仪表与自动化(何道清)(二版) 第6章 执行器

第6章执行器,6.1概述,1.执行器的作用：接收控制器输出的控制信号，用以改变操纵变量的流量，从而将被控变量维持在所要求的数值上或一定的范围内。2.执行器的构成:图6-1执行器的构成框图3.执行器的分类：气动执行器；电动执行器；液动执行器（少用）。,执行机构,控制机构（控制阀）,控制信号p,力F-位移,力矩M-角度,阀门开度,流量,I,6.2气动执行器,1.气动执行器的结构与分类：结构:,图6-2气动薄膜调节阀外形和内部结构1-薄膜；2-平衡弹簧；3-阀杆；4-阀芯；5-阀体；6-阀座,6.2气动执行器,气动薄膜单座调节阀,6.2气动执行器,执行机构,图6-3正作用气动薄膜式执行机构图6-4气动活塞式(无弹簧)执行机构1-上膜盖；2-膜片；3-压缩弹簧；4-下膜盖；1-活塞：2-气缸5-支架；6-连接阀杆螺母：7-行程标尺；8-推杆,执行机构结构：薄膜式，活塞式两种结构。气动薄膜式执行机构分正作用（ZMA）和反作用（ZMB）两类；或分为有弹簧和无弹簧两种。作用：将控制信号压力的大小转换为阀杆的位移。阀杆的行程规格：10、16、25、40、60、100mm等。有弹簧气动薄膜式执行机构的输出位移与输入控制气信号成比例关系，弹簧平衡作用。控制机构：即控制阀，局部阻力可以改变的节流元件。将阀杆的位移转换为被控介质流量的大小。控制阀有多种结构形式，（如图6-56-14所示。控制阀结构决定其流量特性。,6.2气动执行器,图6-5直通单座阀图6-6直通双座阀图6-7角形阀,6.2气动执行器,图6-8三通阀图6-9隔膜阀（a）合流型；（b）分流型,图6-10蝶阀图6-11球阀图6-12球阀阀芯的形状,6.2气动执行器,图6-13凸轮挠曲阀图6-14笼式阀,2.控制阀的流量特性（1）调节机构的工作原理调节机构是一个局部阻力可以变化的节流元件。对不可压缩流体调节阀的流量方程式为(6-1)式中，p为调节阀前后压差；为流体的密度；A为调节阀接管流通截面积；为调节阀的阻力系数；K为调节阀的流量系数(一般)。,6.2气动执行器,（2）控制阀的流量系数（反映调节阀的流通能力）流量系数Kv定义为：在给定的行程（开度）下，调节阀前后压差为100kPa，流体密度为1g/cm3(即540的水)的条件下，每小时通过阀门的流体量(m3/h)。若将式(6-1)中p的单位取为kPa，则可得不可压缩流体Kv值的计算公式，即(6-2)式中，Q的单位为m3/h；p的单位为kPa；的单位为g/cm3。,6.2气动执行器,（额定）流量系数CKv还与阀的开度有关。一般将调节阀全开（即行程为100%）时的流量系数K100（最大流量系数Kmax）作为控制阀的（额定）流量系数C（即C=K100=Kmax）(6-3)式中，Qmax调节阀全开时的流量。注意：KKvC；(6-1)(6-2)(6-3)。对于低雷诺数的液体、气体、蒸汽等，都不能直接采用式(6-2)、(6-3)来计算Kv或C，需要对式(6-2)、(6-3)进行修正。,6.2气动执行器,6.2气动执行器,（2）控制阀的流量特性被控介质流过阀门的相对流量与阀门相对开度（相对位移）的关系，即图6-15不同流量特性的阀芯形状图6-16理想流量特性1-快开；2-直线；3-抛物线；4-等百分比1-快开；2-直线；3-抛物线；4-等百分比,6.2气动执行器,控制阀的理想流量特性理想流量特性是不考虑控制阀在不同开度时前后压差变化时的流量特性。直线流量特性（6-4）将式（6-4）积分可得（6-5）式中C为积分常数。边界条件为：l=0时Q=Qmin（Qmin为控制阀能控制的最小流量）；l=L时Q=Qmax。把边界条件代入式（6-5），可分别得：（6-6）最后得到（6-7）,6.2气动执行器,直线流量特性情况下，阀门处于不同开度时，在原来基础上阀门变化相同的行程，引起的流量相对变化量却是不同的。