第5章 过程执行仪表

1第5章过程执行仪表执行机构2调节机构33概述31电气转化器和阀门定位器42第5章过程执行仪表过程执行仪表，简称执行器。执行器是自动控制系统的终端执行部件，其作用是接受控制器送来的控制信号，并根据信号的大小直接改变操纵量，从而达到对被控变量进行控制的目的。在连续生产过程中，使用最多的执行器就是各种调节阀。§5-1概述3执行器的组成执行器由执行机构和调节机构组成。执行机构：是执行器的推动装置，根据控制信号的大小，产生相应的推力或扭矩，从而使调节机构产生相应的开度变化。调节机构：是执行器的调节部件，直接与被控介质接触，当其开度发生变化时，被控介质流量将被改变，从而实现自动控制。4执行器的分类按其所使用的能源，可分为：气动执行器；电动执行器；液动执行器。在实际应用中，使用最多的是气动执行器，其次是电动执行器，最少的是液动执行器。5气动执行器是以压缩空气为能源的执行器。特点：具有结构简单、动作可靠、安装方便、本质防爆、价格较为便宜等特点。使用最多的是气动薄膜执行器，如图所示。6电动执行器是以电为能源的执行器。特点与气动执行器比较，具有能源取用方便、信号传输速度快、传递距离远、灵敏度及精度高等特点。结构复杂、不易于维护、防爆性能不如气动执行器。液动执行器是以加压液体为能源的执行器。使用较少。7§5-2执行机构一、气动执行机构气动执行机构分类：薄膜式执行机构活塞式执行机构长行程执行机构滚筒膜片式执行机构81、薄膜执行机构执行机构按动作方式可分为正作用和反作用：输入信号增大，阀杆下移，为正作用阀；输入信号增大，阀杆上移，为反作用阀。行程：推杆的位移（执行机构的输出）9输入信号增大，阀杆下移，为正作用阀；输入信号增大，阀杆上移，为反作用阀。10气动薄膜调节阀输入与输出关系表示为：薄膜执行机构工作原理：工作原理：行程与输入气压信号成正比。112、活塞式执行机构活塞式执行机构的最大操作压力可达500kPa，因此具有较大的推力。主要做大口径、高静压、高压差阀和蝶阀等的推动装置。活塞式执行机构的结构如图所示。输入信号增大，阀杆下移，为正作用阀；输入信号增大，阀杆上移，为反作用阀。12二、电动执行机构电动执行机构按其输出形式可分为角行程和直行程执行机构两大类。角行程将控制信号转换为输出轴的转角输出。直行程将控制信号转换为输出轴的直线位移输出。13角行程电动执行机构原理电动执行机构由伺服放大器和执行机构两部分组成。执行机构又包括两相伺服电动机、减速器和位置发送器。14执行机构选型①可靠性；安全防爆②经济性；气动执行机构的最大不足就是需另设置气源站，增加了费用；电动阀的驱动源随地可取。③动作平稳、足够的输出力；④重量外观；⑤结构简单、维护方便。15§5-3调节机构调节机构，也称作阀组件，简称为阀，是一个局部阻力可以改变的节流部件。调节机构是按照节流原理来工作的。阀16阀的流量特性方程：122()ppAQ32123/kg/mQmsmppPa流体体积流量，；A-阀的接管截面积，；，阀前后压力，；流体密度，；阻力系数。节流原理：当阀结构确定，接管截面积也一定，并假设阀前后压差（p1-p2）不变时，流过阀的流量Q仅随阻力系数变化。当阀开度增大时，阻力系数减小，流量Q增大；当阀开度减小时，阻力系数增大，流量Q减小。171、直通双座阀阀体内有两个阀芯和两个阀座。182、直通单座阀只有一个阀芯和一个阀座，其他结构与直通双座阀相似。19阀芯可以正装或者反装，如图所示。正装：阀芯下移，流通面积减小；反装：阀芯下移，流通面积增大．20气开：是指随着执行器输入信号的增大，阀的流通截面积也增大；气关：是指随着执行器输入信号的增大，阀的流通截面积减小。注意：利用执行机构的正、反作用和调节机构阀芯的正、反装来实现执行器的气开或气关。有四种组合方式，如图所示。气开、气关概念21四种组合反作用反作用正作用正作用气关式气关式气开式气开式反装阀反装阀正装阀正装阀P入P入P入P入QQQQ223、其他结构形式的调节机构23二、流量系数流量系数的定义：在给定行程下，阀前后压差为100kPa，流体的密度为1000kg/m3的条件下，每小时流经阀的流体流量数。通常用Kv来表示。在工程中，常以阀全开时的最大流量系数Kmax来表示Kv值，称为额定流量系数。例：阀标注的Kv为20，则表示阀全开且阀前后压差为100kPa时，每小时能通过的纯水量为20m3243412122()1010360016.116.110016.15.091000vppAQppAApAAK在实际应用时，A的单位通常取cm2，p1，p2的单位取kPa，Q的单位为m3/h，其它不变。10vpQK流量方程与流量系数的关系122()ppAQ25可调比:指阀所能控制的最大流量与最小流量之比。通常，可调比用R表示，即：三、可调比261、理想可调比：阀前后压差不变时。maxmamaxminminxmin1010vvvvpKQQpKKRK理性可调比等于最大流量系数与最小流量系数之比。