化工仪表及自动化(厉玉鸣)(第三版)第11章执行器.ppt

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1、化工仪表及自动化化工仪表及自动化第十一章第十一章 执行器执行器 内容提要内容提要n气动执行器气动执行器n气动执行器的组成与分类气动执行器的组成与分类n控制阀的流量特性控制阀的流量特性n控制阀的选择控制阀的选择n气动执行器的安装和维护气动执行器的安装和维护n阀门定位器与电阀门定位器与电-气转换器气转换器n气动阀门定位器气动阀门定位器n电电-气阀门定位器气阀门定位器n电电-气转换器气转换器1内容提要内容提要n电动执行器电动执行器n概述概述n角行程电动执行机构角行程电动执行机构n直行程电动执行机构直行程电动执行机构2概述概述3作用作用作用作用 接受控制器的输出信号,直接控制能量或物料等调节介质的输送

2、量,达到控制温度、压力、流量、液位等工艺参数的目的。按能源形式分类按能源形式分类按能源形式分类按能源形式分类p 气动执行器p 电动执行器p 液动执行器执行器执行器执行器执行器从结构来说从结构来说从结构来说从结构来说p 执行机构p 调节机构概述概述气气-电转换器电转换器电电-气转换器气转换器电电-气阀门定位器气阀门定位器气动执行器气动执行器电动执行器电动执行器气动控制仪表气动控制仪表电动控制仪表电动控制仪表图图11-1 转换单元的使用简图转换单元的使用简图4第一节第一节 气动执行器气动执行器5结结结结构构构构气动执行结构气动执行结构气动执行结构气动执行结构控制阀控制阀控制阀控制阀n一、气动执行器

3、的组成与分类一、气动执行器的组成与分类1.1.组成组成第一节第一节 气动执行器气动执行器常用辅助设备常用辅助设备常用辅助设备常用辅助设备阀门定位器阀门定位器手轮机构手轮机构图11-2 气动薄膜控制阀外形图6第一节第一节 气动执行器气动执行器72.2.2.2.执行机构的分类执行机构的分类执行机构的分类执行机构的分类 薄膜式薄膜式薄膜式薄膜式结构简单、价格便宜、维修方便，应用广泛。活塞式活塞式活塞式活塞式推力较大，用于大口径、高压降控制阀或蝶阀的推动装置。长行程长行程长行程长行程行程长、转矩大，适于输出转角（6090）和力矩。气动薄膜式执行机构有正作用和反作用两种形式。气动薄膜式执行机构有正作用和

4、反作用两种形式。气动薄膜式执行机构有正作用和反作用两种形式。气动薄膜式执行机构有正作用和反作用两种形式。根据有无弹簧可分为有弹簧的及无弹簧的执行机构。根据有无弹簧可分为有弹簧的及无弹簧的执行机构。结结构构图11-3 正作用式气动薄膜执行机构 1上膜盖；2波纹膜片；3下膜盖；4支架；5推杆；6弹簧；7弹簧座；8调节件；9连接阀杆螺母；10行程标尺第一节第一节 气动执行器气动执行器图11-4 反作用式气动薄膜执行机构 1上膜盖；2波纹膜片；3下膜盖；4密封膜片；5密封环；6填块；7支架；8推杆；9弹簧；10弹簧座；11衬套；12调节件；13行程标尺8第一节第一节 气动执行器气动执行器93.3.3.

5、3.控制阀的分类控制阀的分类控制阀的分类控制阀的分类根据不同的使用要求，控制阀的结构形式主要有以下几种。（1 1）直通单座控制阀）直通单座控制阀）直通单座控制阀）直通单座控制阀阀体内只有一个阀芯与阀座。特点特点特点特点结构简单、价格便宜、全关时泄漏量少。直通单座阀缺点缺点缺点缺点在压差大的时候，流体对阀芯上下作用的推力不平衡，这种不平衡力会影响阀芯的移动。第一节第一节 气动执行器气动执行器10（2 2）直通双座控制阀）直通双座控制阀）直通双座控制阀）直通双座控制阀 阀体内有两个阀芯和两个阀座。特点特点特点特点流体流过的时候，不平衡力小。缺点缺点缺点缺点容易泄漏直通双座阀直通双座阀第一节第一节

