化工仪表自动化 【第五章】执行器

5.2 气动执行器
（1）控制机构各部分名称
5.2 气动执行器
（2）控制机构结构种类
根据阀芯的动作形式
直行程式
转角式
直 通 单 座 阀
直 通 双 座 阀
角 形 阀
三 通 阀
隔 膜 阀
笼 式 阀
蝶 阀
球 阀
凸 轮 挠 曲 阀
5.2 气动执行器
直通单座阀
阀体内只有一个阀芯和一个阀座。
适用场合： 适用于要求泄漏量小、小口径、压差小的场合。
在10％时，流量变化的相对值为 20 10 100 % 100 % 10
在50％时，流量变化的相对值为
图5-13 理想流量特性 1—快开；2—直线；3—抛 物线；4—等百分比曲线
在流量小时，流量变化的相对值 大；在流量大时，流量变化的相 对值小。
60 50 100 20% 50
在80％时，流量变化的相对值为
适用场合： 强酸、强碱、强腐蚀性介质的控制，也可用于高黏度及 悬浮颗粒状介质的控制。
5.2 气动执行器
蝶阀（翻板阀） 结构简单，重量轻，价格便宜、流阻小但泄漏大。
适用场合： 大口径、大流量、低压差，也可用于含有少量纤维或悬 浮颗粒状介质的控制。
5.2 气动执行器
球阀 阀芯和阀体都呈球形体，转动阀芯使之与阀体处于不同 的相对位置时，具有不同的流量面积。
操作人员的安全。如果阀处于打开位置时危害性小，则应选用气关式，以
使气源系统发生故障，气源中断时，阀门能自动打开，保证安全。反之阀 处于关闭时危害性小，则应选用气开阀。
5.2 气动执行器
表5-1 组合方式表 序号 执行机构 控制阀 气动执行器
（ a） （ b） （ c） （ d）
正 正 反 反
正 反 正 反
在不考虑控制阀前后压差变化时得到的流量 特性称为理想流量特性。它取决于阀芯的形状。
（a）直线流量特性
指控制阀的相对流量与相对开度成直线关系。
图5-12 不同流量 特性的阀芯形状 1—快开；2—直线； 3—抛物线；4—等 百分比
Q d Q max K l d L
5.2 气动执行器
（3）控制阀口径的选择
口径选择得过小，会使流经控制阀的介质达不到所需要的最大流量。 口径选择得过大，会浪费设备投资，且使控制阀经常处于小开度工作，控制 性能变差，易使控制系统变得不稳定。 控制阀的口径选择是由控制阀流量系数KV值决定的。流量系数KV的定义为： 当阀两端压差为100kPa，流体密度为1g/cm3，阀全开时，流经控制阀的流体流 量。 对于不可压缩的流体，且阀前后压差p1－p2不太大时，有
适用场合： 要求低噪声和压差较大的场合。 不适用于高温、高黏度及含有固体颗粒物的流体。
5.2 气动执行器
4.控制阀的流量特性
控制阀的流量特性是指被控介质流过阀门的相
对流量与阀门的相对开度（相对位移）间的关系，即
Q l f Qmax L
5.2 气动执行器
（1）控制阀的理想流量特性
C ln
（5-6）
将前述边界条件代入
Qmin 1 ln ln R, Qmax R
K ln R
l 1 Q L R Qmax
（5-7）
5.2 气动执行器
（c）抛物线流量特性
Q 1 1 Qmax R
（d）快开特性

