1、化工仪表及自动化化工仪表及自动化 第十一章第十一章 执行器执行器 内容提要内容提要 气动执行器气动执行器 气动执行器的组成与分类气动执行器的组成与分类 控制阀的流量特性控制阀的流量特性 控制阀的选择控制阀的选择 气动执行器的安装和维护气动执行器的安装和维护 阀门定位器与电阀门定位器与电- -气转换器气转换器 气动阀门定位器气动阀门定位器 电电- -气阀门定位器气阀门定位器 电电- -气转换器气转换器 1 内容提要内容提要 电动执行器电动执行器 概述概述 角行程电动执行机构角行程电动执行机构 直行程电动执行机构直行程电动执行机构 2 概述概述 3 作用作用 接受控制器的输出信号,直接控制能量或物
2、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 执行器执行器 从结构来说从结构来说 执行机构 调节机构 概述概述 气气-电转换器电转换器 电电-气转换器气转换器 电电-气阀门定位器气阀门定位器 气动执行器气动执行器 电动执行器电动执行器 气动控制仪表气动控制仪表 电动控制仪表电动控制仪表 图图11-1 转换单元的使用简图转换单元的使用简图 4 第一节第一节 气动执行器气动执行器 5 结结 构构 气动执行结构气动执行结构 控制阀控制阀 一、气动执行器的组成与分类一、气动执行器的组成与分类 1 1. .组
3、成组成 第一节第一节 气动执行器气动执行器 常用辅助设备常用辅助设备 阀门定位器阀门定位器 手轮机构手轮机构 图11-2 气动薄膜控制阀外形图 6 第一节第一节 气动执行器气动执行器 7 2 2. .执行机构的分类执行机构的分类 薄膜式薄膜式 结构简单、价格便宜、维修方便，应用广泛。 活塞式活塞式 推力较大，用于大口径、高压降控制阀或蝶 阀的推动装置。 长行程长行程 行程长、转矩大，适于输出转角（6090） 和力矩。 气动薄膜式执行机构有正作用和反作用两种形式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。根据有无弹簧可分为有弹簧的及无弹簧的执行机构
4、。 结结 构构 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 第一节第一节 气动执行器气动执行器 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 第一节第一节 气动执行器气动执行器 9 3 3. .控制阀的分类控制阀的分类 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）直通单座控制阀直通单座控制阀 阀体内只有一个阀芯与阀座。 特点特点
5、 结构简单、价格便宜、全关时泄漏量少。 直通单座阀 缺点缺点 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。 第一节第一节 气动执行器气动执行器 10 （2）直通双座控制阀直通双座控制阀 阀体内有两个阀芯和两个阀座。 特点特点 流体流过的时候，不平衡力小。 缺点缺点 容易泄漏 直通双座阀 第一节第一节 气动执行器气动执行器 （3）角形控制阀）角形控制阀 角形阀的两个接管呈直角形。 特点特点 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 第一节第一节 气动执行器气动
6、执行器 （4）高压控制阀高压控制阀 高压控制阀的结构形式大多为角形,阀芯头部掺铬或 镶以硬质合金,以适应高压差下的冲刷和汽蚀。 为了减少高压差对阀的汽蚀,有时采用几级阀芯,把 高差压分开,各级都承担一部分以减少损失。 12 第一节第一节 气动执行器气动执行器 （5 5）三通控制阀）三通控制阀 共有三个出入口与工艺管道连接。 按照流通方式分按照流通方式分 合流型和分流型两种 13 三通阀 （A） （B） （A）分流型）分流型 （B）合流型）合流型 第一节第一节 气动执行器气动执行器 14 （6 6）隔膜控制阀）隔膜控制阀 采用耐腐蚀衬里的阀体和隔膜。 特点特点 结构简单、流阻小、流通能力比同口径