6、气动执行器气动执行器（3 3）角形控制阀）角形控制阀）角形控制阀）角形控制阀 角形阀的两个接管呈直角形。特点特点特点特点 流路简单、阻力较小，适于现场管道要求直角连接，介质为高黏度、高压差和含有少量悬浮物和固体颗粒状的场合。流向一般是底进侧出。11角形阀角形阀第一节第一节 气动执行器气动执行器（4 4）高压控制阀）高压控制阀）高压控制阀）高压控制阀 高压控制阀的结构形式大多为角形,阀芯头部掺掺铬铬或或镶以硬质合金镶以硬质合金,以适应高压差下的冲刷和汽蚀。为了减少高压差对阀的汽蚀,有时采用几几级级阀芯,把高差压分开,各级都承担一部分以减少损失。12第一节第一节 气动执行器气动执行器（5 5 5

7、5）三通控制阀）三通控制阀）三通控制阀）三通控制阀 共有三个出入口与工艺管道连接。按照流通方式分按照流通方式分按照流通方式分按照流通方式分合流型和分流型两种 13三通阀三通阀（A）（B）（A）分流型）分流型（B）合流型）合流型第一节第一节 气动执行器气动执行器14（6 6 6 6）隔膜控制阀）隔膜控制阀）隔膜控制阀）隔膜控制阀 采用耐腐蚀衬里的阀体和隔膜。特点特点特点特点结构简单、流阻小、流通能力比同口径的其他种类的阀要大。不易泄漏。耐腐蚀性强，适用于强酸、强碱、强腐蚀性介质的控制，也能用于高黏度及悬浮颗粒状介质的控制。注意执行机构须有足够的推力注意执行机构须有足够的推力 隔膜阀隔膜阀第一节第

8、一节 气动执行器气动执行器（7 7 7 7）蝶阀）蝶阀）蝶阀）蝶阀 特点特点特点特点结构简单、重量轻、价格便宜、流阻极小。缺点缺点缺点缺点泄漏量大。15蝶阀蝶阀第一节第一节 气动执行器气动执行器16（8 8）球阀）球阀）球阀）球阀 节流元件是带圆孔的球形体（A）或是一种V形缺口球形体（B）。特点特点（A）转动球体可起到控制和切断的作用（B）转动球心使V形缺口起节流和剪切的作用,其特性近似于等百分比型。球阀球阀（A）（B）第一节第一节 气动执行器气动执行器（9 9）凸轮挠曲阀）凸轮挠曲阀）凸轮挠曲阀）凸轮挠曲阀 阀芯呈扇形球面状，与挠曲臂及轴套一起铸成，固定在转动轴上。特点特点特点特点密封性好。

9、重量轻、体积小、安装方便，适用于要求控制和密封的场合。17凸轮挠曲阀凸轮挠曲阀第一节第一节 气动执行器气动执行器18（1010）笼式阀）笼式阀）笼式阀）笼式阀 特点特点特点特点 可调比大、振动小、不平衡力小、结构简单、套筒互换性好，更换不同的套筒可得到不同的流量特性，阀内部件所受的汽蚀小、噪声小，是一种性能优良的阀，特别适用于要求低噪声及压差较大的场合。笼式阀笼式阀缺点缺点缺点缺点不适用高温、高黏度及含有固体颗粒的流体。第一节第一节 气动执行器气动执行器n二、控制阀的流量特性二、控制阀的流量特性 控控控控制制制制阀阀阀阀的的的的流流流流量量量量特特特特性性性性是是指指被被控控介介质质流流过过阀

