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第4章執(zhí)行器及安全柵4 1執(zhí)行器執(zhí)行器是自動(dòng)控制系統(tǒng)中的重要組成部分 它將控制器送來(lái)的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成執(zhí)行動(dòng)作 從而操縱進(jìn)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(dòng)調(diào)節(jié)閥門 自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器 自動(dòng)電流調(diào)節(jié)器 控制電機(jī)等 其中自動(dòng)調(diào)節(jié)閥門是最常見(jiàn)的執(zhí)行器 種類繁多 自動(dòng)調(diào)節(jié)閥按照工作所用能源形式可分為 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥 電源配備方便 信號(hào)傳輸快 損失小 可遠(yuǎn)距離傳輸 但推力較小 氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 可靠 維護(hù)方便 防火防爆 但氣源配備不方便 液動(dòng)調(diào)節(jié)閥 用液壓傳遞動(dòng)力 推力最大 但安裝 維護(hù)麻煩 使用不多 工業(yè)中使用最多的是氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥 4 1 1氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥是由氣壓信號(hào)控制的閥門 氣動(dòng)薄膜室 推桿 閥門 閥位指示標(biāo)牌 閥桿 4 1 1 1氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)與分類氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu) 閥 兩部分組成 執(zhí)行機(jī)構(gòu)是推動(dòng)裝置 它是將信號(hào)壓力的大小轉(zhuǎn)換為閥桿位移的裝置 控制機(jī)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(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)按調(diào)節(jié)器輸出的控制信號(hào) 驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)動(dòng)作 氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)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(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)有兩類 氣動(dòng)活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu) 薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu) 1 直通單座閥 流體對(duì)閥芯的不平衡作用力大 一般用在小口徑 低壓差的場(chǎng)合 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 泄漏量小 2 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)就是閥門 是一個(gè)局部阻力可以改變的節(jié)流元件 根據(jù)不同的使用要求 閥門的結(jié)構(gòu)型式很多 正裝閥 閥芯下移時(shí) 閥芯與閥座間的流通截面積增大 閥門中的柱式閥芯可以正裝 也可以反裝 反裝閥 閥芯下移時(shí) 閥芯與閥座間的流通截面積減小 2 直通雙座閥閥體內(nèi)有兩個(gè)閥芯和閥座 流體流過(guò)時(shí) 作用在上 下兩個(gè)閥芯上的推力方向相反且大小相近 可以互相抵消 所以不平衡力小 但是 由于加工的限制 上下兩個(gè)閥芯閥座不易保證同時(shí)密閉 因此泄漏量較大 3 角形控制閥兩個(gè)接管呈直角形 一般為底進(jìn)側(cè)出 這種閥的流路簡(jiǎn)單 對(duì)流體的阻力較小 適用于現(xiàn)場(chǎng)管道要求直角連接 介質(zhì)為高粘度 高壓差和含有少量懸浮物和固體顆粒狀的場(chǎng)合 4 三通控制閥有三個(gè)出入口與工藝管道連接 流通方式有合流型 兩種介質(zhì)混合成一路 和分流型 一種介質(zhì)分成兩路 兩種 適用于配比控制與旁路控制 5 隔膜控制閥采用耐腐蝕材料作隔膜 將閥芯與流體隔開 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 流阻小 流通能力比同口徑的其他種類的閥要大 由于介質(zhì)用隔膜與外界隔離 故無(wú)填料 介質(zhì)也不會(huì)泄漏 耐腐蝕能力強(qiáng) 適用于強(qiáng)酸 強(qiáng)堿 強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)的控制 