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第4章执行器和防爆栅自动化仪表与过程控制第4章执行器和防爆栅第1部分---执行器4.1执行器---是调节系统四个基本组成部分之一，形象称为自动化的手脚。（四个基本组成部：调节对象、检测仪表、调节器、执行器）执行器的作用--根据调节器的命令控制传送、调节温度、压力、流量等工艺参数。执行器的组成（分为两部分）（1）执行结构--执行器的驱动部分，按照调节器的信号产生推力或位移；（2）调节机构--执行器的调节部分，常见有调节阀等，在执行机构操纵下调节工艺介质的流量。执行器的影响--是调节系统中的薄弱环节，质量可能导致不能正常工作或影响调节品质。4.1.1气动执行器---以压缩空气为动力的执行器，由气动执行结构和调节阀组成。类型原理：（1）薄膜式，弹性膜片将输入气压转变为推力，结构简单、价格便宜、应用广；（2）活塞式，由气缸活塞输出推力，允许压力高、有较大推力、行程长。典型气动执行机构原理—RF-P-176-FIG4-1薄膜式原理说明活塞式现场应用演示调节阀的形式：（1）分为单座阀和双座阀，以阀芯阀座的套数决定，单座一套，双座两套（RF-FIG-4-3）；（2）分为气开和气闭，气开：气压增加阀趋于开，气闭：气压增加阀趋于闭。调节阀的优缺点及适用场合：单座：易改装、结构简单、无同步问题；被调气流对阀芯有作用力，可能影响正常工作。双座：作用力可大致抵消，不平衡力小；两组阀芯不易同时关闭，关闭泄漏量比单座阀大。选用气开、气关的原则：主要从安全角度考虑。事故状态下阀门打开危险性小，选启闭；反之选气开。调节阀的重要性：调节阀的特性对整个自动调节系统的调节品质有何大影响。调节阀的流量：与阀的开度和阀的前后压差均有关。阀特性研究：分两种方法—阀前后压差固定和实际工作变压差。下半部分为调节阀上半部分是产生推力的薄膜式执行机构P膜片推杆关闭阀芯（气闭式）调节阀的形式及优缺点分析直通单座阀直通双座阀流体对阀芯的作用力调节阀的优缺点及适用场合单座：易改装、结构简单、无同步问题；被调气流对阀芯有作用力，可能影响正常工作。双座：作用力可大致抵消，不平衡力小；两组阀芯不易同时关闭，关闭泄漏量比单座阀大。选用气开、气关的原则：主要从安全角度考虑。事故状态下阀门打开危险性小，选启闭；反之选气开。调节阀的重要性：调节阀的特性对整个自动调节系统的调节品质有何大影响。调节阀的流量：与阀的开度和阀的前后压差均有关。阀特性研究：分两种方法—阀前后压差固定和实际工作变压差。1.固有流量特性在前后压差不变的情况下得出的流量特性或称为理想流量特性，通常有三种典型形式：（1）直线特性—流量与阀芯位移成直线关系；（2）对数特性—流量与阀芯位移成对数关系，即引起的流量变化的百分比相等；（3）快开特性—开度较小时流量变化较大，随开度增大很快达到最大值。三种典型固有流量特性的比较：快开直线对数相对流量（Q/Qmax)%10080604020相对行程（I/L）%200406080100快开直线对数2.工作流量特性QΔPTΔPgPoPoΔPgΔPTQPO调节阀管道及设备理想情况恒压差变压差调节阀和管道阻力串联的情况实际使用时，阀前后压力变化，对应具体使用条件阀芯位移对水流的控制特性，影响因素较多，分析例：设调节阀管路外加压力Po恒定。阀的开度增加，Q增加，管道压降ΔPg与流量Q平方成正比。结论：（1）在同样的阀芯位移下，阀芯前后压差变化，非恒压差。（2）与恒压差相比，流量开始变化较缓慢，阀开始的反应较迟钝。直线阀、对数阀的实际工作特性（考虑管道阻力）10080604020200406080100S=1S=0.5S=0.1S=0.210080604020200406080100S=1S=0.5S=0.1S=0.2直线阀对数阀相对流量（Q/Qmax)%相对流量（Q/Qmax)%相对行程（I/L）%相对行程（I/L）%直线阀、对数阀的实际工作特性（考虑管道阻力）其中：以S表示管道阻力下的压差比，即：分析：S=1相当于管道压力为0，实际工作特性与固有流量特性相同。