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化工仪表及自动化,第十一章 执行器,内容提要,气动执行器 气动执行器的组成与分类 控制阀的流量特性 控制阀的选择 气动执行器的安装和维护 阀门定位器与电-气转换器 气动阀门定位器 电-气阀门定位器 电-气转换器,1,内容提要,电动执行器 概述 角行程电动执行机构 直行程电动执行机构,2,概述,3,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,气动执行器 电动执行器 液动执行器,执行器,从结构来说,执行机构 调节机构,概述,4,第一节 气动执行器,5,一、气动执行器的组成与分类,1.组成,第一节 气动执行器,图11-2 气动薄膜控制阀外形图,6,第一节 气动执行器,7,2.执行机构的分类,结 构,第一节 气动执行器,8,第一节 气动执行器,9,3.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）直通单座控制阀,阀体内只有一个阀芯与阀座。,直通单座阀,第一节 气动执行器,10,（2）直通双座控制阀,阀体内有两个阀芯和两个阀座。,直通双座阀,第一节 气动执行器,（3）角形控制阀,角形阀的两个接管呈直角形。,11,角形阀,第一节 气动执行器,（4）高压控制阀,高压控制阀的结构形式大多为角形,阀芯头部掺铬或镶以硬质合金,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 气动执行器,（5）三通控制阀,共有三个出入口与工艺管道连接。,13,（A）分流型 （B）合流型,第一节 气动执行器,14,（6）隔膜控制阀,采用耐腐蚀衬里的阀体和隔膜。,隔膜阀,第一节 气动执行器,（7）蝶阀,15,蝶阀,第一节 气动执行器,16,（8）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）。,第一节 气动执行器,（9）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。,17,凸轮挠曲阀,第一节 气动执行器,18,（10）笼式阀,笼式阀,第一节 气动执行器,二、控制阀的流量特性,控制阀的流量特性是指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，即,19,第一节 气动执行器,20,1.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）直线流量特性,第一节 气动执行器,21,R为控制阀的可调范围或可调比。,第一节 气动执行器,注意：当可调比R不同时，特性曲线在纵坐标上的起点是不同的。,22,第一节 气动执行器,23,假设R=,位移变化量为10%,在10时，流量变化的相对值为 在50时，流量变化的相对值为 在80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 气动执行器,24,（2）等百分比（对数）流量特性,等百分比流量特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 气动执行器,25,（4）抛物线流量特性,（3）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 气动执行器,26,.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。,（1）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,第一节 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 气动执行器,28,（2）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。,如图11-9所示，显然这时管路的总流量Q是控制阀流量Q1与旁路流量Q2之和，即QQ1Q2。,图11-9 并联管道情况,第一节 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 气动执行器,30,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 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 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，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,第一节 气动执行器,三、控制阀的选择,1.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称为控制阀的流量系数,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 气动执行器,额定流量系数指在控制阀全开,阀两端压差为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)。,34,第一节 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,特性选择,先按控制系统的特点来选择阀的希望流量特性，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。,2.控制阀结构与特性的选择,第一节 气动执行器,主要从工艺生产上安全要求出发。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,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。反之，为气开式。,3.气开式与气关式的选择,36,第一节 气动执行器,37,表11-1 组合方式表,图11-11 组合方式图,第一节 气动执行器,四、控制阀的安装和维护,38,（1）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。,（2）气动执行器应安装在环境温度不高于+60和不低于-40的地方，并应远离振动较大的设备。,（3）阀的公称通径与管道公称通径不同时，两者之间应加一段异径管。,第一节 气动执行器,（5）通过控制阀的流体方向在阀体上有箭头标明，不能装反。,（4）气动执行器应该是正立垂直安装于水平管道上。特殊情况下需要水平或倾斜安装时，除小口径阀外，一般应加支撑。即使正立垂直安装，当阀的自重较大和有振动场合时，也应加支撑。,（6）控制阀前后一般要各装一只切断阀，以便修理时拆下控制阀。考虑到控制阀发生故障或维修时，不影响工艺生产的继续进行，一般应装旁路阀。,39,第一节 气动执行器,40,（7）控制阀安装前，应对管路进行清洗，排去污物和焊渣。安装后还应再次对管路和阀门进行清洗，并检查阀门与管道连接处的密封性能。当初次通入介质时，应使阀门处于全开位置以免杂质卡住。,（8）在日常使用中，要对控制阀经常维护和定期检修。,第二节 阀门定位器与电-气转换器,一、电-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；,41,第二节 阀门定位器与电-气转换器,42,第二节 阀门定位器与电-气转换器,二、智能式阀门定位器 智能式阀门定位器只接受420 mA DC电流信号的，也有接受420 mA DC的模拟信号又接受数字信号，即有HART通讯的阀门定位器，还有只进行数字信号传输的现场总线阀门定位器。,43,第二节 阀门定位器与电-气转换器,三、电-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,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。,44,第三节 电动执行器,定义,电动执行器是电动控制系统中的一个重要组成部分。它把来自控制仪表的010mA或420mA的直流统一电信号,转换成与输入信号相对应的转角或位移,以推动各种类型的控制阀,从而达到连续控制生产工艺过程中的流量,或简单地开启和关闭阀门以控制流体的通断,达到自动控制生产过程的目的。,45,第三节 电动执行器,一、概述,1.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 电动执行器,2.电动执行器的组成,两大部分,电动执行机构 调节机构,电动执行机构根据其输出形式不同 角行程电动执行机构 直行程电动执行机构 多转式电动执行机构。,48,第三节 电动执行器,二、角行程电动执行机构,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11-16 角行程执行机构的组成示意图,电动执行机构不仅可与控制器配合实现自动控制,还可通过操作器实现控制系统的自动控制和手动控制的相互切换。,49,第三节 电动执行器,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,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：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,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,END,