控制儀表及裝置第三章運(yùn)算器和執(zhí)行器

第二節(jié)執(zhí)行器一、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)二、氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)三、閥門(mén)定位器四、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)五、執(zhí)行器的選型執(zhí)行器的構(gòu)成：

執(zhí)行機(jī)構(gòu)－產(chǎn)生推力或位移的裝置。

調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)－直接改變能量或物料輸送量的裝置，通常稱為控制閥或調(diào)節(jié)閥。

執(zhí)行器的分類：

氣動(dòng)、電動(dòng)和液動(dòng)第二節(jié)執(zhí)行器一、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)有角行程和直行程兩種，是以兩相交流電機(jī)為動(dòng)力的位置伺服機(jī)構(gòu)，它將輸入的直流電流信號(hào)線性地轉(zhuǎn)換成位移量。（一）基本結(jié)構(gòu)和工作原理伺服放大器位置發(fā)送器伺服電機(jī)操作器減速器閥位指示放大器執(zhí)行機(jī)構(gòu)4～20mAIiIfθ電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)方框圖0~90O（二）伺服放大器組成：信號(hào)隔離器、綜合放大電路、觸發(fā)電路、固態(tài)繼電器等。信號(hào)隔離器采用光電隔離電路，實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離和電流—電壓轉(zhuǎn)換。綜合放大和觸發(fā)電路見(jiàn)圖。作用是將伺服放大器輸出的電功率轉(zhuǎn)換成機(jī)械轉(zhuǎn)矩，并且當(dāng)伺服放大器沒(méi)有輸出時(shí)，電機(jī)又能可靠地制動(dòng)。（三）執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成：伺服電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、位置發(fā)送器等。

伺服電機(jī)減速器把伺服電機(jī)高轉(zhuǎn)速、小轉(zhuǎn)矩的輸出功率轉(zhuǎn)換成執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出軸的低轉(zhuǎn)速、大力矩的輸出功率，以推動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。采用正齒輪和行星齒輪機(jī)構(gòu)相結(jié)合的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。i＝－(——)z1－擺輪的齒數(shù)z2

－內(nèi)齒輪的齒數(shù)行星齒輪機(jī)構(gòu)相結(jié)合的減速比：z2–z1

z1位置發(fā)送器作用：將輸出軸0~90°的轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成4~20mADC直流電流，作為閥位信號(hào)和反饋信號(hào)。氣氣二、氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)接受電/氣轉(zhuǎn)換器(或電/氣閥門(mén)定位器)輸出的氣壓信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的輸出力和推桿直位移量，以推動(dòng)調(diào)節(jié)動(dòng)作。有薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)和活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)：薄膜式：氣壓推動(dòng)薄膜并帶動(dòng)連桿運(yùn)動(dòng),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,動(dòng)作可靠，維修方便，價(jià)格較低，但輸出行程?。换钊剑簹鈮和苿?dòng)活塞并帶動(dòng)連桿運(yùn)動(dòng)，輸出推力大，行程長(zhǎng)，但價(jià)格較高，只用于特殊需要的場(chǎng)合。輸入信號(hào)氣體壓力：0.02~0.1MPa輸出連桿位移—行程，規(guī)格有：10，16，25，40，60，100mm氣動(dòng)薄膜式執(zhí)行結(jié)構(gòu)有正作用(信號(hào)壓力增加時(shí)推桿向下動(dòng)作，ZMA)和反作用(信號(hào)壓力增加時(shí)推桿向上動(dòng)作，ZMB)兩種型式。結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)見(jiàn)右圖。當(dāng)信號(hào)壓力通過(guò)上膜蓋1和波紋膜片2組成的氣室時(shí)，在膜片上產(chǎn)生推力,使推桿5下移并壓縮彈簧

6。當(dāng)彈簧力與膜片推力相平衡時(shí)，推桿穩(wěn)定在相應(yīng)的位置上。膜片的有效面積有：200、280、400、630、1000、1600cm2等。靜態(tài)特性在平衡狀態(tài)時(shí)，氣動(dòng)薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)的力平衡方程式可表示如下：式中：P1CsAeL

=

L—推桿位移；

Ae

—膜片有效面積；P1—輸入壓力；Cs—彈簧剛度。輸入輸出特性見(jiàn)右圖。存在非線性偏差和正反行程偏差。動(dòng)態(tài)特性在動(dòng)態(tài)情況下，輸入信號(hào)管線存在阻力，管線和薄膜氣室近似作為氣容，故執(zhí)行機(jī)構(gòu)可看成一個(gè)阻容環(huán)節(jié)，薄膜氣室壓力P1與控制器輸出壓力P0關(guān)系為：RCS+11

=

=P1P0TS+11式中R、C分別為氣阻、氣容，T為時(shí)間常數(shù)。可得控制器輸出壓力P0與推桿位移L之間的關(guān)系為：(TS+1)CsAe