l R 1 L

2
这种流量特性在开度较小时就有较大流量，随开度的增大，流 量很快就达到最大。 快开特性的阀芯形式是平板形的，适用于迅速启闭的切 断阀或双位控制系统。
② 串、并联管道都会使控制阀的可调范围降低，并联管道尤为严重。
③ 串联管道使系统总流量减少，并联管道使系统总流量增加。
④ 串、并联管道会使控制阀的放大系数减小，即输入信号变化引起的
流量变化值减少。
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5.控制阀的流量特性
（1）控制阀结构与特性的选择 结构形式选择 主要根据工艺条件，如温度、压力及介质的物理、化学 特性（如腐蚀性、黏度等）来选择。
气关（正） 气开（反） 气开（反） 气关（正）
5.2 气动执行器
控制阀气开、气关的选择原则： 安全原则 例1、锅炉汽包水位的控制
原因：供气中断时，应使 给水阀全开，使得锅炉不 致烧干引起爆炸。 结果：选择气关型。
5.2 气动执行器
例2.加热炉炉温的控制
原因：供气中断时，应使 燃料阀全关，停止供应燃 料油。不致使得加热炉温 度过高造成加热炉的损坏。 结果：选择气开型。
5.2 气动执行器
将式（5-4）代入式（5-3），可得
Q 1 l 1 R 1 Qmax R L
（5-5）
注意：当可调比不同时，特性曲线在纵坐标上 的起点是不同的。
Q 1 l 1 R 1 Qmax R L
5.2 气动执行器
当R=30，l/L=0时，Q/Qmax=0.33 假设R=∞，特征曲线以坐标原点为起点。当位移变 化量为10%，所引起的流量变化量也为10%。
5.2 气动执行器
(２)控制阀的工作流量特性 在实际生产中，控制阀前后压差总是变化的，这时的流量特性称为工 作流量特性。
（a）串联管道的工作流量特性
图5-14 串联管道的情形
图5-15 管道串联时控制阀压差 变化情况
5.2 气动执行器
图5-16 管道串联时控制阀的工作特性
5.2 气动执行器
（b）并联管道的工作流量特性 控制阀一般都装有旁路，以便手动操作和维护。当生产量提高或控制 阀选小了时，只好将旁路阀打开一些，此时控制阀的理想流量特性就改变 成为工作特性。
控制机构：控制部分 改变能量或物料输送量的装置。
控 制 机 构
5.2 气动执行器
辅助装置
阀门定位器
手轮机构
5.2 气动执行器
2、气动执行器的执行机构
（1）气动薄膜式执行机构 结构：
5.2 气动执行器
（1）气动薄膜式执行机构 结构：
5.2 气动执行器
正反作用：
信号压力增加，推杆向下运动 ZMA型 正作用
化工仪表自动化
（Instruments & Automatics of Chemical Engineering）
第五章 执行器
主讲人：孙行衍
第五章 执行器 5.1 概述
1、执行器的作用
控制系统方框图
作用：接收控制器的控制信号，自动改变操纵变量，达到对 被控变量（如温度、压力、流量、液位等）进行调节的目 的。
电动执行器
以电源作为能源； 驱动能源简单方便， 推力大，动作快，适合 远距离信号传输，便与 于计算机配合使用。 缺点： 结构复杂，可靠性差， 价格高。采用防爆结构 才能达到防火防爆要求。
液动执行器
采用高压液体作为 能源； 现场使用较少
5.2 气动执行器
1、气动执行器的结构
执行机构：推动装置 根据控制信号的大小， 产生相应推力或位移的装置。
角形阀
阀体两个接管呈直角形。
适用场合： 适用于现场管道要求直角连接，介质为高黏度、高压差 和含义少量悬浮物和固体颗粒物的场合。
5.2 气动执行器
三通阀
阀体共有三个出入口与工艺管道连接。分为合流型和分流 型两种。
适用场合： 配比控制和旁路控制的场合。
5.2 气动执行器
隔膜阀 采用耐腐蚀衬里的阀体和隔膜。结构简单，流阻小，流通 能力强。
信号压力增加，推杆向上运动 ZMB型 反作用
5.2 气动执行器
气动薄膜式执行器（气动薄膜调节器） 结构简单、价格便宜、维修方便、应用广泛。
5.2 气动执行器
（2）气动活塞式执行机构 单作用执行机构
2口为进气口，4口为排气口； 气信号压力从2口进入，推动活塞分离向气缸两端移动， 两端气腔空气从4口排出，同时使两活塞齿条同步带动输 出轴逆时针旋转； 气信号降低时，活塞在弹簧作用下向气缸中间移动，气缸 空气从2口排出，同时使两活塞齿条同步带动输出轴顺时 针旋转。
（5-2）
5.2 气动执行器
将（5-2）积分可得
Q l K C Qmax L
边界条件：l=0时，Q=Qmin; l=L时Q=Qmax 把边界条件代入式（5-3），可分别得
（5-3）
C
Qmin 1 , Qmax R
K 1 C 1
1 R
（5-4）
R为控制阀的可调范围或可调比。
注意！ Qmin不等于控制阀全关时的泄漏量，一般是Qmax的2％～4％。
90 80 100 % 12.5% 80
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（b）等百分比（对数）流量特性
等百分比流量特性是指单位相对行程变化所引起的相对流量变化与此点 的相对流量成正比关系。
将（5-6）积分
Q d Q max K Q Qmax l d L Q l ln K C Qmax L
适用场合： O形球阀适用于双位控制，V形球阀适用于高黏度和污 秽介质的控制。
5.2 气动执行器
凸轮挠曲阀（偏心旋转阀） 阀芯呈扇形球面状，与挠曲臂及轴套一起铸成，固定在 转轴上。
适用场合： 高黏度或带有悬浮物的介质流量控制。
5.2 气动执行器
笼式阀（套筒形阀） 阀内有一个圆柱形套筒，其上有一个或几个不同形状的 孔，利用套筒导向，阀芯在套筒内移动，改变笼子的节流 面积。
5.1 概述
工作环境： 高温、高压、深冷、易燃、易爆、强腐蚀、高粘度、易结 晶、剧毒等。 执行器的选择非常重要，否则易给生产过程自动化带 来困难。
5.1 概述
2、执行器的分类 能源形式
气动执行器
以压缩空气作为能源； 结构简单，动作可靠， 输出力大，安装维修方便， 价格低，本安防爆； 广泛用于有爆炸危险的 石油化工生产企业。 缺点： 滞后大，不适于远传，与 计算机等设备相连需经过 电/气转换器。