7、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注意执行机构须有足够的推力 隔膜阀 第一节第一节 气动执行器气动执行器 （7 7）蝶阀蝶阀 特点特点 结构简单、重量轻、价格便宜、流阻极小。 缺点缺点 泄漏量大。 15 蝶阀 第一节第一节 气动执行器气动执行器 16 （8）球阀）球阀 节流元件是带圆孔的球形体（A）或是一种V形缺 口球形体（B）。 特点特点 （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） 第一节
8、第一节 气动执行器气动执行器 （9）凸轮挠曲阀）凸轮挠曲阀 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。 特点特点 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 第一节第一节 气动执行器气动执行器 18 （10）笼式阀）笼式阀 特点特点 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 缺点缺点 不适用高温、高黏度及含有固体颗粒的流体。 第一节第一节 气动执行器气动执行器 二、控制阀的流量特性二
9、、控制阀的流量特性 控制阀的流量特性控制阀的流量特性是指被控介质流过阀门的相对是指被控介质流过阀门的相对 流量与阀门的相对开度流量与阀门的相对开度（相对位移相对位移）间的关系间的关系，即即 L l f Q Q max 19 第一节第一节 气动执行器气动执行器 20 1 1. .控制阀的理想流量特性控制阀的理想流量特性 在不考虑控制阀前后压差变化时 得到的流量特性称为理想流量特性。 它取决于阀芯的形状 （1 1）直线流量特性直线流量特性 指控制阀的相对流量与相对开 度成直线关系。 K L l d Q Q d max （11-2） 图11-6 控制阀的理想流 量特性( R= 30) 1直线；2等百
10、分 比(对数) ；3快开 ； 4抛物线 第一节第一节 气动执行器气动执行器 21 C L l K Q Q max 将（11-2）积分可得 （11-3） 边界条件边界条件：l=0时，Q=Qmin; l=L时Q=Qmax 把边界条件代入式（11-3），可分别得 RQ Q K RQ Q C 1 11, 1 max min max min （11-4） R R为控制阀的可调范围或可调比为控制阀的可调范围或可调比。 Qmin不等于控制阀全关时的泄漏量不等于控制阀全关时的泄漏量，一般是一般是Qmax的的2 24 4。 注意！注意！ 第一节第一节 气动执行器气动执行器 将式（11-4）代入式（11-3），可
11、得 L l RRQ Q 1 1 1 max （11-5） 注意：当可调比注意：当可调比R不同时不同时，特性曲线在纵坐标上的起特性曲线在纵坐标上的起 点是不同的点是不同的。 22 第一节第一节 气动执行器气动执行器 %100%100 10 1020 23 举例举例 当当R= =3030, ,l/L= =0 0时时，Q/Qmax max= =0 0. .33 33 假设假设R=,位移变化量为位移变化量为1010% % 在在1010时时，流量变化的相对值为流量变化的相对值为 在在5050时时，流量变化的相对值为流量变化的相对值为 在在8080时时，流量变化的相对值为流量变化的相对值为 %20100
12、50 5060 %5 .12%100 80 8090 在流量小时，流量变化的相对值大；在流量大时，流 量变化的相对值小。 第一节第一节 气动执行器气动执行器 24 （2 2）等百分比等百分比（对数对数）流量特性流量特性 等百分比流量特性等百分比流量特性是指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关系。 max max Q Q K L l d Q Q d （11-6） C L l K Q Q max ln 将（11-6）积分 RKR RQ Q Cln,ln 1 lnln max min 将前述边界条件代入 )1( max L l R Q Q （11-11） 第一节第一节 气动
