机构⑵气动薄膜执行机构的特点：①执行机构的膜片有效面积与推力成正比，有效面积越大，执行机构的推力也越大；②可添加位移转换装置，使直行程转换为角行程，用于旋转阀体；③可添加位置定位器，实现阀位检测和反馈，提高控制阀性能；④可添加手轮机构，在远程控制失效时采用手轮机构进行现场操作，提高执行机构的可靠性；⑤可添加自锁装置，实现控制阀的自锁与保位；⑥执行机构的输入输出特性呈线性关系。国产气动薄膜执行机构的行程有10mm、16mm、25mm、40mm、60mm和100mm等六种规格。气动执行机构⑦可通过调节件的调整，改变弹簧初始力，从而改变执行机构的推力。精小型气动薄膜执行机构在结构上作了重要改进，它采用多个弹簧代替原来的一个弹簧，降低了执行机构的高度和重量，具有结构紧凑、输出推力大等优点。与传统气动薄膜执行机构相比较，高度和重量约降低30%。气动执行机构⒉气动活塞执行机构气动活塞执行机构采用活塞作为执行驱动元件，具有推力大、响应速度快的优点。气动执行机构气动活塞执行机构的特点：①可采用较大的气源压力，操作压力可高达1MPa，此外，它不需要气源的压力调节减压阀。②推力大。对于无弹簧的活塞式执行机构，由于不需要克服弹簧的反作用力，因此提高操作压力和增大活塞面积就能获得较大推力，对采用弹簧返回的活塞执行机构，其推理计算与薄膜执行机构类似，其推力要小于同规格的无弹簧活塞执行机构。③适用于高压差、高静压和要求有大推力的应用场合。④当作为节流控制时，输出位移量与输入信号成比例关系，但需要添加阀门定位器。气动执行机构⑤当作为两位式开关控制时，对无弹簧活塞的执行机构，可分别在活塞的两侧送气实现两位式控制，但响应速度会变慢；对有弹簧返回活塞执行机构只能在一侧送输入信号，其返回是由弹簧实现的，为实现两位式控制，通常采用电磁阀等两位式执行元件进行切换。⑥与薄膜执行机构类似，活塞执行机构分正作用和反作用两种类型。⑦可添加专用自锁装置，实现在气源中断时的保位；⑧可添加手轮机构，在远程控制失效时进行现场手动操作；⑨可添加位移转换装置，使直行程转换为角程；气动执行机构⒊自力式控制阀自力式控制阀又称直接作用控制阀，是一类不需要额外能源驱动的控制阀。其结构和原理类似气动薄膜执行机构。它是把测量、控制和执行功能合为一体，利用被控对象本身能量带动其动作的控制阀，分为直接作用和带指挥器作用式两大类。直接作用的自力式控制阀利用过程本身的压力或差压来驱动控制阀动作，其特点是结构简单，操作方便，但会引起压降，造成出口压力的非线性，通常，控制精度在10~20%。带指挥器作用的自力式控制阀可适用于小压降和大流量的自力式控制场合，出口压力变化范围可小于设定压力的10％。气动执行机构

由于自力式控制阀具有节能功能，因此，在一些控制要求不高的场合被广泛应用。自力式控制阀执行机构膜头的输入信号是控制阀前或阀后的压力或阀两端的压差，或经温包转换后的压力信号。执行机构的结构类似气动薄膜执行机构。气动执行机构⑴自力式压力、压差和流量控制阀。自力式压力控制阀根据取压点位置分阀前和阀后两类。当将阀前和阀后压力同时引入执行机构的气室两侧时，自力式压差控制阀可以控制控制阀两端的压差恒定，也可将安装在管道上孔板两端的压差引入气动薄膜执行机构的气室两侧，组成自力式流量控制，或用其他方式将流量检测后用自力式压差控制阀实现流量控制。

