《过程控制基础》第九讲 执行器基础
第九讲 执行器基础
第九讲 执行器基础
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2 执行器的分类
根据使用能源的不同，分为以下三类：
– 气动执行器：以气压为动力，推动机构动作。 – 电动执行器：以电动机为动力源，推动机构动作。 – 液动执行器：以液压为动力源，推动机构动作
• 目前国内外使用液动的很少，不做重点讲解
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2.1 电、气动执行机构特点对比
• 阀门口径的选择
– 依据实际流量调节范围选择。
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3.4 气动执行机构的安装与维修保养
• 位置选择应注意方便安装维修； • 环境温度：+60ºC~-40ºC • 尽量直立安装在水平管道上，其它安装方式应
加设支撑架； • 控制阀前后一般应安装手动截止阀，以便维修； • 安装前应进行清洗； • 定期维护检修。注意观察密封与磨损情况。
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蝶阀
球阀
放料阀
减压阀
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电磁阀
第九讲 执行器基础
气动调节阀
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3.2 阀的流量特性
• 流量方程：
Q F0
流体体积流量
阀的接管截面积
2( p1 p2 )
阻力系数
阀前后压力差 流体密度
• 流量系数：在给定行程下，阀前后压力为100 kPa,流体的
• 可调比
阀所能控制的最大流量与最小流量之比，通常用R表 示，即：
R Qmax Qm in
阀处于最大开度时的流量 阀处于最小开度时的流量
• 理想可调比
理想可调比等于最大流量系数与最小流量系数之比。 设计时，通常R=30。
过程控制复习重点
过程控制复习重点热点偶：当两种不同的导体或半导体连接时，若两个接点温度不同，回路中会出现热电动势，并产生电流；通常将一端温度T0维持恒定，称为冷端或自由端。
另外一端放在需要测温的地方，称为热端或工作端。
温度补偿:只有当热电偶冷端温度保持不变时，热电势才是被测温度的单值函数;热电偶的冷端温度补偿：只有将冷端温度保持为0℃，或者进行一定的修正才能得到准确的测量结果。
热电阻：在中、低温区，热电偶输出的热电动势很小；而在中、低温区，用热电阻比用热电偶做为测温元件时的测量精确度更高；热电阻特点：性能稳定、测量精度高，一般可在-270～900℃范围内使用（推荐在150℃以下时选用）。
1习题1-1试述热电偶的测温原理,工业上常用的测温热电偶有哪几种什么热电偶的分度号在什么情况下要使用补偿导线答:a.当两种不同的导体或半导体连接成闭合回路时,若两个接点温度不同,回路中就会出现热电动势,并产生电流.b.铂极其合金,镍铬-镍硅,镍铬-康铜,铜-康铜.c.分度号是用来反应温度传感器在测量温度范围内温度变化为传感器电压或电阻值变化的标准数列.d.在电路中引入一个随冷端温度变化的附加电动势时,自动补偿冷端温度变化,以保证测量精度,为了节约,作为热偶丝在低温区的替代品.1-2热电阻测温有什么特点为什么热电阻要用三线接法答:a.在-200到+500摄氏度范围内精度高,性能稳定可靠,不需要冷端温度补偿,测温范围比热电偶低,存在非线性.b. 在使用平衡电桥对热电阻进行测量时,由电阻引出三根导线,一根的电阻与电源E相连接,不影响电桥的平衡,另外两根接到电桥的两臂内,他们随环境温度的变化可以相互抵消.（在中、低温区，热电偶输出的热电动势很小；而在中、低温区，用热电阻比用热电偶做为测温元件时的测量精确度更高；热电阻特点：性能稳定、测量精度高，一般可在-270～900℃范围内使用（推荐在150℃以下时选用）。
