Transcript 控制仪表与计算机控制装置

第五章 执行器





关键点：
执行机构
调节机构
调节阀的流量特性
执行器的选择计算和安装
阀门定位器

气开、气关
阀体（芯）结构及其特点
流量特性 （重点2种）
阀门定位器（了解）

调节阀的选择、计算和安装



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5.1.执行器(Actuator)概述
5.1.1.作用： 接受来自调节器的控制信号，通过其本身开度的变
化，从而达到调节流量的目的。
阀门(过程控制范畴)－调节阀(连续的)
开关阀
泵/电机(流体机械)－连续的、开关的
通常专
指阀门
执行器使用条件恶劣，通常是控制系统最薄弱的环节
与介质直接接触，腐蚀、高粘、结晶、高温、深冷、高压、高差压……
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气动薄膜
气动薄膜
直通单座阀
直通双座阀
电动
电动
直通单座阀
三通阀
气动蝶阀
气动球阀
气动薄膜
角形阀
电磁阀
手动截止阀
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5.1.2. 执行器的构成
执行器由执行机构和调节机构两个部分构成
执行机构
阀门定位器
手操机构——用于人工直接操
作执行器
执行器的推动装置
产生输出力(力矩）和(角)位移
执行器的调节部分
调节机构
调节阀芯、阀座间的流动截面积
阀门定位器/电气转换器、手操机构——执行器的辅助装置
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5.1.3.执行器的分类及特点
(1)按使用的能源（执行机构）形式分类：
气动执行器
气动调节阀
直行程
电动执行器
电动调节阀
角行程
液动执行器
PO
IO
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力
执行机构
F → l 位移
力矩 M→θ 角位移
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(2)按使用的调节机构分类：
PO
IO
执行机构
F→l
M→θ
调节机构
阀芯阀座间流通截面积
控制变量的流量
直行程调节机构 直通双座、直通单座、笼式（套筒）、三通、角型、高
压、隔膜、波纹管密封、超高压、小流量调节阀……
角行程调节机构
蝶阀、凸轮挠曲调节阀、V型球阀、O型球阀等
同一类型的调节机构 可以选用不同的执行机构（气动头或电动头）组成
调节阀
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(3)执行器的特点
气动调节阀
优点：结构简单、可靠稳定、输出力大、
维修方便、价格便宜和防火防爆
缺点：响应时间大，信号不适于远传
4~20mA
4~20mA
AO卡
Source
传送信号为电信号，现场采用电/气转换器或电/气阀门定位器转换为气动信号
电动调节阀
优点：动作较快、能源获取方便、信号适于远距离传送
缺点：输出力较小、价格贵
一般只适用于防爆要求不高的场合
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5.1.4. 执行器的作用方式（正反作用）
执行器的作用方式 从安全生产的角度来确定正反作用
正作用：当输入信号↑，执行器开度↑，即流过执行器的流量↑
正作用气动调节阀通常称为气开阀
反作用：当输入信号↑，流过执行器的流量↓
反作用气动调节阀通常称为气关阀
如果介质强腐蚀性，储槽不允许溢出？
如果后续环节不允许没有物料？
正反作用确定原则：不受控无信号时，应保证设
备和操作人员的安全，如阀门处于打开位置时危
害性小，则应选用气关式；反之，则用气开式。
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5.2. 执行机构
执行机构的作用:
PO
IO
执行机构
M→θ
气动执行机构
薄膜式 与
F→l
电动执行机构
活塞式
智能式电动执行机构
两大类工业上常用的气动执行
机构
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5.2.1 气动式执行机构
气动执行机构
薄膜式 与
活塞式
两大类工业上常用的气动执行
机构
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(1) 气动薄膜式执行机构
1-上膜盖；
3-下膜盖；
5-推杆；
7-弹簧座；
10-行程标尺
2-波纹膜片
4-支架
6-压缩弹簧
8-调节件
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(1) 气动薄膜式执行机构
a) 静态特性
非线性偏差小于±5％，
回差小于3～5％