气动执行机构

一些压力泄放阀(包括蒸汽疏水器、排气阀等)和压力安全阀也属于自力式两位控制阀。液位控制可转换为压力或压差控制，因此，也可采用自力式压力或压差控制阀实现液位控制。

⑵自力式温度控制阀。自力式温度控制阀的温度信号来自温包，当温度变化时，温包内的气体介质膨胀，使压力变化，该压力信号被用于作为控制信号,使自力式温度控制阀动作。气动执行机构⒋智能控制阀智能控制阀是带有微处理器，能够实现智能化控制功能的控制阀。控制阀的智能化通常采用下列几种形式：①带智能阀门定位器的气动控制阀；②智能电动控制阀；③带现场总线智能阀门定位器的气动控制阀。智能化控制功能主要包括下列内容①方便地修改控制阀流量特性。②实现PID控制运算。气动执行机构③实现其他运算功能，例如，进行分程控制的量程范围设置，非线性补偿运算等。④更改控制阀的正、反作用方式。⑤实现与上位机的通信，实现信息共享。⑥实现控制阀的故障诊断和报警。⑦实现控制阀的自锁。⑧实现控制阀的状态信息管理等。使用智能阀门定位器的优点如下。①减小控制回路的安装、校验和调试时间。②采用诊断功能，使控制阀使用。寿命延长，运行状况能被及时监测。③降低对仪表维护人员的技能要求。气动执行机构⑴带智能阀门定位器的气动控制阀这类控制阀的结构与普通控制阀相同，因附带智能阀门定位器而使控制阀具有智能化功能。智能阀门定位器与普通阀门定位器的主要区别如下①控制阀流量特性的实现方式不同。智能定位器的反馈部分采用线性反馈，所需控制阀流量特性是在设定回路实现的。普通定位器的反馈部分是不同形状的凸轮，通过改变凸轮形状来实现所需控制阀流量特性。气动执行机构②输入输出方式不同。通常，智能阀门定位器是智能电气阀门定位器。与一般电气阀门定位器比较，智能电气阀门定位器的输入信号是标准的4～20mA或1～5V电信号，它需要经模数转换后作为微处理器的输入信号。而一般电气阀门定位器输入信号虽然是4—20mA或l～5V电信号，但它不需要经模数转换，可直接送电磁线圈产生电磁力，实现力平衡。智能阀门定位器的输出信号是数字信号，它通常送压电阀组，通过压电阀组的开关来调节送控制阀膜头的气压，一般电气阀门定位器的输出信号是经气动放大器放大后的气信号。气动执行机构③采用的控制方式不同。智能阀门定位器与一般的计算机控制装置类似，采用离散控制方式，因此，在采样间隔内，控制阀开度不变化。运行过程中，控制阀开度呈现阶梯形变化。一般阀门定位器采用连续控制方式，因此，整个控制过程中，控制阀开度的变化是连续的(除了因死区造成的跃变外)。④反馈信号检测处理不同。智能阀门定位器中控制阀反馈信号需经模数转换后送微处理器处理，而一般阀门定位器反馈信号直接作为反馈力(力矩)，不需要经模数转换为电信号。气动执行机构⑵带现场总线智能阀门定位器的气动控制阀与一般智能阀门定位器比较，这类控制阀所带阀门定位器的特点如下。①输入信号不是标准模拟电流或电压信号，而是现场总线设备的数字信号。②具有通信功能，能够方便地与上位机进行通信，实现数据交换和数据共享。③可采用直接供电方式和本安方式运行，符合现场总线有关标准的规定。④可实现开放系统互连的有关功能，例如可互换性、可互操作性等。⑤全数字、双向通信。阀门定位器

阀门定位器的工作原理阀门定位器是控制阀的主要附件，它将阀杆位移信号作为输入的反馈测量信号，以控制器输出信号作为设定信号，进行比较，当两者有偏差时，改变其到执行机构的输出信号，使执行机构动作，建立了阀杆位移信号与控制器输出信号之间的一一对应关系。⑴气动阀门定位器是按力平衡原理工作的，其工作原理如图所示。当通入波纹管的信号压力增加时，使杠杆2绕支点转动，档板靠近喷嘴，喷嘴背压经放大器放大后，送入薄膜执行机构气室，使阀杆向下移动，并阀门定位器带动反馈杆（摆杆）绕支点转动，连接在同一轴上的反馈凸轮（偏心凸轮）也跟着作逆时针方向转动，通过滚轮使杠杆1绕支点转动，并将反馈弹簧拉伸、弹簧对杠杆2的拉力与信号压力作用在波纹管上的力达到力矩平衡时信号压力与阀位有一一对应关系。阀门定位器

以上作用方式为正作用，若要改变作用方式，只要将凸轮翻转，A向变成B向即可。所谓正作用定位器，就是信号压力增加，输出压力亦增加；所谓反作用定位器，就是信号压力增加，输出压力则减少。气动阀门定位器采用力平衡原理，其结构特点如下：①采用组件结构，适用面广，灵活性强。②改变反馈杆支点，即改变反馈杆长度可有效改变行程。阀门定位器③波纹管位置、凸轮的安装方式组成了执行机构的不同作用方式。④凸轮有正作用和反作用两种形式，通过调整凸轮的安装方式可改变定位器的正、反作用。⑤正作用执行机构与正作用定位器配合实现正作用执行机构的功能，如果与反作用定位器配合，可实现反作用执行机构的功能；同样，反作用执行机构与正作用定位器配合实现反作用执行机构的功能，如果与正作用定位器配合，可实现正作用执行机构的功能。⑥可调整初始弹簧力，改变挡板移动距离与输出气压关系的斜率和线性度。阀门定位器

