控制仪表及装置第三章(李忠虎)

各种流量特性及其阀芯形状如图所示
1 快开；2 直线；3 抛物线；4 修正抛物线；5 等百分比。
38
2.工作流量特性(阀前后压差随阀的开度而变)
⑴ 串联管道时的工作流量特性
39
⑵ 并联管道时的工作流量特性
结论
使理想流量特性发生畸变, 串联管道尤为严重, 放大系 数随开度增大而减小, 并联管道总比原来小。 使控制阀可调比降低，并联管道尤为严重。 串联管道使总流量减少，并联管道则增加。
阀座直径。
43
第三节 模拟控制仪表应用
1.单回路控制系统
例：
汽包液位控制
M LIC
LT
2.比值控制系统
煤气Q1
FT1
Ff FC2 M
FC1
M TC
FT2 空气Q2
加 热 炉
44
3.串级控制系统
TC1 TT1 T 出口 TT2 T′ 炉膛
外给
TC2
M 燃料
原料油
45
式中：
Ae P1 Cs
L —推杆位移； Ae — 膜片有效面积； P1 — 输入压力； Cs — 弹簧刚度。
输入输出特性见右图。 存在非线性偏差和正反 行程偏差。
26
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： P1 = 1 = 1 TS+1
四种组合方式。
41
调节机构的选择是根据流体性质、流动状态、工
艺条件和过程控制的要求，并兼顾经济性来确定合适
的结构形式。
（二）控制阀流量特性的选择
从控制品质考虑，在负荷变化的情况下，应使控制系统总 的放大系数不变。例如对于放大系数随负荷增大而减小的对象， 选用放大系数随负荷增大而变大的等百分比特性阀门，使系统 总放大系数不变。 从工艺配管情况考虑，选择相应的控制阀，见下表。
② 对乘除器的线路作适当改动 ③ 应用霍尔元件组成开方运算电路。
※小信号切除
由 yK
x
可得
dy dx
2
K x
可见，x很小时,动态放大系数很大，x稍有波动，就会引起
输出y的很大变化，造成开方器在小信号输入时的较大运算误差。
所以, 在信号小于输入满量程的1%（（5－1）×1%=0.04V）时， 应将输出信号切除。
2.优点：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
P1
P0
位置 反馈
速度，提高线性
度，克服阀杆摩擦 力，保证正确定位。
定位器
气源
控制器
阀门定位器示意图 28
3.电/气阀门定位器
具有电/ 气转换器和阀门定位器的双重作用，它
接受电动控制器输出的420mA电流信号，成比例地输
出20100kPa(或40200kPa)气动信号至执行机构。 转换组件：永久磁钢、线圈、杠杆、喷嘴、挡板及调零
max
Q l （ ） f Q max L
1.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 对数特性： Q/Qmax= R (l /L-1) 抛物线特性：Q/Qmax= 1/R [1+(
R
–1) l/L ]2
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快开特性：随着开度增大, 流量很快达最大。
（一）控制阀结构
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。
33
阀的结构型式
直通单座阀
直通双座阀 角形阀
三通阀
蝶阀 套筒阀 偏心旋转阀 高压阀
34
阀芯型式
阀芯型式有直行程阀芯和角行程阀芯两类。 直行程阀芯又分为：平板型、柱塞型、窗口型和多级 阀芯。各种阀芯的型式见下图。
第二节
应用示例：
M 蒸 汽
执行器
冷液
TIC
TT 热 液
11
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
电动执行器
气动执行器
液动执行器
12
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
P0
RCS+1
式中 ，R、C分别为气阻、气容，T为时间常数。 可得控制器输出压力P0与Biblioteka Baidu杆位移L之间的关系为： L = Ae = K TS+1
27
P0
(TS+1)Cs
式中，T为执行机构的放大系数。
三、阀门定位器
1.作用：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。
7
（二） 工作原理
U21 Ui U 输入电路1 11 + N1
－
U23 输出电路 N0 Uo
比较器
S 乘法电路1 U22 比例放大 U23 小信号 电路N2 切除电路 K2
Uf 乘法电路2 K3
开方运算部分
图 3-13
开方器方框图
8
小信号切除电路
U i 1.04V （满量程的1%），切除； U i 1.04V，正常工作 电路见图 3-14
《控制仪表及装置》
第三章 运算器和执行器
1
第一节 运算器
一、乘除器 二、开方器
第二节 执行器
一、电动执行机构
二、气动执行机构
三、阀门定位器
四、调节机构
五、执行器的选型 第三节 模拟控制仪表应用
第一节
运算器
运算器接受来自变送器或转换器的统一 标准信号，可对一个或几个输入信号进
行加、减、乘、除、开方、平方等多种 运算，以实现各种算法，满足自动检测 和控制系统的要求。
指示 记录仪 瞬时流量 q 节流 装置
P
差压 变送器
x
开方器
y
比例 积算器 累计流量 控制器 y （mA）
P K1 q y K
2
x K 2 P K1 K 2 q x K K1 K 2 q
2
20
4 0 qmax q
6
这样，y ~ q 呈线性关系
3.开方运算的实现方法
① 通过改变乘除器信号线的连接方式
⑴
反作用式(信号压力增加时推杆向上动作，ZMB)
气开式（气压增大阀门开大）
⑵
气闭式（气压增大阀门关小）
输入信号：
0.02~0.1MPa气体压力
输出信号：
连杆位移→行程， 规格有：10,16,25,40,60,100mm
23
结构
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
配管情况
S = 0.6 ~ 1 S = 0.3 ~ 0.6
阀的工作特性 直线 抛物线 等百分比
直线