13、执行器气动执行器 25 （4 4）抛物线流量特性抛物线流量特性 之间成抛物线关系。与 L l Q Q max （3）快开流量特性快开流量特性 这种流量特性在开度较小时就有较大流量，随 开度的增大，流量很快就达到最大。 快开特性的阀芯形式是平板形的，适用于迅 速启闭的切断阀或双位控制系统。 第一节第一节 气动执行器气动执行器 26 . .工作流量特性工作流量特性 在实际生产中，控制阀前后压差总是变化的，这时的 流量特性称为工作流量特性。 （1 1）串联管道的工作流量特性串联管道的工作流量特性 图11-7 串联管道的情形 FV PPP m FnV nVnV PP P P P S 工作流量特性工作流
14、量特性 第一节第一节 气动执行器气动执行器 27 图11-8 管道串联时控制阀的工作流量特性 第一节第一节 气动执行器气动执行器 28 （2）并联管道的工作流量特性并联管道的工作流量特性 控制阀一般都装有旁路，以便手动操作和维护。当 生产量提高或控制阀选小了时，只好将旁路阀打开一些， 此时控制阀的理想流量特性就改变成为工作特性。 如图如图11-9所示所示，显然这时管显然这时管 路的总流量路的总流量Q是控制阀流量是控制阀流量 Q1与旁路流量与旁路流量Q2之和之和，即即Q Q1Q2。 图11-9 并联管道情况 第一节第一节 气动执行器气动执行器 29 以x代表并联管道时控制阀全开时的流量与总管最大
15、 流量Qmax之比，可以得到在压差p为一定时，而x为不同 数值时的工作流量特性曲线。 图11-10 并联管道时控制阀的工作特性 第一节第一节 气动执行器气动执行器 30 由上图可见由上图可见 当x1，即旁路阀关闭时，控制阀的工作流量特性与 理想流量特性相同。 随着x值的减小，即旁路阀逐渐打开，虽然阀本身的 流量特性变化不大，但可调范围大大降低了。 控制阀关死，即l/L0时，流量Qmin大大增加。 第一节第一节 气动执行器气动执行器 在实际使用中总存在着串联管道阻力的影响，控制阀 上的压差还会随流量的增加而降低，使可调范围下降得 更多些，控制阀在工作过程中所能控制的流量变化范围 更小，甚至几乎不
16、起控制作用。 采用打开旁路阀的控制方案是不好的，一般认为旁路 流量最多只能是总流量的百分之十几，即x值最小不低 于0.8。 31 第一节第一节 气动执行器气动执行器 32 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。 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。 串联管道使系统总流量减少，并联管道使系统总 流量增加。 串、并联管道会使控制阀的放大系数减小，串联 管道时控制阀大开度时影响严重，并联管道时控制阀 小开度时影响严重。 结论结论 第一节第一节 气动执行器气动执行器 三、控制阀的选择三、控制阀的选择 210 2 ppFQ 1 1. .控制阀的尺寸
17、选择控制阀的尺寸选择 0 2 FC p QC 流经控制阀的流量为 令 代入式 (11-13) ,得 (11-13) (11-14) C称为控制阀的流量系数,它与阀芯与阀座的结构、阀前 后的压差、流体性质等因素有关。 33 第一节第一节 气动执行器气动执行器 额定流量系数指在控制阀全开,阀两端压差为0.1MPa, 介质密度为1g/cm3时,流经控制阀的介质流量数(以m3/h表 示)。 举例举例 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p决定后,就可确定阀门的流量系数C,再从
18、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 第一节第一节 气动执行器气动执行器 35 主要根据工艺条件，如温度、压力及介质的物 理、化学特性（如腐蚀性、黏度等）来选择。 结构形式选择结构形式选择 特性选择特性选择 先按控制系统的特点来选择阀的希望流量特性，然 后再考虑工艺配管情况来选择相应的理想流量特性。 目前使用比较多的是等百分比流量特性目前使用比较多的是等百分比流量特性。 2 2. .控制阀结构与特性的选择控制阀结构与特性的选择 第一节第一节 气动执行器气动执行器 主要从工艺生产上安全要求出发主要从工艺生产上安全要求出发。信号压力中断时， 应保证设备