）1-3说明热电偶温度变送器的基本结构.工作原理以及实现冷端温度补偿的方法.在什么情况下要做零点迁移答:a.结构:其核心是一个直流低电平电压-电流变换器,大体上都可分为输入电路.放大电路及反馈电路三部分.b.工作原理:应用温度传感器进行温度检测其温度传感器通常为热电阻,热敏电阻集成温度传感器.半导体温度传感器等,然后通过转换电路将温度传感器的信号转换为变准电流信号或标准电压信号.c.由铜丝绕制的电阻Rcu安装在热电偶的冷端接线处,当冷端温度变化时,利用铜丝电阻随温度变化的特性,向热电偶补充一个有冷端温度决定的电动势作为补偿.桥路左臂由稳压电压电源Vz(约5v)和高电阻R1(约10K欧)建立的恒值电流I2流过铜电阻Rcu,在Rcu上产生一个电压,此电压与热电动势Et串联相接.当温度补偿升高时,热电动势Et下降,但由于Rcu增值,在Rcu两端的电压增加,只要铜电阻的大小选择适当,便可得到满意的补偿.d.当变送器输出信号Ymin下限值(即标准统一信号下限值)与测量范围的下限值不相对应时要进行零点迁移.1-4什扰共模干扰为什么会影响自动化仪表的正常工作怎样才能抑制其影响么叫共模干扰和差模干扰为什么工业现场常会出现很强的共模干答:共模干扰:电热丝上的工频交流电便会向热电偶泄漏,使热电偶上出现几伏或几十伏的对地干扰电压,这种在两根信号线上共同存在的对地干扰电压称为~.差模干扰:在两根信号线之间更经常地存在电磁感应、静电耦合以及电阻泄漏引起的差模干扰.工业上会出现共模干扰是因为现场有动力电缆,形成强大的磁场.造成信号的不稳.共模干扰是同时叠加在两条被测信号线上的外界干扰信号,是被测信号的地和数字电压表的地之间不等电位,由两个地之间的电势即共模干扰源产生的.在现场中,被测信号与测量仪器间相距很远.这两个地之间的电位差会达到几十伏甚至上百伏,对测量干扰很大使仪表不能正常工作有时会损坏仪表.共模干扰在导线与地(机壳)之间传输,属于非对称性干扰,共模干扰幅度大.频率高.还可以通过导线产生辐射,所造成的干扰较大.消除共模干扰的方法包括:(1)采用屏蔽双绞线并有效接地(2)强电场的地方还要考虑采用镀锌管屏蔽(3)布线时远离高压线,更不能将高压电源线和信号线捆在一起走线(4)不要和电控锁共用同一个电源(5)采用线性稳压电源或高品质的开关电源(纹波干扰小于50mV).2.1 什么是调节器的调节规律？PID 调节器的数学表达式是怎样的？比例、积分、微分三种调节规律有何特征？为什么工程上不用数学上理想的微分算式？规律：确定调节器的动态特性称为调节器的调节规律，是调节器的输入信号与输出信号之间的动态关系。
执行器精华版PPT课件
其他领域
总结词
除了上述领域外，执行器还广泛应用于 其他领域，如航空航天、交通运输、能 源等。
VS
详细描述
在航空航天领域中，执行器用于控制航天 器的姿态和轨道；在交通运输领域中，执 行器用于控制交通工具的运行状态；在能 源领域中，执行器用于控制能源的输送和 分配。总之，执行器在各个领域中都发挥 着重要的作用，是实现自动化和智能化控 制的关键部件之一。
执行器的发展历程
初期阶段
智能化阶段
早期的执行器主要采用机械传动方式， 结构复杂，精度低，可靠性差。
现代的执行器已经逐渐向智能化方向 发展，具有自诊断、自调整、自适应 等功能，能够更好地适应工业生产中 的各种复杂环境和要求。
发展阶段
随着电子技术和计算机技术的不断发 展，执行器的控制精度和可靠性得到 了显著提高，电动、气动、液动等各 种类型的执行器相继出现。
机器人领域
总结词
