实验二-电动调节阀的流量特性测试实验

实验二 电动调节阀的流量特性测试实验

任何一个最简单的控制系统也必须由检测环节、调节单元及执行单元组成。执行单元的作用就是根据调节器的输出，直接控制被控变量所对应的某些物理量，例如液位、温度、压力和流量等参数，从而实现对被控对象的控制目的。因此，完全可以说执行单元是用来代替人的操作的，是工业自动化的“手脚”。电动调节阀是本实验装置的执行单元之一。

一． 电动调节阀工作原理

执行器按照使用能源的种类，可分为气动、液动和电动三种，本装置采用的是智能型单座调节阀。顾名思义它是由电动执行器进行操作的，它接受调节器的输出电流4～20mA 信号，并转换为相应的输出轴直线位移，去控制调节机构以实现自动调节。电动调节器的优点则是能源采用方便，信号传输速度快，传输距离远等。

执行器由执行机构和调节机构两部分组成。执行机构是执行器的推动装置，它可以按照调节器的输出信号量，产生相应的推力，以带动智能调节阀的主推动轴产生直线位移，主推动杆总位移为16mm ，控制单座调节阀0～100%的开度连续变化。而调节机构（调节阀）是执行器的调节装置，它受执行机构的操纵，可以改变调节阀阀芯与阀座间的流通面积，以达到最终调节被控介质的目的。

本执行器的结构如图1所示，电动执行器首先接受来自调节器的输出信号，以作为执行器的输入信号即执行器的动作依据；该输入信号送入信号转换单元，转换信号制式后与反馈的执行机构位置信号进行比较，其差值作为执行机构的输入，以确定执行机构的作用方向和大小；执行机构的输出结果再控制调节器的动作，以实现对被控介质的调节作用；其中执行机构的输出通过位置发生器可以产生其反馈控制所需要的位置信号。

图1 电动执行器的工作原理

从上述描述和图1可知，电动调节阀执行机构的动作构成了负反馈控制回路，这是提高执行器调节精度、保证执行器工作稳定的重要手段。为保证电动执行器输出与输入之间呈现严格的比例关系，必须采用比例负反馈构成闭环控制回路，图2为本套装置的电动执行器的工作原理示意图：

图2 电动执行器原理图

其中I i 表示输入电流，θ表示输出轴转角，两者存在如下关系：

i I K ⋅=θ （1）

K 是比例系数。图2中伺服放大器由前置磁放大器、可控硅触发电路和可控硅交流开关组成，如图3

所示：

图3 伺服放大器原理图

伺服放大器将输入信号I i 与位置反馈信号I f 进行比较，其偏差经伺服放大器放大后，再控制执行机构中的伺服电机作正反转动；电动机的高转速小力矩，经减速后变为低转速大力矩，然后进一步转变为直行程输出。位置发生器的作用是将执行机构的输出转变为对应的4～20mA 反馈信号I f ，以便与输入信号I i 进行比较。

二．调节阀的流量特性测试实验

2.1 调节阀的流量特性曲线

调节阀的流量特性是指被控介质流过阀门的相对流量和阀门相对开度之间的关系，即 ⎪

⎪⎭⎫ ⎝⎛=max max L L f Q Q （2） 式中max Q /Q 为相对流量，即某一开度流量与全开流量之比；max /L L 为相对行程，即某一开度行程与全行程之比。

目前常用阀的理想流量特性分为：直线特

性、对数（等百分比）特性、快开特性和抛物

线特性四种曲线，如图4所示。

在实际工业场合用的最多的是第一种线

性调节阀，此种阀较易配合各种管路和流量传

感器完成流量控制，本套装置也是采用线性调

节阀。实际应用中，理想特性曲线较难得到，

因为当将调节阀实际接入管道时，其特性会受

多种因素的影响，如连接管道阻力、前后压差、

多管路融合与分支等，所以很难得到理想流量

特性描述的四种曲线，本装置也不能例外，但

在大部分区域内调节阀依然保持线性工作状

态。

2.2 调节阀的流量特性测试

1、实验目的

① 掌握实验步骤及数据的测试方法；

② 通过实验测试数据验证电动调节阀的特性在大部分工作曲线范围内属于线性的；

③ 分析调节阀的流量特性曲线和理想特性曲线有区别的原因。

2、实验设施 图4 调节阀的理想流量特性曲线

化工自动化仪表实验平台、实验导线、计算机、MCGS组态软件、RS485/232转换器。

3、实验原理

为了测量调节阀的特性曲线，首先需要把对象系统的管路开通，确保水能在动力系统的驱动下流经电动调节阀和流量计，最后将水打出水管，管路流通见图5。本装置的流量测量装置主要有三种：电磁流量计、涡轮流量计和孔板流量计，在考虑测量精度和流体压力损失较小的情况下，本实验选用电磁流量计进行测量，流经涡轮流量计后将电磁流量计输出信号送到智能仪表测量端用于现场显示和上位机监控，通过上位机绘制曲线即可判断电动调节阀的特性曲线是否为线性。

图5电动调节阀流量特性测试流程图

4、实验步骤

①实验之前先将储水箱中贮足水量，一般接近储水箱容积的4/5，然后将阀F1-2、F1-3、F1-7全开，其余手动阀门关闭；

②将仪表控制箱中“电磁流量计”的输出对应接至智能调节仪Ⅰ的“0～5V/1～5V输入”端，将智能调节仪Ⅰ的“4～20mA输出”端对应接至“电动调节阀”的控制信号输入端；

③打开对象系统仪表控制箱的开关，给所有仪表上电；

④打开MCGS组态环境，选择“化工仪表工程”，按“F5”进入运行环境，点击“进入实验工程”，然后进入实验“主菜单”，选择“实验一、电动阀流量特性测试实验”；

⑤智能仪表Ⅰ基本参数设置：Sn=33、DIP=0、dIL=0、dIH=1200、oPL=0、oPH=100、CF=0、Addr=1；

⑥在实验界面中有“通讯成功”标志，表示计算机已和三块仪表建立了通讯关系；若显示“通讯失败”并闪烁，说明有仪表没有与上位机通讯成功，检查转换器、通讯线以及计算机COM端口设置是否正确；

⑦通讯成功后，本实验需要手动控制智能调节仪Ⅰ的输出，以控制电动调节阀的开度改变管道流量的大小。建议使用仪表的手动按钮修改仪表的4～20mA电流输出值，如果使用上位机控制实验界面中的手动输入功能，设置完成后需要查看现场仪表有无设置进去，如果没有设置进去可以多设置一到两次。

⑧首先手动控制智能调节仪Ⅰ的输出到20%，打开仪表控制箱中的“离心泵”旋钮开关，本实验使用离心泵的手动开关（离心泵的手自动开关位于离心泵黑色接线盒的右侧，标有“一”字样为自动状态，标有“二”字样为手动状态），选择手动状态后，就可以直接使用仪表控制箱中的离心泵二位旋钮开关来控制