这么大的误差会不会影响控制质量？
b) 动态特性
时间常数与气室大小、引压导管长度粗细有关，一般为数秒到数十秒
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（2）气动活塞式执行机构
构成
活塞 + 气缸
特点:
行程长
输出力大
气动活塞式执行机构的静态和动态特性与前者相似
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5.2.2. 电动执行机构
接受0~10mADC或4~20mADC的输入信号，并将其转换成相应的输
出，以推动调节机构动作。
电动单座调节阀
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电动双座调节阀
气动双座调节阀
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5.2.2. 电动执行机构
(1) 伺服电机
是一个二相电容异步电机，定子上
均匀分布着两个匝数、线径相同、
相差90°的定子绕组W1和W2。
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(2) 伺服放大器
作用:
将输入信号和反馈信号进行比较，得到差值信号，并根据的极性
和大小，控制可控硅交流开关Ⅰ、Ⅱ的导通或截止。可控硅交流
开关Ⅰ、Ⅱ用来接通伺服电机的交流电源，分别控制伺服电机的
正、反转或停止不转
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(3) 减速器
作用：将伺服电机高转速、小力矩的输出功率转换成执行机构输
出轴的低转速、大力矩的输出功率，以推动调节机构。
直行程式的电动执行机构中，减速器还起到将伺服电
机转子的旋转运动转变为执行机构输出轴的直线运动的作
用。
减速器一般由机械齿轮或齿轮与皮带轮构成。
(4) 位置发送器
作用：将电动执行机构输出轴的位移反馈到伺服放大器的输入端。
位置发送器包括：位移检测元件和转换电路
位移检测元件：输出轴的位移转换成mV 或电阻等信号，常用的有差
动变压器、塑料薄膜电位器和位移传感器等；
转换电路：将位移检测元件输出信号转换成伺服放大器所要求的输
入信号，如0-10mA或4-20mA直流电流信号。
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电动执行机构的特性
无输出
输出～215V
伺服电机接通电源：伺服电机恒速运转，为一个积分环节，电动执行机构
的动态特性主要表现为积分特性
减速器和位置发送器为比例环节
伺服电机停止转动时：
或
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闭环稳态表现为比例特性
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5.2. 3. 智能式电动执行机构
微处理器系统
变频技术
非接触式定位检测
霍尔效应传感器
新颖的传动结构
磁阻式角度传感器
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5.3. 调节机构
F→l
M→θ
调节机构
阀芯阀座间流通截面积
控制变量的流量
主要构成：阀体、阀座、阀心、和阀杆或转轴
1—执行机构
2—阀杆
3—阀芯
4—阀座
5—阀体
6—转轴
7—阀板
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5.3.1.常用调节阀结构示意图及特点
• 直通单座调节阀
1. 阀体内只有一个阀芯和一个阀座(单座)
2. 结构简单、泄漏量小
双导向结构
它适用于要求泄漏量小，工作压差较小的干
净介质的场合。
在应用中应特别注意其允许压差，防止阀门
关不死。
单导向结构
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• 直通双座调节阀
1.阀体内有两个阀芯和阀座 。
2.上、下两阀芯不易同时关闭，因此泄漏量
较大的特点。
它适用于阀两端压差较大，泄漏量要求不高的干
净介质场合，不适用于高粘度和含纤维的场合。
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均为双导向结构
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• 三通调节阀
合流三通调节阀
分流三通调节阀
1. 有三个接管口，三个方向的流体
2. 大多用于热交换器的温度调节、配比调节和旁路调节。
3. 在使用中应注意流体温差不宜过大，通常小于是150℃，否则会
产生较大应力而引起变形，造成连接处泄漏或损坏。
4. 有三通合流阀和三通分流阀两种类型。当DN≥80mm，合流阀和
分流阀不能互相替代混用
