调压器基本知识介绍

1调压器基本知识介绍2一、调压器简介二、直接作用式调压器……工作原理……调压特性……调压性能……杠杆式……平衡阀芯式三、间接作用式调压器……工作原理……调压性能……流量计算……加载式……卸载式……雷诺式四、直接作用式和间接作用式调压器比较五、调压器的选择六、调压器使用注意事项3这里所介绍的调压器是专指用于流体介质输送管道上的减压器.它具有阀门的特点,可以控制流体的通断和节流;也具有自动控制元件的特点.它自身构成一个闭环控制系统.而且不需要其它的辅助能源,只取自流体本身的压力差(压力势能)作为操作能源.调压器的基本功能是：在将系统压力维持于某个可接受范围内的同时，还必须满足下游的流量要求。当流速较低时，调压器阀瓣靠近阀座，缩小通道以限制流量。当需求流量增加时，阀瓣远离阀座，增加其打开程度，增大流量。在理想情况下，调压器应能够在输送所需流量的同时，提供恒定的下游压力。从流体力学的观点看，调压器是一个局部阻力可以变化的节流元件，即通过改变节流面积，使流速及流体的动能改变，造成不同的压力损失，从而达到减压的目的。然后依靠控制与调节系统的调节，使阀后压力的波动与弹簧力相平衡，使阀后压力在一定的误差范围内保持恒定。调压器简介4调压器简介－基本工作原理图中每个方块表示组成系统的一个环节，两个环节之间用一条带有箭头的线条表示其相互关系，线条上的文字表示相互间的作用信号，箭头表示信号的方向。调压器出口压力在此自调系统中称为被调参数，被调参数就是调节对象的输出信号。引起被调参数变化的因素就是用气量及进口压力的改变，统称为干扰作用，这就是作用于调节对象的输入信号。通过调节机构的流量就是作用于调节对象并实现调节作用的参数，常称为调节参数。当外界给一个干扰信号时，则被调参数发生变化，传给测量元件，测量元件发出一个信号与给定值进行比较，得到偏差信号，并被送给传动装置，传动装置根据偏差信号发出位移信号送至调节机构，使阀门动作起来，并向调节对象输出一个调节作用信号克服干扰作用的影响。从上图中可以看出，自调系统中的任何一个信号沿着箭头方向前进，最后又回到原来的起点，从信号的角度来说，这是一个闭环系统。系统的输出参数——被调参数经过测量元件又返回到系统的输入端，这种将输出信号又引回到输入端的做法叫反馈。而且这个反馈信号总是作为负值和给定值比较，因此又被称为负反馈。所以，压力的自调系统总是带有反馈的闭环系统。5调压器简介－调压器结构6调压器简介－调压器分类自力式调压器：不需要辅助能源而依靠调节介质本身所提供能源进行调节和稳压的调压器。自力式调压器的被调节量是出口压力(P2),干扰量是进口压力(P1)和流量(Q)。根据调压器的结构,常分为两种型式:直接作用式和间接作用式。直接作用式调压器和间接作用式调压器主要的区别在于,直接作用式调压器的传感单元同时又是调节单元的执行元件，其变化是以出口压力(P2)的变化直接驱动的；而间接作用式调压器的传感单元和执行元件是各自单独的，调节单元的变化是以负载压力(P3)来驱动。7调压器简介－调压器结构8调压器简介－调压器结构9调压器简介－调压器结构10调压器简介－调压器结构11直接作用式调压器－工作原理直接作用式调压器是通过内信号管路或外信号管路来感应下游压力的变化。下游压力通过在传感元件（皮膜）上产生的力与加载元件（弹簧装置）产生的力来进行对比，移动皮膜和阀芯，从而改变调压器流通通道的大小。直接作用式调压器具有三个关键结构：调节单元----阀座、阀瓣、阀芯（阀座与阀瓣组合）传感单元----通常为皮膜加载单元----通常为一弹簧装置（或重物）其逻辑关系为:被控制量P2(增加)---传感元件向上作用力(增加)---阀座和阀瓣之间的距离(减小)---被控制量P2(减小);被控制量P2(减小)---传感元件向上作用力(减小)---阀座和阀瓣之间的距离(增加)---被控制量P2(增加);12直接作用式调压器－工作原理调节单元：一般由阀座和阀瓣构成,它的作用是改变阀座和阀瓣之间的距离,从而改变了介质的流通面积。