化工儀表與自動(dòng)化第5章執(zhí)行器課件5.1概述5.2執(zhí)行機(jī)構(gòu)5.3調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)5.4執(zhí)行器的選擇

第五章

執(zhí)行器5.1概述第五章執(zhí)行器1.作用：

接受來自控制器的控制信號(hào)，改變操縱變量流量，使測(cè)量值保持在給定值或一定范圍內(nèi)

相當(dāng)于人工控制中執(zhí)行大腦命令的手的作用。5.1概述1.作用：5.1概述2.重要性

直接與介質(zhì)接觸，是薄弱環(huán)節(jié)，和調(diào)節(jié)質(zhì)量密切相關(guān)。工作在高溫、高壓、腐蝕、振動(dòng)等惡劣環(huán)境中，需要有足夠的功率以影響生產(chǎn)過程。3.種類

根據(jù)控制參數(shù)不同,分為：調(diào)節(jié)閥ControlValve（最常見）:

通過改變阻力元件的阻力來改變流體流量風(fēng)門Damper：通過改變擋板角度改變氣體流量步進(jìn)電機(jī)StepMotor：將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)變頻調(diào)速器Variable-frequencegovernor：控制動(dòng)力源的轉(zhuǎn)速來改變流量5.1概述2.重要性5.1概述4.結(jié)構(gòu)

從結(jié)構(gòu)功能上分：執(zhí)行結(jié)構(gòu)（ValveActuator）：

是執(zhí)行器的推動(dòng)裝置，按控制器送來的操縱信號(hào)產(chǎn)生相應(yīng)的直線行程或轉(zhuǎn)角行程調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（ValveBody）：

是執(zhí)行器的調(diào)節(jié)部分，在執(zhí)行機(jī)構(gòu)推理作用下，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生一定的位移或轉(zhuǎn)角，改變管道阻力，實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的控制5.1概述4.結(jié)構(gòu)5.1概述5.1概述5.2執(zhí)行機(jī)構(gòu)5.2.1分類5.2.2氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)5.2.3電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)5.3調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)5.4執(zhí)行器的選擇

第五章

執(zhí)行器5.1概述第五章執(zhí)行器1.按其能源形勢(shì)可分為：（1）氣動(dòng)（pneumatic）

—以壓縮空氣(0.14MPa)為能源。輸入信號(hào)范圍:0.02~0.1MPa特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作可靠、平穩(wěn)、輸出推動(dòng)力大、維修方便、防火防爆，價(jià)格便宜。得到廣泛應(yīng)用。利用電/氣轉(zhuǎn)換器(I/PConvertor)4~20mA20~100KPa（3~15PSI）

或閥門定位器(Valvepositioner)與電動(dòng)儀表配用（2）電動(dòng)（electricmotor）—靠伺服機(jī)構(gòu)帶動(dòng)，接受電信號(hào)，易于電動(dòng)儀表配用，功率大，易燃易爆場(chǎng)合需防爆（3）液動(dòng)（hydraulic）—以液壓為能源、功率大、準(zhǔn)確到位；結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)要求高，只能在某些特殊場(chǎng)合。如：煉廠催化裂化裝置中催化劑的流量控制（待生滑閥、再生滑閥）（4）自力式（self-operated）—利用被調(diào)介質(zhì)能量來動(dòng)作的。5.2.1分類1.按其能源形勢(shì)可分為：5.2.1分類2.按結(jié)構(gòu)分：薄膜式(flexiblediaphragm)—常用，可與各種形式的直行程閥配用。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、動(dòng)作可靠、維修方便。輸出作用力小活塞式(piston)—?dú)飧谆钊麢C(jī)構(gòu)，輸出力大、行程長(zhǎng)（400mm）。兩位式，主要用作大口徑、高靜壓、高壓差的直行程閥和蝶閥的推動(dòng)裝置，是一種強(qiáng)力的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。長(zhǎng)行程式——行程長(zhǎng)、轉(zhuǎn)矩大，多與大轉(zhuǎn)矩的蝶閥、閘閥、風(fēng)門等角行程閥配用。5.2.1分類2.按結(jié)構(gòu)分：5.2.1分類5.2.2氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)

1.結(jié)構(gòu)上膜蓋、波紋膜片、下膜蓋、支架、推桿、壓縮彈簧、彈簧支座、調(diào)節(jié)件、螺母、行程標(biāo)尺波紋膜片—關(guān)鍵部件波紋狀以保持有效面積基本保持不變，提高執(zhí)行機(jī)構(gòu)的線性度膜片有效面積有200，280，400，630，1000和1600cm2有效面積越大，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的推動(dòng)力越大5.2.2氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)1.結(jié)構(gòu)波紋膜片—關(guān)鍵部件5.2.2氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)

