第五章执行器

化工仪表及自动化第五章执行器执行器是自动控制系统中的一个重要组成部分。它的作用是接收控制器送来的控制信号，改变被控介质，从而将被控变量维持在所要求的数值上或一定的范围内。控制器操纵变量被控变量测量元件变送器控制阀对象给定值x偏差e控制器输出pqy测量值z_干扰作用f根据动作能源的不同，执行器可以分为以下三类：气动执行器：以气压为动力，推动机构动作。电动执行器：以电动机作为动力源，推动机构动作。液动执行器：以液压站提供的流体（液压油）高压为动力源，推动机构动作。执行器分类第一节、气动执行器气动执行器(习惯称为气动调节阀)是用压缩空气为能源,结构简单、动作可靠、平稳、输出推动力大、维修方便、防火防爆、价格较低、广泛应用于化工、炼油生产。1、执行机构2、控制机构一、气动执行器的结构和分类气动执行器是由执行机构和控制机构(阀)两部分组成。执行机构是执行器的推动装置，它按控制信号压力的大小产生相应的推力，推动控制机构动作，所以它是将信号压力的大小转换成阀杆位移的装置。控制机构是执行器的控制部分，它直接与被控介质接触，控制流体的流量。所以它是将阀杆的位移转换为流过阀的流量的装置执行器的推动装置。薄膜执行机构：气压推动薄膜并带动连杆运动。活塞执行机构：气压推动活塞并带动连杆运动。一、执行机构其中薄膜式执行机构最为常用，它用作一般控制阀的推动装置，组成气动薄膜式执行器。它的结构简单、价格便宜、维修方便，应用广泛。气动活塞式执行机构的推力较大，主要适用于大口径、高压降控制阀或蝶阀的推动装置。除薄膜式和活塞式之外，还有长行程执行机构。它的行程长、转矩大，适用输出转角（00~900）和力矩，如用于蝶阀或风门的推动装置。●输入信号空气压力：0.02~0.1MPa●输出按连杆最大位移——行程确定规格：10，16，25，40，60，100mm●气动薄膜式执行机构作用方式正作用反作用1、薄膜式执行机构●气动薄膜式执行机构分类有弹簧的薄膜执行机构在薄膜或活塞上增加弹簧，使其行程与气压成正比——常用于连续变化量的控制。无弹簧的薄膜执行机构，常用于开关方式控制。2、气动活塞式执行机构气动活塞式执行机构如图所示。它由活塞和气缸两部分构成。气缸内的活塞随气缸两侧的压差而移动，在气缸两侧可分别输入不同的信号p1和p2，其中可以有一个是固定信号，或两个都是变动信号。气动活塞式执行机构的气缸操作压力允许为500kPa，因为没有弹簧反作用力，所以有很大的输出推力，特别适合于高静压、高压差的场合。气动活塞式执行机构的输出特性有两位式和比例式两种。两位式是根据活塞两侧的压差而工作的，活塞从高压侧推向低压侧，使推杆从一个极端位置移到另一个极端位置，行程一般为25~100mm。3、气动长行程执行机构带定位器的长行程执行机构，用于控制蝶阀、风门挡板等阀体，可输出0°~90°的转角。具有转矩大、行程长（200~400mm）等特点。长行程机构基于力矩平衡原理，与定位器配合工作。在输入信号pi的作用下，使输出摇臂产生0°~90°的转角，而且转角与输入信号之间成对应关系。可通过更换不同形状的反馈凸轮1，来实现执行机构的不同特性。控制机构亦称阀体，可与各种执行机构（气动、液动、电动）配合构成执行器。它和普通阀门一样，也是一个局部阻力可以变化的节流元件。在执行机构的推杆作用下，阀芯在阀体内运动，改变了阀芯和阀座之间的流通截面积，即改变了控制阀的阻力系数，使被控介质的流量发生相应变化。二、控制机构阀芯有正装和反装两种形式。当阀芯向下移动时，阀芯与阀座之间的流通面积减小，称为正装阀。●作用直接作用于对象，并使对象的运动（如流量）发生变化。由于被控对象千差万别，控制机构的形式也各不相同，如调节阀、调压变压器、变速器、振动给料机等等。化工系统中最常用的控制机构为各种形式的控制阀。●控制阀控制阀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，改变了阀芯与阀座之间的流通面积，即改变了阀的阻力系数，被调介质的流量也就相应地改变，从而达到调节工艺参数的目的。正作用：阀芯向下，流通面积减少。反作用：阀芯向上，流通面积增大。1、按照不同的使用要求，控制阀主要有以下几种:（1）直通单座阀阀体内有一个阀芯、一个阀座。其特点是结构简单，泄漏量小，易于关闭，可将流体完全切断。由于单座阀只有一个阀芯，流体流动时产生的单方向的不平衡力大，尤其在高压差、大口径时，不平衡力更大。所以，它只适用于低压差的场合。（2）直通双座阀阀体内有两个阀芯和阀座，流体从左侧进入，通过上、下阀芯后，再汇合在一起，由右侧流出。由于流体流过的时候，作用在上、下两个阀芯上的推力方向相反而大小近于相等，可以相互抵消，所以不平衡力小。但是，由于受加工的限制，上下两个阀芯阀座不易保证同时关严，因此泄漏量较大。流通能力较大。适用于低粘度、不含纤维、悬浮颗粒的洁净介质及高压差、高静压且允许有泄漏的场合。