1、第4章 執(zhí)行器及安全柵 4.1 執(zhí)行器 執(zhí)行器是自動控制系統(tǒng)中的重要組成部分，它將控制器送來的控制信號轉(zhuǎn)換成執(zhí)行動作，從而操縱進入設(shè)備的能量，將被控變量維持在所要求的數(shù)值上或一定的范圍內(nèi)。 執(zhí)行器有自動調(diào)節(jié)閥門、自動電壓調(diào)節(jié)器、自動電流調(diào)節(jié)器、控制電機等。其中自動調(diào)節(jié)閥門是最常見的執(zhí)行器，種類繁多。,一、執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)組成 組成： 執(zhí)行機構(gòu) 調(diào)節(jié)機構(gòu) 二、執(zhí)行器的分類,氣動執(zhí)行器 PLQ 按能源分： 電動執(zhí)行器 IiLQ 液動執(zhí)行器,直行程 角行程,三種執(zhí)行器的特點比較,電動執(zhí)行器,氣動執(zhí)行器,1. 特點 它是以140kP的壓縮空氣為能源，以20 100kP氣壓信號為輸入控制信號； 具有結(jié)構(gòu)簡單

2、、動作可靠、性能穩(wěn)定、輸出推力大、維修方便、本質(zhì)安全防暴和價格低廉等特點。 2.構(gòu)成原理,（一）結(jié)構(gòu)組成： 執(zhí)行機構(gòu) P L Q 調(diào)節(jié)機構(gòu),4.1.1 氣動執(zhí)行器,4.1.1.1 氣動調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)與分類 氣動調(diào)節(jié)閥由執(zhí)行機構(gòu)和控制機構(gòu)（閥）兩部分組成。 執(zhí)行機構(gòu)是推動裝置，它是將信號壓力的大小轉(zhuǎn)換為閥桿位移的裝置。 控制機構(gòu)是閥門，它將閥桿的位移轉(zhuǎn)換為流通面積的大小。,1.執(zhí)行機構(gòu) 執(zhí)行機構(gòu)按調(diào)節(jié)器輸出的控制信號，驅(qū)動調(diào)節(jié)機構(gòu)動作。氣動執(zhí)行機構(gòu)的輸出方式有角行程輸出和直行程輸出兩種。,直行程輸出的氣動執(zhí)行機構(gòu)有兩類。,氣動活塞式執(zhí)行機構(gòu),薄膜式執(zhí)行機構(gòu),氣動薄膜控制閥,外形,反裝閥,氣開式 執(zhí)

3、行器,正作用執(zhí)行機構(gòu),P入,正作用式氣動薄膜控制閥,反作用式氣動薄膜控制閥,結(jié)構(gòu) 原理,氣關(guān)式 控制閥,O型環(huán),氣開式 執(zhí)行器,反作用執(zhí) 行機構(gòu),P入,閥芯的正裝與反裝形成氣開、氣關(guān),正裝,反裝,氣開式與氣關(guān)式的選擇 氣動調(diào)節(jié)閥在氣壓信號中斷后閥門會復(fù)位。 無壓力信號時閥全開，隨著信號增大，閥門逐漸關(guān)小的稱為氣關(guān)式。反之，無壓力信號時閥全閉，隨著信號增大，閥門逐漸開大稱的為氣開式。 如氣動薄膜調(diào)節(jié)閥的氣開式與氣關(guān)式：,四種組合,氣關(guān)式,氣關(guān)式,氣開式,氣開式,反裝閥,反裝閥,正裝閥,正裝閥,P入,P入,P入,P入,Q,Q,Q,Q,Q,執(zhí)行機構(gòu)的作用方式,例如： 選擇蒸汽鍋爐的控制閥門時，為保證

4、失控狀態(tài)下鍋爐的安全： 給水閥應(yīng)選氣關(guān)式 燃?xì)忾y應(yīng)選氣開式,閥門氣開氣關(guān)式的選擇原則： 當(dāng)控制信號中斷時，閥門的復(fù)位位置能使工藝設(shè)備處于安全狀態(tài)。,返回,一、控制閥的結(jié)構(gòu)特點,直通,2.調(diào)節(jié)機構(gòu),角形,三通控制閥：合流；分流,碟閥,角行程式閥芯,凸輪撓曲閥,蝶閥,球閥,4.1.1.2 調(diào)節(jié)閥的流量特性 調(diào)節(jié)閥的閥芯位移與流量之間的關(guān)系，對控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)有很大影響。 流量特性的定義： 被控介質(zhì)流過閥門的相對流量與閥門的相對開度（相對位移）間的關(guān)系稱為調(diào)節(jié)閥的流量特性。,Q/Qmax 相對流量 l/L 相對開度,相對流量Q/Qmax 是控制閥某一開度流量Q與全開時流量Qmax之比； 相對開度l