负载单元：一般是由弹簧或重块构成。其弹力或重力作用在传感单元上,并且有使调节单元的阀座和阀瓣之间的距离加大的趋势。传感单元：一般由膜片托盘构成,在出口压力(P2))的作用下产生与负载单元作用力相反的力,并且有使调节单元的阀座和阀瓣之间的距离减小的趋势。因此，改变加载载荷的大小可以调整通过调压器的流量，或者调整所期望的设定值。杠杆式直接作用式调压器平衡方程(式①):P1×Ad＝(P2×Am－Fj)×K－－－①Ad---阀座(阀口)面积mm2P1---进口压力MPaFj---弹簧负载力NFj=P’×ＸP’－弹簧刚度N/mmＸ－弹簧的变形量mmAm---膜片有效面积mm2P2---出口压力MPaK---杠杆比L2/L113Q0P2abMqPb直接作用式调压器－调压特性压力特性：P1变化将引起P2的变化,我们常把这种关系称之为调压器的压力特性。压力特性好的调压器其抗P1干扰能力强。P2=（Fj／Am）＋(Ad×P1／K×Am)-----②从式②中我们看到为了要减小P1变化对P2的干扰,可以减小阀口面积,增大皮膜有效面积,增大杠杆比,这也是我们常常建议用户在流量能够满足的前提下尽可能选用较小的阀座的原因之一。Q0P2abMqPb14直接作用式调压器－调压特性改善调压器的压力特性的方法：减小阀座直径、增大皮膜面积、增大杠杆比，虽然有助于改善调压器的压力特性,但是其作用是有限的,应用也是有限制的。所以通常采用的办法是用平衡阀芯或双阀座来解决。阀杆在平衡阀芯处受力的平衡方程：P1×S1＋P2×S2=P1×S2＋P2×S1S1=S2时，阀杆不受前后压变化的影响。平衡阀芯直接作用式调压器的平衡方程：Fj＝FDP2＝Fj/AD消除了进口压力P1对出口压力P2的影响双阀座15直接作用式调压器－调压特性流量特性：流量Q变化将引起P2的变化，我们常把这种关系称之为调压器的流量特性，流量特性好的调压器其抗Q流量干扰能力强。当进口压力(P1)不变的情况下。流量Q发生变化的原因是阀瓣与阀座的距离(就是我们常说的阀口的开度)变化的结果，因此皮膜的工作位置要发生变化；弹簧的工作高度也发生了变化。如图所示,在调压器的阀口开度L不同时，薄膜的有效面积Am和弹簧的弹力Fj是不同的弹簧的负荷力为:Fj＝Ｘ×P’Ｘ----弹簧压缩变形量mm；P’---弹簧刚度N/mm；簿膜受力：FD＝P2×Am平衡时：P2＝Ｘ×P’/Am随阀口开度增大,薄膜的有效直径增大,负载弹簧伸长,弹簧力减小.其结果是出口压力(P2)减小.如前面的流量曲线所示。随着流量（Q)的增加出口压力(P2)在减小。Q↗P2↘16直接作用式调压器－调压特性改善调压器的流量特性的方法：为了改善流量特性,首先我们想到的是,减小弹簧刚度或减小薄膜的有效面积的变化。在设计调压器时必须控制弹簧的刚度，所以经常用户要求我们提供一种调节范围大的弹簧时，常常无法办到的原因。所以对于不同的出口压力我们宁愿采用不同的弹簧去解决。对于薄膜常让它工作在较低的位置，因为薄膜处于低位时其有效面积较大，而且在这一工作区时有效面积变化较小；必要时还要采用滚动薄膜，滚动薄膜的特点是在一定的行程内其有效面积基本保持一致。17Q0P2abMqPb直接作用式调压器－调压特性调节精度调压器的精度综合的反映了调压器的流量特性和压力特性的优劣。调压器的调节精度一般以相对于设定压力偏差的百分比来表示(也有以相对于设定压力降落值来表示的)，它等于出口压力偏离设定压力的偏差与设定压力的比值。下图是比较典型的流量特性曲线,根据允许的上,下偏差画出与X轴的平行线a和b在两平行线之间即为公差范围。平行线b与该曲线的交点M的X轴的坐标就是该调压器的最大流量值。流量特性曲线斜率当然越小表明出口压力(P2)受流量变化的影响较小。未加平衡阀芯的调压器在同样的设定压力下,进口压力(P1)变化将对出口压力(P2)产生影响表现在流量特性曲线上将会向上或向下平移，平移越少压力特性越好。