张3 控制仪表及装置第三章

1、测控仪器仪表,运算器和执行器,第一节 运算器 一、乘除器 二、开方器,第二节 执行器 一、电动执行机构 二、气动执行机构 三、阀门定位器 四、调节机构 五、执行器的选型,运算器接受来自变送器或转换器的统一标准信号，可对一个或几个输入信号进行加、减、乘、除、开方、平方等多种运算，以实现各种算法，满足自动检测和控制系统的要求。 本章介绍两种典型的运算器： 乘除器和开方器,第一节 运算器,（一）概述,一、乘除器,可对两个或三个15V的直流电压信号进行四种运算, 结果以15V 直流电压或420mA 直流电流输出。乘除运算关系式为：,U0 = N,(Ui11)(Ui2 + K2),Ui3 + K3,+

2、1,式中：,Ui1、Ui2、Ui3 乘除器的输入信号； U0 乘除器的输出信号； N 运算系数； K2、 K3 可调偏置电压。,另可实现乘后开方、乘法和除法三种运算。,对于单向矩形脉冲（图3-1）， 其直流分量为：,矩形脉冲周期,矩形脉冲幅值,矩形脉冲宽度,直流分量,乘法运算的实现方法,图3-3 乘除器构成方框图,乘除器的构成原理负反馈,输入电路1 N1,乘法电路1,比较器,比例放大 电路N0,输出电路,输入电路2 N2,附加偏置 电路1,乘法电路2,附加偏置 电路2,输入电路3 N3,Ui1,Ui2,Ui3,Uo3,+,Uf,S,U22,Uo2,Uo,U11,U31,U21,U23,图3-4

3、 乘除器方框图,自激振荡时间分割器 U22U11U21/U31,（二）工作原理,图3-5 输入电路,（三）线路分析,输入电路,附加偏置电路,13,14,15,16,R,36,R,33,R,34,R,35,V,B,V,21,V,o,2,R,55,R,54,W,6,M,N,P,*,V,p,2,-,C,22,+,-,IC,6,（a）原理电路,自激振荡时间分割器,（b）等效电路,U,11,U,f,U,22,U,21,K,1,K,3,K,4,U,31,R,9,R,6,C,12,C,5,C,7,K,2,a,b,c,d,+,-,IC,2,Q,当U11Uf+h Q为正 K1、K3通 K2 、 K4断 U31通

4、过R6向C7充电 Uf增加 直至Uf U11 IC2翻转 Q为负 K1 、 K3断 K2 、 K4通 C7通过R6放电 Uf降低 直至Uf U11 Q又为正,调整电位器RP1，可改变N0的大小，借此改变仪表量程。,比例放大电路,将 U23转换成整流输出信号Uo和Io,输出电路,VT,5,8,7,4,5,24,v,VD,3,R,18,R,15,R,16,R,1,4,C,1,4,R,13,U,23,U,B,U,p,=,9v,R,17,4,1,U,+,IC,4,开方器对15V直流电压信号进行开方运算, 结果以15V 直流电压或420mA 直流电流输出，运算关系为：,（一）概述,二、开方器,开方器在节

5、流装置流量测量中的应用,差压 变送器,节流 装置,开方器,指示 记录仪,比例 积算器,控制器,瞬时流量,累计流量,q,P,x,y,开方运算的实现,通过改变乘除器信号线的连接方式来实现开方运算或对乘除器线路作适当改进，也可采用折线逼近和应用霍尔元件等方法来实现。,小信号切除,2,y = K,dy,dx,=,由,可得,K,可见，x很小时,动态放大系数很大，x稍有波动，就会引起输出y的很大变化，造成开方器在小信号输入时的较大运算误差。所以, 在信号小于输入满量程的1%时，应将输出信号切除。,图 3-13 开方器方框图,（二） 工作原理,振荡条件：,自激振荡时间分割器的起振条件,实际的切除值可通过UL

6、来调整,小信号切除电路,开方器的输入输出特性,执行器的构成： 执行机构产生推力或位移的装置。 调节机构直接改变能量或物料输送量的装置，通常称为控制阀或调节阀。,执行器的分类： 气动、电动和液动,第二节 执行器,一、电动执行机构,电动执行机构有角行程和直行程两种，是以两相交流电机为动力的位置伺服机构，它将输入的直流电流信号线性地转换成位移量。,（一）基本结构和工作原理,伺服放大器,位置发送器,伺服电机,操作器,减速器,阀位 指示,放大器,执行机构,420mA,Ii,If,电动执行机构方框图,090O,（二）伺服放大器,组成：信号隔离器、综合放大电路、触发电路、固态继电器等。,信号隔离器采用光电隔

