运算器和执行器

Q/Q
0
线性
s=1
s=0.5
s=0.1
Q/Q
0
等百分比
s=1
s=0.5
s=0.1
串联管道时，特性的畸变同s值有关；
并联管道时，特性的畸变同x值有关。
1
2
3
工作流量特性
工作流量特性
以Qmax为参比端， Qmax表示管道阻力等于零时的阀全开流量。
串联管道时的工作流量特性随s值的变化曲线：
串联管道时的工作流量特性随s值的变化曲线
以Q100为参比端， Q表示存在管道阻力时的阀全开流量。
A
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。
B
（一）控制阀结构
四、调节机构
直通单座阀
01
直通双座阀
02
角形阀
03
三通阀
04
蝶阀
05
套筒阀
06
偏心旋转阀
07
高压阀
08
阀的结构型式
01
流体对阀芯作用形式：流开阀和流闭阀:力与开阀方向
02
阀芯的安装形式： 正装阀和反装阀：阀芯下移时，阀门开或关状态
B
A
C
节流原理
化简得：
以上各式采用国际单位制，若采用工程单位化简则为：
（二）调节阀特性
调节阀的流量方程：
Q
式中 Q －体积流量，m3/h
P1 、P2 －阀前后压力，100kPa
ρ －流体密度，g/cm3
A －阀接口流通面积，cm2
ξ －阀阻力系数，与阀门结构、开度等有关
= 5.09
A
ξ
ρ
P
在阀口径一定和P、 ρ不变的情况下，流量Q仅随阻力系数ξ 变化。
流量系数 ρ A
4
= KV
3
Q
2
1
5
P
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：
ρ
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、临界压差比等。
位置发送器的调整
01
03
02
二、气动执行机构
05
06
03
04
01
02
结构见右图。 当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。
01
膜片的有效面积有：
02
200、280、400、630、1000、1600cm2等。
过零触发型交流固态继电器(AC-SSR)的内部电路 主要包括输入电路、光电耦合器、过零触发电路、开关电路(包括双向可控硅)、保护电路 (RC吸收网络)。当加上输入信号VI(一般为高电平)、并且交流负载电源电压通过零点时，双向可控硅被触发，将负载电源接通。固态继电器具有驱动功率小、无触点、噪音低、抗干扰能力强，吸合、释放时间短、寿命长，能与TTL＼CMOS电路兼容，可取代传统的电磁继电器。
第三章 运算器和执行器
第二节 执行器
电动执行机构
气动执行机构
执行器的选型
调节机构
阀门定位器
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
电动执行机构方框图
磁放、操作器与执行机构
（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。
固态继电器( SSR)是一种由固态电子组件组成的新型无触点开关，利用电子组件（如开关三极管、双向可控硅等半导体组件）的开关特性，达到无触点、无火花、而能接通和断开电路的目的，因此又被称为“无触点开关”。相对于以往的“线圈—簧片触点式”继电器(EMR)，SSR没有任何可动的机械零件，工作中也没有任何机械动作，具有超越EMR的优势。固态继电器的控制信号所需的功率极低，因此可以用弱信号控制强电流。 按负载电源的类型不同.固态继电器分交流和直流两种；按触发类型又分为过零触发型(10V～25V内)、随机导通型。
交流伺服电机的基本结构：
气隙
交流伺服电动机的机械特性
交流伺服电动机的机械特性
k1
01
k2
02
l1
03
l2
04
两相绕组分布图
05
交流伺服电机的幅值—相位控制
06
伺服电机的转速控制
减速器
位置发送器
作用：将输出轴0~90°的转角转换成4~20mADC直流电流，作为阀位信号和反馈信号。
差动变压器的基本组成部分包括一个线框和一个铁心。在线框上设置一个原绕组和两个对称的副绕组，铁心放在线框中央的圆柱形孔中。在原绕组中施加交流电压时，两个副绕组中就会产生感应电动势e1和e2。如果两个副绕组按反向串联(图1),则它的总输出电压u2=u21－u22≈e1－e2。当铁心处在中央位置时，由于对称关系，e1=e2，输出电压u2为零。如果铁心向右移动，则穿过副绕组 2的磁通将比穿过副绕组1的磁通多，于是感应电动势e2>e1，差动变压器输出电压u2不等于零,而且输出电压的大小与铁心位移x之间基本成线性关系,其特性如图2所示，呈V字形。用适当的测量电路测量,可以得到差动变压器输出与位移x成比例的线性读数。最常用的测量电路是差动整流电路，它把两个次级电压分别整流后，以它们的差作为输出。差动整流电路有电流输出型和电压输出型，前者用于连接低阻抗负载的场合；电压输出型差动整流电路则用于连接高阻抗负载的场合。
03
结构
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： Cs
L =
Ae
P1
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关系为：
RCS+1
1
=
=