Q0P2abMqPb18直接作用式调压器－调压特性影响调节精度的主要因素：1.弹簧刚度处于平衡状态时：Fj＝FDK×X＝P2×AD设P2＝10bar＝1MPaP’＝10N/mm弹簧压缩量X1＝10mmP’＝5N/mm弹簧压缩量X2＝20mm设P2＝9bar＝0.9MPaP’＝10N/mm弹簧压缩量X1ˊ＝9mmP’＝5N/mm弹簧压缩量X2ˊ＝18mm即：当△P=1bar时△X1=1mm△X2=2mm也就是说：出口压力变化1bar（调压精度为10％），要保持调压器的平衡状态，刚度为10N/mm的弹簧需位移1mm，刚度为5N/mm的弹簧需位移2mm；刚度为10N/mm的弹簧位移2mm，出口压力P2将变化2bar（调压精度为20％）。对于弹簧刚度为5N/mm的弹簧，使P2下降1bar，调压器的打开程度将是弹簧刚度为10N/mm的弹簧的两倍，此时的调压器具有更大的流量，也就是它具有更小的压力偏差或更高精确度。19直接作用式调压器－调压特性2.簿膜面积在实际情况下，簿膜面积随簿膜的游动将发生变化，它对精确度和压降幅度有着重要的影响。簿膜可以变形，这样就可以在弹簧额定的范围内能足够灵活地移动。随着它们位置的改变，它们的形状也会由于作用其上的压力而随之改变。考虑如图所示的例子，随着下游压力P2的下降，簿膜向下移动。在它下降的过程中，簿膜面积增加。增大的簿膜面积会将P2的影响放大，因此更小的P2就可以使簿膜保持在原位。这种现象被称为簿膜效应。簿膜效应将会使调压器的稳压精度提高，这是因为，P2所增加的变化不会引起弹簧压缩量或阀瓣位置相应变化。增加簿膜面积会增加调压器的敏感性。在给定P2变化量的情况下，一个较大的皮膜面积会产生更大的力。因此，在低压应用场合下，测量细小变化时，常使用到较大的皮膜面积。但当薄膜大小确定后,我们希望在调压器工作时,薄膜面积的变化越小,这样调压器的调节精度越高.P2从1MPa降至0.9MPa时：FD＝1×100＝100N保持面积不变：FD1＝0.9×100＝90N面积增加：FD2＝0.9×110＝99N簿膜面积增加后，弹簧只对1N的变化作出反应，因此，阀瓣的行程就很小。20直接作用式调压器－调压特性3.阀口尺寸增加调压器流量的方法之一是增加阀口尺寸。阀瓣与阀口之间可能的流动面积直接取决于阀口的直径。因此，当使用更大尺寸的阀口时，达到同样要求的调压器流量，阀瓣的移动量可以减少，同时压力偏差也有所减小。从另一方面看，一个给定的P2变化量在阀口更大时，将会使流量发生更大的变化。然而，对于可以使用的阀口，其尺寸有着特定的限制。过大的阀口使调压器对于入口压力的波动更加敏感。如果调压器过于敏感，它将有可能变得不稳定和产生循环。过大的阀口可能引起的一种情况是“浴缸塞”效应。当阀瓣非常接近阀口时，流体流动产生的力可能将阀瓣猛烈地推向阀口，从而截断流体的流动。下游压力下降，阀瓣又打开。这样便使调压器发生循环----打开、关闭、打开、关闭。通过选择更小尺寸的阀口，阀瓣将会远离阀口活动，从而使调压器变锝更加稳定。更大的阀口尺寸还需要更大的关闭压力。此外，过大尺寸的阀口通常使阀瓣和阀口磨损加速，这是因为，阀口通过阀瓣控制了阀座附近的流动情况。磨损程度随流速的增加而加剧。当流动的流体中存在杂质或其他腐蚀性成分时，磨损程度也会加大。使用尽可能小的阀口通常是获得最佳控制和稳定性的最好法则。21直接作用式调压器－调压特性图中的三条曲线总结了弹簧刚度、簿膜面积和阀口尺寸对压力—流量曲线形状的影响。曲线A是典型调压器的参考曲线。曲线B表示增加簿膜面积或减小弹簧刚度所提高的调压器性能。曲线C表示增加阀口尺寸产生的影响。需要注意的是，阀口尺寸的增加同样也提供了更大的流量。但是，过大的阀口使调压器对于入口压力的波动更加敏感，性能不稳定，关闭压力升高。所以虽然直接作用式的调压器简单,但是却给我们两个难题:1.随传感元件有效面积增大,与之相配的负载也将增大,当下游压力（P2）超过一定范围时将无法提供足够有负载力了。2.由于需要在较大的行