化工自动化及仪表2(本科)

1、理想特性 即在阀的前后压差固定的条件下，流量与阀杆位移之间 的关系，它完全取决于阀的结构参数。 2、工作特性 即在工作条件下，阀门两端压差变化时，流量与阀杆位 移之间的关系。
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阀门是整个管路中的一部分，在不同流量下，管路
系统的阻力不一样，因此分配给阀门的压降也不同。工 作特性不仅与阀门本身的结构参数有关，也与配管情况
41
q / q max (%)
100 S=1 S=0.75 S=0.5 S=0.2 S=0.1
PV S P
l / lmax (%)
0 100
图4－13 串连管道上控制阀特性曲线 （理想特性为线性）
42
q / q max (%)
100 S=1 S=0.8 S=0.65 S=0.2 S=0.1
47
§3 阀门定位器
48
阀门定位器是气动控制阀的主要附件，它与气动 控制阀配套使用。阀门定位器接受控制器输出信号， 然后将控制器的输出信号成比例地输出到执行机构，
当阀杆移动以后，其位移量又通过机械装置负反馈作
用于阀门定位器，因此它与执行机构组成一个闭环系 统。
采用阀门定位器，能够增强执行机构的输出功率，
控制阀，然后经阀芯与阀座之间的间隙从右侧流出
图4－6 控制阀机构结构图（直通双座）
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（a）正作用
（b）、反作用
图4－7 控制阀正、反作用
21
执行器如气动薄膜控制阀的执行机构和调节机构组合
起来，可以实现气开和气关两种调节。由于执行机构有两
种调节，控制阀也有两种作用方式，因此，就可以有四种 组合方式可以组成气开或气关形式。
改善阀的动态特性
定位器改变了原来阀的一阶滞后特性，减小时间
常数，使之成为比例特性。一般说来，若气压传输管 线超过60米时，应采用阀门定位器。
改善阀的流量特性
通过改变定位器的凸轮的形状，可使控制阀的线 性、对数、快开流量特性互换。
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用于分程控制
用一个控制器控制两个以上的控制阀，使它们分
化工自动化及仪表 内容辅导 （二）
1
本辅导主要内容
第四章：执行器 第五章：控制器 第六章：简单控制系统
2
第四章 执行器
3
作用：接受控制器的输出信号，改变操纵变量，使生 产过程按照预定要求运行 执行器直接控制工艺介质，若使用或选型不当，会影 响自控系统功能发挥。 执行器由执行机构和调节机构组成。
别在信号的某一个区段内完成全行程移动。如使两个 控制阀分别在（4～12mADC）和(12～20mADC)的信号范
围内完成全行程移动。
实现方式是通过零位调整和反馈弹簧的调整。使 定位器在这两个信号范围内，输出都是20－100KPa。
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用于阀门的反向动作
阀门定位器有正、反作用之分。正作用时，输入
阶滞后环节，其时间常数取决于气阻和气容。当信号管线
太长或太粗，膜头气室太大时，控制阀的时间常数太大， 增加了系统广义对象容量滞后，对控制不利。
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通常通过减小时间常数的措施有：
尽量缩短引压管线的长度，如采用电动控制器时，电 气转换器应该安装在气动薄膜控制阀附近。 选用合适口径的气动管线：管线过细，气容小，但气 阻大；管线过粗，气阻小，但气容大。 加装传输滞后补偿器
气开式是输入气压越高，开度越大，气失
时全关，称为FC型。 气关式是输入气压越高，开度越小。气失 时全开，称为FO型。
22
正
正
反
反
正
反
正
反
气关
气开
气开
气关
图4－8 气动控制阀气开、气关组合方式图
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控制阀的气开与气关选择主要从工艺生产安全要求出发，
考虑原则是：信号中断时，应该保证设备和操作人员的安
本质安全防爆，因此气动薄膜控制阀在化工、炼油生产中
得到广泛应用。
7
图4－1 气动薄膜控制阀外形和内部结构 1－上盖，2－薄膜，3－托板，4－阀杆，5－阀座 6－阀体，7－阀芯，8－推杆，9－平衡弹簧，10－下盖
8
§1
执行机构
9
一、气动执行机构
1、薄膜式 传统型 侧装式(增力式执行机构) 采用杠杠传动，把力矩放大，扩大执行机 构的输出力。
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S的选择过大或过小都不合适。 S过大，在流量相同的情况下，管路阻力损耗不变，
但是阀上压降很大，消耗能量过多。
S过小，则对控制不利。一般希望S不低于0.3。当 S>0.6时，认为工作特性与理想特性接近。
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三、动态特性
气动薄膜控制阀膜头是一个空间，它可以看成是一个
气容，从控制器到气动薄膜控制阀膜头见的引压管线有气 容和气阻，所以管线和膜头是一个由气阻和气容组成的一
动力的伺服机构，作用是将输入的直流电流信号线性地 转换为位移量。
电动执行机构安全防爆性能差，电机动作不够迅速，
在行程受阻或阀杆被轧住时电机容易受损。
6
气动执行机构的执行机构和调节机构是统一的整体。
执行机构有薄膜式和活塞式。活塞式行程长，适用于要求