5、/L 是控制閥某一開度行程l與全開行程L之比。,調(diào)節(jié)閥的流量特性不僅與閥門的結(jié)構(gòu)和開度有關(guān)，還與閥前后的壓差有關(guān)，必須分開討論。,為了便于分析，先將閥前后壓差固定，然后再引伸到實際工作情況，于是有固有流量特性與工作流量特性之分。 1、固有（理想）流量特性 在將控制閥前后壓差固定時得到的流量特性稱為固有流量特性。它取決于閥芯的形狀。,對數(shù)特性,（1）直線流量特性 控制閥的相對流量與相對開度成直線關(guān)系，即單位位移變化所引起的流量變化是常數(shù)。用數(shù)學(xué)式表示為：,(l / L) /%,R 調(diào)節(jié)閥的可調(diào)比系數(shù)。,控制閥的可調(diào)比,控制閥的可調(diào)比就是控制閥所能控制的最大流量與最小流量之比?？烧{(diào)比也稱為可調(diào)范圍

6、，用R表示。,1.理想可調(diào)比 當(dāng)控制閥上壓差一定時，這時的可調(diào)比稱為理想可調(diào)比。 2.實際可調(diào)比 控制閥在實際工作時，與管路系統(tǒng)相串聯(lián)或與旁路閥相并聯(lián)，此時的可調(diào)比就稱為實際可調(diào)比。,其中Qmin不是指閥門全關(guān)時的泄漏量，而是閥門能平穩(wěn)控制的最小流量，約為最大流量的24%一般閥門的可調(diào)比R=30。,R = Qmax / Qmin,直線閥的流量放大系數(shù)在任何一點上都是相同的。,1.理想可調(diào)比,（2）對數(shù)（等百分比）流量特性 單位相對行程變化所引起的相對流量變化與此點的相對流量成正比關(guān)系：,曲線斜率（放大系數(shù)）隨行程的增大而增大。開度小時，流量變化?。婚_度大時，流量變化大。,（4） 拋物線流量特性

7、,特性曲線為拋物線，介于直線和對數(shù)曲線之間，使用較少。,（3）快開特性,開度較小時就有較大流量，隨開度的增大，流量很快就達到最大，故稱為快開特性。適用于迅速啟閉的切斷閥或雙位控制系統(tǒng)。,2、調(diào)節(jié)閥的工作流量特性 實際使用時，調(diào)節(jié)閥裝在具有阻力的管道系統(tǒng)中。管道對流體的阻力隨流量而變化，閥前后壓差也是變化的，這時流量特性會發(fā)生畸變。 例：管道串聯(lián)時的工作流量特性 如圖，管道系統(tǒng)總壓力P等于管路系統(tǒng)的壓降PG與控制閥的壓降PT之和。,從串聯(lián)管道中調(diào)節(jié)閥兩端壓差PT的變化曲線可看出，調(diào)節(jié)閥全關(guān)時閥上壓力最大，基本等于系統(tǒng)總壓力；調(diào)節(jié)閥全開時閥上壓力降至最小。 為了表示調(diào)節(jié)閥兩端壓差PT的變化范圍，以

8、閥權(quán)度s表示調(diào)節(jié)閥全開時，閥前后最小壓差PTmin與總壓力 P之比。,s =PTmin / P,(1)串聯(lián)管道時的可調(diào)比,Pmax為控制閥全關(guān)時閥前后的壓差（近似等于系統(tǒng)的總壓差）； Pmin為控制閥全開時閥前后的壓差； S為控制閥全開時閥前后壓差與系統(tǒng)總壓差之比,(2)并聯(lián)管道時的可調(diào)比 （課外）,流量特性畸變：,以Qmax表示串聯(lián)管道阻力為零時(s=1)，閥全開時達到的最大流量?？傻么?lián)管道在不同s值時，以自身Qmax作參照的工作流量特性。,結(jié)論 串聯(lián)管道使調(diào)節(jié)閥的流量特性發(fā)生畸變。 串聯(lián)管道使調(diào)節(jié)閥的流量可調(diào)范圍降低，最大流量減小。 串聯(lián)管道會使調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)減小，調(diào)節(jié)能力降低，s值低