10、阀门门的的相相对对流量与阀门的相对开度（相对位移）间的关系，即流量与阀门的相对开度（相对位移）间的关系，即 19第一节第一节 气动执行器气动执行器201.1.1.1.控制阀的理想流量特性控制阀的理想流量特性控制阀的理想流量特性控制阀的理想流量特性 在不考虑控制阀前后压差变化时得到的流量特性称为理想流量特性。它取决于阀芯的形状（1 1 1 1）直线流量特性）直线流量特性）直线流量特性）直线流量特性 指控制阀的相对流量与相对开度成直线关系。（11-2）图11-6 控制阀的理想流量特性(R=30)1直线；2等百分比(对数)；3快开；4抛物线第一节第一节 气动执行器气动执行器21将（11-2）积分可得

11、（11-3）边界条件边界条件边界条件边界条件：l=0时，Q=Qmin;l=L时Q=Qmax把边界条件代入式（11-3），可分别得（11-4）R R R R为控制阀的可调范围或可调比。为控制阀的可调范围或可调比。为控制阀的可调范围或可调比。为控制阀的可调范围或可调比。Qmin不等于控制阀全关时的泄漏量，一般是不等于控制阀全关时的泄漏量，一般是Qmax的的2 24 4。注意！注意！第一节第一节 气动执行器气动执行器将式（11-4）代入式（11-3），可得（11-511-5）注注注注意意意意：当当当当可可可可调调调调比比比比R R不不不不同同同同时时时时，特特特特性性性性曲曲曲曲线线线线在在在在纵纵

12、纵纵坐坐坐坐标标标标上上上上的的的的起起起起点点点点是不同的。是不同的。是不同的。是不同的。22第一节第一节 气动执行器气动执行器23举例举例当当R=30,=30,l/L=0=0时，时，Q/Qmaxmax=0.33=0.33假设假设R=,位移变化量为位移变化量为10%10%在在1010时，流量变化的相对值为时，流量变化的相对值为在在5050时，流量变化的相对值为时，流量变化的相对值为在在8080时，流量变化的相对值为时，流量变化的相对值为 在流量小时，流量变化的相对值大；在流量大时，流量变化的相对值小。第一节第一节 气动执行器气动执行器24（2 2 2 2）等百分比（对数）流量特性）等百分比（

13、对数）流量特性）等百分比（对数）流量特性）等百分比（对数）流量特性 等等等等百百百百分分分分比比比比流流流流量量量量特特特特性性性性是指单位相对行程变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比关系。（11-6）将（11-6）积分 将前述边界条件代入 （11-11）第一节第一节 气动执行器气动执行器25（4 4 4 4）抛物线流量特性）抛物线流量特性）抛物线流量特性）抛物线流量特性（3 3）快开流量特性）快开流量特性）快开流量特性）快开流量特性 这种流量特性在开度较小时就有较大流量，随开度的增大，流量很快就达到最大。快开特性的阀芯形式是平板形的，适用于迅速启闭的切断阀或双位控制系统。第一节第一

14、节 气动执行器气动执行器26.工作流量特性工作流量特性工作流量特性工作流量特性 在实际生产中，控制阀前后压差总是变化的，这时的流量特性称为工作流量特性。工作流量特性。（1 1 1 1）串联管道的工作流量特性）串联管道的工作流量特性）串联管道的工作流量特性）串联管道的工作流量特性图11-7 串联管道的情形工作流量特性工作流量特性第一节第一节 气动执行器气动执行器27图11-8管道串联时控制阀的工作流量特性第一节第一节 气动执行器气动执行器28（2 2）并联管道的工作流量特性）并联管道的工作流量特性）并联管道的工作流量特性）并联管道的工作流量特性 控制阀一般都装有旁路，以便手动操作和维护。当生产量

15、提高或控制阀选小了时，只好将旁路阀打开一些，此时控制阀的理想流量特性就改变成为工作特性。如如图图11-9所所示示，显显然然这这时时管管路路的的总总流流量量Q是是控控制制阀阀流流量量Q1与与旁旁路路流流量量Q2之之和和，即即QQ1Q2。图11-9 并联管道情况第一节第一节 气动执行器气动执行器29 以x代表并联管道时控制阀全开时的流量与总管最大流量Qmax之比，可以得到在压差p为一定时，而x为不同数值时的工作流量特性曲线。图11-10并联管道时控制阀的工作特性第一节第一节 气动执行器气动执行器30由上图可见由上图可见由上图可见由上图可见 当x1，即旁路阀关闭时，控制阀的工作流量特性与理想流量特性

