《过程控制仪表》PPT课件 (2)

电动执行机构的组成框图 θ =K Ii （电动执行器可看成比例环节）。
伺服放大器原理图
校正网络原理图
3．调节机构 调节机构就是阀门，是一个局部阻力可以改变
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。
（1） 直通单座阀
结构简单、泄漏量小。
流体对阀芯的不平 衡作用力大。一般用在小 口径、低压差的场合。
为正； • 检测变送器的增益一般为正。 • 通过调整控制器的正反作用来保证系统为负反馈。
√ 3 调节阀的流量特性
调节阀的阀芯位移与流量之间的关系，对控制 系统的调节品质有很大影响。
流量特性的定义： 被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开 度（相对位移）间的关系称为调节阀的流量特性。
q f(l)
p A Kl
A为膜片的有效面积；K为平衡弹簧的弹性系数
气动执行机构的动态特性可近似成一阶惯性环节，其惯 性的大小取决于膜头空间的大小与气管线的长度和直径。
气动执行机构（补充参考）
2. 电动执行机构 （不考） 电动执行机构根据配用的调节机构不同，其输出方式有
直行程、角行程和多转式三种类型，其电气原理完全相同， 仅减速器不一样。
适用于大口径、 大流量、低压差的场 合，也可以用于含少 量纤维或悬浮颗粒状 介质的控制。
3.4.2 气动执行器的应用
1. 调节阀的尺寸
通常用公称直径Dg和阀座直径dg表示，它们的确定是合理应用执行器的前提 条件。确定调节阀尺寸的主要依据是流通能力，它定义为调节阀全开、阀前 后压差为0.1MPa、流体重度为1g/cm3时，每小时通过阀门的流体流量（m3或 kg）。
可得流通能力与流体重度、阀前后压差和介质流量三者的定量关系， 即
C qV
r p
调节阀尺寸的确定过程为：
根据通过调节阀的最大流量 qmax ，r流体重度
以及调节阀的前后压差 p ，先由上式求得最大的流通能力
Cmax ，然后选取大于 Cmax 的最低级别的C值，
即可依据表3－2确定出Dg和dg的大小。
1、固有（理想）流量特性 在将控制阀前后压差固定时得到的流量特性 称为固有流量特性。它取决于阀芯的形状。
（a）快开特性（b）直线特性（c）等百分比特性
（1）直线流量特性
控制阀的相对流量与相对开度成直线关系，即
单位位移变化所引起的流量变化是常数。用数学式
表示为：
d
q qmax
K
积分
d
l
l
max
q K l C
阀门中的柱式阀芯可以正装，也可以反装。
正装阀
反装阀
阀芯下移时，阀芯与阀 座间的流通截面积减小
阀芯下移时，阀芯与阀 座间的流通截面积增大
（2） 直通双座阀 阀体内有两个阀芯和阀座。
流体流过时，作用在上、下两个阀芯上的推 力方向相反且大小相近，可以互相抵消，所以不平 衡力小。
但是，由于加工的 限制，上下两个阀芯阀 座不易保证同时密闭， 因此泄漏量较大。
K1
q qmax
KV
ln
q qmax
K1
l lmax
C1
q
R
l lma
x
1
qmax
• 放大系数与流量成正比，随 q的增加，放大系数增大
•
流量的对数lnq与行程l 成正
比，故称为对数特性
•
行程增加相同间隔，流量增
加相同的百分比，故称为等百分
比特性。
对数流量特性
l 10% ~ 20% L
l 50% ~ 60% L
Qm a x
流量相对变化值是相等的。 故称为等百分比特性
对数（等百分比）流量特性
• 其数学表达式
q
R
l lma
x
1
qmax
• 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。
√说明几点 ：
• 简单控制系统框图中的各个信号都是增量。图中 的箭头表示信号的流向，并非物流或能流的方向。
• 各环节的增益有正、有负。当该环节的输入增加 时，其输出增加，则该环节的增益为正，反之， 如果输出减小则增益为负。
• 对象的增益有正、有负。例如：加热系统的增益 为正、冷却系统的增益为负；
• 气开阀的增益为正、气关阀的增益为负； • 正作用控制器的增益为负，反作用控制器的增益
是不同的：
– 在小开度时，流量相对变化量大； – 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。
（2） 等百分比（对数）流量特性
单位相对行程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：
d
q qmax
d
l
l
max
√阀门气开气关式的选择原则：
❖ 工艺生产的安全
（当控制信号中断时，阀门的复位位置能使工 艺设备处于安全状态。）
蒸汽
例如锅炉：
选择蒸汽锅炉的控 制阀门时，为保证失控 状态下锅炉的安全：
给水阀应选气关式 给水阀
燃气阀
燃气阀应选气开式
其他一般场合 阀门的选择：
• 气源中断或电源中断时， 进入装置的原料、热源应切断：进料阀选气开 切断装置向外流出产品： 出料阀选气开 精馏塔回流应打开： 回流阀选气关
3.4 执行器和防爆栅
作用：根据调节器的命令，直接控制能量或物料 等被调介质的输送量，达到调节温度、压力、 流量等工艺参数的目的.