9、于0.3時，調(diào)節(jié)閥能力基本喪失。,3. 調(diào)節(jié)閥流量特性的選擇 保證控制品質(zhì)的重要因素之一是：保持控制系統(tǒng)的總放大倍數(shù)在工作范圍內(nèi)盡可能恒定。,有的被控對象的放大倍數(shù)，在不同的工藝點不同。,很多對象在工作區(qū)域內(nèi)穩(wěn)態(tài)放大倍數(shù)K不是常數(shù)，在不同的工藝負(fù)荷點，K不相同。因此希望調(diào)節(jié)閥的流量特性能補償對象的靜特性。,（1）若調(diào)節(jié)對象的靜特性是非線性的，工藝負(fù)荷變化又大，用對數(shù)特性補償。,（3）配管阻力大、s值低，對數(shù)閥會畸變成直線閥。,（2）若調(diào)節(jié)對象的靜特性是線性的，或工藝負(fù)荷變化不大，用直線閥。,4. 調(diào)節(jié)閥口徑的選擇,為保證工藝的正常進行，必須合理選擇調(diào)節(jié)閥的尺寸。如果調(diào)節(jié)閥的口徑選得太大，使閥門

10、經(jīng)常工作在小開度位置，造成調(diào)節(jié)質(zhì)量不好。如果口徑選得太小，閥門完全打開也不能滿足最大流量的需要，就難以保證生產(chǎn)的正常進行。,調(diào)節(jié)閥的口徑?jīng)Q定了調(diào)節(jié)閥的流通能力。 調(diào)節(jié)閥的流通能力用流量系數(shù)C值表示。,流量系數(shù)C的定義： 在閥兩端壓差100kPa，流體為水（103Kgm3）的條件下，閥門全開時每小時能通過調(diào)節(jié)閥的流體流量（m3 /h）。 例如，某一閥門全開、閥兩端壓差為100kPa時，流經(jīng)閥的水流量為20 m3 /h，則該調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)為：C=20。,在調(diào)節(jié)閥技術(shù)手冊上，給出了各種閥門的口徑和流通能力 C ，供用戶查閱。,將流量系數(shù)的定義條件代入基本流量公式：,實際應(yīng)用中閥門兩端壓差不一定是1

11、00kPa，流經(jīng)閥門的流體也不一定是水，因此必須換算。,（1）液體流量系數(shù)C值的計算 根據(jù)基本流量公式,兩式相除得,（2）氣體、蒸汽C值的計算 氣體、蒸汽都具有可壓縮性，其C值的計算必須考慮氣體的可壓縮性和二相流問題，計算時進行相應(yīng)的修正。,根據(jù)實際的工藝流量和管道壓力換算出C值后，查閥門手冊確定口徑。,例 某供暖系統(tǒng)，流過加熱盤管的水流量為Q=31m3/h熱水為80，Pm-Pr=1.7100kPa，所裝閥門取多大？ 解：Pm-Pr是管網(wǎng)入口壓差，設(shè)配管S=0.50.7，,P=（0.50.7）1.7100kPa 100kPa,80熱水的密度=971Kg/m3,代入,得C31 ，取標(biāo)準(zhǔn)C=32在

12、此檔中，選取和管道直徑相配的口徑。,返回,4.1.1.3、儀表知識一執(zhí)行器的選擇,（1）調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)的選擇； （2）執(zhí)行機構(gòu)的作用方式； （3）調(diào)節(jié)閥流量特性的選擇； （4）調(diào)節(jié)閥口徑的選擇。,執(zhí)行器的選擇，主要是從以下四方面考慮：,4.1.1.4、調(diào)節(jié)閥的在線選擇（課外）,1、在線計算工具,有些廠家網(wǎng)站上提供了調(diào)節(jié)閥的在線計算服務(wù)，設(shè)計者只要將有關(guān)數(shù)據(jù)、方法選擇正確，就能得到相應(yīng)的結(jié)果。,選擇公式,計算公式,2、調(diào)節(jié)閥的在線選擇,3、動筆做做,在某系統(tǒng)中，擬選擇一臺氣動調(diào)節(jié)閥，工藝流程圖如圖所示。根據(jù)工藝要求，最大流量為Qmax=100m3/h，最小流量Qmin=30m3/h，閥前壓力p1=8