16、相同。随着x值的减小，即旁路阀逐渐打开，虽然阀本身的流量特性变化不大，但可调范围大大降低了。控制阀关死，即l/L0时，流量Qmin大大增加。第一节第一节 气动执行器气动执行器 在实际使用中总存在着串联管道阻力的影响，控制阀上的压差还会随流量的增加而降低，使可调范围下降得更多些，控制阀在工作过程中所能控制的流量变化范围更小，甚至几乎不起控制作用。采用打开旁路阀的控制方案是不好的，一般认为旁路流量最多只能是总流量的百分之十几，即x值最小不低于0.8。31第一节第一节 气动执行器气动执行器32 串、并联管道都会使阀的理想流量特性发生畸变，串联管道的影响尤为严重。串、并联管道都会使控制阀的可调范围降低

17、，并联管道尤为严重。串联管道使系统总流量减少，并联管道使系统总流量增加。串、并联管道会使控制阀的放大系数减小，串联管道时控制阀大开度时影响严重，并联管道时控制阀小开度时影响严重。结论结论结论结论第一节第一节 气动执行器气动执行器n三、控制阀的选择三、控制阀的选择1.1.1.1.控制阀的尺寸选择控制阀的尺寸选择控制阀的尺寸选择控制阀的尺寸选择流经控制阀的流量为令代入式(11-13),得(11-13)(11-14)C称为控控制制阀阀的的流流量量系系数数,它与阀芯与阀座的结构、阀前后的压差、流体性质等因素有关。33第一节第一节 气动执行器气动执行器 额额定定流流量量系系数数指在控制阀全开,阀两端压差

18、为0.1MPa,介质密度为1g/cm3时,流经控制阀的介质流量数(以m3/h表示)。举例举例 有一个C值为40的控制阀,表示当此阀全开,阀前后压差为0.1MPa时,每小时能通过的水量为40m3。由式(11-14)可知,当生产工艺中需要的流量Q和压差p决定后,就可确定阀门的流量系数C,再从流量系数C就可选择阀门的尺寸。现在,用控制阀流量系数 KV代替流量系数C。34第一节第一节 气动执行器气动执行器35 主要根据工艺条件，如温度、压力及介质的物理、化学特性（如腐蚀性、黏度等）来选择。结构形式选择结构形式选择结构形式选择结构形式选择特性选择特性选择特性选择特性选择 先按控制系统的特点来选择阀的希望

19、流量特性，然后再考虑工艺配管情况来选择相应的理想流量特性。目前使用比较多的是等百分比流量特性。目前使用比较多的是等百分比流量特性。目前使用比较多的是等百分比流量特性。目前使用比较多的是等百分比流量特性。2.2.2.2.控制阀结构与特性的选择控制阀结构与特性的选择控制阀结构与特性的选择控制阀结构与特性的选择第一节第一节 气动执行器气动执行器 主主要要从从工工艺艺生生产产上上安安全全要要求求出出发发。信号压力中断时，应保证设备和操作人员的安全。如果阀处于打开位置时危害性小，则应选用气关式，以使气源系统发生故障，气源中断时，阀门能自动打开，保证安全。反之阀处于关闭时危害性小，则应选用气开阀。选择要求

20、选择要求选择要求选择要求 压力信号增加时，阀关小、压力信号减小时阀开大的为气关式气关式。反之，为气开式气开式。3.3.3.3.气开式与气关式的选择气开式与气关式的选择气开式与气关式的选择气开式与气关式的选择36第一节第一节 气动执行器气动执行器序号序号执行机构执行机构控制阀控制阀气动执行器气动执行器（a a）（b b）（c c）（d d）正正正正反反反反正正反反正正反反气关（反）气关（反）气开（正）气开（正）气开（正）气开（正）气关（反）气关（反）37表11-1组合方式表图11-11 组合方式图第一节第一节 气动执行器气动执行器n四、控制阀的安装和维护四、控制阀的安装和维护38（1 1）为便于