1.結(jié)構(gòu)壓縮彈簧

剛度全行程范圍內(nèi)保持不變，以提高執(zhí)行結(jié)構(gòu)的線性度調(diào)節(jié)件

調(diào)整彈簧支座的位置，從而調(diào)整壓縮彈簧的預(yù)緊量，改變信號(hào)的起始值行程標(biāo)尺

指示執(zhí)行機(jī)構(gòu)的推桿位移

行程規(guī)格：10，16，25，40，60和100mm六種壓縮彈簧彈簧支座推桿5.2.2氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)1.結(jié)構(gòu)壓縮彈簧彈簧支座推桿2.作用：控制信號(hào)（20~100KPa）作用在由上膜蓋與波紋膜片組成的氣室中，在波紋膜片中上產(chǎn)生向下的推力，克服壓縮彈簧的彈力使其產(chǎn)生向下的行程。推桿行程傳遞給調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。3.工作原理：膜片受力分析：F信

信號(hào)壓力在膜片上產(chǎn)生的推力

：Po－薄膜氣室內(nèi)的信號(hào)壓力Ad－薄膜的有效面積

F0無信號(hào)時(shí)彈簧的預(yù)緊力F彈

彈簧受壓后在膜片上產(chǎn)生的反作用力?－推桿位移；Cs－彈簧剛度PF信F0F彈5.2.2氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)

2.作用：控制信號(hào)（20~100KPa）作用在由上膜蓋與波紋PF信F0F彈3.工作原理：膜片受力分析：根據(jù)力平衡關(guān)系：

可得：結(jié)論：無負(fù)載時(shí)，線性；有負(fù)載時(shí)無法達(dá)到預(yù)定行程5.2.2氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)

PF信F0F彈3.工作原理：5.2.2氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)4.正反作用：正作用（Direct-Acting）信號(hào)由薄膜氣室上方通入信號(hào)：20～100KPa推桿：0～全行程反作用（Reverse-Acting）信號(hào)由薄膜氣室下方通入信號(hào)：20～100KPa推桿：全行程～05.2.2氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)

POPO4.正反作用：正作用（Direct-Acting）反作用（R5.2.3電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

接收4～20mA操縱信號(hào)，通過控制電動(dòng)機(jī)的正、反轉(zhuǎn)產(chǎn)生推桿的直行程或角行程直行程電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)角行程電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)5.2.3電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)接收4～20mA操縱信號(hào)，通過5.1概述5.2執(zhí)行機(jī)構(gòu)5.3調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)5.3.1結(jié)構(gòu)5.3.2種類5.3.3調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的性能指標(biāo)5.3.4調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的工作性能指標(biāo)5.4執(zhí)行器的選擇

第五章

執(zhí)行器5.1概述第五章執(zhí)行器165.3.1結(jié)構(gòu)主要部件：閥桿、壓板、填料、上閥蓋、閥體、閥芯、閥座、下閥蓋

上閥蓋(Bonnet)—

導(dǎo)向、密封填料(Packing)—防止流體沿閥桿向上泄露針對(duì)不同流體分為：普通型散熱型（高溫）長(zhǎng)頸型（深冷）波紋管密封型（有毒氣體）

165.3.1結(jié)構(gòu)主要部件：閥桿、壓板、填料、上閥蓋、閥體5.3.2

種類按閥芯動(dòng)作不同分為：直行程和角行程直行程（Sliding-stem）：閥桿帶動(dòng)閥芯沿直線運(yùn)動(dòng)

直通單座閥、直通雙座閥、角型閥、套筒閥、隔膜閥、三通閥等角行程兩大類：閥芯按轉(zhuǎn)角運(yùn)動(dòng)

蝶閥、球閥、偏心旋轉(zhuǎn)閥等閘閥(Gatevalve)隔膜閥閥（Diaphramvalve)蝶閥（ButterflyValve）球閥（BallValve）5.3.2種類按閥芯動(dòng)作不同分為：直行程和角行程閘閥隔膜閥1.直通單座閥(Singleportedglobevalve)直通：出入口在同一條直線上（相對(duì)角型和三通調(diào)節(jié)閥）結(jié)構(gòu)：閥體內(nèi)只有一組閥芯和閥座，流通能力小特點(diǎn)：易關(guān)閉，泄漏量（閥芯壓緊閥座后仍能流過的流量）很小，不平衡力大（流體對(duì)閥芯產(chǎn)生的軸向力，即對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的反作用）。適用：低壓差，小口徑場(chǎng)合單座閥

5.3.2

種類18全關(guān)（fullclosed）

半開（halfopen）

全開（halfopen）1.直通單座閥(Singleportedglobeva1.直行程式（1）直通單座閥——閥芯安裝閥芯正裝：閥芯向下移動(dòng)時(shí)，閥芯與閥座間的流通面積減少；閥芯反裝：閥芯向下移動(dòng)時(shí)，閥芯與閥座間的流通面積增大。5.3.2種類注：管道口徑小于25mm時(shí)閥芯只能正裝不能反裝1.直行程式5.3.2種類注：管道口徑小于25mm時(shí)閥芯只2.直通雙座閥Double-portedglobevalve結(jié)構(gòu)：體內(nèi)只有兩套閥芯和閥座，流通能力比同口徑的單座閥大特點(diǎn)：