19、和操作人员的安全。如果阀处于打开位置时 危害性小，则应选用气关式，以使气源系统发生故障， 气源中断时，阀门能自动打开，保证安全。反之阀处于 关闭时危害性小，则应选用气开阀。 选择要求选择要求 压力信号增加时，阀关小、压力信号减小时阀开大的 为气关式气关式。反之，为气开式气开式。 3 3. .气开式与气关式的选择气开式与气关式的选择 36 第一节第一节 气动执行器气动执行器 序号序号 执行机构执行机构 控制阀控制阀 气动执行器气动执行器 （a a） （b b） （c c） （d d） 正正 正正 反反 反反 正正 反反 正正 反反 气关（反）气关（反） 气开（正）气开（正） 气开（正）气开（正）
20、 气关（反）气关（反） 37 表11-1 组合方式表 图11-11 组 合方式图 第一节第一节 气动执行器气动执行器 四、控制阀的安装和维护四、控制阀的安装和维护 38 （1 1）为便于维护检修，气动执行器应安装在靠近地面）为便于维护检修，气动执行器应安装在靠近地面 或楼板的地方。或楼板的地方。 （2 2）气动执行器应安装在环境温度不高于气动执行器应安装在环境温度不高于+ +6060和不和不 低于低于- -4040的地方的地方，并应远离振动较大的设备并应远离振动较大的设备。 （3 3）阀的公称通径与管道公称通径不同时阀的公称通径与管道公称通径不同时，两者之间两者之间 应加一段异径管应加一段异径
21、管。 第一节第一节 气动执行器气动执行器 （5 5）通过控制阀的流体方向在阀体上有箭头标明通过控制阀的流体方向在阀体上有箭头标明， 不能装反不能装反。 （4 4）气动执行器应该是正立垂直安装于水平管道上气动执行器应该是正立垂直安装于水平管道上。 特殊情况下需要水平或倾斜安装时特殊情况下需要水平或倾斜安装时，除小口径阀外除小口径阀外， 一般应加支撑一般应加支撑。即使正立垂直安装即使正立垂直安装，当阀的自重较大当阀的自重较大 和有振动场合时和有振动场合时，也应加支撑也应加支撑。 （6 6）控制阀前后一般要各装一只切断阀控制阀前后一般要各装一只切断阀，以便修理以便修理 时拆下控制阀时拆下控制阀。考虑
22、到控制阀发生故障或维修时考虑到控制阀发生故障或维修时，不不 影响工艺生产的继续进行影响工艺生产的继续进行，一般应装旁路阀一般应装旁路阀。 39 第一节第一节 气动执行器气动执行器 40 （7 7）控制阀安装前控制阀安装前，应对管路进行清洗应对管路进行清洗，排去污物和焊排去污物和焊 渣渣。安装后还应再次对管路和阀门进行清洗安装后还应再次对管路和阀门进行清洗，并检查阀门并检查阀门 与管道连接处的密封性能与管道连接处的密封性能。当初次通入介质时当初次通入介质时，应使阀门应使阀门 处于全开位置以免杂质卡住处于全开位置以免杂质卡住。 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
23、 8）在日常使用中在日常使用中，要对控制阀经常维护和定期检修要对控制阀经常维护和定期检修。 第二节第二节 阀门定位器与电阀门定位器与电-气转换器气转换器 一、电一、电-气阀门定位器气阀门定位器 采用电-气阀门定位器后，可用电动控制器输出的 010 mA 或420 mA DC电流信号去操纵气动执行 机构； 41 第二节第二节 阀门定位器与电阀门定位器与电-气转换器气转换器 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