也能用于高粘度及懸浮顆粒狀介質(zhì)的控制 適用于大口徑 大流量 低壓差的場(chǎng)合 也可以用于含少量纖維或懸浮顆粒狀介質(zhì)的控制 6 蝶閥又名翻板閥 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 重量輕 流阻極小 但泄漏量大 7 球閥閥芯與閥體都呈球形體 閥芯內(nèi)開孔 轉(zhuǎn)動(dòng)閥芯使之與閥體處于不同的相對(duì)位置時(shí) 就有不同的流通面積 流量變化較快 可起控制和切斷的作用 常用于雙位式控制 8 籠式閥閥內(nèi)有一個(gè)圓柱形套筒 籠子 套筒壁上有一個(gè)或幾個(gè)不同形狀的孔 窗口 利用套筒導(dǎo)向 閥芯在套筒內(nèi)上下移動(dòng) 改變閥的節(jié)流孔面積 可調(diào)比大 不平衡力小 更換開孔不同的套筒 就可得到不同的流量特性 但不適于高粘度或帶有懸浮物的介質(zhì)流量控制 9 凸輪撓曲閥又名偏心旋轉(zhuǎn)閥 其閥芯呈扇形球面狀 與撓曲臂及軸套一起鑄成 固定在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上 閥芯球面與閥座密封圈緊密接觸 密封性好 適用于高粘度或帶有懸浮物的介質(zhì)流量控制 調(diào)節(jié)閥除了結(jié)構(gòu)類型的不同外 其它的主要技術(shù)參數(shù)是流量特性和口徑 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(duì)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(guò)閥門的相對(duì)流量與閥門的相對(duì)開度 相對(duì)位移 間的關(guān)系稱為調(diào)節(jié)閥的流量特性 Q Qmax 相對(duì)流量l L 相對(duì)開度 相對(duì)流量Q Qmax是控制閥某一開度流量Q與全開時(shí)流量Qmax之比 相對(duì)開度l 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(shí)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(shí)得到的流量特性稱為固有流量特性 它取決于閥芯的形狀 1 直線特性 2 等百分比特性 3 快開特性 4 拋物線特性 1 直線流量特性控制閥的相對(duì)流量與相對(duì)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) 可調(diào)比R為調(diào)節(jié)閥所能控制的最大流量與最小流量的比值 其中Qmin不是指閥門全關(guān)時(shí)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2 4 一般閥門的可調(diào)比R 30 R Qmax Qmin 控制力 閥門開度改變時(shí) 相對(duì)流量的改變比值 例如在不同的開度上 再分別增加10 開度 相對(duì)流量的變化比值為 10 時(shí) 20 10 10 100 100 50 時(shí) 60 50 50 100 20 80 時(shí) 90 80 80 100 12 5 直線閥的流量放大系數(shù)在任何一點(diǎn)上都是相同的 但其對(duì)流量的控制力卻是不同的 2 等百分比 對(duì)數(shù) 流量特性單位相對(duì)行程變化所引起的相對(duì)流量變化與此點(diǎn)的相對(duì)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 流量小時(shí) 流量變化小 流量大時(shí) 流量變化大 等百分比閥在各流量點(diǎn)的放大系數(shù)不同 但對(duì)流量的控制力卻是相同的 10 處 6 58 4 68 4 68 41 50 處 25 7 18 2 18 2 41 80 處 71 2 50 6 50 6 41 同樣以10 50 及80 三點(diǎn)為例 分別增加10 開度 相對(duì)流量變化的比值為 4 拋物線流量特性 特性曲線為拋物線 介于直線和對(duì)數(shù)曲線之間 使用較少 3 快開特性 開度較小時(shí)就有較大流量 隨開度的增大 流量很快就達(dá)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(shí)際使用時(shí) 調(diào)節(jié)閥裝在具有阻力的管道系統(tǒng)中 管道對(duì)流體的阻力隨流量而變化 閥前后壓差也是變化的 這時(shí)流量特性會(huì)發(fā)生畸變 例 管道串聯(lián)時(shí)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(shí)閥上壓力最大 基本等于系統(tǒng)總壓力 調(diào)節(jié)閥全開時(shí)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 以閥權(quán)度s表示調(diào)節(jié)閥全開時(shí) 閥前后最小壓差 PTmin與總壓力 P之比 s PTmin P 流量特性畸變 以Qmax表示串聯(lián)管道阻力為零時(shí) s 1 閥全開時(shí)達(dá)到的最大流量 可得串聯(lián)管道在不同s值時(shí) 