不平衡力小——流體從兩個(gè)環(huán)形間隙流過，對(duì)上、下兩個(gè)閥芯所產(chǎn)生的軸向力可以部分抵消

泄漏量較大——兩個(gè)閥芯不易同時(shí)關(guān)閉適用：壓差大，對(duì)泄露量要求不嚴(yán)格的場(chǎng)合。5.3.2

種類不適用于高溫、低溫場(chǎng)合（因材料熱膨脹不同引起較嚴(yán)重的泄露）2.直通雙座閥5.3.2種類不適用于高溫、低溫場(chǎng)合（因材料3.角形調(diào)節(jié)閥anglevalve

結(jié)構(gòu)：除閥體為直角形外，其它和直通單座相似特點(diǎn)：流道簡(jiǎn)單，不易堵塞，流通能力同直通雙座閥，閥芯只能正裝適用：高粘度、高壓、含顆粒的場(chǎng)合，或要求直角配角的地方5.3.2

種類注：一般使用于底進(jìn)側(cè)出，此時(shí)穩(wěn)定性較好；在高壓差場(chǎng)合，可采用側(cè)進(jìn)底出，減輕流體對(duì)閥芯的損傷3.角形調(diào)節(jié)閥anglevalve5.3.2種類注：一4.三通閥（three-wayglobevalve）結(jié)構(gòu)：由三個(gè)出入口與管道相連，可分為合流和分流兩種適用：換熱器溫度控制、簡(jiǎn)單的配比調(diào)節(jié)5.3.2

種類合流(mixing)分流(diverting)注：合流閥冷熱流溫差不宜超過150°C4.三通閥（three-wayglobevalve）235.蝶閥(翻板閥butterflyvalve)特點(diǎn)：流通能力大（為同口徑雙座閥的1.5~2倍）；阻力損失??；具有自潔能力；泄漏量大

適用：廣泛適用于含有懸浮顆粒、渾濁流體；尤其大口徑、大流量、低壓差的場(chǎng)合，用于調(diào)節(jié)液體、氣體和蒸汽的流量5.3.2

分類

235.蝶閥(翻板閥butterflyvalve)5.

調(diào)節(jié)閥——流通面積可變的節(jié)流元件對(duì)不可壓縮流體

A—調(diào)節(jié)閥接管面積；ΔP—調(diào)節(jié)閥前后差壓；ξ—調(diào)節(jié)閥阻力系數(shù)；ρ—流體密度。1.流量系數(shù)C——調(diào)節(jié)閥容量的大小定義：在給定開度下，閥前、后的差壓為100kPa，流體密度為1000kg/m3時(shí)，每小時(shí)通過閥門的流體體積m3

，稱為調(diào)節(jié)閥在該開度下的流量系數(shù)。額定流量系數(shù)——開度100%（全開）下的流量系數(shù)，反應(yīng)了閥的流通能力。5.3.4調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的性能指標(biāo)調(diào)節(jié)閥——流通面積可變的節(jié)流元件A—調(diào)節(jié)閥接管面積；1.2.可調(diào)比R——反映調(diào)節(jié)閥的可調(diào)節(jié)能力定義：調(diào)節(jié)閥所能控制的最大流量Qmax與最小流量Qmin之比注：Qmin是調(diào)節(jié)閥所能穩(wěn)定有效控制的最小流量，與完全關(guān)閉的泄漏量不同，一般為Qmax的2～4％泄漏量是指在一定的上、下游壓差且執(zhí)行機(jī)構(gòu)使閥完全關(guān)閉(輸入信號(hào)為105Kpa)。僅為Qmax的0.1～0.01％分為理想可調(diào)比和實(shí)際可調(diào)比（1）理想可調(diào)比——閥前后壓差不變時(shí)的可調(diào)比一般國(guó)內(nèi)調(diào)節(jié)閥R=30，國(guó)外R=30~505.3.4調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的性能指標(biāo)2.可調(diào)比R——反映調(diào)節(jié)閥的可調(diào)節(jié)能力5.3.4調(diào)節(jié)機(jī)26（0<S≤1）—管道和閥的阻力配置情況（2）實(shí)際可調(diào)比

Rr—實(shí)際串并聯(lián)管道閥前后壓差變化串聯(lián)管道一般取S=0.3～0.7進(jìn)行配管設(shè)計(jì)5.3.4調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的性能指標(biāo)RrS301Rr與S的關(guān)系曲線26（0<S≤1）—管道和閥的阻力配置情況（2）實(shí)際可調(diào)比27（0<X≤1）——旁通閥對(duì)流量的影響

（2）實(shí)際可調(diào)比

Rr—實(shí)際串并聯(lián)管道閥前后壓差變化并聯(lián)管道旁路流量↑→X↓→Rr↓

5.3.4調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的性能指標(biāo)RrQ2并聯(lián)管道實(shí)際可調(diào)比曲線注：實(shí)際使用時(shí)應(yīng)盡量避免打開旁通閥27（0<X≤1）——旁通閥對(duì)流量的影響（2）實(shí)際可調(diào)比28例:已知

Qmax=100m3/h，R=30。

流體密度為1g/cm3閥全關(guān)到全開時(shí)，由于串聯(lián)管道的影響，若不考慮閥的泄漏量的影響，閥兩端的壓差從100kPa降到60KPa。

計(jì)算S。并分析串聯(lián)對(duì)可調(diào)比的影響解:S=60/100=0.6Qmin=Qmax/R=100/30=3.33m3/hR’=Qmax’/Qmin=23.265.3.3調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的性能指標(biāo)（2）實(shí)際可調(diào)比