13、00kPa，最小壓差為pmin = 60kPa，最大壓差pmax =500kPa。被調(diào)介質(zhì)是水，水溫為18，安裝時初定管道直徑為125mm，閥阻比S = 0.5。現(xiàn)根據(jù)工藝需要和控制要求，填寫一份調(diào)節(jié)閥的訂貨選擇單。,將420mA的電流信號轉(zhuǎn)換成20100KPa的標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號。,4.1.2 電/氣轉(zhuǎn)換器,為了使氣動調(diào)節(jié)閥能夠接收電動調(diào)節(jié)器的輸出信號，必須把標(biāo)準(zhǔn)電流信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號。,電/氣轉(zhuǎn)換器作用：,4.1.3 閥門定位器 氣動調(diào)節(jié)閥中，閥桿的位移是由薄膜上氣壓推力與彈簧反作用力平衡確定的。 為了防止閥桿處的泄漏要壓緊填料，使閥桿摩擦力增大，且個體差異較大，這會影響輸入信號P的執(zhí)行精度

14、。,解決措施 在調(diào)節(jié)閥上加裝閥門定位器，引入閥桿位移負(fù)反饋。使閥桿能按輸入信號精確地確定自己的開度。,4.1.4 電動執(zhí)行器,電動執(zhí)行機構(gòu)由伺服放大器和執(zhí)行機構(gòu)兩部分組成。執(zhí)行機構(gòu)又包括兩相伺服電動機、減速器和位置發(fā)送器,伺服放大器：前置磁放大器、觸發(fā)器，可控硅主回路及電源等部分。 作用：綜合輸入信號和反饋信號，并將該結(jié)果信號加以放大，使之有足夠大的功率來控制伺服電動機的轉(zhuǎn)動。 根據(jù)綜合后結(jié)果信號的極性，放大器應(yīng)輸出相應(yīng)極性的信號，以控制電動機的正、反運轉(zhuǎn)。,1.伺服放大器,操作器：是用來完成手動自動之間的切換、遠方操作和自動跟蹤無擾動切換等任務(wù),2.執(zhí)行機構(gòu),伺服電機：是執(zhí)行機構(gòu)的動力部分,

15、減速器 ：將高轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)矩變成低轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩,位置發(fā)送器：根據(jù)差動變壓器的工作原理，利用輸出軸的位移來改變鐵芯在差動線圈中的位置，以產(chǎn)生反饋信號和位置信號。,小結(jié),結(jié)構(gòu),工作原理,電動執(zhí)行器,電/氣閥門定位器,電/氣轉(zhuǎn)換器,調(diào)節(jié)閥的 選擇與計算,調(diào)節(jié)閥的流量特性,調(diào)節(jié)閥的流通能力,調(diào)節(jié)閥的作用方向,氣動執(zhí)行器,4.2 防爆柵,在大氣條件下，氣體蒸汽、簿霧、粉塵或纖維狀的易燃物質(zhì)與空氣混合，點燃后燃燒將在整個范圍內(nèi)傳播的混和物，稱為爆炸性混合物 含有爆炸性混合物的環(huán)境，稱為爆炸性環(huán)境。按爆炸性混合物出現(xiàn)的頻度、持續(xù)時間和危險程度，又可將危險場所劃分成不同級別的危險區(qū) 安裝在這類場所的檢測儀表和執(zhí)

