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第五章执行器本章重点介绍薄膜式气动执行器(气动薄膜调节阀)的特性、选型。执行器的作用：接受控制器的控制信号，调整操纵变量。在生产现场，执行器直接控制工艺介质，若选型或使用不当，会给生产过程的自动控制带来困难。控制装置执行器过程检测元件、变送器r(t)比较机构-e(t)u(t)q(t)y(t)f(t)c(t)扰动广义对象被控变量测量值控制器设定值执行器按其能源形式可分为气动、电动和液动三大类。液动执行器推力最大，但较笨重，很少使用。电动执行器的执行机构和调节机构是分开的两部分，其执行机构有角行程和直行程两种，都是以两相交流电机为动力的位置伺服机构，作用是将输入的直流电流信号线性地转换为位移量。电动执行器安全防爆性能较差，在行程受阻或阀杆被卡住时电机易受损。气动执行器的执行机构和调节机构是统一的整体，其执行机构有薄膜式和活塞式两类。活塞式行程长，适用于要求有较大推力的场合；而薄膜式行程较小，直接带动阀杆。由于气动执行器有结构简单，输出推力大，动作平稳可靠，本质安全防爆等优点，因此它在化工、炼油生产中获得了广泛的应用。4.1气动薄膜调节阀的结构、类型及材质4.1.1气动薄膜调节阀的结构气动薄膜调节阀的外型如图4-l所示，其内部简单结构如图4-2所示。它由两部分组成，上部为执行机构(也称膜头)，用来产生推力；下部为调节机构(也称阀体)，用来控制介质的流量。如图所示：当来自控制器的气压信号增大时，作用在橡胶膜片上的向下推力就增大，通过托板压缩弹簧，使推杆下移，直至与弹簧反作用力相平衡时为止。推杆(亦即阀杆)下移的距离与信号压力成比例。当信号压力增大时，阀杆下移使调节阀关小，反之则开大。当信号压力在20-l00kPa范围内变化时，阀杆作全行程动作，阀门从全开到全关。P上盖薄膜托板阀杆阀座阀体阀芯推杆平行弹簧下盖5.1.1.1执行机构执行机构分正作用和反作用两种形式，如图所示。当信号压力增加时推杆向下移动的叫正作用式；信号压力增加时推杆向上移动的叫反作用式。较大口径的调节阀都采用正作用的执行机构。信号压力通过波纹膜片的上方或下方进入气室后，在波纹膜片上产生一个作用力，使推杆移动并压缩或拉伸弹簧，当弹簧的反作用力与薄膜上的作用力相平衡时，推杆稳定在一个新的位置。信号压力越大，推杆的位移量越大。(a)正作用(b)反作用图4-3执行机构的正反作用5.1.1.2调节机构调节机构是一个局部阻力可以改变的节流元件。由于阀芯在阀体内移动，改变了阀芯与阀座间的流通面积，即改变了阀的阻力系数，操纵变量(调节介质)的流量也相应改变，从而达到调节工艺变量的目的。图示为最常用的直通双座调节阀，阀杆上端通过螺母与执行机构推杆相连接，推杆带动阀杆及阀杆下端的阀芯上下移动，流体从左侧进入调节阀，然后经阀芯与阀座之间间隙从右侧流出。阀芯与阀杆间用销钉连接，这种连接形式使阀芯根据需要可以正装（正作用）也可以倒装（反作用。调节机构调节机构的正反作用执行机构和调节机构组合起来可以实现气开式和气关式两种调节阀。有四种组合方式。气开式是输入气压越大时开度越大，而在失气是则全关，称FC型；气关式是输入气压越大时开度越小，而在失气时则全开，称FO型。调节阀的气开、气关型式5.1.2气动薄膜调节阀的类型A直通单座调节阀阀体内有一个阀芯和一个阀座。流体从左侧进入经阀芯从右侧流出。由于只有一个阀芯和一个阀座，容易关闭，因此泄漏量小，但在高压差、大口径时，阀芯所受到流体作用的不平衡推力较大。直通单座调节阀适用于压差较小、要求泄漏量较小的场合。直通单座调节阀B直通双座调节阀阀体内有两个阀芯和阀座，流体从左侧进入，经过上下阀芯汇合在一起从右侧流出。它与同口径的单座阀相比，流通能力增大20％左右，但泄漏量大，不平衡推力小。直通双座调节阀适用于阀两端压差较大、对泄漏量要求不高的场合，但由于流路复杂而不适用于高粘度和带有固体颗粒的液体。直通双座调节阀C其他类型的调节阀(1)角形调节阀阀体为直角，如图所示。