在机器人领域中，执行器是实现机器人运动的关键部件之一，主要用于驱动机器人的关节和执行特定 任务。
详细描述
机器人的运动需要依靠执行器来实现，执行器能够接收来自控制系统的指令，驱动机器人的关节进行 动作，从而实现机器人的各种运动。同时，执行器还可以根据机器人的任务需求进行定制和优化，例 如在工业机器人中使用的伺服电机、在服务机器人中使用的舵机等。
输出力是指执行器输出的机 械力，它决定了执行器能够
驱动的负载大小。
执行器的性能参数包括输出 力、行程、速度、精度等。
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01
03
行程是指执行器输出的机械 运动范围，它决定了执行器
的控制范围。
速度是指执行器输出的机械 运动速度，它决定了执行器
的响应速度。
04
05
执行器工作原理
执行器工作原理
执行器是一种设备，用于将输入信号转化为机械运动或执行特定操作。
它由电磁或电动元件控制，通过转换输入能量来输出所需的运动。
执行器的工作原理可以分为以下几个步骤：
1. 接收信号：执行器通过传感器或控制器接收输入信号，这些信号可以是电流、电压或控制信号。
2. 信号转换：执行器将接收到的信号转换为适合自身工作的形式，例如电磁执行器可以将电流转换为磁场力。
3. 能量转换：执行器将输入的能量转换为机械运动或执行特定操作的能量。
例如，电动执行器将电能转换为机械能，从而驱动执行器的运动。
4. 机械运动：执行器根据输入信号的控制，实现特定的机械运动，例如线性运动、旋转运动或其他复杂的工作。
5. 完成任务：执行器根据输入信号的指令，完成特定的任务，例如打开或关闭阀门、控制机械臂的运动等。
在实际应用中，执行器广泛应用于自动化领域，用于控制各种机械设备的运动和操作。
它们可以是简单的电磁铁，也可以是复杂的电动马达或液压驱动装置。
通过执行器的工作，我们能够实现自动化系统的控制和运行，提高工作效率和精度。
过程控制基础
过程控制基础3.1控制的基本概念和定义控制任何设备或系统的中心是“反馈”的概念，它正式的定义是：使用系统输入输出的差别来维持输入输出之间一个预设关系的过程。
反馈显然是一种日程的现象。
反馈在工程方面用来控制机械系统一般认为起源于詹姆斯瓦特所发明的用来控制他新发明的蒸汽机的球调节器。
控制系统能够根据反馈的用法来分类。
图3.1-1显示了一张普遍接受的示意图，该系统是人工控制的闭环或者开环系统。
使用人工控制时，人会把想要的和过程中输出的进行比较以控制调节器来保持指定输出。
操作员根据从系统监控器上看到的信息并利用自己知道的电站动力学方面的知识进行反馈以决定给控制器发出适当的信号。
除了电站的输出是直接用来决定控制信号外，闭环控制和人工操作差不多，如图中部显示的一样。
“参考输出”反映了电站的操作是否按照预定方式进行，再把它和探测器中获得的测量输出信号进行比较，两个数值的差别就是“执行出错信号”。
发给调节器的控制信号就是这个差值的函数。
差值信息和控制信号使用模拟或数字计算机来计算的，或者象蒸汽机用的球调节器一样用机械的方式决定。
在闭环控制下，发给调节器的信号是随着过程的变化产生的。
这样对任意可能影响电站动力学的扰动的处理都是自动运行的。
最后闭环控制值得提出的一点是：控制信号是测量值的函数而与电站实际输出无关，这样如果探测器失效，控制系统也会失效。
人工操作时这却不会有问题，因为人有时能够认识到探测器失效问题并做出补偿动作。
然而在闭环控制的情况下，探头的错误输出会被直接使用。
解决这种问题的途径是这个报告的10.2.1和10.4.1部分讲到的探头确认方法。
图的下部分显示的是开环控制，这种方法的主要特点是没有应用反馈。
不过使用了一种预设参考流程的方法。
比如预先建立一个处理过程的精确模型并进行模拟，直到需要时再产生控制信号以决定输出。