24、；16主杠杆支点；17放大器 42 第二节第二节 阀门定位器与电阀门定位器与电-气转换器气转换器 二、智能式阀门定位器二、智能式阀门定位器 智能式阀门定位器只接受420 mA DC电流信号的， 也有接受420 mA DC的模拟信号又接受数字信号， 即有HART通讯的阀门定位器，还有只进行数字 信号传输的现场总线阀门定位器。 43 第二节第二节 阀门定位器与电阀门定位器与电-气转换器气转换器 三、电三、电-气转换器气转换器 可将来自电动控制器的输出信号经转换后用以驱动气动 执行器,或者将来自各种电动变送器的输出信号经转换后送 往气动控制器。 图11-15 电-气转换器原理结构图 1 1喷嘴挡板；
25、喷嘴挡板；2 2调零弹簧；调零弹簧； 3 3负反馈波纹管；负反馈波纹管；4 4十字十字 弹簧；弹簧；5 5正反馈波纹管；正反馈波纹管； 6 6杠杆；杠杆；7 7测量线圈；测量线圈；8 8 磁钢；磁钢；9 9铁芯；铁芯；1010放大器放大器 44 第三节第三节 电动执行器电动执行器 定义定义 电动执行器是电动控制系统中的一个重要组成部分电动执行器是电动控制系统中的一个重要组成部分。 它把来自控制仪表的它把来自控制仪表的010mA或或420mA的直流统一电的直流统一电 信号信号, ,转换成与输入信号相对应的转角或位移转换成与输入信号相对应的转角或位移, ,以推动各以推动各 种类型的控制阀种类型的控
26、制阀, ,从而达到连续控制生产工艺过程中的流从而达到连续控制生产工艺过程中的流 量量, ,或简单地开启和关闭阀门以控制流体的通断或简单地开启和关闭阀门以控制流体的通断, ,达到自达到自 动控制生产过程的目的动控制生产过程的目的。 45 第三节第三节 电动执行器电动执行器 一、概述一、概述 1 1. .电动执行器的特点电动执行器的特点 由于工频电源取用方便,不需增添专门装置,特别是 执行器应用数量不太多的单位,更为适宜; 动作灵敏、精度较高、信号传输速度快、传输距离 可以很长,便于集中控制; 在电源中断时,电动执行器能保持原位不动,不影响 主设备的安全; 与电动控制仪表配合方便,安装接线简单;
27、体积较大、成本较贵、结构复杂、维修麻烦,并只能 应用于防爆要求不太高的场合 47 第三节第三节 电动执行器电动执行器 2 2. .电动执行器的组成电动执行器的组成 两大部分两大部分 电动执行机构 调节机构 电动执行机构根据其输出形式不同 角行程电动执行机构 直行程电动执行机构 多转式电动执行机构。 48 第三节第三节 电动执行器电动执行器 二、角行程电动执行机构二、角行程电动执行机构 DKJ型角行程电动执行机构以交流220V为动力,接 受控制器的直流电流输出信号,并转变为090的转 角位移,以一定的机械转矩和旋转速度自动操纵挡板、阀 门等调节机构,完成调节任务。 图11-16 角行程执行机构的
28、组成示意图 电动执行机构不仅可电动执行机构不仅可 与控制器配合实现自动控与控制器配合实现自动控 制制, ,还可通过操作器实现还可通过操作器实现 控制系统的自动控制和手控制系统的自动控制和手 动控制的相互切换。动控制的相互切换。 49 第三节第三节 电动执行器电动执行器 三、直行程电动执行机构三、直行程电动执行机构 直行程电动执行机构( DKZ型)是以控制仪表的指 令作为输入信号,使电动机动作,然后经减速器减速并 转换为直线位移输出,去操作单座、双座、三通等各种 控制阀和其他直线式调节机构,以实现自动调节的目的。 50 例题分析例题分析 在生产实际中,由于生产负荷的变动,使原设计的控制阀尺 寸不
29、能相适应,会有什么后果?为什么? 解：解：当生产中由于负荷增加,使原设计的控制阀尺寸显得太 小时,会使控制阀经常工作在大开度,调节效果不好。 此时若开启旁路阀,会使控制阀特性发生畸变,可调范 围大大降低;当生产中由于负荷减少,使原设计的控制阀尺 寸显得太大时,会使控制阀经常工作在小开度,调节显得过 于灵敏 (特别是对于直线流量特性的控制阀) ,控制阀有时 会振动,产生噪声,严重时发出尖叫声。 51 例题分析例题分析 此时为了增加管路阻力,有时会适当关小与控制阀 串联的工艺阀门,但这样做的结果会使控制阀的特性发 生严重畸变,甚至会接近于快开特性,控制阀的实际可 调范围降低,严重时会使控制阀失去调节作用。 所以当生产中负荷有较大改动时,在可能的条件下, 应相应地更换控制阀,或采用其他控制方案 (例分程控 制系统)。 52