统一设计时，R=30272、实际可调比阀在实际使用时常与管道串联或者与旁路系统并联，阀两端压差变化，此时的可调比称为实际可调比。用Rr表示。串联管道系统可调比并联管道系统可调比281minmaxmax1minmin1max1maxmin1010vrvpKQpRRQppK对于串联管道系统可调比：△p1min：阀在最大开度时的阀前后压差；△p1max：阀在最小开度时的阀前后压差；29RrRSminPSPS为阀全开时，阀前后压差与系统总压差之比，所以：结论：随着S的减小，实际可调比将减小，阀的控制能力将下降。(要求S不小于0.3)阀在最小开度时的阀前后压差△p1max，约等于总压差△p；max1minminrQpRRQp令：30对于并联管道系统可调比：1max21min2rQQRQQQ1max，Q1min：阀能控制的最大，最小流量；Q2：旁路流量；总管最大流量Qmax:max21maxQQQmax1min2rQRQQ311max1maxmaxmax1min1minmax1minmax1min//QQQQRxQQQQQQxR1max2max1maxmaxmax(1)QQQQQQx为控制阀全开时，流经阀的最大流量与总管流量之比。令：1maxmaxQxQ2max(1)QQx(1)rRRRRx上述两式代入，得：2maxQQ和之间关系1minmaxQQ和之间关系max1min2rQRQQ21minmaxQQQ找出，和之间关系32结论：随着x的减小，实际可调比将大大减小，阀的控制能力将下降。(要求X不小于0.8)(1)rRRRRx33四、流量特性阀的流量特性:是指介质流过阀的相对流量与阀芯相对位移之间的关系。341．理想流量特性理想流量特性：阀前后压差不变时的流量特性，称为理想流量特性；理想流量特性主要有直线、等百分比（对数）、抛物线和快开四种。n―常数，流量特性不同，n取值不同。阀的放大系数35(1)直线流量特性（n=0）直流流量特性指阀的相对流量与阀芯相对位移成直线关系。即：对上式积分，代入边界条件（l=0时，Q=Qmin；l=L时，Q=Qmax），R=Qmax／Qmin,则可得：Q/Qmax与l/L呈直线关系，故称为直线流量特性。36直线特性曲线如下图中１所示：37线性阀在小开度时，调节作用强，调节较快；线性阀在大开度时，调节作用弱，调节缓慢。2010*100%100%106050*100%20%509080*100%12.5%80直线阀特点1：线性阀的放大系数不变。行程均变化10%流量相对当前值的变化：直线阀特点2：38（２）对数流量特性（n=1）等百分比流量特性是指阀的单位相对位移变化引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比，即：对上式积分，代入边界条件（l=0时，Q=Qmin；l=L时，Q=Qmax），R=Qmax／Qmin,则可得：maxmax(/)(/)dQQQKdlLQQ/Qmax与l/L之间为对数关系，故称为对数流量特性。39特性曲线如图中2所示。40对数阀的特点1：在小开度时，阀的放大系数小；在大开度时，放大系数大。对数阀的特点2：相同位移变化所引起的流量变化百分比总是相等的。这种阀的调节作用在全行程范围内是不变的。41抛物线流量特性特性介于直线和等百分比之间快开流量特性小开度时，流量变化快做切断阀或双位调节阀422．工作流量特性实际工作中：阀是安装在工艺管道系统中的，阀前后压差通常是变化的。有时安装要求有旁路阀，这就会影响到调节阀所能控制的总流量。工作流量特性：阀前后压差变化时的流量特性，称为工作流量特性。43（1）串联管道的工作流量特性定义：s为阀全开时，阀前后压差与系统总压差之比S=△p1min／△p44s值不同时流量特性如图所示：串联管道将使阀的流量特性发生畸变，s值越小，情况越严重。实际s值不能太小，要求s值不低于0.3。s值减小45(2)并联管道工作流量特性定义：x为管道并联时阀全开流量与总管最大流量之比，即x=Q1max/Qmax46x值不同时的工作流量特性如图所示。随着旁路阀开启，阀本身流量特性变化不大。但对可调比影响很大，一般要求x值不能低于0.8。47结论：串联和并联管道的存在会对阀的理想流量特性产生影响，串联管道影响更大。串联和并联管道的存在会使阀的可调比下降，并联管道影响更严重。串联和并联管道的存在对系统的总流量有影响，串联管道使系统总流量减小，并联管道使系统总流量增大。481.电-气转换器电气转换器是将电动仪表的直流信号转换成气动仪表的气动信号。例：将调节器输出的直流信号4~20mA转换成0.02~0.1mpa气动信号。§5-4电气转换器和阀门定位器力矩平衡原理492.电-气阀门定位器阀门定位器与执行器配套，接受控制器的信号，输出去控制执行器。作用：一是将电流信号转换成气压信号；二是可保证阀门的正确定位。5051课程小结过程执行仪表：了解执行器的基本组成；掌握气动执行器的气开、气关概念；理解控制阀的流量系数、可调比和流量特性的概念；了解电气转化器，阀门定位器的作用。52电信学院自动化系先进控制技术研究所