Rr28例:已知Qmax=100m3/h，R=30。解:S=主要有四種：1.快開2.直線3.拋物線4.等百分比（對(duì)數(shù)）5.3.3調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的性能指標(biāo)3.流量特性(1)定義：表示調(diào)節(jié)閥相對(duì)行行程與流過的相對(duì)流量之間的關(guān)系Q/Q100—相對(duì)流量l/L—相對(duì)開度固有特性，由閥芯的形狀決定主要有四種：5.3.3調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的性能指標(biāo)3.流量特性Q/Q(2)理想流量特性：閥前后流量不變時(shí)的流量特性。直線: 等比分比：特點(diǎn)：小開度過于靈敏，

特點(diǎn)：任何開度下相對(duì)靈敏度相同

大開度過于遲鈍

有利于系統(tǒng)穩(wěn)定，使用最廣拋物線：

快開：特點(diǎn)：介于直線與等百分比之間（如三通閥）

特點(diǎn)：適用于迅速啟閉的主要為彌補(bǔ)直線特性在小開度時(shí)性能差設(shè)計(jì)

位式或程序控制5.3.3調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的性能指標(biāo)(2)理想流量特性：閥前后流量不變時(shí)的流量特性。直線: 31例:已知Qmax=100m3/h，R=30。

試計(jì)算在理想情況下

l/L=0.1,0.2,0.8,0.9時(shí)的流量Q，并比較直線和等百分比流量特性的控制閥在小開度與大開度時(shí)流量變化的情況.解:1.直線Q0.1=13m3/hQ0.2=22.67m3/hQ0.8=80.57m3/hQ0.9=90.33m3/h

0.1~0.2Q相對(duì)變化量75.4%；0.8~0.9

12%（小開度時(shí)：控制強(qiáng)，振蕩大開度，控制弱，不及時(shí)）2.等百分比Q0.1=5.68m3/hQ0.2=6.58m3/hQ0.8=50.65mQ0.9=71.17m3/h0.1~0.2Q相對(duì)變化量40%；0.8~0.9

40%

（小開度時(shí)：變化小,平緩大開度，變化大，靈敏使用最廣!）5.3.3調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的性能指標(biāo)（2）理想流量特性:31例:已知Qmax=100m3/h，R=30。解:1.（3）工作流量特性串聯(lián)管道調(diào)節(jié)閥開度↑→閥前、后壓差↓→流量特性發(fā)生畸變當(dāng)S<1時(shí)，S愈小畸變愈嚴(yán)重。與旁路閥并聯(lián)和X值有關(guān)S=0.1S=0.5S=1直線S=0.1S=0.5S=1等百分比5.3.4調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的性能指標(biāo)（3）工作流量特性當(dāng)S<1時(shí)，S愈小畸變愈嚴(yán)重。與旁路閥并聯(lián)33結(jié)論：（1）串、并聯(lián)管道均會(huì)使理想流量特性發(fā)生畸變；畸變程度取決于S和X值。

（2）串、并聯(lián)管道均會(huì)使調(diào)節(jié)閥可調(diào)比下降。為保證控制質(zhì)量，盡可能不使用旁路閥或串聯(lián)截止閥調(diào)節(jié)流量

5.3.3調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的性能指標(biāo)33結(jié)論：（1）串、并聯(lián)管道均會(huì)使理想流量特性發(fā)生畸變；5.5.1概述5.2執(zhí)行機(jī)構(gòu)5.3調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)5.4執(zhí)行器的選擇5.5.1執(zhí)行器氣開、氣關(guān)特性的選擇5.5.2執(zhí)行結(jié)構(gòu)的選擇5.5.3調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的選擇

第五章

執(zhí)行器5.1概述第五章執(zhí)行器執(zhí)行機(jī)構(gòu)

調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)正作用

＋

正裝

氣（風(fēng)）關(guān)正作用

＋

反裝

氣（風(fēng)）開反作用

＋

反裝

氣（風(fēng)）關(guān)反作用

＋

正裝

氣（風(fēng)）開1.什么是氣動(dòng)執(zhí)行器的氣開氣關(guān)選擇？氣開：AirtoOpen(FailuretoClose)氣關(guān)：AirtoClose(FailuretoOpen)5.5.1執(zhí)行器氣開、氣關(guān)的選擇注：電動(dòng)執(zhí)行器內(nèi)部具有掉電自鎖功能，故斷電時(shí)能保持原開度不變。一般不涉及電開/電關(guān)問題執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)1.什么是氣動(dòng)執(zhí)行器的氣開氣關(guān)選擇？5365.5.1執(zhí)行器氣開、氣關(guān)的選擇2.選擇原則：

保證氣壓中斷（回零）后閥門自動(dòng)歸位到工藝安全位置氣開（風(fēng)開）：有氣則開，無氣則關(guān)，信號(hào)↑，開度↑氣關(guān)（風(fēng)關(guān)）：有氣則關(guān)，無氣則開，信號(hào)↑，開度↓氣開閥（信號(hào)中斷下自動(dòng)切斷燃料）若防止液位過低,氣開閥365.5.1執(zhí)行器氣開、氣關(guān)的選擇2.選擇原則：氣開閥（5.2.2氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)