开环控制可能得到也可能得不到预想的电站行为。
显然如果用来决定执行策略的模型是错的，控制动作也会错。
过程控制09讲
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2.3.2 调节器
2.3.2 调节器（DDZ-Ⅲ型调节器）
DDZ—Ⅲ型调节器是Ⅲ型电动单元组合仪表中的一 个重要单元。它接受变送器或转换器的DCl～5V或 DC4～20mA测量信号为输入信号，与DCl～5V或 DC4～20mA给定信号进行比较，并对其偏差进行PID运 算，输出DC4—20mA标准统一信号。
DDZ—Ⅲ型调节器的框图
4
2.3.2 调节器
作用 将输入信号（变送器送来的）与给定信号进行比 较，并对偏差进行PID运算，输出4-20mA标准信号， 送给执行器进行自动控制。
5
2.3.2 调节器
1. 输入电路 作用：获得输入信号Ui与给定信号Us之差成比例的偏差 信号。
Ui 测量电压 Us 给定电压
3
2.3.2 调节器
原理框图 组成
输入电路，PD电路，PI电路， 手动操作电路，显示电路，输 出电路； ¾硬手动：调节器的输出电流与 手动输入电压信号之间为比例 关系（使调节器输出能很快达 到所需的数值）； ¾软手动：调节器的输出电流与 手动输入电压信号之间为积分 关系（使调节器输出能缓慢达 到所需的数值）；
1⎛ 1 ⎞ U F = ⎜ U i + U 01 + U B ⎟ 3⎝ 2 ⎠
8
2.3.2 调节器
因为 U = U T F 故 1 1⎛ 1 ⎞ (U s + U B ) = ⎜ U i + U i + U B ⎟ 3 3⎝ 2 ⎠
U 01 = 2(U s − U i )
执行器的基本原理及分类35页PPT
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27、只有把抱怨环境的心情，化为上进的力量，才是成功的保证。——罗曼·罗兰
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28、知之者不如好之者，好之者不如乐之者。——孔子
▪
29、勇猛、大胆和坚定的决心能够抵得上武器的精盲人，倚靠在明眼的跛子肩上。——叔本华
谢谢！
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执行器的基本原理及分类
21、静念园林好，人间良可辞。 22、步步寻往迹，有处特依依。 23、望云惭高鸟，临木愧游鱼。 24、结庐在人境，而无车马喧；问君 何能尔 ？心远 地自偏 。 25、人生归有道，衣食固其端。
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26、要使整个人生都过得舒适、愉快，这是不可能的，因为人类必须具备一种能应付逆境的态度。——卢梭
公共基础知识过程控制技术基础知识概述
《过程控制技术基础知识概述》一、引言过程控制技术在现代工业生产中起着至关重要的作用，它能够确保生产过程的稳定、高效运行，提高产品质量，降低生产成本。
随着科技的不断进步，过程控制技术也在不断发展和创新，从传统的模拟控制到现代的数字化、智能化控制，其应用范围越来越广泛。
本文将对过程控制技术的基础知识进行全面的阐述与分析，包括基本概念、核心理论、发展历程、重要实践以及未来趋势。
二、基本概念1. 过程控制的定义过程控制是指对生产过程中的物理量（如温度、压力、流量、液位等）进行自动控制，使其在一定的范围内保持稳定，以满足生产工艺的要求。
2. 控制系统的组成过程控制系统通常由被控对象、传感器、变送器、控制器和执行器等部分组成。