S1（1）阀开度大时流量减小，原因：管道设备压降增加。（2）阀开度大时控制灵敏度降低。注：可借鉴电位器负载特性（电流大小）对输出的影响分析。（3）对数阀随开度的变化，其流量趋势与直线阀相反。oTPPS/min调节阀和控制对象特性的非线性补偿输入o输出对象特征合成特征调节阀特性阀和对象特性的非线性互相补偿依据：实际使用时有管道设备压差（对象）会引起非线性，不同形式的调节阀门也可以引起非线性，两者特性适当配合的合成特性可以是线性关系。调节阀口径的选择方法选择的目的：保证工艺操作正常进行，准确控制阀门的流量能力。选择不当时可能出现的问题（主要原因是阀门口径选择不当）：（1）口径过大：在小开度位置工作调剂质量不高。（2）口径过小：无法满足正常生产的需求。调节阀选择依据的计算过程电-气转换器作用：将调节器输出的标准电流信号转换为20~100kPa的标准气压信号。电-气转换器（力平衡式）的工作原理组成：RF-FIG-4-9涉及：调节器输出电流I、电磁铁线圈、杠杆、喷嘴挡板机构、气动功率放大器支撑弹簧、波纹管、重锤、气源等。工作过程：调节器输出电流I↑---电磁铁线圈吸力↑---杠杆左端↓---挡板压缩喷嘴---喷嘴间隙↓---气动功率放大器输出功率P↑---杠杆波纹管充气---杠杆左端↑---形成反馈力达到平衡电-气转换器工作原理图气源气动功率放大器杠杆线圈挡板喷嘴弹簧波纹管支承IP重锤调整方法：弹簧调整输出零点，波纹管粗条量程，永久磁体磁分路螺丝细调量程，重锤调节平衡。转换器指标：精度0.5级、气源压力140±14kPa、输出气压信号，20~100kPa。核心部件-喷嘴挡板机构的构造和特性核心部件---喷嘴挡板机构挡板喷嘴背压室气源SPPS恒节流孔间隙主要组成：背压室、恒节流阀孔、喷嘴、挡板、气压信号输出孔工作原理：当挡板与喷嘴间隙有微小位移将会被转换为气压信号P输出，作为气动功率放大器的输入信号。阀门定位器电-气转换器阀门定位器执行机构调节阀阀杆位移气压P气压Pi电流I位移负反馈+−任务：与执行机构配合使用确保精确定位。用途：用于执行机构工作条件差和要求调节质量要求高的场合。影响精确定位因素：填料、压差、黏度产生的附加力。方法：借助阀杆位移负反馈是调节阀能按照输入信号精确地确定开度。带定位器的气动执行器的信号流程框图组成：RF-P183-FIG-4-12气动阀门定位器与执行机构的配合示意图主要动作涉及：（1）锥阀--控制排气，（2）阀球--控制进气，（3）波纹管（Pi输入）--给定值，（4）推杆-凸轮--反馈值（5）P-执行机构的控制气压--定位器的输出量工作原理：挡板移近喷嘴--A室气压↑--膜片推动锥阀（间隙）排气量↓--球阀（间隙）进气量↑--C室气压↑--控制气压P↑--推杆↓--凸轮顺时针转动--挡板移出喷嘴--系统平衡电气阀门定位器与执行机构的配合P气源气动阀门定位器反馈凸轮托板输入波纹管PiABCD一体化电气阀门定位器：结构原理：RF-P184-FIG-4-13工作原理：输入电流I↑--杠杆上部右转—喷嘴间隙↓--控制压力P↑--推杆↓--凸轮顺时针转动—挡板移出喷嘴—杠杆下部右转—系统平衡信号电流通入力矩马达1的线圈时，它与永久磁钢作用后，对主杠杆产生一个力矩于是挡板靠近喷嘴经放大器放大后送入薄膜气室使杠杆向下移动并带动反馈杆绕其支点4转动连在同一轴上的反馈凸轮也作逆时针方向转动通过滚轮使副杠杆绕其支点偏转拉伸反馈弹簧当反馈弹簧对主杠杆的拉力与力矩马达作用在主杠杆上的力两者力矩平衡时，仪表达到平衡状态，此时，一定的信号电流就对应于一定的阀门位置。