16、行器，如果產(chǎn)生的火花具有點燃這些危險混合物的能量，則產(chǎn)生火災(zāi)或爆炸。,防爆儀表類型,傳統(tǒng)防爆儀表（結(jié)構(gòu)防爆） 基本思想結(jié)構(gòu)隔離，將可能產(chǎn)生危險火花的電路與易燃易爆氣體隔離 安全火花防爆儀表（本質(zhì)安全防爆儀表） 基本思想限制能量，把各種狀態(tài)下可能產(chǎn)生的火花能量都限制在易燃易爆氣體的點火能量以下，即使產(chǎn)生了火花也不會爆炸,防爆柵（又稱安全柵）是防止危險電能從控制系統(tǒng)信號線進入現(xiàn)場儀表的安全保護器。,安全火花防爆儀表只能保證本儀表內(nèi)部不發(fā)生危險火花，對其它儀表通過信號線傳入的能量是否安全則無法保證。如果在與其它儀表的電路連線之間設(shè)置防爆柵，防止危險能量進入，則完全做到了安全火花防爆。,防爆柵,構(gòu)成安

17、全火花防爆系統(tǒng)的充要條件： 在危險現(xiàn)場使用的儀表必須是安全火花防爆儀表(本安儀表)。 現(xiàn)場儀表與危險場所之間的電路連接必須經(jīng)過防爆柵。 從現(xiàn)場儀表到防爆柵的連接線不得形成大的分布電容和電感。,對于類電氣設(shè)備，電路電壓限制在30VDC時，各種爆炸性混合物按最小引爆電流分為三級。,爆炸性混合物的最小引爆電流,不同的危險等級對電氣設(shè)備的防爆要求不同，煤礦井下用電氣設(shè)備屬類設(shè)備；有爆炸性氣體的工廠用電氣設(shè)備屬類設(shè)備；有爆炸性粉塵的工廠用電氣設(shè)備屬類設(shè)備。,防爆柵是傳遞正常信號、阻止危險能量通過的保險器件。包括：電阻式、齊納式、隔離式。 、電阻式防爆柵 在信號通路上串聯(lián)一定電阻，起限流作用，可稱作電阻式

18、安全柵。其缺點是正常信號也衰減，且防爆定額低。,如熱電偶溫度變送器的輸入端,4.2.1 防爆柵原理,存在的問題：,有兩點以上接地，會造成信號通過大地短路或形成干擾（除安全柵接地外，相連儀表也有接地）,R1、R2對儀表正常的工作仍有影響，阻值過大影響儀表的恒流特性，過小起不到限流作用。,基本設(shè)想：用二極管VD1、VD2進行限壓，用電阻R1、R2及熔斷絲F進行限流。,4.2.3.1 齊納式安全柵,（2）由VD1VD4和F1 F2組成限壓電路。背靠背的齊納管中點接地，改直接接地為保護時接地。,（1）用晶體管限流電路取代固定電阻。VT3工作于零偏壓，作為恒流源向VT1提供足夠的基極電流，保證信號在42

19、0mA范圍內(nèi)VT1處于飽和狀態(tài)。,改進后的齊納式安全柵,正常時VT1飽和導(dǎo)通 VR1 = 0.1 0.5V VT2不通,過流時VR 1 0.6V VT2導(dǎo)通，分流VT3的電流, VT1退飽和 Vce1呈現(xiàn)較高的電阻,要求快速熔斷絲熔斷時間1mS,工作原理,過壓時VD1 VD4中至少有一個被擊穿，限壓并接地,4.2.3.2 隔離式安全柵 用變壓器作為隔離元件，分別將輸入、輸出和電源進行隔離，可以對二線制變送器進行隔離供電。因而分檢測端安全柵和執(zhí)行端安全柵。 1 檢測端安全柵 檢測端安全柵在向變送器提供電源的同時，將變送器的測量信號經(jīng)隔離變壓器傳給控制室儀表。,檢測端防爆柵是一個傳遞系數(shù)為1的傳送器，電源、變壓器、控制室儀表之間用磁耦合，電路上是隔離的。簡化原理圖如圖所示。,（2）晶體管限壓限流電路 串聯(lián)使用了兩套完全相同的限壓限流電路：VT3、VT4和VD15；VT5、VT6和VD16。 正常工作時VT4、VT6飽和，VT3、VT5截止。, 電源出現(xiàn)過電壓 VD15擊穿（30V） , VT3飽和,Vce30 ,分流,VT4截止，高阻抗,VAB 限壓,晶體管限壓限流電路原理, 變送器出現(xiàn)過電流,信號電流大于25mA， VR6 0.6V,VT3導(dǎo)通，分流,VT4退飽和，高阻抗,Vce4 限流,（2）執(zhí)行端防爆柵 用于控制室