现场仪表单元，直接接触介质，通常工作在高温 高压、高粘度，易燃易爆，强腐蚀。
执行器有自动调节阀门、自动电压调节器、自动电流 调节器、控制电机等。其中自动调节阀门是最常见的执行 器，种类繁多。
执行机构： 将调节器的输出信号转 换为位移信号。 （驱动）
调节机构： 将位移信号转换成流通 截面积的变化。 （阀芯）
1. 气动执行机构
它由膜片、阀杆和平衡弹簧等组成，是执行器的推动装置。它接受气动 调节器或电/气转换器输出的气压信号，经膜片转换成推力并克服弹簧力后， 使阀杆产生位移，带动阀芯动作。
“气开” 表示输入到执行机构的信号增加时，流过执行器的流量增加 “气关” 表示输入到执行机构的信号增加时，流过执行器的流量减小
序号
a b c d
执行机构 作用方式
正 正 反 反
阀体作用 方式 正 反 正 反
执行器气开、 气关形式 气关 气开 气开 气关
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。
1-上盖 2—膜片 3一平衡弹簧 4一阀杆 5－阀体 6－阀座 7－阀芯
气动执行机构有正作用和反作用两种形式: 当输入气压信号增加时阀杆向下移动时称正作用； 当输入气压信号增加时阀杆向上移动时称反作用。 在工业生产中口径较大的调节阀通常采用正作用方式。
气动薄膜执行机构的静态特性表示平衡状态时输入 的气压p与阀杆位移l的关系，即
公称直径Dg(mm) 阀门直径dg(mm)
80
100
125
150
200
250
300
80
100
125
150
200
250
303
流通能力C
单座阀 双座阀
80
120
200
280
450
100
160
250
400
630
1000
1600
表3-2 调节阀流通能力C与其尺寸的关系
2. 执行器的“气开、气关” 方式
“气”指输入到执行机构的信号
控制力：阀门开度改变时，相对流量的改变比值。
Q 1 (1 1 ) l
Qmax R
RL
l 10% L
Q 0.13 Qmax
R 30
l 20% Q 0.23
L
Qmax
流量的相 对变化量
0.23 0.13 100% 75% 0.13
小开度时，流量相对变化量太大，灵敏度高，
控制作用太强，加剧振荡，易产生超调。
自动调节阀按照工作所用能源形式可分为：
电动调节阀：电源配备方便，信号传输快、 损失小，可远距离传输；但推力较小。
气动调节阀：结构简单，可靠，维护方便， 防火防爆；但气源配备不方便。
液动调节阀：用液压传递动力，推力最大； 但安装、维护麻烦，使用不多。
工业中使用最多的是气动调节阀和电动调节阀。
执行器的组成：
（3）快开特性
开度较小时就有较大流量，随开度的增大，流量很快 就达到最大，故称为快开特性。适用于迅速启闭的切断阀或 双位控制系统。
d
q
q
max
d
l lmax
K2
q qmax
1
积分
• 放大系数与q成反比，q增 加，放大系数减小
• q小时，放大系数大，上升 快，因此称为快开特性
1/ 2
q qmax
当流体为不可压缩时，通过调节阀的体积流量为:
qV A0
2g r ( p1 p2 )
α为流量系数，它取决于调节阀的结构形状和流体流动状况，可从有 关手册查阅或由实验确定；A0为调节阀接管截面积；g为重力加速度； r为流体重度。
依据流通能力的定义，则有
C A0 2g
流通能力C与调节阀的结构参数有确定的对应关系。这就是确定调节阀 尺寸的理论依据。
（3）角形控制阀 两个接管呈直角形，一般为底进侧出，这种阀的 流路简单、对流体的阻力较小。
