工业过程控制工程第四章 测量变送环节和执行器

气动阀
气开式：输入压 ，力 阀增 门大 开度 气关式：输入压 ，力 阀增 门大 开度
第四章 测量变送环节和执行器
4.2.1 控制阀概述（电动阀）
电动执行器：是电动单元组合仪表中的一个执行
单元
角行程执行器D（KJ型）
品种：直行程执行器D（KZ型）
多转式电动执行器
任务：将控制器送来的指挥信号，成比例转换
4.2.1 控制阀概述（实例）
5. 法兰连接钢制截止阀 型号：J41H 口径：DN15～100 压力：Class150～300 温度：≤200 厂家:上海瓦特斯公司 材料：WCB、Cr5Mo、
1Cr18Ni12M02Ti、1Cr18Ni9Ti 设计标准：GB12235-1989、GB/T9092-1999
阀结构，以特殊高精度光整工艺加工阀孔，具有外形 美观，换向性好，性能可靠， 密封件磨损能自动补偿等特点。 功能细分为二位三通和二位五 通，控制方式细分为单、双电 控和单、双气控。 接管口径：G1/8"~G1/2" 使用压力：0.15~0.8Mpa 适用温度：-5～50℃ 厂家:宁波开源气动工程有限公司
4.2.1 控制阀概述（实例
3. 自动式压力调节阀 型号：ZZYP 口径：15～300MM 压力：1.6～6.4MPa 温度：≤350℃ 材料: 碳钢、不锈钢、铸铁 厂家:上海瓦特斯公司 设计标准：JB、GB、ANSI、BS、API、ISO、
DIN、NF
第四章 测量变送环节和执行器
4.2.1 控制阀概述（实例）
第四章 测量变送环节和执行器
4.2.1 控制阀概述 （影响因素）
控制阀环节的影响因素： 在过程控制系统设计中，若控制阀特性选
用不当、阀门动作不灵活、口径大小不合适等， 都会严重影响控制质量。
第四章 测量变送环节和执行器
4.2.1 控制阀概述（分类）
种类：按所用的能源分气动、电动、液动三类
电动执行器：输入信号连续：40
成角位移或直线位移去带动阀门、挡板
等调节机构，以实现自动控制
组成：伺服放大器D（ FC）
执行机构D（ZA）
第四章 测量变送环节和执行器
4.2.1 控制阀概述
气动阀：以压缩空气为能源 特点：结构简单、动作可靠，维修方 便，价格低廉，适用于防火防 爆场所 应用：化工、石油、冶金、电力、 轻纺等部门（应用广）
第四章 测量变送环节和执行器
4.1.1 测量误差的来源
３）测量的动态误差 例１：测温元件 - 存在测量滞后 见P40图4.1-1测量元件的响应速度
减小误差措施： 不要任意加厚保护 套管 避免把测温元件安 放在死角或引起大 热阻处
第四章 测量变送环节和执行器
4.1.1 测量误差的来源
３）测量的动态误差 例２：ＰＨ值控制系统
4.2 控制阀环节在控制系统设计中的考虑
本节的主要内容:
4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4
控制阀概述
P41
控制阀设计中的几个内容P41
流量特性和阀门增益 P42
流量特性的选择 P44
第四章 测量变送环节和执行器
4.2.1 控制阀概述
控制阀：又称末级控制元件,调节阀 最终执行控制任务
作用：接收控制器来的控制信号，通过改 变阀的开度来控制流量（改变调节 量），实现生产过程自动化。
第四章 测量变送环节和执行器
4.2.1 控制阀概述
气动调节阀结构
结构：执行机阀 构体 （组 有件 时（ 装 门阀 有 定） 阀 位器）
作用原理： 1）执行机构按控制信号的大小产生相 应输出力，带动阀杆移动；
第四章 测量变送环节和执行器
4.2.1 控制阀概述
气动阀作用原理： 2）阀直接与介质接触，通过改变阀芯与阀座 间的节流面积调节流体介质的流量； 3）阀门定位器与调节阀配套使用，组成闭环 系统，利用反馈原理提高阀的灵敏度，实 现控制阀的准确定位。
第四章 测量变送环节和执行器
4.1.2 测量信号的处理
实现方法：
（见P40 图4.1-3）
第四章 测量变送环节和执行器
4.1.2 测量信号的处理
２）对测量噪声需进行滤波
P41
例：
容器液位剧烈跳动 变送器输出波动不息
压力、流量信号呈高频振荡
措施：低通滤波
３）线性化处理
检测变送器：有时输入－输出呈非线性