7、离电路，实现信号隔离和电流电压转换。 综合放大和触发电路见图。,作用是将伺服放大器输出的电功率转换成机械转矩，并且当伺服放大器没有输出时，电机又能可靠地制动。,（三）执行机构,组成：伺服电机、减速机构、位置发送器等。,伺服电机,减速器,把伺服电机高转速、小转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。采用正齿轮和行星齿轮机构相结合的机械传动机构。,i ( ),z1 摆轮的齿数 z2 内齿轮的齿数,行星齿轮机构相结合的减速比：,z2 z1,z1,位置发送器,作用：将输出轴090的转角转换成420mADC直流电流，作为阀位信号和反馈信号。,气,气,二、气动执行机构,

8、接受电/气转换器 (或电/气阀门定位器) 输出的气压信号，将其转换成相应的输出力和推杆直位移量，以推动调节动作。,有薄膜式执行机构和活塞式执行机构： 薄膜式：气压推动薄膜并带动连杆运动, 结构简单, 动作可靠，维修方便，价格较低，但输出行程小； 活塞式：气压推动活塞并带动连杆运动，输出推力大，行程长，但价格较高，只用于特殊需要的场合。,输入信号 气体压力：0.020.1MPa 输出 连杆位移 行程，规格有： 10，16，25，40，60，100mm,气动薄膜式执行结构,有正作用(信号压力增加时推杆向下动作，ZMA)和反作用(信号压力增加时推杆向上动作，ZMB)两种型式。,结构,结构见右图。 当

9、信号压力通过上膜盖1和波纹膜片2组成的气室时，在膜片上产生推力,使推杆5下移并压缩弹簧 6。当弹簧力与膜片推力相平衡时，推杆稳定在相应的位置上。 膜片的有效面积有： 200、280、400、630、1000、1600cm2等。,静态特性,在平衡状态时，气动薄膜式执行机构的力平衡方程式可表示如下：,式中：,P1,Cs,Ae,l =,l推杆位移； Ae 膜片有效面积； P1 输入压力； Cs 弹簧刚度。,输入输出特性见右图。存在非线性偏差和正反行程偏差。,动态特性,在动态情况下，输入信号管线存在阻力，管线和薄膜气室近似作为气容，故执行机构可看成一个阻容环节，薄膜气室压力P1与控制器输出压力P0关系

10、为：,RCS+1,1,P1,P0,TS+1,1,式中 R、C分别为气阻、气容，T为时间常数。,可得控制器输出压力P0与推杆位移l之间的关系为：,(TS+1)Cs,Ae,l,P0,TS+1,K,式中 T为执行机构的放大系数。,三、阀门定位器,阀门定位器与气动控制阀配套使用，它接受控制器的输出信号，成比例地输出压力至执行机构，推杆移动后的位移量反馈至定位器，构成一闭环系统。,定位器,控制器,P0,气源,位置 反馈,P1,阀门定位器示意图,阀门定位器可增加执行器输出功率，减小信号传递滞后，加快阀杆位移速度，提高线性度，克服阀杆摩擦力，保证正确定位。,电气阀门定位器作用： 1.将420mA或010mA

11、转换为气信号，用以控制气动调节阀 2.它还能够起到阀门定位的作用,当输入IO 对主杠杆2产生向左的力F1 主杠杆绕支点反时针偏转 挡板13靠近喷嘴15 Pa 使阀杆向下移动 并带动反馈杆9绕支点4偏转 凸轮5也跟着逆时针偏转 从而使反馈弹簧11拉伸 最终使阀门定位器达到平衡状态。此时，一定的信号压力就对应于一定的阀杆位移，即对应于一定的阀门开度。,特性,Ki,Io,Fi,li,Mi,K1,Pa,K2,L,Kf,Ff,lf,Mf,阀杆位移和输入信号之间的关系取决于转换系数Ki、力臂长度li以及反馈部分的反馈系数Kf，而与执行机构的时间常和放大系数，即执行机构的膜片有效面积和弹簧刚度无关，因此阀门