电-气阀门定位器的安全防爆防爆要求：防爆电路示意框图RF-184-FIG-4-14电动调节器安全保持器隔离、限压、限流接线盒安全侧危险现场4~20mA4~20mAVD1VD2VD3VD4力线圈防爆工作原理说明（目的--断线时对高储能元件进行隔爆处理）（1）VD3、VD4限制力线圈的储能，（2）VD1、VD2限制力线圈的电流输出，（3）硅橡胶灌封。电动执行器作用：将调节器输出的4~20mA信号转换成直线或角度位移。组成：执行机构和调节阀（同一般执行器）特点：执行器使用电动执行机构---利用电动机等启闭调节阀。电动执行器方案及配用类型：直行程---直线电磁阀；角行程---旋转蝶阀；多转式---多转感应调压器。电动执行器原理框图伺服放大器电动机减速器调节阀位置检测器输入信号0~10mA阀行程常用电动执行器的要求：能够频繁启动、能长期处于过载状态。具体措施：采用专用异步机，转子电阻大---启动电小、堵转时温升不超限。伺服电机电路工作原理:对应RF-P-154-FIG-6-45伺服放大器的原理示意图前置放大器触发电路1触发电路2输入信号反馈信号两相电机VT1VT2abcf±±IIICF~220VACSRL交流开关等效电路带制动机构的两相伺服电动机衔铁簧片制动盘磨擦轮弹簧手把伺服电机电路工作原理叙述原理叙述：a+、b-，a-、b+分别对应上下交流开关导通，直接导通供电的一路交流不倒相，经分相电容的一路移相90º，两交流开关的切换决定电机转动的方向。带制动结构的两相伺服电机主要目的：防止惯性精确定位。（1）定子带电，衔铁吸合，簧片变形，制动盘推离，转子活动。（2）定子失电，衔铁还原，簧片恢复，弹簧弹起，制动盘推入，转子固定。（3）拉起把手，手工脱离，解除制动。超声波伺服电机USM概述AppendixThenameplateofUSR60USMDrivefrequency40-44kHzDrivevoltage100-130VrmsDrivecurrent53mARatedtorque0.4NmRatedpower4WRatedspeed10rad/sHoldingtorque=800mNmRotorinertia7.210−6kg/m2Weight0.23kgTheequivalentcircuitparametersofUSR60USMCd=9nFrd=20kLm=0.1Hr0=150Cm=168pF168第4章执行器和防爆栅第2部分---防爆栅1.安全防爆基础知识2.隔离式防爆栅的电路原理及性能3.防爆栅在现场总线中的应用4.2防爆栅4.2.1安全火花防爆系统的概念防爆栅的设计思路：传统--包括充油型、充气型、隔爆型等，将可能产生火花的电路从结构上与爆炸性气体隔开；新型--（安全火花型）电路设计上考虑防爆，将电路在短路、开断及误操作下产生的火花限制在爆炸性气体的点燃能量之下。归类：属于本质安全防爆仪表，比结构防爆仪表高一等级。防爆仪表与防爆系统性质--安全火花防爆仪表和安全火花防爆系统属于两个不同的概念；内容--防爆仪表只保证仪表内部不产生危险火花，不包括外部引线（电源线、信号线等---注：系统与仪表的区别）。定义--由安全火花仪表和经过防爆栅连接组成的工业控制系统。（自）防爆栅防爆栅调节装置电源单元变送器执行器交流电电源安全场所（控制室）危险场所危险场所安全火花防爆系统的基本结构（注意：防爆栅的作用）防爆栅：安全保持器，用途--限制送往现场单元的电压、电流，保证进入现场的电功率在安全范围之内。防爆栅的局限性：只能限制进入现场的瞬时功率，必须与安全火花型仪表配合。安全火花防爆系统的充分必要条件：（1）在危险现场的仪表必须是安全火花型；（2）现场仪表与非危险场所之间的电路连接必须经过防爆栅。防爆栅的定义及局限性4.2.2安全火花防爆的等级（安全火花防爆的实质—限制火花的能量）爆炸性混合物的最小引爆电流（条件：直流电压≤30V）TAB-4-1安全火花防爆栅参考资料4.2.3防爆栅的基本工作原理VD1VD2R1R2F27~28V29~30VVOVi危险场所安全场所VT2VT1VT3R1R2VD1VD2VD3VD4F2F1F3F4+−−+安全场