第4章 执行器和防爆栅_公式转图.ppt

1、第4章 执行器和防爆栅,在自动控制系统中，接受调节器的指令； 经执行机构将其转换为相应的角位移或直线位移； 经操纵调节机构，改变被控对象进、出的能量或物料；,0、概述,1. 作用,安装在生产现场，直接与介质接触； 通常在高温、高压、高粘度、强腐蚀、易结晶、易燃易爆、剧毒等场合下工作；,2. 组成,（驱动）,（阀芯）,3. 类型,分为三大类： 以压缩空气为能源的气动执行器（即气动调节阀），气动执行器的输入信号为20100kPa； 以电为能源的电动执行器（即电动调节阀），电动执行器的输入信号为420mA DC； 以高压液体为能源的液动执行器（即液动调节阀）。,气动执行器,执行机构由膜片、推杆和平衡

2、弹簧等部分组成； 接受调节器或电-气阀门定位器输出的气压信号，经膜片转换成推力，使推杆（阀杆）产生位移，同时带动阀心动作； 气动执行器的执行机构可看成一阶惯性环节（而电动执行器可看成比例环节）。,(一)、气动薄膜执行机构,1、组成：由膜片、推杆、弹簧等组成。 2、作用方式 正作用控制气压增加时，其开度增加。 反作用-控制气压增加时，其开度减小。,二、控制阀的流量特性,理想(固有)流量特性-假定阀前后差压不变。 工作(实际)流量特性.,调节阀,局部阻力可变的节流元件； 通过改变阀芯的行程可以改变调节阀的阻力系数，达到控制流量的目的。,调节阀的流量特性,指介质流过阀门的相对流量与相对开度之间的关系

3、 qv/qvmax相对流量，即调节阀某一开度流量与全开流量之比； l/L相对开度，即调节阀某一开度行程与全行程之比。,理想流量特性,调节阀前后压差不变时，得到的流量特性； 流量特性完全取决于阀芯的形状； 理想流量特性有： 直线 对数 抛物线 快开,1、直线流量特性 (1)、定义：控制阀的相对流量与相对开度成直线关系，即,2、其他流量特性,对数特性：小流量时，控制作用平缓；大流量时，控制作用灵敏有效，克服了直流特性的不足。 快开特性：适于要求快速开、闭的控制系统。,直线流量特性特点,阀心相对开度变化所引起的流量变化是相等的 流量相对变化量（流量变化量与原有流量之比）是不同的： 在小开度时，流量相

4、对变化量大； 在大开度时，其流量相对变化最小。 直线流量特性调节阀在小开度时，控制作用强，易引起振荡；在大开度时，控制作用弱，控制缓慢。,对数（等百分比）流量特性,其数学表达式 行程变化相同的百分数，流量在原来基础上变化的相对百分数是相等的，即具有等百分比流量特性。 对数（等百分比）流量特性特点： 调节阀在小开度时，控制缓和平稳 调节阀在大开度时，控制及时有效。,工作流量特性,实际应用时，调节阀两端的压差是变化的，此时调节阀的相对流量与相对开度之间的关系称为工作流量特性。,为衡量调节阀实际工作流量特性相对于理想流量特性的变化程度，用阻力比系数S来表示：,阀全开时阀前后的最小压差,S=1时，即管

5、道压力为0，阀前后的压差始终等于总压力。,串联管道，流量特性发生两个变化 一是调节阀全开时流量减小，即调节阀可调范围变小； 另一个是流量特性曲线向上拱，理想直线特性变成快开特性。S值越小，畸变越严重。,实际中，很多对象的放大倍数是随负荷加大而减小，这时如能选用放大倍数随负荷加大而增加的调节阀，便能使得两者互相补偿。,2、流量方程,当口径A和差压(P1-P2)一定时，流量Q仅随阻尼的变化而变 化。改变阀门的开启程度，可改变流通阻力而控制介质流量。,3、调节原理,若面积A的单位取cm2，压差P的单位取kPa，密度的单位取kg/m3，则上式为：,（通常做为调节阀的结构参数，阀门前后压差为100kPa