有较大推力的场合。薄膜式行程小，只能带动阀杆。 气动执行机构结构简单，输出推力大，动作平稳可靠、
PV S P
l / lmax (%)
0 100
图4－14 串连管道上控制阀特性曲线 （理想特性为对数型）
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工作特性分析
S＝1表示理想特性曲线。
S减小，即管道阻力增加。
系统总压差不变，管道阻力增加，阀 门前后压差减小，全开时的流量也
小，控制阀的可调范围R也变小。
控制阀的流量特性发生畸变，理想线 性特性趋向快开；理想对数特性趋向 线性。
改善控制阀的性能。
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一、电－气阀门定位器
阀门定位器的工作原理如图4－16所示，当输入电
流对主杠杠的电磁力矩与反馈力矩相等时，阀杆就稳
定在某个位置，从而使得阀杆位移与输入电流成比例 关系。即阀门定位器是按照力矩平衡原理工作的。
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1 永久磁钢 2主杠杠 3平衡弹簧 4反馈支点 5反馈凸轮 6副杠杠 7副杠杠支点 8薄膜执行机构 9反馈杠 10滚轮 11反馈弹簧 12调零弹簧 13挡板 14喷嘴 15主杠杠支点 16放大器
泄漏量。
线性控制阀的放大系数也是一个常数，即不论阀杆在
什么位置，只要阀杆作相同的变化，流量的数值也作相同 的变化。因此，在不同的开度时流量的相对变化值不同，
Байду номын сангаас
导致在小开度或大开度控制阀性能较差。
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2 、对数流量特性（等百分比） 指单位行程相对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。可以表示为：
d( q qmax q k l qmax d( ) lmax )
(4-3)
求解得：
q qmax
R
(
l l max
1)
(4-4)
34
对数阀放大系数随相对开度的增加而增加，因此，有
利于自动控制系统 在小开度时控制阀放大系数小，控制平稳 缓和， 在大开度时放大系数大，控制灵敏有效
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3、快开特性 这种流量特性在开度较小时就有较大流量，随开度的增 加，流量很快就达到最大，随后再增加开度时流量变化甚小， 故称为快开特性。 主要用于迅速启闭的切断阀或双位控制系统中。
的气室，而反作用的执行机构信号是通入薄膜片下方的 气室。
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图4－3 气动薄膜控制阀执行机构
13
1－推杆 2－摇板 3－连接板 4－连杆 5－丝杆 6－滑块 7－手轮
图4－4 气动薄膜执行机构（侧装式正作用）
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2、活塞式 属于强力气动执行机构。其气缸允许操作压力 高达0.5MPa，且无弹簧抵消推力，因此输出推力大， 特别适合高静压、高压差、大口径场合。
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控制阀的流量特性是指流过阀门的调节介质的相对流
量与阀杆的相对行程（即阀门对应的开度）之间的关系。
q qmax
q qmax
f(
l lmax
)
(4-1)
l
max
表示控制阀某一开度的流量与全开时流量之比， l
表示控制阀某开度下阀杆行程与全开时阀杆行程之比，称 为相对开度。
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流量特性通常用两种形式表示
信号增加，输出气压也增大；反作用时，输入信号增 加，输出气压减小。
采用反作用式定位器可以使气开阀变成气关阀，
气关阀变成气开阀。
55
§4 控制阀口径的确定
56
一、控制阀流量系数 KV 的计算
10
1－上膜盖 2－波纹薄膜 3－下膜盖 4－支架 5－推杆 6－压缩弹簧 7－弹簧座 8－调节件 9－螺母 10－行程标尺
图4－2 气动薄膜执行机构（传统型正作用）
11
当信号压力增加时，阀杆向下移动，称为正作用，
称为ZMA型。
当信号压力增加时，阀杆向上移动，称为反作用， 称为ZMB型。
通常正作用的执行机构信号压力是通入薄膜片上方
38
图4－11 串连管道情况
39
p
pv
p f
0
p
q
图4－12 串连管道上控制阀压差变化
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若以S表示控制阀全开时，控制阀上压差与系统总压差 之比，即
pv S p
(4-5)
以 qmax 表示理想流量特性下（阀门压差为系统总压差，
管道压差为0）控制阀全开流量。可以得到串连管道时
以 qmax作为参比值的工作流量特性。
有关。
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一、理想特性曲线
控制阀的前后压差保持不变时得到的流量特性就是理想 流量特性，阀门厂提供的就是这种特性。理想流量特性有： 线性流量特性 对数流量特性（等百分比） 快开特性 这三种特性完全取决于阀芯的形状，不同的阀芯曲面可 以得到不同的流量特性。