角形阀流向一般都是底进侧出，此时它的稳定性较好；在高压差场合，为了延长阀芯使用寿命而改用侧进底出的流向，但容易发生振荡。角形调节阀流路简单，阻力小，不易堵塞，适用于高压差、高粘度、含有悬浮物和颗粒物质流体的调节。角形阀(2)隔膜调节阀用耐腐蚀衬里的阀体和耐腐蚀隔膜代替阀芯、阀座组件，由隔膜位移起调节作用。隔膜调节阀耐腐蚀性强，适用于对强酸、强碱等强腐蚀性介质流量的调节。结构简单，流路阻力小，流通能力较同口径的其他阀大，无泄漏量。但由于隔膜和衬里的限制，一般只能在压力低于1MPa，温度低于150℃的情况下使用。隔膜调节阀(3)三通调节阀有合流阀和分流阀两种，前者是两路流体混合为一路，后者是一路流体分为两路。在阀芯移动时，总的流量不变，两路流量的比例得到了调节。在采用合流阀时，如果两路流体温度相差过大，会造成较大的热应力，因此温差通常不能超过150℃。三通调节阀示意图三通阀应用示例（４）套筒形调节阀结构特点是在单座阀体内装有一个套筒，阀塞能在套筒内移动。当阀塞上下移动时，改变了套筒开孔的流通面积，从而控制调节介质流量。由于阀塞上有均压平衡孔，不平衡推力小，稳定性很高且噪音小。因此适用于高压差、低噪音等场合，但不宜用于高温、高粘度、含颗粒和结晶的介质控制。套筒形调节阀5.1.3气动薄膜调节阀的材质一般情况下，阀体材料采用铸铁、铸钢或不锈钢。特殊情况下（如腐蚀性介质），各种合金钢及高分子材料等也获得广泛的应用。调节机构中，介质与外界的密封一般用填料函来实现，但在遇到剧毒、易挥发等介质时，可以用波纹管密封。5．2调节阀的静态特性--流量特性调节阀的静态特性（流量特性）是指流过阀门的调节介质的相对流量与阀杆相对行程(即阀门的相对开度)之间的关系。其数学表达式为：q/qmax=f(l/lmax)或写成Q=f(L)Q=q/qmax表示调节阀某一开度的流量与全开时的流量之比，称为相对流量；L=l/lmax表示调节阀某一开度下阀杆行程与全开时阀杆全行程之比，称为相对开度。流量特性通常用两种形式来表示：(1)理想特性即在阀的前后压差固定的条件下，流量与阀杆位移之间的关系，它完全取决于阀的结构参数。(2)工作特性是指在工作条件下，阀门两端压差变化时，流量与阀杆位移之间的关系。工作特性不仅取决于阀本身的结构数也与配管情况有关。5.2.1调节阀的理想流量特性调节阀的前后压差保持不变时得到的流量特性。阀门制造厂提供的就是这种特性。理想流量特性有线性、对数(等百分比)及快开三种。它们完全取决于阀芯的曲面形状。阀芯曲面形状5.2.1.1线性流量特性线性流量特性是指调节阀的相对流量与相对开度成直线关系。即阀杆单位行程变化所引起的流量变化是常数。数学表达式为d(q/qmax)/d(l/lmax)=k积分得q/qmax=kl/lmax+C式中，C为积分常数。线性调节阀的放大系数K是一个常数，不论阀杆在什么位置，只要阀杆作相同的变化，流量的数值也作相同的变化。可见线性调节阀在开度较小时灵敏度显得过高，调节作用过强，容易产生振荡，对控制不利；在开度较大时灵敏度又显得太小，调节缓慢，削弱了调节作用。因此，当线性调节阀在小开度或大开度的情况下工作时，控制性能都较差，不宜用于负荷变化大的场合。5.2.1.2对数流量特性(等百分比流量特性)对数流量特性是指单位行程所引起的相对流量变化，与此点的相对流量成正比关系。即调节阀的放大系数K是变化的，它随相对流量的增加而增加。数学表达式：d(q/qmax)/d(l/lmax)=kq/qmax积分得：ln(q/qmax)=k(l/lmax)+C上式表明相对行程与相对流量成对数关系，在直角坐标上得到的一条对数曲线。又因为阀杆位移增加1％，流量在原来基础上约增加3.4％，所以也称为等百分比流量特性。由于对数阀的放大系数K随相对开度增加而增加，因此，对数阀有利于自动控制系统。在小开度时调节阀的放大系数小，控制平稳缓和；在大开度时放大系数大，控制灵敏有效。