因而直线流量特性不利于控制。以相对开度l/L=10%、50%、80%三点为例，若位移变化量都为10%，则对原开度为10%时，流量变化的相对值为：对原开度为50%时，流量变化的相对值为：对原开度为80%时，流量变化的相对值为：,6.2气动执行器,等百分比（对数）流量特性等百分比流量特性阀门在相同行程变化下，流量的相对变化量也相同，其控制灵敏有效，应用最广。抛物线流量特性,6.2气动执行器,快开特性式中，R=Qmax/Qmin=5025（Qmin=(2%4%)Qmax），控制阀的流量可调范围或可调比，国产阀R=30。（注意，l=0时，Q0，而Q=Qmin）,6.2气动执行器,控制阀的工作流量特性工作流量特性是考虑控制阀在不同开度时前后压差变化时的流量特性。串联管道的工作流量特性如图6-3，管路系统的总压差p=管路压差p2+控制阀压差p1。,图6-16串联管道的情形,图6-17串联管道时控制阀压差变化情况,6.2气动执行器,令以Qmax表示管道阻力等于零时控制阀的全开流量，此时阀上压差为系统管路总压差。于是可得到串联管道以作参比值的工作流量特性，如图6-5所示。阻力比s=1时，管道阻力损失为零，系统总压差全降在阀上，工作流量特性与理想流量特性一致。随着s的减小，直线流量特性趋近于快开特性，等百分比流量特性趋近于直线流量特性。s0.6时，与理想特性相差无几。实际使用中，一般希望s0.30.5。,6.2气动执行器,图6-5管道串联时控制阀的工作特性,管道串联时控制阀的工作流量特性曲线,6.2气动执行器,并联管道的工作流量特性控制阀一般安装有旁路，以便手动操作和维护，如6-6图所示。Q=Q1+Q2。,图6-6并联管道的情形,可以得到在压差p为一定，而分流比x为不同数值时的工作流量特性，如图6-7所示，图中纵坐标流量以总短最大流量Qmax为参比值。,令,6.2气动执行器,并联管道时控制阀的工作流量特性曲线当x=1，即旁路阀关闭，Q2=0时，控制阀的工作流量特性与理想流量特性相同。随着x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，可调范围大大降低了，控制阀关死，即l/L=0时，流量Qmax比控制阀本身的流量Q1min大得多。控制阀的流量控制范围变小，流量控制作用减弱，甚至起不到控制作用。一般要求x0.8。,图6-7并联管道时控制阀的工作特性,6.2气动执行器,调节阀的可调比调节阀的可调比(可调范围)R为R=Qmax/Qmin理想可调比调节阀前后压差一定时的可调比称为理想可调比，以R表示，即（6-12）式中，Kmax和Kmin分别是调节阀的最大流量系数与最小流量系数。国产调节阀的理想可调比主要有30和50两种。,6.2气动执行器,实际可调比调节阀在实际使用时，串联管路系统中管路部分的阻力变化，将使调节阀前后压差发生变化，从而使调节阀的可调比也发生相应的变化，这时的可调比称实际可调比，以Rr表示。(6-13)式中，p1max为调节阀全关时的阀前后压差，它约等于管道系统的压差p；p1min为调节阀全开时的阀前后压差。,6.2气动执行器,式(6-13)表明，s值越小，即串联管道的阻力损失越大，实际可调比越小。其变化情况如图6-22所示。,图6-22串联管道时的可调比,6.2气动执行器,综合上述串、并联管道的情况，可得如下结论：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影响更为严重；并联管道时控制阀若处于小开度，则x值降低对放大系数影响更为严重。,6.3电动执行器,电动执行器角行程电动执行器：直流电流角位移（090）；直行程电动执行器：直流电流直线位移；多转式电动执行器：直流电流多转式阀门的启、闭。,图6-23角行程执行机构组成示意图图6-24差动变压器原理图,6.4电-气转换器及电-气阀门定位器,电-气转换器在实际控制系统中，电、气两种信号经常是混合使用，因而有各种电-气转换。