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• 蝶阀
蝶阀
1. 通过挡板旋转来控制流体的流量。
2. 结构紧凑、体积小、成本低，流通能力大
3. 特别适用于低压差、大口径、大流量或带有悬浮物流体的场合
4. 泄漏较大
5. 蝶阀通常工作转角应小于70℃，此时流量特性与等百分比特性相似
6. 多用于开关阀
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—控制仪表与计算机控制装置—
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5.3.2. 调节机构的工作原理
流体经调节阀时的能量损失H为
单位质量流体经调节阀时的能
量损失与流体的动能成正比
流体在调节阀的平均流速W为
Q 
A
2 ( P1  P2 )


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
A
2P


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调节阀实际应用的流量方程式
标准单位
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转换系数
工程单位
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5.3.3. 调节阀的流量系数K
设
K 为调节阀的流量系数
适用于一般液体
很多因素会影响流量系数K，K的计算公式汇总表见p171表5-1
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5.3.4. 调节阀的可调比
——反映调节阀的调节能力的大小
定义：调节阀所能控制的最大流量和最小流量之比
调节阀前后压差的变化，会引起可调比变化，将可调比分为理想可调
比和实际可调比。
(1) 理想可调比 (ΔP 一定)
理想可调比 等于调节阀的最大流量系数和最小流量系数之比
由于阀芯结构设计和加工的限制，理想可调比一般不会太大
主要为30和50 两种。
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(2)实际可调比 Rr (ΔP 变化)
①串联管道时的可调比
设
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则
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②并联管道时的可调比
设
阀门全开时的最大流量
与管路最大流量之比
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5.3.5. 调节阀的流量特性
介质流过调节阀的相对流量与相对位移（即阀的相对开度）之间的关系
调节阀的固有特性，由阀芯的形状所决定。
1—快开
2—直线
3—抛物线
4—等百分比
调节阀前后压差的变化，会引起流量变化。
流量特性分为理想流量特性和实际流量特性
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① 理想流量特性 (ΔP 一定)
(1) 直线流量特性
调节阀的相对流量与相对位移成直线关系，
即单位位移变化所引起的流量变化是常数
两个概念： 流量的相对变化量随着阀位的增加是减小的
最小可调流量不等于泄漏量，泄漏量要比Qmin小很多
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(2) 等百分比流量特性（对数特性）
单位相对位移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
或
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(3) 抛物线流量特性
单位相对位移的变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量值
的平方值的平方根成正比关系
Q
d(
)
Q max
l
d( )
L
Q
Q max

1
 k(
Q
1
)2
Q max
[1  ( R  1)
R
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l
]
2
L
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(4) 快开流量特性
在开度较小时就有较大的流量，随着开度的增大，流量很快就
达到最大；此后再增加开度，流量变化很小
有效位移一般为阀座直径的1/4
适用于迅速启闭的位式控制
或程序控制系统
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39