多采用阀的形式，用来控制各种气体或液体的 流量与流速，是过程控制系统中的一个重要组 成部分，其特性好坏对控制质量的影响是很大 的。
第四章 测量变送环节和执行器
4.2.1 控制阀概述（重要性）
控制阀选择的重要性： 控制阀直接与介质接触，是控制系统不可
缺少的组成部分。经验表明，控制系统中每个 环节的好坏，都对系统质量有直接影响，但使 控制系统不能正常运行的原因，多数发生在控 制阀上，对控制阀这个环节必须高度重视。
示意图：P40 图4.1-2
电极不能放置在流速 不稳的主管道上
两项纯滞后：
τ1 与τ2
第四章 测量变送环节和执行器
4.1.1 测量误差的来源
３）测量的动态误差
例２：ＰＨ值控制系统
示意图：P40 图4.1-2
电极不能放置在流速不稳的主管道上
两项纯滞后：
1
l1 v1
2
l2 v2
m 12
第四章 测量变送环节和执行器
例：
活塞式压缩机的出口压力
以往复泵输送液体时的流量
呈现脉动现象
第四章 测量变送环节和执行器
4.1.2 测量信号的处理
周期性波动，给系统运行带来的麻烦： 控制过程徒劳无益，有可能使系统产 生共振，加剧受控变量的波动。 使控制阀阀杆加速磨损，影响寿命。
措施： 增加阻尼（实质上是一种低通滤波作 用） 削平脉冲波形 提高系统平 稳性
表示：线性化处理后，可表示为一阶惯性加纯滞
后特性
Gm（s）=
Km ems
TmS1
（4.1-1）
第四章 测量变送环节和执行器
4.1系统设计时对测量变送环节的考虑
测量变送环节表示： 1）存在纯滞后，希望τm越小越好； 减小τm的好处：频率提高，稳定裕度增 加，过渡过程面积减小 2 ）测量变送环节处于反馈通道中，减小Tm （通道时间常数），可提高控制质量（频 率提高，过渡过程面积减小）； 3）减小Tm可减小动态误差，Tm大，会使指 示记录曲线与真实参数产生很大的动态误 差
20mA 10mA
控制阀气动执行器：输入信号0.0断 2续10：6 开0.关 1信 10号 6 Pa
液动执行器（石化等生产过程中少用）
第四章 测量变送环节和执行器
4.2.1 控制阀概述
控制阀的使用： 在过程控制中，控制阀使用最多的
是气动执行器，其次是电动执行器，较 少采用液动执行器。
第四章 测量变送环节和执行器
对指示和记录的观察带来不便。
第四章 测量变送环节和执行器
4.1.2 测量信号的处理
３）线性化处理 例：节流装置输出差压与流量的平方成正比
Q K P• P T
Ｑ－流量
Ｋ－系数
Ｐ－绝对压力 △Ｐ－差压 Ｔ－绝对温度
措施：进行线性化处理（对例子，采用开方
器进行校正）或用软件校正。
第四章 测量变送环节和执行器
第四章 测量变送环节和执行器
4.2.1 控制阀概述
气动薄膜式执行机构 气动阀种类 气动活塞式执行机构
气动长行程执行机构 增力型薄膜（侧装式）执行机构 薄膜式：常见，结构简单、价廉、输出行程 小，只能直接带动阀杆； 活塞式：行程长、价昂、用于特殊需要的 场合。
第四章 测量变送环节和执行器
4.2.1 控制阀概述（阀门定位器）
阀门定位器：辅助装置 作用：根据控制器发出的气动信号控制气动
调节阀的阀门部件，使阀开度处于精 确位置； 应用场合：传热系统、液位、大容积的气体压
力等慢过程（改善控制质量） 不适用： 液体压力、流量（快速控制过程）
（可能对控制质量有害）
第四章 测量变送环节和执行器
4.2.1 控制阀概述（实例）
1. 4V、3V系列电磁阀:该系列电磁阀采用整体槽隙滑
第四章 测量变送环节和执行器
4.2.1 控制阀概述
比喻：在生产过程自动化中
测量变送装置眼睛
调节器（控制器大 ）脑
控制阀手脚
简单控制系统的组成：
被控对象测量变送装置
控制器控制阀
第四章 测量变送环节和执行器
4.2.1 控制阀概述（重要性）
控制阀选择的重要性： 过程控制中，执行器（亦称执行机构）大
4.1.1 测量误差的来源
３）测量的动态误差 式中： l1,l2 管道长度 v1,v2 流体流速
减小滞后的措施：合理选择测量元件的
安装位置，以减小τm
第四章 测量变送环节和执行器
4.1.2 测量信号的处理
在以下情况下，对测量信号需进行处理后再
送往控制器。
P40