12、定位器能消除执行机构膜片有效面积和弹簧刚度变化的影响，提高执行机构的线性度，实现准确定位。,改变阀门定位器反馈凸轮的几何形状，即可改变反馈部分的反馈系数Kf，从而改变执行机构的特性，进而可以改变整个调节阀的特性。因此，可以通过改变反馈凸轮的几何形状来修正调节阀的流量特性。 根据系统的需要，阀门定位器也能实现正反作用。正作用阀门定位器是输入信号压力增加，输出压力也增加；反作用阀门定位器与此相反，输入信号压力增加，输出压力则减小。电气阀门定位器实现反作用，只要把输入电流的方向反接即可。,工作原理 见下图,应用场合,推力大，可用于高差压、大口径、高压、高温、低温及介质中含有固体悬浮物或粘性流体的场合

13、。,动作速度快，可用于控制器与执行机构距离较远的场合。,可用于需分程控制的场合，两台定位器由一个控制器操纵，每台定位器的工作由分程点决定。,可改善控制阀的流量特性，通过改变反馈凸轮的几何形状，使定位器的输出特性发生变化，从而达到修正流量特性的目的。,四、调节机构,又称控制阀(或调节阀)，是一个局部阻力可变的节流元件。阀芯移动改变了阀芯 与阀座间的流通面积，即改变 了阀的阻力系数，使被控介质 流量相应改变。,（一）控制阀结构,由上阀盖、下阀盖、阀体、阀座、阀芯、阀杆、填料和压板等构成。为适应多种使用要求，阀芯和阀体有不同的结构，使用的材料也各不相同。,阀的结构型式,直通单座阀 直通双座阀 角形阀

14、 三通阀 蝶阀 套筒阀 偏心旋转阀 高压阀,阀芯型式,有直行程阀芯和角行程阀芯两类。直行程阀芯又分为：平板型、柱塞型、窗口型和多级阀芯。各种阀芯的型式见下图。,角行程阀芯有偏心旋转型、蝶型和球型。见右。,流体对阀芯作用形式：流开阀和流闭阀,阀芯的安装形式： 正装阀和反装阀,（二）控制阀特性,控制阀的流量方程：,Q =,式中 Q 体积流量，m3/h,A,P1 、P2 阀前后压力，100kPa, 流体密度，g/cm3,A 阀接口流通面积，cm2, 阀阻力系数，与阀门结构、开度等有关,= 5.09,A,P,在阀口径一定和P、 不变的情况下，流量Q仅随阻力系数 变化。,流量系数,上式可改写为：,),(

15、 KV,P,Q,= KV,= 5.09,A,KV称为流量系数，其大小反映了通过阀门的流量，即流通能力的大小。KV与流体性质、阀结构尺寸有关，根据KV值可确定阀门口径。,采用国际单位制时，流量系数定义为：在阀全开，阀前后压差为100kPa，流体密度为1g/cm3(5400C的水)时，每小时通过阀门的流量数(m3)。,流量系数的计算：将上式中P的单位取为kPa，可得不可压缩流体KV值的计算公式为：,10Q,KV =, P,在计算流量系数时，应考虑不同流体的影响因素，例如液体的粘度、气体的压缩因数等。流体的流动状态也影响KV的大小，当阀前后压差达到某一临界值时的阻塞流状态，KV计算要引入压力恢复系数

16、、临界压差比等。,流量系数的见教材表3-1计算公式,也可参阅控制阀工程设计手册。,控制阀的可调比,控制阀所能控制的最大与最小流量之比。以R 表示。,理想可调比,控制阀前后压差不变时的可调比：,s,Qmax,R =,Qmin,=,KVmax,KVmin,实际可调比 (考虑阀前后压差变化时的可调比),串联管道时的可调比,Rr = R,= R, P, P1,Q,令 S =,Pmin,Pmax,并联管道时的可调比,令阀全开时的流量与总管最大流量之比：x ,Q1max,Qmin,则：,Rr =,R,R (R - 1)x,1,1 x,Q1,Q, P,并联管道可调比特性,串联管道可调比特性,S,x,Rr,R