被控对象是指需要进行控制的生产过程或设备；传感器用于检测被控对象的物理量，并将其转换为电信号；变送器将传感器输出的电信号转换为标准信号，以便传输和处理；控制器根据给定值和测量值的偏差，按照一定的控制规律计算出控制信号；执行器根据控制信号对被控对象进行控制，如调节阀门开度、改变电机转速等。
3. 控制方式过程控制的方式主要有开环控制和闭环控制两种。
开环控制是指控制信号只根据给定值进行计算，不考虑被控对象的实际输出；闭环控制则是将被控对象的实际输出反馈到输入端，与给定值进行比较，根据偏差进行控制。
闭环控制具有较高的控制精度和稳定性，但系统结构相对复杂。
三、核心理论1. 反馈控制理论反馈控制是过程控制的核心理论之一，它基于被控对象的输出反馈，通过调整控制信号来减小给定值与实际输出之间的偏差。
反馈控制可以分为比例控制、积分控制和微分控制三种基本控制方式，分别对应着对偏差的比例、积分和微分响应。
通过合理组合这三种控制方式，可以实现不同的控制性能要求。
2. 现代控制理论现代控制理论是在经典控制理论的基础上发展起来的，它采用状态空间法对控制系统进行描述和分析。
现代控制理论可以处理多输入多输出系统、非线性系统和时变系统等复杂控制问题，具有更高的控制精度和鲁棒性。
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本讲内容
1. 执行器的地位及作用 2. 执行器的分类 3. 气动执行器 3.1 种类 3.2 流量特性 3.3 调节阀的选择与安装 4. 电动执行器 5 电-液动执行器
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1.执行器的地位及作用
控制系统的“手 脚”
xm
x
y
q
控制器
执行器
被控 对象
xs
变送器
单回路控制系统方框图
。
– 液动执行器：以液压为动力源，推动机构动作
• 目前国内外使用液动的很少，不做重点讲解
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2.1 电、气动执行机构特点对
比
气动执行机构 电动执行机构
输入信号
0.02-0.1 MPa 4-20mA (DC)
结构
简单
复杂
体积
中
小
信号管线配置 较复杂
简单
推力
中
小
动作滞后
大
小
维修
简单
复杂
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5.电—液执行器
• 以直流电信号为控制信号，以液压为动 力的执行器。
• 主要用途：与大功率、大位移控制机构 配套，用于大型设备的控制。 如：大型高压阀门的控制。
• 通常，防爆性能较差，不能用于易燃、 易爆及高温场所。
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5.1 电—液执行器的结构原理
输
• 流量方程：
阀的接管截面积
Q F0 2( p1 p2 )
流体体积流量
阻力系数
阀前后压力差 流体密度
• 流量系数：在给定行程下，阀前后压力为100 kPa,流体
的密度为1000 kg/m3的条件下，每小时流经阀的流体数量， 通常用C表示（额定流量系数=最大流量系数）流量系数表
示阀所能通过的流体流量的大小，在工程设计中流量系数
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译文：
儿子：妈妈，上帝是白人还是黑人？ 妈妈：宝贝，上帝是白人也是黑人！ 儿子：那上帝是男人还是女人？ 妈妈：宝贝，上帝是男人也是女人！ 儿子：哦。我知道了，上帝是迈克尔·杰克逊！
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Thank you for you attention!