１）对呈周期性的脉动信号需进行低通滤波
精度等级的数字越小，精度越高
第四章 测量变送环节和执行器
4.1.1 测量误差的来源
２）安装不当引入误差 测量变送的一次元件安装在工艺设备上。
安装必须符合规范，否则会引入很大误差。 例：流量测量中 孔板反向安装 直管段不足 差压计液体引压管线存在气泡 引入误差
第四章 测量变送环节和执行器
4.1.1 测量误差的来源
4.2.1 控制阀概述（分类）
阀：是一个局部阻力可变的节流元件
按结构形式分
普通单、双座阀
角形阀
蝶阀：挡板阀、翻板阀
三通阀
隔膜阀
球阀
套筒阀
第四章 测量变送环节和执行器
4.2.1 控制阀概述（分类）
按阀座
单座阀
数目分 双座阀：所需推小动，力动较作灵敏
按流体对阀芯
Байду номын сангаас
流开阀
作用方向分 流闭阀：稳定性好， 利有 调节
选择仪表量程时应尽量选窄一些。
从控制原理角度看：
缩小检测变送器的量程，就是使
该环节静态增益Ｋm增加。
第四章 测量变送环节和执行器
4.1.1 测量误差的来源
１）仪表本身误差
P39
仪表的精度等级：表明了稳态下仪表的最大
百分误差。
精度等级G分为八个等级：
0.1, 0.2, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 5.0
第四章 测量变送环节和执行器
4.1.2 测量信号的处理
低通滤波示例：RC阻尼器 或RC滤波电路
传递函数：
G (S)1/T ( S1)
作用： 通低频，阻高频 低频时动态增益近似为1，随着频 率的增高，其动态增益大大下降
第四章 测量变送环节和执行器
4.1.2 测量信号的处理
实现方法： （见P40图4.1-3） 在气体压力传送管线上增加 气阻Ｒ 气容Ｃ 采用电动变送器时，将ＲＣ滤波电路串 接在变送器之后。
第四章 测量变送环节和执行器
4.2.1 控制阀概述（实例）
2.消防用信号蝶阀: 型号:XD371X 口径:45~2000M 压力:1.0~1.6MPa 温度:≤150℃ 材料: 碳钢、不锈钢等 厂家:上海瓦特斯公司 设计标准：JB、GB、ANSI、BS、API、ISO、
DIN、NF
第四章 测量变送环节和执行器
第四章 测量变送环节和执行器
4.2.1 控制阀概述（实例）
6. 水利控制阀 型号：ZAY741X 口径：40～500mm 压力：1.0～2.5Mpa 温度：常温 材料：铸铁 厂家:上海瓦特斯公司 设计标准：JB、GB
３）测量的动态误差
测量变送环节的滞后，包括Ｔm和τm
都会引起测量动态误差。 在化工生产中，最容易引入纯滞后的是
温度和物性参数的测量。
第四章 测量变送环节和执行器
4.1.1 测量误差的来源
３）测量的动态误差 例１：测温元件 - 存在测量滞后 例如：温包、热电阻、热电偶 滞后原因：热容 热阻（与元件的结构、外围 介质的流态、性质及 停滞厚度有关） 见P40图4.1-1测量元件的响应速度
4. 法兰式弹性硬密封、聚四氟密封蝶阀
型号：DT343H 口径：DN50～1200 压力：PN1.0、PN1.6、PN2.5 温度：-40℃～600℃ 厂家:上海瓦特斯公司 设计标准：JB/T8527-97、GB9113 材料: 铸钢、不锈钢、铬钼钢、合金钢、
聚内脂、抗磨材料、柔性石墨
第四章 测量变送环节和执行器
要求：快速、准确地反映被测量值
第四章 测量变送环节和执行器
4.1系统设计时对测量变送环节的考虑
本节的主要内容:
4.1.1 测量误差的来源 P39 4.1.2 测量信号的处理 P40
第四章 测量变送环节和执行器
4.1.1 测量误差的来源
１）仪表本身误差
P39
仪表的精度等级表明了稳态下仪表的 最大百分误差。它是按全量程的最大百分 误差来定义的，量程越宽绝对误差越大。
第四章 测量变送环节和执行器
工业过程控制工程第四章 测量变送 环节和执行器
第四章 测量变送环节和执行器
4.1系统设计时对测量变送环节的考虑
测量变送环节任务和要求
P39
任务：对被控变量或其它参数进行正确测量，并
转换成统一信号
风 压: 0.02~0.1MPa
电信号: 0~10mA （DDZ-Ⅱ型表）
4~20mA （DDZ- Ⅲ型表）