21、维护检修，气动执行器应安装在靠近地面）为便于维护检修，气动执行器应安装在靠近地面或楼板的地方。或楼板的地方。（2 2）气气动动执执行行器器应应安安装装在在环环境境温温度度不不高高于于+60+60和和不不低于低于-40-40的地方，并应远离振动较大的设备。的地方，并应远离振动较大的设备。（3 3）阀阀的的公公称称通通径径与与管管道道公公称称通通径径不不同同时时，两两者者之之间间应加一段异径管。应加一段异径管。第一节第一节 气动执行器气动执行器（5 5）通通过过控控制制阀阀的的流流体体方方向向在在阀阀体体上上有有箭箭头头标标明明，不能装反。不能装反。（4 4）气气动动执执行行器器应应该该是是正正立

22、立垂垂直直安安装装于于水水平平管管道道上上。特特殊殊情情况况下下需需要要水水平平或或倾倾斜斜安安装装时时，除除小小口口径径阀阀外外，一一般般应应加加支支撑撑。即即使使正正立立垂垂直直安安装装，当当阀阀的的自自重重较较大大和有振动场合时，也应加支撑。和有振动场合时，也应加支撑。（6 6）控控制制阀阀前前后后一一般般要要各各装装一一只只切切断断阀阀，以以便便修修理理时时拆拆下下控控制制阀阀。考考虑虑到到控控制制阀阀发发生生故故障障或或维维修修时时，不不影影响工艺生产的继续进行，一般应装旁路阀。响工艺生产的继续进行，一般应装旁路阀。39第一节第一节 气动执行器气动执行器40（7 7）控控制制阀阀安安

23、装装前前，应应对对管管路路进进行行清清洗洗，排排去去污污物物和和焊焊渣渣。安安装装后后还还应应再再次次对对管管路路和和阀阀门门进进行行清清洗洗，并并检检查查阀阀门门与与管管道道连连接接处处的的密密封封性性能能。当当初初次次通通入入介介质质时时，应应使使阀阀门门处于全开位置以免杂质卡住。处于全开位置以免杂质卡住。图11-12控制阀在管道中的安装1调节阀；2切断阀；3旁路阀（8 8）在日常使用中，要对控制阀经常维护和定期检修。）在日常使用中，要对控制阀经常维护和定期检修。第二节第二节 阀门定位器与电阀门定位器与电-气转换器气转换器n一、气动阀门定位器一、气动阀门定位器41 气动阀门定位器与气动控制

24、阀配套使用,组成闭环系统,利用反馈原理来改善控制阀的定位精度和提高灵敏度,并能以较大功率克服阀杆的摩擦力、介质的不平衡力等影响,从而使控制阀门位置能按控制仪表来的控制信号实现正确定位。组成及作用组成及作用分类分类定位器有正作用和反作用两种。第二节第二节 阀门定位器与电阀门定位器与电-气转换器气转换器42图11-13气动阀门定位器 1波纹管；2主杠杆；3量程弹簧；4反馈凸轮支点；5反馈凸轮；6副杠杆；7副杠杆支点；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；16放大器第二节第二节 阀门定位器与电阀门定位器与电-气转换器气转换器n二、电二、电

25、-气阀门定位器气阀门定位器 采用电-气阀门定位器后，可用电动控制器输出的010 mA 或420 mA DC电流信号去操纵气动执行机构；43第二节第二节 阀门定位器与电阀门定位器与电-气转换器气转换器图11-14 电-气阀门定位器 1永久磁钢；2导磁体；3主杠杆(衔铁)；4平衡弹簧；5反馈凸轮支点；6反馈凸轮；7副杠杆；8副杠杆支点；9薄膜执行机构；10反馈杆；11滚轮；12反馈弹簧；13调零弹簧；14挡板；15喷嘴；16主杠杆支点；17放大器44第二节第二节 阀门定位器与电阀门定位器与电-气转换器气转换器n三、电三、电-气转换器气转换器 可将来自电动控制器的输出信号经转换后用以驱动气动执行器,