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操作器
手轮
4-20mA信号 伺服 放大器
伺服 电动机
角度
离 合
减速机 0-900
器
位置 发送器
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4.2 电动执行器的选择
• 电动执行器与气动执行器的差异主要执 行机构，其调节机构基本相同。
• 电动执行器的选择：
– 根据控制机构选择执行机构； – 根据扭矩选择角行程执行器； – 根据轴位移选择直线行程执行器； – 根据阀门型号选择多转式执行器。
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4 电动执行器
• 以电动机为核心动力源，将控制器输出 的直流电信号直接转换成相应的角位移 或直线行程的机构。
• 电动执行机构的分类：
– 角行程电动执行机构：使输出轴产生0~90º 角位移；
– 直线行程电动执行机构： – 多转式电动执行机构
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4.1 电动执行器的结构原理
执行器是自动化控制系统的终端执行部件，其作用是接受控制器送 来的控制信号，并根据信号的大小直接改变操纵量，从而达到对被 控变量进行控制的目的。使用最多的执行器就是各种调节阀，它是 由执行机构和调节机构两部分组成
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2 执行器的分类
根据使用能源的不同，分为以下三类：
– 气动执行器：以气压为动力，推动机构动作。 – 电动执行器：以电动机为动力源，推动机构动作
R Qmax Cmax Qmin Cmin
• 实际可调比
实际使用时，由于串联或并联，阀对整个管路系统的 控制能力下降，实际可调比通常要小（<30）。
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• 流量特性
阀的流量特性是指介质流过阀的相对流量与阀芯相对 位移（开度）之间的关系
Q f(l)
相对位移
Qm a x
L
相对流量
使用场合 适用防火防爆 特殊型号防爆
价格
便宜
贵
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3 气动执行器
• 执行机构
– 执行器的推动装置。
• 薄膜执行机构：气压推动薄膜并带动连杆运动。 • 活塞执行机构：气压推动活塞并带动连杆运动。
• 调节机构
– 执行器的调节部件，直接与被控介质接触， 其开度发生变化时，被控变量将被改变。
• 理想流量特性 （阀前后压差恒定）
Q c. 抛物线特性： d.对数(等百分比)特性： 0
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a b c d
l/L 11
• 控制阀的实际流量特性
控制阀在调节过程中，同时将引起管道工 况点的变化，进而使阀门两端压差发生 变化。阀门两端压差的变化又反过来影 响通过阀门流体的流量。因此，除非是 简单的两端恒压（如水池放水阀），阀 门的实际流量特性通常是十分复杂的。
反
入
馈
信
信
号 电控系统号
液压系统
位置 发送器
输出轴
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I know who god is!
A boy says to her mother, "Mom, is God a man or woman?" The mom thinks a while and says, "Well, son, God is both man and woman." The son is confused, so he asks, "Is God black or white?" The mother replies, "God is both black and white, honey." The son thinks about it, and his face lights up when he thinks he finally has answered his question: "Is God Michael Jackson?"
• 阀门口径的选择
– 依据实际流量调节范围选择。
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3.4 气动执行机构的安装与维 修保养
• 位置选择应注意方便安装维修； • 环境温度：+60ºC~-40ºC
• 尽量直立安装在水平管道上，其它安装方式应 加设支撑架；
• 控制阀前后一般应安装手动截止阀，以便维修； • 安装前应进行清洗； • 定期维护检修。注意观察密封与磨损情况。
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3.3 调节阀的选择
• 结构与流量特性
– 结构选择：依据工艺条件（温度、压力等）和介质 的物理、化学性质（腐蚀性、黏度等）进行选择。
– 流量特性选择：依据工艺需要并结合整个管路系统 的工况点（管路流量特性）选择。
• 气开式与气关式的选择
– 依据气源断开的安全性结合执行机构形式选择。
气 气
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薄膜
活塞 6
3.1 调节结构的种类
被控对象千差万别，调节机构形式多样，
如： • 插板阀、浆液阀 • 单座、双座控制阀 • 隔膜控制阀 • 蝶阀 • 球阀 • 旋转阀 • 套筒阀
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蝶阀
球阀
放料阀
减压阀
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电磁阀
气动调节阀 8
3.2 阀的流量特性
是确定阀公称直径的主要依据，也就是说阀的大小主要由 流量系数确定。
C 5.09 F0
10p QC
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• 可调比
阀所能控制的最大流量与最小流量之比，通常用R表 示，即：
R Qmax Qm in
阀处于最大开度时的流量 阀处于最小开度时的流量
• 理想可调比
理想可调比等于最大流量系数与最小流量系数之比。 设计时，通常R=30。
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