5.2.2氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)385.5.2執(zhí)行結(jié)構(gòu)的選擇考慮因素：能源、工藝要求、安全、調(diào)節(jié)精度、經(jīng)濟(jì)效益及現(xiàn)場(chǎng)情況等一般來說：氣動(dòng)便宜，安全防爆；電動(dòng)能源方便，價(jià)格貴如無氣源，使用電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)或自力式閥門調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)為直行程的，應(yīng)選用直行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)

調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)為角行程的，應(yīng)選用角行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)若調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的不平衡力較小，行程較短，選用薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)

若調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的不平衡力較大，管徑粗，行程較長(zhǎng)，選用活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)385.5.2執(zhí)行結(jié)構(gòu)的選擇考慮因素：能源、工藝要求、安全1.結(jié)構(gòu)形式和材質(zhì)的選擇工藝條件：溫度、壓差、流量、泄漏量物性：粘度、密度、結(jié)晶、結(jié)焦切斷、高溫、高壓、大壓差、耐腐蝕、防堵塞、超小流量2.泄漏量泄漏量：在全關(guān)位置且施加一定的關(guān)閉力時(shí)，流體在一定壓力、壓差下流過閥的流量。395.5.2調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的選擇Fora6inchvalve,thismaximumbubblerateis27bubblesperminute1.結(jié)構(gòu)形式和材質(zhì)的選擇395.5.2調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的選擇Fo403.流量特性的選擇原則：根據(jù)工藝對(duì)象的特點(diǎn)，選擇合適的流量特性，使被控對(duì)象與調(diào)節(jié)閥組成的廣義對(duì)象有線性特性。并且考慮工作流量的畸變。4.調(diào)節(jié)閥口徑的選擇原則：根據(jù)工藝參數(shù)，計(jì)算流量系數(shù)，選擇合理的閥門口徑方法：由Q、ρ、ΔP等計(jì)算C值，確定閥門尺寸。教材例10-1。

一般希望閥門工作在開度為10%~90%之間。5.根據(jù)工藝要求，選擇合適的輔助裝置電氣轉(zhuǎn)換器：完成電/氣轉(zhuǎn)換閥門定位器：實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)閥行程的準(zhǔn)確定位。

5.5.2

調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的選擇

403.流量特性的選擇5.5.2調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的選擇4141化工儀表與自動(dòng)化第5章執(zhí)行器課件5.1概述5.2執(zhí)行機(jī)構(gòu)5.3調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)5.4執(zhí)行器的選擇

第五章

執(zhí)行器5.1概述第五章執(zhí)行器1.作用：

接受來自控制器的控制信號(hào)，改變操縱變量流量，使測(cè)量值保持在給定值或一定范圍內(nèi)

相當(dāng)于人工控制中執(zhí)行大腦命令的手的作用。5.1概述1.作用：5.1概述2.重要性

直接與介質(zhì)接觸，是薄弱環(huán)節(jié)，和調(diào)節(jié)質(zhì)量密切相關(guān)。工作在高溫、高壓、腐蝕、振動(dòng)等惡劣環(huán)境中，需要有足夠的功率以影響生產(chǎn)過程。3.種類

根據(jù)控制參數(shù)不同,分為：調(diào)節(jié)閥ControlValve（最常見）:

通過改變阻力元件的阻力來改變流體流量風(fēng)門Damper：通過改變擋板角度改變氣體流量步進(jìn)電機(jī)StepMotor：將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)變頻調(diào)速器Variable-frequencegovernor：控制動(dòng)力源的轉(zhuǎn)速來改變流量5.1概述2.重要性5.1概述4.結(jié)構(gòu)

從結(jié)構(gòu)功能上分：執(zhí)行結(jié)構(gòu)（ValveActuator）：

是執(zhí)行器的推動(dòng)裝置，按控制器送來的操縱信號(hào)產(chǎn)生相應(yīng)的直線行程或轉(zhuǎn)角行程調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（ValveBody）：

是執(zhí)行器的調(diào)節(jié)部分，在執(zhí)行機(jī)構(gòu)推理作用下，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生一定的位移或轉(zhuǎn)角，改變管道阻力，實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的控制5.1概述4.結(jié)構(gòu)5.1概述5.1概述5.2執(zhí)行機(jī)構(gòu)5.2.1分類5.2.2氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)5.2.3電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)5.3調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)5.4執(zhí)行器的選擇

第五章

執(zhí)行器5.1概述第五章執(zhí)行器1.按其能源形勢(shì)可分為：（1）氣動(dòng)（pneumatic）

—以壓縮空氣(0.14MPa)為能源。輸入信號(hào)范圍:0.02~0.1MPa特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作可靠、平穩(wěn)、輸出推動(dòng)力大、維修方便、防火防爆，價(jià)格便宜。得到廣泛應(yīng)用。利用電/氣轉(zhuǎn)換器(I/PConvertor)4~20mA20~100KPa（3~15PSI）