（3）角形阀阀体为直角形，其他结构与直通单座阀相似。其阀芯为单导向结构，只能正装。角形阀的流路简单，阻力小，适用于高压差、高粘度、含悬浮物和颗粒状物质流体的控制，可避免堵塞和结焦，便于自净和清洗。（4）三通阀有三个出入口与管道相连，按作用方式分为分流式和合流式。分流阀是一进两出，合流阀是两进一出。阀芯移动时，流体一路增加，另一路减小。但总量不变。（5）隔膜控制阀采用耐腐蚀衬里的阀体和隔膜。（6）笼式阀笼式阀的可调比大、振动小、不平衡力小、结构简单，套筒互换性好。特别适合于要求低噪音及压差较大的场合。但不适合高温、高黏度及含固体颗粒的流体。（7）蝶阀（翻板阀）蝶阀又称挡板阀或翻板阀，它由阀体、挡板、挡板轴和轴封等部分组成，一般与长行程执行机构相配合，气压信号通过杠杆带动挡板轴使挡板偏转，改变流通面积，从而改变流量。其特点是阻力损失小，结构简单，价格低，使用寿命长，特别适用于低压差、大口径、大流量气体及悬浮固体物质的流体的场合，但泄漏量大。（8）球阀2、安装a、安装前须检查产品型号、规格是否与使用要求相符，然后将管道彻底清洗，去除焊渣、杂物等。b、将阀门正立、垂直安装在水平管道上，不得已时可倾斜安装、阀自重量较大时或有振动的场合，应予支撑和加固。C、安装场地考虑到人员与设备的安全，既便于操作，又有利于拆装与维修。d、阀门应安装在环境温度为-30℃～60℃场合使用。流量特性--------被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度（相对位移）间的关系三、控制阀的流量特性控制阀前后压差保持不变时的流量特性称为理想流量特性；在实际使用过程中，控制阀前后的压差会随阀的开度变化而变化，此时的流量特性称为工作流量特性。理想流量特性（1）直线型（2）等百分比3）抛物线流量特性（4）快开流量特性工作流量特性（1）串联管道的工作流量特性（2）并联管道的工作流量特性1、控制阀理想流量特性（1）直线流量特性（2）等百分比流量特性（3）抛物线流量特性（4）快开特性2、控制阀工作流量特性（1）串联管道的工作流量特性（2）并联管道的工作流量特性1、结构与特性的选择2、气开式与气关式的选择3、控制阀口径的选择四、控制阀的选择1、结构与特性的选择2、气开式与气关式的选择有压力信号时阀关，无压力信号时阀开的阀为气关式。反之，为气开式。3、控制阀口径的选择1、2、3、第三节电动执行器电动执行器接受来自调节器的直流电流信号,并将其转换成相应的角位移或直行程位移,去操纵阀门、挡板等调节机构，以实现自动调节。与气动执行器相比较，电动执行器有下列特点。①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;②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;③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;④与电动控制仪表配合方便，安装接线简单;⑤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。电动执行器的特点电动执行器的组成电动执行器是由电动执行机构和控制机构两部分组成。其中电动执行机构将控制仪表来的控制电信号转换成力或力矩，进而输出一定的转角或位移；而控制机构则是直接改变被控介质流量的装置。电动执行机构根据其输出形式不同，主要有角行程电动执行机构、直行程电动执行机构和多转式电动执行机构。它们在电气原理方面基本上是相同的。1、角行程电动执行机构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0°~90°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10-9角行程执行机构的组成示意图2、直行程电动执行机构直行程电动执行机构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。另外，还有一种多转式电动执行机构，它主要用来开启和关闭闸阀、截止阀等多转式阀门。由于多转式执行机构的电机功率比较大，最大有几十千瓦，一般多用作就地操作和遥控场合。第三节电气转换器及阀门定位器电-气转换器可以把电动变送器来的电信号变为气信号,送到气动控制器或气动显示仪表;也可以把电动控制器的输出信号变为气信号去驱动气动控制阀。电-气转换器原理结构图1-喷嘴挡板；2-调零弹簧；3-负反馈波纹管；4-十字弹簧；5-正反馈波纹管；6-杠杆；7-测量线圈；8-磁钢；9-铁芯；10-放大器-力矩马达;2-主杠杆;3-平衡弹簧;4-反馈凸轮支点;5-反馈凸轮;6-负杠杆;7-负杠杆支点;8-薄膜执行机构;9-反馈杆;10-滚轮;11-反馈弹簧;12-调零弹簧;13-挡板;14-喷嘴;15-主杠杆支点电-气阀门定位器