6、，流体密度为1000kg/m3的条件下，阀门全开每小时能通过的流体体积）,调节阀的空化及其避免,闪蒸： 流体流经节流件（阀芯）时，在节流件后某处静压下降到最低，当静压力下降到甚至低于该液体所在工况下的饱和蒸汽压时，部分液体就会汽化成气体，形成汽液混合的两相流体。 空化： 闪蒸发生后，随着流体的流动，其静压力又要上升。当静压力回升到该液体所在工况下的饱和蒸汽压以上时，闪蒸形成的气泡会破裂重新转化为液体，这种气泡形成和破裂的过程称为空化。,避免空化和汽蚀的方法,主要从压差的选择、材料、结构上考虑。 最根本的方法是使调节阀前后压差不大于最大允许压差： 可采用多级阀芯的高压调节阀； 用两个以上的调节阀

7、相串联。,选择调节阀的气开、气关形式,所谓气开式，即当信号压力增加时，阀门开大；气关式则相反，即信号压力增加时，阀门关小。 考虑事故状态时人身、工艺设备的安全； 考虑在事故状态下减少经济损失，保证产品质量。,4.1.2 电气转换器,出于气动执行器的安全性和大功率特性，很多电动调节器也使用气动执行器。因此，必须设置电气转换器将420mA标准电信号转换为20100kP的标准气压信号。,相当于力平衡式压力变送器的反向运用,电动调节器送来的电流I流入线圈（该线圈在永久磁铁的气隙中），当电流大时，线圈与磁铁的吸力增大，使得杠杠作逆时针转动，带动挡板靠近喷嘴，改变挡板与喷嘴之间的间隙，进而改变输出气压。可

8、以实现P与I之间的正比关系。,挡板机构在转换过程中相当关键，它可以将挡板对于喷嘴的微小位移灵敏地变换为气压信号。,喷嘴挡板机构工作原理,恒节流孔：细长的气体通道，成为一个固定的气阻,喷嘴挡板：可变气阻，,背压室：,组成：,喷嘴挡板气隙的几个丝米（百分之几毫米）的位移，可以使得P的压力产生满幅度变化。,4.1.3阀门定位器,如图的气动执行器，由于填料的摩擦和阀心受到的作用力，会影响定位精度。从而引入阀门定位器。,虚线方框部分，可以认为是一个气动功率放大器，其放大倍数很高，且输出功率大。,电气阀门定位器； 实际上是将电气转换器与气动阀门定位器的结合。,电气阀门定位器的力线圈，是一个高储能的危险元件

9、，常需用环氧树脂固封，并接上防爆电路。,4.1.4电动执行器,执行机构采用电动机带减速器，而调节阀部分仍然与气动执行器相同。,带傍磁制动机构的两相伺服电机,普通伺服电机在断电后会按惯性继续“惰走”。,4.2 防爆栅,又称安全保持器，是一种对送往现场的电压和电流进行严格控制的单元，它接在现场仪表与控制室之间。可以保证在短路、短路等各种情况下，进入现场的电功率在安全的范围之内，可能发生的火花都在爆炸气体的点火能量之下。,它属于本质安全型，其安全性高于结构防爆。,使用安全火花防爆仪表，且现场仪表和非危险场所之间的电路通过防爆栅连接就可以构建安全火花防爆系统。,4.2.2 安全火花防爆的等级,1.爆炸

10、性混合物根据其引爆电流分为三个等级, 级：引爆电流120mA,甲烷、汽油、乙醇、一氧化碳 级：70mA引爆电流120mA,乙烯、乙醚 级：引爆电流70mA ，氢、乙炔、市用煤气,2.安全火花防爆仪表也相应分为3级。,3.根据气体自燃温度分为a,b,c,d,e五组或T1T6六组，e或T6自燃温度最低（85度）,4.2.3 防爆栅的基本工作原理,1.齐纳式防爆栅,当Vi在24V以内时，VD1和VD2不反向导通；当Vi超过24V时，齐纳管导通，F熔断。同时R1和R2起到限流作用。,缺点：1、R1和R2在正常工作时，存在压降损耗； 2、两点接地容易引入干扰。,2.改进型齐纳防爆栅,VT1、VT2、VT3构成晶体管限流电路。正常工作时，VT3向VT1提供基极电流，使得VT1饱和；当电流超过正常范围时，R1上电压超过0.6V，VT2导通，分流VT1基极电流，VT1退出饱和。 Vi电压超过限压范围时，齐纳管导通；正常工作时，电路没有直接接地。,4.2.4 隔离式防爆栅,以变压器为隔离元件，将输入、输出和电源进行隔离，以防止危险能量窜入。分为：检测端防爆栅和执行端防爆栅。,简化原理图,限压限流电路原理,正常工作时，VT3不导通，VT4饱和。,过电压时，齐纳管导通，使得VT3导通，对VT4基极电流分流，VT4趋于截止； 过电流时，R6上电