5.2.1.3快开流量特性这种流量特性在开度较小时就有较大流量，随着开度的增大，流量很快就达到最大，随后再增加开度时流量的变化很小，故称为快开特性。5.2.2调节阀的工作流量特性在实际生产中，调节阀前后压差总是变化的。调节阀前后压差随管路系统阻力损失变化而发生变化。以图示的串联系统为例，系统的总压差p等于管路系统的压差pf与调节阀压差pv之和。当系统的总压差p一定时，随着通过管道的流量的增大，串联管道的阻力损失也增大，阻力损失与流速的平方成正比。这样，使调节阀上的压差减小，引起流量特性的变化。若以S表示调节阀全开时，调节阀上压差Δpv与系统总压差Δp之比，即S=Δpv/Δp。以qmax表示理想流量特性情况下(阀上压差为系统总压差，即管道阻力损失为零)调节阀的全开流量，可以得到串联管道时以qmax作为参比值的工作流量特性，如图所示。S＝1时管道阻力损失为零，系统的总压差全部降在调节阀上，工作流量特性和理想流量特性一致。随着S的减小，即管道阻力的增加，带来两个不利后果：一是系统的总压差不变，管道阻力增加，意味着调节阀全开时压差减小，全开时的流量也就减小，调节阀的可调范围R变得越来越小；二是调节阀的流量特性发生很大畸变，理想线性特性渐渐趋近快开特性，理想对数特性渐渐趋近线性特性。在实际使用中，S选得过大或过小都不妥。S选得过大，在流量相同情况下，管路阻力损耗不变，但是阀上压降很大，消耗能量过多；S选得过小，则对调节不利。一般希望S值最小不低于0.3。当S≥0.6时，可以认为工作特性与理想特性相差无几。现场使用时调节阀一般都装有旁路阀，即调节阀与旁路阀并联安装。安装旁路阀一是当控制系统失灵时手动控制使用。另外，有时因生产量提高或阀门选得过小，使调节阀流量不能满足工艺要求时，只好打开旁路阀以增加管道流量。打开旁路阀，虽然调节阀本身的流量特性无变化，但系统的可调范围大大下降，泄漏量也很大。5．3调节阀的动态特性及变差5．3．1调节阀的动态特性调节阀的动态特性是指信号压力与阀杆位移的关系。调节阀膜头可以看作是一个气容，从调节器到调节阀膜头间的引压管线有气容和气阻，所以管线和膜头是一个由气阻和气容组成的一阶滞后环节，其时间常数的大小取决于气容和气阻。当信号管线太长或太粗，膜头气室太大时，气容、气阻很大，调节阀的时间常数就大。这样在调节阀接受调节器的控制信号时，由膜头充气到阀杆走完全行程的过程很长，增加了系统广义过程容量滞后，对控制不利。减小时间常数的措施有：（1）尽量缩短引压管线的长度。例如在采用电动调节器时，电/气转换器应装在调节阀附近。（2）选用合适口径的气动管线。通常采用Φ8×l紫铜管线。（3）加装传输滞后补偿器。如引压管线很长，或膜头很大，可在阀门附近装设继动器，或采用阀门定位器。5.3.2调节阀的变差调节阀的阀杆是一个移动部件，它与填料之间总有一定摩擦。当阀门的填料函压得过紧或长期末润滑时，干摩擦力很大，膜头上较小的气压变化推不动阀杆。这时会产生正反行程的变差，即在阀杆上升和下降时对应于同样阀杆位置的气压不一样。5.4调节阀的选择选择调节阀时需从三个方面来考虑：1、调节阀结构形式的选择；2、气开、气关的选择；3、调节阀流量特性的选择。5.4.1调节阀结构形式的选择考虑两点：(1)调节介质的工艺条件：温度、压力、流量等；(2)调节介质的特性：粘度、腐蚀性、毒性，是否含悬浮颗粒，是液态还是气态等。当阀前后压差较小，要求泄漏量也小的场合选直通单座阀；当阀前后压差较大，允许有较大泄漏量的场合选直通双座阀；当介质为高粘度，含有悬浮颗粒物时，应选用角形调节阀；当介质为悬浮颗粒物或浓油浆状时，应选用球阀；当在大口径、大流量、低压差的气体场合工作时，选蝶阀；当介质为强酸、强碱、强腐蚀性的流体，或为高粘度及悬浮颗粒物时，选隔膜调节阀；当介质为高压时，应选用高压调节阀；当介质为低温时，应选用低温调节阀。5.4.2调节阀的气开、气关选择调节阀有气开、气关两种类型。气开、气关的选择主要是从生产安全角度考虑，当调节阀上信号压力中断时，应避免损坏设备和伤害操作人员。如阀门处于全开