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(huì)使調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)減小 調(diào)節(jié)能力降低 s值低于0 3時(shí) 調(diào)節(jié)閥能力基本喪失 4 1 1 2調(diào)節(jié)閥的選擇選用調(diào)節(jié)閥時(shí) 一般應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面 1 調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)的選擇通常根據(jù)工藝條件 如使用溫度 壓力 介質(zhì)的物理 化學(xué)特性 如腐蝕性 粘度等 對(duì)流量的控制要求等 來(lái)選擇調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)形式 例如 一般介質(zhì)條件選用直通單座閥或直通雙座閥 高壓介質(zhì)選用高壓閥 強(qiáng)腐蝕介質(zhì)采用隔膜閥等 V型 O型 對(duì)夾薄型 氣動(dòng)調(diào)節(jié)球閥 2 氣開式與氣關(guān)式的選擇氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥在氣壓信號(hào)中斷后閥門會(huì)復(fù)位 無(wú)壓力信號(hào)時(shí)閥全開 隨著信號(hào)增大 閥門逐漸關(guān)小的稱為氣關(guān)式 反之 無(wú)壓力信號(hào)時(shí)閥全閉 隨著信號(hào)增大 閥門逐漸開大稱的為氣開式 如氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥的氣開式與氣關(guān)式 例如 選擇蒸汽鍋爐的控制閥門時(shí) 為保證失控狀態(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(hào)中斷時(shí) 閥門的復(fù)位位置能使工藝設(shè)備處于安全狀態(tài) 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(duì)象的放大倍數(shù) 在不同的工藝點(diǎn)不同 如熱水加熱器的熱水流量與送風(fēng)溫度的靜特性 K 由圖可見(jiàn) 隨著熱水流量增大 對(duì)送風(fēng)的加熱效果越來(lái)越差 因?yàn)闊峤粨Q需要時(shí)間 熱水很快流走 不能充分熱交換所致 但若用蒸汽加熱 由于冷凝放熱很快 該特性為直線特性 很多對(duì)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(diǎn) K不相同 因此希望調(diào)節(jié)閥的流量特性能補(bǔ)償對(duì)象的靜特性 1 若調(diào)節(jié)對(duì)象的靜特性是非線性的 工藝負(fù)荷變化又大 用等百分比特性補(bǔ)償 3 配管阻力大 s值低 等百分比閥會(huì)畸變成直線閥 2 若調(diào)節(jié)對(duì)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(jìn)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(jìn)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 103Kg m3 的條件下 閥門全開時(shí)每小時(shí)能通過(guò)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(shí) 流經(jīng)閥的水流量為20m3 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(cè)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(shí)際應(yīng)用中閥門兩端壓差不一定是100kPa 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(jì)算根據(jù)基本流量公式 兩式相除得 2 氣體 蒸汽C值的計(jì)算氣體 蒸汽都具有可壓縮性 其C值的計(jì)算必須考慮氣體的可壓縮性和二相流問(wèn)題 計(jì)算時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的修正 根據(jù)實(shí)際的工藝流量和管道壓力換算出C值后 查閥門手冊(cè)確定口徑 例某供暖系統(tǒng) 流過(guò)加熱盤管的水流量為Q 31m3 h熱水為80 Pm Pr 1 7 100kPa 所裝閥門取多大 解 Pm Pr是管網(wǎng)入口壓差 設(shè)配管S 0 5 0 7 P 0 5 0 7 1 7 100kPa 100kPa 80 熱水的密度 971Kg m3 代入 得C 31 取標(biāo)準(zhǔn)C 32在此檔中 選取和管道直徑相配的口徑 將4 20mA的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成20 100KPa的標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號(hào) 4 1 2電 氣轉(zhuǎn)換器 