=

=LP0TS+1K式中T為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的放大系數(shù)。三、閥門(mén)定位器閥門(mén)定位器與氣動(dòng)控制閥配套使用，它接受控制器的輸出信號(hào)，成比例地輸出壓力至執(zhí)行機(jī)構(gòu)，推桿移動(dòng)后的位移量反饋至定位器，構(gòu)成一閉環(huán)系統(tǒng)。定位器控制器P0氣源位置反饋P1閥門(mén)定位器示意圖閥門(mén)定位器可增加執(zhí)行器輸出功率，減小信號(hào)傳遞滯后，加快閥桿位移速度，提高線性度，克服閥桿摩擦力，保證正確定位。電氣閥門(mén)定位器具有電

/

氣轉(zhuǎn)換器和閥門(mén)定位器的雙重作用，

它接受電動(dòng)控制器輸出的420電流信號(hào)，成比例地輸出20100kPa(或40200kPa)氣動(dòng)信號(hào)至執(zhí)行機(jī)構(gòu)。組成轉(zhuǎn)換組件：永久磁鋼、線圈、杠桿、噴嘴、擋板及調(diào)零裝置等。氣路組件：氣動(dòng)放大器、氣阻、壓力表、手

-

自動(dòng)切換閥。反饋組件：反饋彈簧、反饋拉桿、反饋壓板等。接線盒組件：接線盒、端子板及電纜引線等。工作原理見(jiàn)下圖應(yīng)用場(chǎng)合推力大，可用于高差壓、大口徑、高壓、高溫、低溫及介質(zhì)中含有固體懸浮物或粘性流體的場(chǎng)合。動(dòng)作速度快，可用于控制器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)距離較遠(yuǎn)的場(chǎng)合?？捎糜谛璺殖炭刂频膱?chǎng)合，兩臺(tái)定位器由一個(gè)控制器操縱，每臺(tái)定位器的工作由分程點(diǎn)決定?？筛纳瓶刂崎y的流量特性，通過(guò)改變反饋凸輪的幾何形狀，使定位器的輸出特性發(fā)生變化，從而達(dá)到修正流量特性的目的。四、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)又稱控制閥(或調(diào)節(jié)閥)，是一個(gè)局部阻力可變的節(jié)流元件。閥芯移動(dòng)改變了閥芯與閥座間的流通面積，即改變了閥的阻力系數(shù)，使被控介質(zhì)流量相應(yīng)改變。（一）控制閥結(jié)構(gòu)由上閥蓋、下閥蓋、閥體、閥座、閥芯、閥桿、填料和壓板等構(gòu)成。為適應(yīng)多種使用要求，閥芯和閥體有不同的結(jié)構(gòu)，使用的材料也各不相同。閥的結(jié)構(gòu)型式直通單座閥直通雙座閥角形閥三通閥蝶閥套筒閥偏心旋轉(zhuǎn)閥高壓閥閥芯型式有直行程閥芯和角行程閥芯兩類。直行程閥芯又分為：平板型、柱塞型、窗口型和多級(jí)閥芯。各種閥芯的型式見(jiàn)下圖。角行程閥芯有偏心旋轉(zhuǎn)型、蝶型和球型。見(jiàn)右。流體對(duì)閥芯作用形式：流開(kāi)閥和流閉閥閥芯的安裝形式：正裝閥和反裝閥（二）控制閥特性控制閥的流量方程：Q=式中Q

－體積流量，m3/hAξ

ρ2(P1–P2)P1、P2

－閥前后壓力，100kPa

ρ－流體密度，g/cm3

A－閥接口流通面積，cm2

ξ

－閥阻力系數(shù)，與閥門(mén)結(jié)構(gòu)、開(kāi)度等有關(guān)=5.09Aξ

ρP在閥口徑一定和P、ρ不變的情況下，流量Q僅隨阻力系數(shù)ξ變化。流量系數(shù)上式可改寫(xiě)為：)(KV

ρPQ=KV=5.09AξKV稱為流量系數(shù)，其大小反映了通過(guò)閥門(mén)的流量，即流通能力的大小。KV與流體性質(zhì)、閥結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)，根據(jù)KV值可確定閥門(mén)口徑。采用國(guó)際單位制時(shí)，流量系數(shù)定義為：在閥全開(kāi)，閥前后壓差為100kPa，流體密度為1g/cm3(5400C的水)時(shí)，每小時(shí)通過(guò)閥門(mén)的流量數(shù)(m3)。流量系數(shù)的計(jì)算：將上式中P的單位取為kPa，可得不可壓縮流體KV值的計(jì)算公式為：

ρ10QKV=P在計(jì)算流量系數(shù)時(shí)，應(yīng)考慮不同流體的影響因素，例如液體的粘度、氣體的壓縮因數(shù)等。流體的流動(dòng)狀態(tài)也影響KV的大小，當(dāng)閥前后壓差達(dá)到某一臨界值時(shí)的阻塞流狀態(tài)，KV計(jì)算要引入壓力恢復(fù)系數(shù)、臨界壓差比等。流量系數(shù)的見(jiàn)教材表3-1計(jì)算公式,也可參閱控制閥工程設(shè)計(jì)手冊(cè)?？刂崎y的可調(diào)比控制閥所能控制的最大與最小流量之比。以R