适用于现场管道 要求直角连接，介质 为高粘度、高压差和 含有少量悬浮物和固 体颗粒状的场合。
（4） 三通控Hale Waihona Puke Baidu阀 有三个出入口与工艺管道连接。流通方式有合
流型（两种介质混合成一路）和分流型（一种介质 分成两路）两种。适用于配比控制与旁路控制。
流量的相 对变化量
l 80% ~ 90% L
Q0.2 Q0.1 40% Q0.1
Q0.6 Q0.5 40% Q0.5
Q0.9 Q0.8 40% Q0.8
在不同的开度下具有同样的动作灵敏度， 适合于负荷变化较大的过程，广泛应用。
对数流量特性
d (Q / Qmax) K Q
d (l / L)
qmax
lmax
C qmin qmax
K 1C
C为积分常数
R qmax 1 qmin C
可调比R为调节阀所能控制的 最大流量与最小流量的比值。
q (1 1 ) l 1
qmax
R lmax R
放大系数K为常数，不随Q的变化而变化。 国产阀门的可调比R=30。
❖ 直线阀的流量放大系数在任何一点上都是相同 的，但其对流量的控制力却是不同的。
0.806
大开度时，流量相对变化量太小，调节作用 弱，调节缓慢。不适于负荷变化大的过程
直线流量特性
d (Q / Qmax) K d (l / L)
20 10 100% 100% 10
60 50 100% 20% 50
90 80 100% 12.5% 80
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）
公称直径Dg(mm)
20
25 32 40 50 65
阀门直径dg(mm)
2
4
5
6
7
8 10 12 15 20 25 32 40 50 65
单座阀 0.08 0.12 0.20 0.32 0.50 0.80 1.2 2.0 3.2 5.0 8 12 20 32 56
流通能力C
双座阀
10 16 25 40 63
（5）隔膜控制阀 采用耐腐蚀材料作
隔膜，将阀芯与流体隔 开。
结构简单、流阻小、流通能力比同口径的其他 种类的阀要大。由于介质用隔膜与外界隔离，故无填 料，介质也不会泄漏。 耐腐蚀能力强，适用于强酸、强碱、强腐蚀性 介质的控制，也能用于高粘度及悬浮颗粒状介质的控 制。
（6）蝶阀 又名翻板阀。 结构简单、重量轻、流阻极小，但泄漏量大。
l 50% L
Q 0.517 Qm a x
l 60% L
Q 0.613
Qm a x
流量的相对变化量 0.613 0.517 100% 19%
0.517
l 80% L
Q 0.806 Qm a x
l 90% Q 0.903
L
Qm a x
流量的相对变化量 0.903 0.806 100% 11%
1 R
(
R
2
1)
l lmax
1
2、调节阀的工作流量特性
• 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：
qmax
L
q/qmax —相对流量 l/L — 相对开度
相对流量q/qmax 是控制阀某一开 度流量q与全开时流量qmax之比；
相对开度l/L 是控制阀某一开度 行程l与全开行程L之比。
l
q f(l)
qmax
L
调节阀的流量特性不仅与阀门
的结构和开度有关，还与阀前后的
压差有关，必须分开讨论。
q
为了便于分析，先将阀前后压差固定，然后 再引伸到实际工作情况，于是有固有流量特性与 工作流量特性之分。