010mADC或420mADC0.020.1MPa电-气转换器结构如图6-25所示，按力矩平衡原理工作。,图6-25电-气转换器原理结构图,1-喷嘴挡板；2-调零弹簧；3-负反馈波纹管；4-十字弹簧；5-正反馈波纹管；6-杠杆；7-测量线圈；8-磁钢；9-铁芯；10-放大器,6.4电-气转换器及电-气阀门定位器,电-气阀门定位器,图6-12电-气阀门定位器l-力矩马达；2-主杠杆；3-平衡弹簧；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：1l-反馈弹簧：12-调零弹簧；13-挡板；14-喷嘴；15-主杠杆支点,6.4电-气转换器及电-气阀门定位器,智能式阀门定位器智能式阀门定位器的硬件电路由信号调理部分、微处理机、电气转换控制部分和阀位检测反馈装置等部分构成，如图6-27所示。,图6-27智能式阀门定位器的构成原理,6.4电-气转换器及电-气阀门定位器,模拟式智能阀门定位器的优点：定位精度和可靠性高；流量特性修改方便；零点、量程调整简单；具有诊断和监测功能。接收数字信号的智能式阀门定位器，具有双向通信能力，可以就地或远距离地利用上位机或手持式操作器进行阀门定位器的组态、调试、诊断。,6.5控制阀的选择,1.执行器结构形式的选择（1）执行机构的选择执行机构的选择主要是指对气动薄膜执行机构和电动执行机构的选择。控制阀的结构形式主要根据工艺条件，如温度、压力及介质的物理、化学特性（如腐蚀性、粘度等）来选择。例如强腐蚀介质可采用隔膜阀、高温介质可选用带翅形散热片的结构形式。,6.5控制阀的选择,表6-1气动薄膜式执行机构和电动执行机构的比较,6.5控制阀的选择,（2）控制阀气开、气关型式的选择在采用气动执行机构时，还必须确定整个气动调节阀的作用方式。气开阀，有压力控制信号时阀开，无压力控制信号时阀全关；气关阀，有压力控制信号时阀关，无压力控制信号时阀全开。由于执行机构有正、反作用，控制阀也有正、反作用。因此，气动执行器的气开或气关由此组合而成。如图6-28、表6-2所示。气开、气关型式的选择主要从工艺生产安全要求出发。,6.5控制阀的选择,图6-28气动执行器的气开或气关组合方式图,表6-2气动执行器的气开或气关组合方式表,气动执行器的气开或气关组合方式,6.5控制阀的选择,（3）调节机构的选择调节机构的选择主要依据如下：流体性质如流体种类、黏度、毒性、腐蚀性、是否含悬浮颗粒等；工艺条件如温度、压力、流量、压差、泄漏量等；过程控制要求控制系统精度、可调比、噪声等。在执行器的结构型式选择时，还必须考虑调节机构的材质、公称压力等级和上阀盖的形式等问题，这些方面的选择可以参考有关资料。,6.5控制阀的选择,2.调节阀流量特性的选择控制阀的流量特性（即阀芯的形状）流量特性的选择实际上是指如何选择直线特性和等百分比特性。目前使用比较多的是等百分比流量特性。（1）考虑系统的控制品质；表6-3工艺配管情况与流量特性关系（2）考虑工艺管道情况；（3）考虑负荷变化情况。,6.5控制阀的选择,3.控制阀口径的选择阀口径的选择，实际上是根据特定的工艺条件（给定流量、压差、介质物性等）进行C的计算，然后选产品。控制阀的选择可以参考相关技术图表。,6.5控制阀的选择,4.气动执行器的安装和维护气动执行器的安装和维护，一般应注意下列几个问题：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。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。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。气动执行器应该是正立垂直安装于水平管道上