P1
P0
TS
差动变压器式位移变送器
由同心分布在线圈骨架上一初级线圈P，二个级线圈S1 和S2 组成， 线圈组件内有一个可自由移动的杆装磁芯（铁芯），当铁芯在线圈内移动时，改变了空间的磁场分布,从而改变了初次级线圈之间的互感量M，当初级线圈供给一定频率的交变电压时，次级线圈就产生了感应电动势， 随着铁芯的位置不同， 次级产生的感应电动势也不同， 这样， 就将铁芯的位移量变成了电压信号输出。
串联管道时的可调比：
Rr = R
= R
Pmin
Pmax
P
P1
Q
=
Pmin
Pmax
串联管道可调比特性
Rr
30
1.0
0
当s值越小，即串联管道的阻力损失越大时，实际可调比就越小。
并联管道时的可调比
Q1
Q
并联管道可调比特性
Rr
0
由：
得：
当x值越小，即Q越大时，实际可调比越小，并且实际可调比近似为总管最大流量与旁路流量之比。
等百分比流量特性：曲线的斜率是随着流量增大而增大，即它的放大系数随流量增大而增大。但流量相对变化值是相等的，即流量变化的百分比是相等的
理想流量特性
01
抛物线流量特性： （n＝1/2 时）
即阀的相对位移变化引起的相对流量变化与此点的相对流量的平方根成正比关系。
02
积分后将边界条件带入，整理
可控硅只有导通和关断两种工作状态，所以它具有开关特性，这种特性需要一定的条件才能转化，此条件见表 可控硅符号图
伺服放大器调整：
按调试线路接线，完成下面工作： 调零（调平衡） 调稳（灵敏度、死区）
（三）执行机构
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。 组成：伺服电机、减速机构、位置发送器等。 伺服电机
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
Qmax R = Qmin = KVmax KVmin
控制阀的可调比
调节阀可控最小流量的确定： 调节阀的开度分为超调区、有效行程区和无效行程区3个区。有效行程区为调节阀流量调节特性的研究区域。在有效行程区,调节阀具有良好的流量调节特性,阀芯的定位能够满足要求。超调区的流量调节能力很大,流量可控性差,不能满足要求,还易发生超调现象。无效行程区是阀结构和装配的需要,在该区域内,阀开度的改变所引起的流量变化很小,有的阀型无此区。定义有效行程区与超调区的分界点为调节阀的流量调节界点,简称为界点。与界点相应的流量是调节阀可调的最小流量,相应的调节强度是可调节的最大调节强度。与界点相对应的相对开度用h0表示。这样3个区可分别表示为:超调区,0≤h<h0;有效行程区,h0≤h≤100%;无效行程区,h>100%。
得：
可见：相对位移和相对流量呈对数关系，因此也称对数流量特性。 对数阀特性曲线的斜率随流量的增大而增大，即放大倍数随流量增大而增大，但流量的相对变化量是不变的。这对需较大范围变化的调节量而言是有利的。
在10％时，流量变化的相对值为： 在50％时，流量变化的相对值为： 80％时，流量变化的相对值为：
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
工作原理 见下图
04
03
01
02
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。
动作速度快，可用于控制器与执行机构距离较远的场合。
得：
上式表明：相对位移和相对流量为抛物线关系，它介于直线及对数特性曲线之间。
理想流量特性
理想流量特性
快开流量特性：这种流量特性在开度较小时就有较大的流量，随开度增加，流量很快达到较大流量，此后再增大开度，流量变化很小，故称快开特性。它的阀芯接近平板型，适于快速启闭的切断阀或双位式调节系统。
串联管道时的工作流量特性：在工作中调节阀前后总是变化的，这时的流量特性称为工作流量特性。因为调节阀总是与工艺设备、管道等串联或并联使用，调节阀前后因压力损失变化而变化，致使理想流量特性畸变成工作流量特性。
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。
应用场合
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。
Q2
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 ( n=0) 对数特性： Q/Qmax= R (l/L-1) ( n=1) 抛物线特性：Q/Qmax= 1/R [1+(√R –1) l/L ]2 ( n=1/2) 快开特性：随着开度增大, 流量很快达最大。
得：
直线流量特性在小开度时灵敏度高，调节作用强，易产生震荡。在大开度时灵敏度低，调节作用弱，调节缓慢。
02
理想流量特性
理想流量特性
等百分比流量特性： （n＝1 时）
即调节阀的相对位移变化与此点的相对流量变化成正比关系。
对上式积分，得：
将边界条件带入，解得系数C、K，整理
快开；2 直线；3 抛物线；4 修正抛物线；5 等百分比。
各种流量特性及其阀芯形状如图所示。
理想流量特性
直线流量特性： （n＝0时）
即调节阀的相对流量和相对开度成直线关系。
对上式积分，得：
已知边界条件：l＝0时，Q＝Q；l＝L时，Q＝Q
将边界条件带入，解得系数C=QQ=1/R 、K=1-1/R