或閥門定位器(Valvepositioner)與電動(dòng)儀表配用（2）電動(dòng)（electricmotor）—靠伺服機(jī)構(gòu)帶動(dòng)，接受電信號(hào)，易于電動(dòng)儀表配用，功率大，易燃易爆場(chǎng)合需防爆（3）液動(dòng)（hydraulic）—以液壓為能源、功率大、準(zhǔn)確到位；結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)要求高，只能在某些特殊場(chǎng)合。如：煉廠催化裂化裝置中催化劑的流量控制（待生滑閥、再生滑閥）（4）自力式（self-operated）—利用被調(diào)介質(zhì)能量來動(dòng)作的。5.2.1分類1.按其能源形勢(shì)可分為：5.2.1分類2.按結(jié)構(gòu)分：薄膜式(flexiblediaphragm)—常用，可與各種形式的直行程閥配用。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、動(dòng)作可靠、維修方便。輸出作用力小活塞式(piston)—?dú)飧谆钊麢C(jī)構(gòu)，輸出力大、行程長(zhǎng)（400mm）。兩位式，主要用作大口徑、高靜壓、高壓差的直行程閥和蝶閥的推動(dòng)裝置，是一種強(qiáng)力的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。長(zhǎng)行程式——行程長(zhǎng)、轉(zhuǎn)矩大，多與大轉(zhuǎn)矩的蝶閥、閘閥、風(fēng)門等角行程閥配用。5.2.1分類2.按結(jié)構(gòu)分：5.2.1分類5.2.2氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)

1.結(jié)構(gòu)上膜蓋、波紋膜片、下膜蓋、支架、推桿、壓縮彈簧、彈簧支座、調(diào)節(jié)件、螺母、行程標(biāo)尺波紋膜片—關(guān)鍵部件波紋狀以保持有效面積基本保持不變，提高執(zhí)行機(jī)構(gòu)的線性度膜片有效面積有200，280，400，630，1000和1600cm2有效面積越大，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的推動(dòng)力越大5.2.2氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)1.結(jié)構(gòu)波紋膜片—關(guān)鍵部件5.2.2氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)

1.結(jié)構(gòu)壓縮彈簧

剛度全行程范圍內(nèi)保持不變，以提高執(zhí)行結(jié)構(gòu)的線性度調(diào)節(jié)件

調(diào)整彈簧支座的位置，從而調(diào)整壓縮彈簧的預(yù)緊量，改變信號(hào)的起始值行程標(biāo)尺

指示執(zhí)行機(jī)構(gòu)的推桿位移

行程規(guī)格：10，16，25，40，60和100mm六種壓縮彈簧彈簧支座推桿5.2.2氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)1.結(jié)構(gòu)壓縮彈簧彈簧支座推桿2.作用：控制信號(hào)（20~100KPa）作用在由上膜蓋與波紋膜片組成的氣室中，在波紋膜片中上產(chǎn)生向下的推力，克服壓縮彈簧的彈力使其產(chǎn)生向下的行程。推桿行程傳遞給調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。3.工作原理：膜片受力分析：F信

信號(hào)壓力在膜片上產(chǎn)生的推力

：Po－薄膜氣室內(nèi)的信號(hào)壓力Ad－薄膜的有效面積

F0無信號(hào)時(shí)彈簧的預(yù)緊力F彈

彈簧受壓后在膜片上產(chǎn)生的反作用力?－推桿位移；Cs－彈簧剛度PF信F0F彈5.2.2氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)

2.作用：控制信號(hào)（20~100KPa）作用在由上膜蓋與波紋PF信F0F彈3.工作原理：膜片受力分析：根據(jù)力平衡關(guān)系：

可得：結(jié)論：無負(fù)載時(shí)，線性；有負(fù)載時(shí)無法達(dá)到預(yù)定行程5.2.2氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)

PF信F0F彈3.工作原理：5.2.2氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)4.正反作用：正作用（Direct-Acting）信號(hào)由薄膜氣室上方通入信號(hào)：20～100KPa推桿：0～全行程反作用（Reverse-Acting）信號(hào)由薄膜氣室下方通入信號(hào)：20～100KPa推桿：全行程～05.2.2氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)

POPO4.正反作用：正作用（Direct-Acting）反作用（R5.2.3電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

接收4～20mA操縱信號(hào)，通過控制電動(dòng)機(jī)的正、反轉(zhuǎn)產(chǎn)生推桿的直行程或角行程直行程電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)角行程電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)5.2.3電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)接收4～20mA操縱信號(hào)，通過5.1概述5.2執(zhí)行機(jī)構(gòu)5.3調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)5.3.1結(jié)構(gòu)5.3.2種類5.3.3調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的性能指標(biāo)5.3.4調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的工作性能指標(biāo)5.4執(zhí)行器的選擇

第五章

執(zhí)行器5.1概述第五章執(zhí)行器575.3.1結(jié)構(gòu)主要部件：閥桿、壓板、填料、上閥蓋、閥體、閥芯、閥座、下閥蓋

上閥蓋(Bonnet)—

導(dǎo)向、密封填料(Packing)—防止流體沿閥桿向上泄露針對(duì)不同流體分為：普通型散熱型（高溫）長(zhǎng)頸型（深冷）波紋管密封型（有毒氣體）