阀门定位器的分类阀门定位器按输入信号分为气动阀门定位器和电气阀门定位器。其中电气阀门定位器可分为普通型和智能型，智能电气定位器带CPU，可处理有关智能运算。⑵电气阀门定位器电气阀门定位器的工作原理和结构与气动阀门定位器基本相同。电气阀门定位器与气动阀门定位器的区别如下：阀门定位器①将气动阀门定位器的波纹管组件改为力矩马达；②实现正反作用方式不同，电气阀位定位器改变正反作用的方式只需要将输入电流信号的方向改变，不需要像气动阀门定位器那样，把波纹管安装到相反的方向；③由于采用电流输入，因此，带来防爆问题，需采取防爆措施，如加装安全栅等；而气动阀门定位器是本质安全型仪表。④为实现力矩平衡，电气阀门定位器杠杆上各受力点的位置有所改动。阀门定位器

阀门定位器的功能加入阀门定位器后，它与原单回路控制系统组成串级控制系统，原控制系统的被控量成为串级控制系统的主回路，因此，阀门定位器的主要功能如下：①对于进入副回路的干扰，例如摩擦力、不平衡力和回差的变化等，该系统具有较强的克服能力，这是使用阀门定位器的主要原因。因此，阀门定位器常被用于摩擦较大的场合来减小回差的影响；用于补偿高压差工况下不平衡力效应，减小不平衡力对阀杆的影响。②组成串级系统后，使副回路等效时间常数大大减小，从而改善控制阀的动态特性。阀门定位器③由于采用凸轮作为反馈环节，因此，改变凸轮形状能有效地改变副回路的增益，补偿被控对象的非线性特性；④改变作用方式。控制阀的气开和气关作用，可通过阀门定位器正反作用方式的设置来改变。⑤用于操作非标准信号的执行机构。⑥实现分成控制。将控制阀输入信号的不同范围，对应控制阀的全开和全关，实现分成控制。阀门定位器⑶智能阀门定位器智能阀门定位器是带CPU的阀门定位器，按阀位反馈信号的检测方法可将智能阀门定位器分为机械反馈式、霍尔应变式、电感应式等类型。智能阀门定位器的工作原理与普通阀门定位器的工作原理类似，其特点如下：①减小机械间隙。一些智能电气阀门定位器直接采用霍尔应变效应或电感应检测元件检测阀位移动，消除了反馈通道的间隙。②改善反馈回路的死区、时滞等非线性特性。因此控制系统的控制品质得到改善。④减少回路调试成本。采用自动调零和调量程，安装费用和调试成本大大减少。阀门定位器③被控对象非线性特性补偿的方法得到扩展，被控对象非线性特性可以用控制阀流量特性来补偿，也可以用普通阀门定位器或智能阀位定位器来补偿，还可用智能数字控制器串接非线性环节的软连接功能，可方便地更改非线性特性等优点，使控制阀选型变得简单。⑥智能诊断技术使维护变得方便、简单。⑤降低控制系统的偏离度，提高控制品质，改善控制性能。⑦具有节能效果。控制阀气开和气关方式的选择控制阀气开和气关方式的选择与生产过程的安全有关，当控制阀的气源、控制信号中断以及控制阀及其附件出现故障时，使控制阀回到初始位置（全开或全关），控制阀需处于什么位置对生产过程是安全位置来选择控制阀的气开和气关方式。故障时，气开控制阀处于关闭位置，因此也称为故障时关闭阀；故障时，气关控制阀处于全开位置，因此也称为故障时打开阀；调节器的正、反作用的确定在控制系统中调节器的正、反作用确定方法：先做两条规定：（1）气开调节阀为+A，气关调节阀为－A；（2）调节阀开大，被调参数上升为+B，下降为－B。则

A×B=“+”调节阀选反作用；

A×B=“－”调节阀选正作用。如：阀为气开+A，阀开大，液位下降－B，则有：

（+A）×（－B）=“－”调节器选正作用。

故障处理⒈控制阀的故障分析⑴填料造成的故障因填料原因造成的故障表现为外泄量增大、摩擦力增大及阀杆的跳动。①填料材质不合适。由于填料材质不合适造成的故障主要是外泄量增大及摩擦力增大。②填料结构设计不当。填料及有关附件的安装不合适，填料的高度不合适。③填料安装不合适造成填料压紧力不均匀。④填料有杂质。填料内有较硬的杂物造成阀杆划伤。⑤上阀盖安装时螺栓紧固不当使填料受力不匀。故障处理⑵不平衡力造成的故障不平衡力造成的故障表现为控制阀动作不稳定，关不严等。①流向不当。控制阀安装不当，造成实际流体流向与控制阀标记流向不一致，使不平衡力变化。②控制阀与执行机构不匹配。造成推力或推力矩不足，使控制阀动作不到位。⑶流量特性不匹配造成的故障。控制阀的流量特性用于补偿被控对象的不同特性，如果选配的流量特性不合适，会使控制系统的控制品质变差。故障处理⑷控制阀流路设计和安装不当造成的故障表现为噪声增大