17、r,30,30,1.0,1.0,0,0,控制阀的流量特性,指介质流过控制阀相对流量(,与相对位移(,Q,Qmax,),之间的关系，即：,l,L,),Q,Qmax,= f (,l,L,),理想流量特性(阀前后压差不随阀的开度而变), 直线特性： Q/Qmax= K ( l/L )+ C 对数特性： Q/Qmax= R (l/L-1) 抛物线特性：Q/Qmax= 1/R 1+( 1) l/L 2 快开特性：随着开度增大, 流量很快达最大。,各种流量特性及其阀芯形状如图所示。,1 快开；2 直线；3 抛物线；4 修正抛物线；5 等百分比。,特点：a.放大系数是常数,控制阀的相对流量与相对位移成直线关

18、系，即单位位移变化所引起的流量变化是常数,b. Q 流量相对变化值 ,(1) 直线流量特性,特点：a. Q 放大系数,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,b. 流量相对变化值是常数,(2) 等百分比流量特性（对数流量特性）,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,(3) 抛物线流量特性,为了弥补直线特性在小开度时调节性能差的缺点，在抛物线特性基础上派生出一种修正抛物线特性，它在相对位移30%及相对流量变20%这段区间内为抛物线关系，而在此以上的范围是线性关系。,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

19、；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,(4) 快开流量特性,上述4种流量特性中：直线和等百分比最常用。,(1)串联管道时,* 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,* 可调比减小,工作流量特性 (P 变化),(2)并联管道时的工作流量特性,通常一般X 值不能低于0.8， 即旁路流量只能为总流量的百分数之十几。,可调比将大大下降,使理想流量特性发生畸变, 串联管道尤为严重 放大系数随开度增大而减小, 并联管道总比原来小 使控制阀可调比降低，并联管道尤为严重。 串联管道使总流量减少，并联管道则增加。,结论,（二）

20、空化作用及其避免,闪蒸与空化,闪蒸是液体通过阀节流后，缩流处静压降至低于饱和蒸汽压时，部分液体汽化成气液两相共存的现象。,当静压回升到饱和蒸汽压以上时，闪蒸形成的气泡破裂，重新转化为液体，其过程称为空化。,空化的破坏作用：损坏材质、振动和噪音,空化的避免,阀前后压差不大于最大允许压差 Pc：, Pc Kc (P1 P2),P1 、P2分别为阀入口压力和饱和蒸汽压,Kc为气蚀系数。,四、执行器的选择,包括结构型式、流量特性、阀门口径等的选择。,（一）结构型式的选择,执行机构的选择 是根据能源、工艺条件、介质性质等来确定执行机构的规格品种。对于气动执行器，从工艺生产的安全考虑, 选择其作用方式是气

21、开式或是气关式。,按执行机构的正反作用和调节机构的正反安装方式，实现气动执行器的气开、气关时有四种组合方式。,气开气关的选择考虑原则是： 信号压力中断时，应保证设备和操作人员的发全，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。,调节机构的选择 是根据流体性质、流动状态、工艺条件和过程控制的要求，并兼顾经济性来确定合适的结构形式。,（二）控制阀流量特性的选择,从控制品质考虑 在负荷变化的情况下，应使控制系统总的放大系数不变。例如对于放大系数随负荷增大而减小的对象，选用放大系数随负荷增大而变大的等百分比特性阀门，使系统总放大系数不变。,适当地选择调节阀的特性，以阀的放大系数的变

22、化来补偿控制对象放大系数的变化，使控制系统总的放大系数保持不变或近似不变,配管情况,阀的工作特性,阀的理想特性,S = 0.6 1,S = 0.3 0.6,直线,直线,抛物线,抛物线,等百分比,等百分比,直线,抛物线,等百分比,等百分比,直线,等百分比,从工艺配管情况 选择相应的控制阀，见下表。,从负荷变化情况考虑 在负荷变化小时可用直线特性阀，负荷变化幅度大的场合使用等百分比特性阀。,（三）控制阀口径的选择,1.确定计算流量 根据生产能力、设备负荷等来确定 Qmax和Qmin 。 2.确定计算差压 按选定的S值来确定计算差压。 3.计算流量系数 按计算流量和计算差压求取KVmax 。 4.选

23、择流量系数 在所选产品型号的标准系列中选取 大于KVmax且与其最接近的那一挡KV值。 5.验算控制阀开度和可调比 6.确定控制阀口径 根据KV值决定控制阀的公称直径 和阀座直径。,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。 而在根据计算所得到的流量系数选择调节阀口径之后，还应对所选调节阀开度和可调节比进行验算，以保证所选调节阀的口径能满足控制要求。,依据流量系数,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