抛物线 等百分比
阀的理想特性 直线 抛物线 等百分比 等百分比 直线 等百分比42
从负荷变化情况考虑，在负荷变化小时可用直线特
性阀，负荷变化幅度大的场合使用等百分比特性阀。
（三）控制阀口径的选择
1.确定计算流量: 根据生产能力、设备负荷等来确定
本章介绍两种典型的运算器：
乘除器和开方器
3
一、乘除器
可对两个或三个1～5V的直流电压信号进行四种运算, 结果以1～5V 直流电压或4～20mA 直流电流输出。乘除运
算关系式为：
U0 = N
(Ui1–1)(Ui2 + K2) Ui3 + K3
+1
式中：Ui1、Ui2、Ui3—乘除器的输入信号；
U0—乘除器的输出信号； N —运算系数； K2、K3—可调偏置电压。
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。
32
四、调节机构
调节机构又称控制阀(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。
Qmax和 Qmin 。 2.确定计算差压: 按选定的S值来确定计算差压。 3.计算流量系数: 按计算流量和计算差压求取KVmax 。 4.选择流量系数: 在所选产品型号的标准系列中选取大 于KVmax 且与其最接近的那一挡KV值。 5.验算控制阀开度和可调比。
6.确定控制阀口径: 根据KV值决定控制阀的公称直径和
18
4.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。
19
电气原理图
E1 E～ E2
U RL
20
21
二、气动执行机构
1.作用：接受电/气转换器 (或电/气阀门定位器) 输
出的气压信号，将其转换成相应的输出力和 推杆直位移量，以推动调节动作。
即20～100kPa气压信号→直线位移
2 分 类
薄膜式：气压推动薄膜并带动连杆运动, 结构简单,动作
可靠，维修方便，价格较低，但输出行程小；
活塞式：气压推动活塞并带动连杆运动，输出推力大，
行程长，但价格较高，只用于特殊需要的场合。
气信号 气信号
薄膜式
活塞式
22
3.气动薄膜式执行机构
分类：
正作用式(信号压力增加时推杆向下动作，ZMA)
4～20mADC
位置发送器
2.伺服电机 作用：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。16
220VAC
W1
CD
W2
17
3.减速器
作用：把伺服电机高转速、小转矩的输出功率转换成执
行机构输出轴的低转速、大力矩的输出功率，以
推动调节机构。采用正齿轮和行星齿轮机构相结 合的机械传动机构。 行星齿轮机构相 结合的减速比： z2 – z1 i ＝ －( —— ) z1 z1－摆轮的齿数 z2－内齿轮的齿数 ※ 凸轮机构
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。
0° 90°
角行程
0mm χmm
直行程
（一）基本结构和工作原理
4～20mA
Ii If
伺服放大器
操作器
阀位指示
伺服电机
减速器
θ
0~90O
位置发送器 放大器 执行机构
电动执行机构方框图
13
（二）伺服放大器
作用：将信号Ii 和If 综合、比较并放
组
成
装置等。
气路组件：气动放大器、气阻、压力表、手/自动切换阀。 反馈组件：反馈弹簧、反馈拉杆、反馈压板等。 接线盒组件：接线盒、端子板及电缆引线等。
29
结构及原理
30
阀门定位器原理简图
Po
Ps
Pa
31
应用场合

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。
图3—31 直行程阀芯
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角行程阀芯有 偏心旋转型、蝶型 和球型。见右图。
图3—32 直行程阀芯
流体对阀芯作用形式：流开阀和流闭阀
阀芯的安装形式：正装阀和反装阀
图3—33
图3—34
36
（二）控制阀特性
※ 控制阀的流量特性
控制阀的流量特性指介质流过控制阀相对流量（ Q ）与 相对位移（
l L
Q
）之间的关系，即：
另可实现乘后开方、乘法和除法三种运算（见P82）。
4
二、开方器
（一）概述
1.作用：对1～5V直流电压信号进行开方运算, 结果以1～5V直
流电压或4～20mA 直流电流输出，运算关系为：
U o＝ K U i 1 ＋1 式中，U i－开方器的输入信号 U o－开方器的输出信号 K －开方系数
5
2.开方器在节流式流量测量中的应用
40
五、执行器的选择
包括结构型式、流量特性、阀门口径等的选择。
（一）结构型式的选择
根据能源、工艺条件、介质性质等来确定执行机构的规格 品种。对于气动执行器，从工艺生产的安全考虑, 选择其作用 方式是气开式或是气关式。 按执行机构的正反 作用和调节机构的正反 安装方式，实现气动执
行器的气开、气关时有
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。
结构见右图。
膜片的有效面积有：
200，280，400，630， 1000，1600cm2 等。
24
P 薄膜
结 构 组 成
执 行 机 构
弹簧 调节件 推杆 阀芯
调 节 机 构
阀座
Q
25
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： L=
切除点U L的具体数值： 当U i 1.04V 时，输出被切除 这时U 23 N 2U 21 U11 ＝ N1 N 2U 21 ＝3 所以 U L 0.6V Ui 1 Ui 1
当 U i 1.04V 时，U 23 0.6V
实际的切除值可通过UL来调整
9
开方器的输入输出特性
10
大，然后通过可控硅交流开关去控制 伺服电机的正、反转。
组成：信号隔离器、
综合放大电路、
触发电路、
固态继电器等。
14
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下图。
15
（三）执行机构
1.组成：伺服电机、减速机
构、位置发送器等。
220VAC
伺服电机
减速器
0～90°