② 工作流量特性 (ΔP 变化)
(1)串联管道时
* 可调比减小
* 流量特性发生畸变
直线特性→快开特性
等百分比特性→直线特性
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40
(2)并联管道时的工作流量特性
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5.4. 执行器的选择计算
执行器的选用是否得当，将直接影响控制系统的控制质量、安全性
和可靠性
执行器的选择，主要是从以下三方面考虑：
1.执行器的结构形式；
2.调节阀的流量特性；
3.调节阀的口径。
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5.4.1. 执行器结构形式的选择
执行器的结构形式的选型主要包括：执行机构的选择
调节机构的选择
（1）执行机构的选择
比较项目
气动薄膜执行机构
电动执行机构
可靠性
高（简单、可靠）
较低
驱动能源
需另设气源
简单方便
价格
低
高
输出力
大
小
刚度
小
大
防爆
好
差
工作环境
大（－40～＋80℃）
小（－10～＋55℃）
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• 选择执行机构，主要观察其可靠性、经济性，选择动作平稳、具有足够
输出力、重量轻、美观、结构简单、维护方便的执行机构。
• 薄膜执行机构结构简单，动作可靠，便于维修，应优先选用；
• 要求执行机构有较大输出功率、较快响应速度，应选活塞式执行机构；
• 在没有气源或气源比较困难的场合，可选用电动执行机构。
输出力较小
输出力大
应用最 气动薄膜执行机构 ＋ 阀门定位
广泛
器
气动薄膜执行机构
＋ 电气转换
器
气信号不宜远传
确定气开/关作用方式，确定原则：安全
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活塞式执行机构
电动执行机构
信号宜远传
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（2）调节机构的选择
1）结构型式的选择
2）调节阀材料的选择
3）流向的选择
4）流量特性的选择
5）调节阀口径的确定
1）结构型式的选择
•
一般情况下优先选用体积小，流通能力大的直通单、双座阀和套筒阀
•
调节低压差、大流量的气体，可以选择碟阀；
•
调节阀前后压差较小、要求泄露量较小，可选择单座阀；
•
既要求调节又要求切断，可以选择偏心阀；
•
噪声较大时可选用套筒阀等等。
总之，选择调节阀的结构型式，不能只满足于阀运行无问题，而且要对调节
阀的各种性能进行比较，选出最佳型式。否则将造成很大的浪费和诸多
不便。
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5
2）调节阀材料的选择
调节阀材料选择要考虑以下因素:
①介质的压力与温度；
②介质的腐蚀性；
③介质有无空化；
④材料价格与市场供应状况、加工性能等；
⑤材料的组配是否满足结构要求。
高温时，必须注重高温强度、高温下的金相组织变化及耐腐蚀性，一般
要求合金钢含有铬、镍、钼元素。
在高温高压下，钢受易到氢气的侵蚀会造成脱碳现象，引起脆化。钢中
掺入铬、镍、钼等元素与碳元素结合，能够提高钢的抗氢腐蚀性。比如
高压（22～33MPa）场合应选用锻钢，1Cr18Ni9Ti、0Cr18Ni12Mo3Ti。
低温时，要重视材料的低温冲击值，还要注意低温脆性。奥氏体不锈钢
的低温机械性能比较稳定，因此经常采用。我国常采用0Cr18N i9和
0Cr17N i12Mo2钢等。
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3）流向的选择
口径小于20mm的高压阀，静压高、压差大、气蚀冲刷严重，应选用流闭型。
口径大于20mm 时，应以稳定性好为条件决定流向。
角型阀对于高粘度、含固体颗粒介质要求“自洁”性能好时，应选用流闭型。
单座阀、小流量调节阀一般选用流开型。
当冲刷严重时，可选用流闭型。
两位式调节阀（单座阀、角型阀、套筒阀），应选用流闭型。
球阀、普通蝶阀对流向没有要求，可选任意流向。
三通阀、双密封带平衡孔的套筒阀已规定了某一流向，一般不能改变。
介质的流动方向有推动阀门打开的趋势，称流开
介质的流动方向有推动阀门关闭的趋势，则称流闭
流开比较稳定，流闭则在小开度时容易引起振荡。
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5.4.2. 流量特性的选择
选择的总体原则是调节阀流量特性应与调节对象特性及调节器特性相反，
这样可使调节系统的综合特性接近于线性。
通常按工艺系统要求进行选择，但是还要考虑很多实际情况。
建议优先选用线性流量特性阀的场合主要有：