26、或者将来自各种电动变送器的输出信号经转换后送往气动控制器。图11-15 电-气转换器原理结构图1 1喷嘴挡板；喷嘴挡板；2 2调零弹簧；调零弹簧；3 3负反馈波纹管；负反馈波纹管；4 4十字十字弹簧；弹簧；5 5正反馈波纹管；正反馈波纹管；6 6杠杆；杠杆；7 7测量线圈；测量线圈；8 8磁钢；磁钢；9 9铁芯；铁芯；1010放大器放大器45第三节第三节 电动执行器电动执行器定义定义定义定义 电电动动执执行行器器是是电电动动控控制制系系统统中中的的一一个个重重要要组组成成部部分分。它它把把来来自自控控制制仪仪表表的的010mA或或420mA的的直直流流统统一一电电信信号号,转转换换成成与与输输

27、入入信信号号相相对对应应的的转转角角或或位位移移,以以推推动动各各种种类类型型的的控控制制阀阀,从从而而达达到到连连续续控控制制生生产产工工艺艺过过程程中中的的流流量量,或或简简单单地地开开启启和和关关闭闭阀阀门门以以控控制制流流体体的的通通断断,达达到到自自动控制生产过程的目的。动控制生产过程的目的。46第三节第三节 电动执行器电动执行器n一、概述一、概述 1.1.1.1.电动执行器的特点电动执行器的特点电动执行器的特点电动执行器的特点 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;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;在电

28、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;与电动控制仪表配合方便,安装接线简单;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 47第三节第三节 电动执行器电动执行器 2.2.2.2.电动执行器的组成电动执行器的组成电动执行器的组成电动执行器的组成两大部分两大部分 电动执行机构电动执行机构 调节机构调节机构电动执行机构根据其输出形式不同电动执行机构根据其输出形式不同 角行程电动执行机构角行程电动执行机构 直行程电动执行机构直行程电动执行机构 多转式电动执行机构。多转式电动执行机构。48第三节第三节 电动执行器电动执行器n二、角行程电动执行机构二、角行程电

29、动执行机构 DKJ型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090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11-16 角行程执行机构的组成示意图 电动执行机构不仅可电动执行机构不仅可与控制器配合实现自动控与控制器配合实现自动控制制,还可通过操作器实现还可通过操作器实现控制系统的自动控制和手控制系统的自动控制和手动控制的相互切换。动控制的相互切换。49第三节第三节 电动执行器电动执行器n三、直行程电动执行机构三、直行程电动执行机构 直行程电动执行机构(DKZ型)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

30、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。50例题分析例题分析在生产实际中,由于生产负荷的变动,使原设计的控制阀尺寸不能相适应,会有什么后果?为什么?解解解解：当生产中由于负荷增加,使原设计的控制阀尺寸显得太小时,会使控制阀经常工作在大开度,调节效果不好。此时若开启旁路阀,会使控制阀特性发生畸变,可调范围大大降低;当生产中由于负荷减少,使原设计的控制阀尺寸显得太大时,会使控制阀经常工作在小开度,调节显得过于灵敏(特别是对于直线流量特性的控制阀),控制阀有时会振动,产生噪声,严重时发出尖叫声。51例题分析例题分析 此时为了增加管路阻力,有时会适当关小与控制阀串联的工艺阀门,但这样做的结果会使控制阀的特性发生严重畸变,甚至会接近于快开特性,控制阀的实际可调范围降低,严重时会使控制阀失去调节作用。所以当生产中负荷有较大改动时,在可能的条件下,应相应地更换控制阀,或采用其他控制方案(例分程控制系统)。52