為了使氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥能夠接收電動(dòng)調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào) 必須把標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號(hào) 電 氣轉(zhuǎn)換器作用 I 吸力Fi 杠桿偏轉(zhuǎn) 擋板與噴嘴間隙 背壓 放大器輸入 輸出壓力P 杠桿的反饋力Ff 杠桿平衡 P I 工作原理 4 1 3閥門定位器氣動(dòng)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(gè)體差異較大 這會(huì)影響輸入信號(hào)P的執(zhí)行精度 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(hào)精確地確定自己的開度 4 1 4電 氣閥門定位器實(shí)際應(yīng)用中 常把電 氣轉(zhuǎn)換器和閥門定位器結(jié)合成一體 組成電 氣閥門定位器 I 杠桿上端右移 擋板靠近噴嘴 P壓力 閥桿下移 反饋凸輪右轉(zhuǎn) 反饋彈簧右拉 杠桿平衡 氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥 氣動(dòng)調(diào)節(jié)蝶閥 4 1 5電動(dòng)調(diào)節(jié)閥電動(dòng)調(diào)節(jié)閥接受來(lái)自調(diào)節(jié)器的電流信號(hào) 閥門開度連續(xù)可調(diào) 電磁閥也接受來(lái)自調(diào)節(jié)器的電流信號(hào) 但閥門開度是位式調(diào)節(jié) 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 如直動(dòng)式電磁閥 線圈通電時(shí) 產(chǎn)生電磁力 吸引閥芯柱上移 閥門打開 線圈斷電后 電磁力消失 閥芯落下 在彈簧壓力下閥門緊閉 電磁閥是位式閥 只有全開和全關(guān)兩個(gè)位置 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥也由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥門兩部分組成 執(zhí)行機(jī)構(gòu)是調(diào)節(jié)閥的推動(dòng)裝置 它將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的動(dòng)力 帶動(dòng)控制機(jī)構(gòu)動(dòng)作 閥門是調(diào)節(jié)閥的控制機(jī)構(gòu) 它與氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的閥門是通用的 電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)用控制電機(jī)作動(dòng)力裝置 輸出形式有 角行程 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)減速器后輸出 直行程 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)減速器減速并轉(zhuǎn)換為直線位移輸出 多轉(zhuǎn)式 轉(zhuǎn)角輸出 功率比較大 主要用來(lái)控制閘閥 截止閥等多轉(zhuǎn)式閥門 這幾種執(zhí)行機(jī)構(gòu)在電氣原理上基本相同 只是減速器不一樣 電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 輸入信號(hào)與位置反饋信號(hào)進(jìn)行比較 將差值放大 驅(qū)動(dòng)電機(jī) 經(jīng)減速輸出 帶動(dòng)閥門 直到位置發(fā)送器檢測(cè)到的位置信號(hào)與輸入信號(hào)相等時(shí) 放大器輸出為零 電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)原理方框圖 4 1 5智能式調(diào)節(jié)閥隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展 微處理器也被引入到調(diào)節(jié)閥中 出現(xiàn)了智能式調(diào)節(jié)閥 主要功能如下 1 控制及執(zhí)行功能2 補(bǔ)償及校正功能3 通信功能4 診斷功能5 保護(hù)功能 智能電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 電動(dòng)小型調(diào)節(jié)閥 電動(dòng)直角調(diào)節(jié)閥 電動(dòng)雙座調(diào)節(jié)閥 電動(dòng)漿液閥 電動(dòng)刀型閘閥 電動(dòng)閘閥 小結(jié) 結(jié)構(gòu) 工作原理 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥 電 氣閥門定位器 電 氣轉(zhuǎn)換器 調(diào)節(jié)閥的選擇與計(jì)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(dòng)調(diào)節(jié)閥