①差压变化小或几乎恒定。②工艺系统主要参数的变化呈线性。③系统压力损失
大部分分配在调节阀上。④外部干扰小，可调范围要求小的场合。⑤当介质含有
固体悬浮物时，为了减小单座阀阀芯曲面的磨损。⑥当系统的响应速度较慢时，
如液位系统、温度调节系统，可选直线特性。
优先选用等百分比特性阀的场合有：
①实际可调范围大。②开度变化，阀上差压变化相对较大。③管道系统压损较大
，即其阻力系数S=0.3～0.6。④工艺系统负荷大幅度波动。⑤调节阀经常在小开度
运行。⑥当被调系统的响应速度较快时，如流量调节、压力调节，选对数特性。
当流量特性难以确定时，优先选用“等百分比”特性，它的适应性更强。
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5.4.3. 调节阀口径的确定
首先必须要合理确定调节阀流量和压差的数据。通常把代入计算公式
中的流量和压差分别称为计算流量和计算压差。
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（1）确定计算流量
最大计算流量是指通过调节阀的最大流量，其值应根据工艺设备的
生产能力、对象负荷的变化、操作条件变化以及系统的控制质量等
因素综合考虑，合理确定。
避免两种倾向：过多考虑余量
只考虑眼前生产
（2）确定计算压差
计算压差是指最大流量时调节阀上的压差，即调节阀全开时的压差。
确定计算压差时必须兼顾调节性能和动力消耗两方面，即应合理
选定S值。
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50
计算压差确定步骤如下：
1) 选择调节阀前后最近的压力基本稳定的两个设备作为系统的计算范围
。
3) 选取S值 S值一般希望不小于0.3，常选
4) 求取调节阀计算压差△PV
考虑到设备中静压的波动引起的调节阀上压
差的变化，计算压差还应加上静压的5%10%
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（5）验算调节阀开度
最大计算流量时开度≤90%，最小计算流量时开度≥10%
直线特性调节阀
等百分比特性调节阀
S
k  [1.03
1
1 . 48
 0.03]  100%
2
S
k [
10 K V  P
Qi 
2
1
S
lg
 1]  100 %
2
S 
10 K V  P
Qi 
2
1
（6）验算调节阀实际可调比
须满足
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5.4.4 电气转换器/阀门定位器
电气转换器
电气阀门定位器
阀门定位器与气动执行机构构成一个负反馈系统
将控制信号成比例地转换成气压信号输出至执行机构使阀杆产生位移
在什么情况下需要使用阀门定位器？
答：大口径阀门，或者要求有较大输出力的阀门等（小口径阀门一般
较少使用），阀门定位器与执行机构安装在一起，因而可减少调
节信号的传输滞后。
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5.5. 执行器的安装
控制阀的安装主要应考虑四方面的要求：一般性要求
安全性要求
配管要求
手动操作要求
一般性要求
• 调节阀应垂直立式安装在水平管道上，公称通径DN≥50mm的调
节阀，其阀前后管道上应有永久性支架。
• 阀门的安装位置应方便操作维修，必要时应设置平台。
• 当调节阀安装在振动场合时，应考虑防振措施。
• 调节阀应先检查校验，并在管道吹扫后安装，其连接形式应符合
制造厂产品说明书的规定。
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安全性要求
阀门在操作的各个环节中（即安装、试验、操作和维修），应
首先注意人员和设备的安全性。由于阀门切断后，其压力还可
保持一段时间，因此应有降压的安全措施，如安装放空阀或排
放阀。对液体介质，应安装一个能够限制流量的放空阀，以防
过快打开放空阀时冲击所造成的危害。对蒸汽管线，在接近调
节阀的上、下两端应当保温。压力波动严重的地方，应安装管
线缓冲器。
配管要求
调节阀配管通径尽量与阀通径一致，其入口直管段长度>10倍
管道通径，出口直管段应为3～5倍管道通径。阀门进出口取压
点的位置为阀前2倍管道通径与阀后3倍管道通径处。调节阀在
管道上必须按流动方向箭头安装，避免过大的安装应力。
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手动操作要求
阀门的安装位置应便于人工操作，并应让操作人员能够看到指示
器（如液位计）上显示的参数，还应考虑卸下调节阀手轮机构和
定位器等附件的侧面空间。对大口径和高空安装的调节阀，要考
虑到维护时操作人员有卸下连接螺栓的位置和操作人员的工作位
置。
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