165.3.1結(jié)構(gòu)主要部件：閥桿、壓板、填料、上閥蓋、閥體5.3.2

種類按閥芯動(dòng)作不同分為：直行程和角行程直行程（Sliding-stem）：閥桿帶動(dòng)閥芯沿直線運(yùn)動(dòng)

直通單座閥、直通雙座閥、角型閥、套筒閥、隔膜閥、三通閥等角行程兩大類：閥芯按轉(zhuǎn)角運(yùn)動(dòng)

蝶閥、球閥、偏心旋轉(zhuǎn)閥等閘閥(Gatevalve)隔膜閥閥（Diaphramvalve)蝶閥（ButterflyValve）球閥（BallValve）5.3.2種類按閥芯動(dòng)作不同分為：直行程和角行程閘閥隔膜閥1.直通單座閥(Singleportedglobevalve)直通：出入口在同一條直線上（相對(duì)角型和三通調(diào)節(jié)閥）結(jié)構(gòu)：閥體內(nèi)只有一組閥芯和閥座，流通能力小特點(diǎn)：易關(guān)閉，泄漏量（閥芯壓緊閥座后仍能流過的流量）很小，不平衡力大（流體對(duì)閥芯產(chǎn)生的軸向力，即對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的反作用）。適用：低壓差，小口徑場(chǎng)合單座閥

5.3.2

種類59全關(guān)（fullclosed）

半開（halfopen）

全開（halfopen）1.直通單座閥(Singleportedglobeva1.直行程式（1）直通單座閥——閥芯安裝閥芯正裝：閥芯向下移動(dòng)時(shí)，閥芯與閥座間的流通面積減少；閥芯反裝：閥芯向下移動(dòng)時(shí)，閥芯與閥座間的流通面積增大。5.3.2種類注：管道口徑小于25mm時(shí)閥芯只能正裝不能反裝1.直行程式5.3.2種類注：管道口徑小于25mm時(shí)閥芯只2.直通雙座閥Double-portedglobevalve結(jié)構(gòu)：體內(nèi)只有兩套閥芯和閥座，流通能力比同口徑的單座閥大特點(diǎn)：

不平衡力小——流體從兩個(gè)環(huán)形間隙流過，對(duì)上、下兩個(gè)閥芯所產(chǎn)生的軸向力可以部分抵消

泄漏量較大——兩個(gè)閥芯不易同時(shí)關(guān)閉適用：壓差大，對(duì)泄露量要求不嚴(yán)格的場(chǎng)合。5.3.2

種類不適用于高溫、低溫場(chǎng)合（因材料熱膨脹不同引起較嚴(yán)重的泄露）2.直通雙座閥5.3.2種類不適用于高溫、低溫場(chǎng)合（因材料3.角形調(diào)節(jié)閥anglevalve

結(jié)構(gòu)：除閥體為直角形外，其它和直通單座相似特點(diǎn)：流道簡(jiǎn)單，不易堵塞，流通能力同直通雙座閥，閥芯只能正裝適用：高粘度、高壓、含顆粒的場(chǎng)合，或要求直角配角的地方5.3.2

種類注：一般使用于底進(jìn)側(cè)出，此時(shí)穩(wěn)定性較好；在高壓差場(chǎng)合，可采用側(cè)進(jìn)底出，減輕流體對(duì)閥芯的損傷3.角形調(diào)節(jié)閥anglevalve5.3.2種類注：一4.三通閥（three-wayglobevalve）結(jié)構(gòu)：由三個(gè)出入口與管道相連，可分為合流和分流兩種適用：換熱器溫度控制、簡(jiǎn)單的配比調(diào)節(jié)5.3.2

種類合流(mixing)分流(diverting)注：合流閥冷熱流溫差不宜超過150°C4.三通閥（three-wayglobevalve）645.蝶閥(翻板閥butterflyvalve)特點(diǎn)：流通能力大（為同口徑雙座閥的1.5~2倍）；阻力損失??；具有自潔能力；泄漏量大

適用：廣泛適用于含有懸浮顆粒、渾濁流體；尤其大口徑、大流量、低壓差的場(chǎng)合，用于調(diào)節(jié)液體、氣體和蒸汽的流量5.3.2

分類

235.蝶閥(翻板閥butterflyvalve)5.

調(diào)節(jié)閥——流通面積可變的節(jié)流元件對(duì)不可壓縮流體

A—調(diào)節(jié)閥接管面積；ΔP—調(diào)節(jié)閥前后差壓；ξ—調(diào)節(jié)閥阻力系數(shù)；ρ—流體密度。1.流量系數(shù)C——調(diào)節(jié)閥容量的大小定義：在給定開度下，閥前、后的差壓為100kPa，流體密度為1000kg/m3時(shí)，每小時(shí)通過閥門的流體體積m3