表示。理想可調(diào)比控制閥前后壓差不變時(shí)的可調(diào)比：

sQmaxR

=Qmin=KVmaxKVmin實(shí)際可調(diào)比(考慮閥前后壓差變化時(shí)的可調(diào)比)串聯(lián)管道時(shí)的可調(diào)比Rr

=R=RPminPmax

P

P1Q令S

=PminPmax并聯(lián)管道時(shí)的可調(diào)比令閥全開(kāi)時(shí)的流量與總管最大流量之比：x

Q1maxQmax則：Rr

=RR–

(R-1)x≈11–xQ1Q

P并聯(lián)管道可調(diào)比特性串聯(lián)管道可調(diào)比特性S

x

RrRr30

30

1.0

1.0

0

0

控制閥的流量特性指介質(zhì)流過(guò)控制閥相對(duì)流量(與相對(duì)位移(Q1maxQmin)

之間的關(guān)系，即：lL)

Q1maxQmin=f(lL)

理想流量特性(閥前后壓差不隨閥的開(kāi)度而變)直線特性：Q/Qmax=K(

l/L

)+C(n=0)對(duì)數(shù)特性：Q/Qmax=R

(l/L-1)

(n=0)拋物線特性：Q/Qmax=

1/R[1+(√R

–1)l/L

]2

快開(kāi)特性：隨著開(kāi)度增大,流量很快達(dá)最大。

各種流量特性及其閥芯形狀如圖所示。1快開(kāi)；2

直線；3

拋物線；4

修正拋物線；5

等百分比。工作流量特性(閥前后壓差隨閥的開(kāi)度而變)串聯(lián)管道時(shí)的工作流量特性Qmax表示管道阻力等于零時(shí)的閥全開(kāi)流量。并聯(lián)管道時(shí)的工作流量特性使理想流量特性發(fā)生畸變,串聯(lián)管道尤為嚴(yán)重,放大大系數(shù)隨開(kāi)度增大而減小,并聯(lián)管道總比原來(lái)小。

使控制閥可調(diào)比降低，并聯(lián)管道尤為嚴(yán)重。

串聯(lián)管道使總流量減少，并聯(lián)管道則增加。結(jié)論（二）空化作用及其避免閃蒸與空化閃蒸是液體通過(guò)閥節(jié)流后，縮流處?kù)o壓降至低于飽和蒸汽壓時(shí)，部分液體汽化成氣液兩相共存的現(xiàn)象。當(dāng)靜壓回升到飽和蒸汽壓以上時(shí)，閃蒸形成的氣泡破裂，重新轉(zhuǎn)化為液體，其過(guò)程稱為空化。空化的破壞作用：損壞材質(zhì)、振動(dòng)和噪音空化的避免閥前后壓差不大于最大允許壓差

Pc：

Pc

Kc

(P1–P2)

P1、P2分別為閥入口壓力和飽和蒸汽壓,Kc為氣蝕系數(shù)。四、執(zhí)行器的選擇包括結(jié)構(gòu)型式、流量特性、閥門(mén)口徑等的選擇。（一）結(jié)構(gòu)型式的選擇執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇是根據(jù)能源、工藝條件、介質(zhì)性質(zhì)等來(lái)確定執(zhí)行機(jī)構(gòu)的規(guī)格品種。對(duì)于氣動(dòng)執(zhí)行器，從工藝生產(chǎn)的安全考慮,

選擇其作用方式是氣開(kāi)式或是氣關(guān)式。按執(zhí)行機(jī)構(gòu)的正反作用和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的正反安裝方式，實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)執(zhí)行器的氣開(kāi)、氣關(guān)時(shí)有四種組合方式。調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的選擇是根據(jù)流體性質(zhì)、流動(dòng)狀態(tài)、工藝條件和過(guò)程控制的要求，并兼顧經(jīng)濟(jì)性來(lái)確定合適的結(jié)構(gòu)形式。（二）控制閥流量特性的選擇從控制品質(zhì)考慮在負(fù)荷變化的情況下，應(yīng)使控制系統(tǒng)總的放大系數(shù)不變。例如對(duì)于放大系數(shù)隨負(fù)荷增大而減小的對(duì)象，選用放大系數(shù)隨負(fù)荷增大而變大的等百分比特性閥門(mén)，使系統(tǒng)總放大系數(shù)不變。從工藝配管情況選擇相應(yīng)的控制閥，見(jiàn)下表。配管情況閥的工作特性閥的理想特性S

=

0.6~1S

=

0.3~0.6直線直線拋物線拋物線等百分比等百分比直線拋物線等百分比等百分比直線等百分比從負(fù)荷變化情況考慮在負(fù)荷變化小時(shí)可用直線特性閥，負(fù)荷變化幅度大的場(chǎng)合使用等百分比特性閥。（三）控制閥口徑的選擇1.確定計(jì)算流量根據(jù)生產(chǎn)能力、設(shè)備負(fù)荷等來(lái)確定

Qmax和Qmin