，稱為調(diào)節(jié)閥在該開度下的流量系數(shù)。額定流量系數(shù)——開度100%（全開）下的流量系數(shù)，反應(yīng)了閥的流通能力。5.3.4調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的性能指標(biāo)調(diào)節(jié)閥——流通面積可變的節(jié)流元件A—調(diào)節(jié)閥接管面積；1.2.可調(diào)比R——反映調(diào)節(jié)閥的可調(diào)節(jié)能力定義：調(diào)節(jié)閥所能控制的最大流量Qmax與最小流量Qmin之比注：Qmin是調(diào)節(jié)閥所能穩(wěn)定有效控制的最小流量，與完全關(guān)閉的泄漏量不同，一般為Qmax的2～4％泄漏量是指在一定的上、下游壓差且執(zhí)行機(jī)構(gòu)使閥完全關(guān)閉(輸入信號(hào)為105Kpa)。僅為Qmax的0.1～0.01％分為理想可調(diào)比和實(shí)際可調(diào)比（1）理想可調(diào)比——閥前后壓差不變時(shí)的可調(diào)比一般國(guó)內(nèi)調(diào)節(jié)閥R=30，國(guó)外R=30~505.3.4調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的性能指標(biāo)2.可調(diào)比R——反映調(diào)節(jié)閥的可調(diào)節(jié)能力5.3.4調(diào)節(jié)機(jī)67（0<S≤1）—管道和閥的阻力配置情況（2）實(shí)際可調(diào)比

Rr—實(shí)際串并聯(lián)管道閥前后壓差變化串聯(lián)管道一般取S=0.3～0.7進(jìn)行配管設(shè)計(jì)5.3.4調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的性能指標(biāo)RrS301Rr與S的關(guān)系曲線26（0<S≤1）—管道和閥的阻力配置情況（2）實(shí)際可調(diào)比68（0<X≤1）——旁通閥對(duì)流量的影響

（2）實(shí)際可調(diào)比

Rr—實(shí)際串并聯(lián)管道閥前后壓差變化并聯(lián)管道旁路流量↑→X↓→Rr↓

5.3.4調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的性能指標(biāo)RrQ2并聯(lián)管道實(shí)際可調(diào)比曲線注：實(shí)際使用時(shí)應(yīng)盡量避免打開旁通閥27（0<X≤1）——旁通閥對(duì)流量的影響（2）實(shí)際可調(diào)比69例:已知

Qmax=100m3/h，R=30。

流體密度為1g/cm3閥全關(guān)到全開時(shí)，由于串聯(lián)管道的影響，若不考慮閥的泄漏量的影響，閥兩端的壓差從100kPa降到60KPa。

計(jì)算S。并分析串聯(lián)對(duì)可調(diào)比的影響解:S=60/100=0.6Qmin=Qmax/R=100/30=3.33m3/hR’=Qmax’/Qmin=23.265.3.3調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的性能指標(biāo)（2）實(shí)際可調(diào)比

Rr28例:已知Qmax=100m3/h，R=30。解:S=主要有四種：1.快開2.直線3.拋物線4.等百分比（對(duì)數(shù)）5.3.3調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的性能指標(biāo)3.流量特性(1)定義：表示調(diào)節(jié)閥相對(duì)行行程與流過的相對(duì)流量之間的關(guān)系Q/Q100—相對(duì)流量l/L—相對(duì)開度固有特性，由閥芯的形狀決定主要有四種：5.3.3調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的性能指標(biāo)3.流量特性Q/Q(2)理想流量特性：閥前后流量不變時(shí)的流量特性。直線: 等比分比：特點(diǎn)：小開度過于靈敏，

特點(diǎn)：任何開度下相對(duì)靈敏度相同

大開度過于遲鈍

有利于系統(tǒng)穩(wěn)定，使用最廣拋物線：

快開：特點(diǎn)：介于直線與等百分比之間（如三通閥）

特點(diǎn)：適用于迅速啟閉的主要為彌補(bǔ)直線特性在小開度時(shí)性能差設(shè)計(jì)

位式或程序控制5.3.3調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的性能指標(biāo)(2)理想流量特性：閥前后流量不變時(shí)的流量特性。直線: 72例:已知Qmax=100m3/h，R=30。

試計(jì)算在理想情況下

l/L=0.1,0.2,0.8,0.9時(shí)的流量Q，并比較直線和等百分比流量特性的控制閥在小開度與大開度時(shí)流量變化的情況.解:1.直線Q0.1=13m3/hQ0.2=22.67m3/hQ0.8=80.57m3/hQ0.9=90.33m3/h

0.1~0.2Q相對(duì)變化量75.4%；0.8~0.9

12%（小開度時(shí)：控制強(qiáng)，振蕩大開度，控制弱，不及時(shí)）2.等百分比Q0.1=5.68m3/hQ0.2=6.58m3/hQ0.8=50.65mQ0.9=71.17m3/h0.1~0.2Q相對(duì)變化量40%；0.8~0.9

40%

（小開度時(shí)：變化小,平緩大開度，變化大，靈敏使用最廣!）5.3.3調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的性能指標(biāo)（2）理想流量特性:31例:已知Qmax=100m3/h，R=30。解:1.（3）工作流量特性串聯(lián)管道調(diào)節(jié)閥開度↑→閥前、后壓差↓→流量特性發(fā)生畸變當(dāng)S<1時(shí)，S愈小畸變愈嚴(yán)重。與旁路閥并聯(lián)和X值有關(guān)S=0.1S=0.5S=1直線S=0.1