化工仪表自动化 第5章_过程执行仪表

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1、1 书名:过程控制系统及仪表(第3版) 出版社: 大连理工大学出版社; 第3版 (2010年7月1日) 编著者：李亚芬；主审：邵诚, 丛书名: 高等学校理工科化学工类规划教材 平装: 259页; 语种: 简体中文 开本: 16 ISBN: 9787561115015, ISBN：7-5611-1501-6 条形码: 9787561115015 尺寸: 25.6 x 18.2 x 1.2 cm 重量: 522 g 原价:25.00元 2 课程小结 过程执行仪表： o 了解执行器的基本组成； o 掌握气动执行器的气开、气关概念； o 理解控制阀的流量系数、可调比和流量 特性的概念； o 了解电气转

2、化器，阀门定位器的作用。 3 第5章 过程执行仪表 5-1 概述 o 过程执行仪表，简称执行器。 o 执行器是自动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。 o 在连续生产过程中，使用最多的 执行器就是各种调节阀。 4 p 执行器由执行机构和调节机构 组成。 p执行机构：是执行器的推动装 置，根据控制信号的大小，产生 相应的推力或扭矩，从而使调节 机构产生相应的开度变化。 p调节机构：是执行器的调节部 件，直接与被控介质接触，当其 开度发生变化时，被控介质流量 将被改变，从而实现自动控制。 5 p 执行器

3、的分类：执行器按其所使用的能源，可分 为： 气动执行器； 电动执行器； 液动执行器。 p 在实际应用中，使用最多的是气动执行器，其次 是电动执行器，最少的是液动执行器。 p 气动执行器是以压缩空气为能源的执行器。使用 最多的是气动薄膜执行器，如图所示。 6 这类执行器具有 结构简单、动作 可靠、安装方便 及本质防爆等特 点，而且价格较 为便宜。 气动薄膜执行器 由气动薄膜执行 机构和调节机构 两部分构成。 7 p 电动执行器是以电为能源的执行器。 与气动执行器比较，具有能源取用方便、信 号传输速度快、传递距离远、灵敏度及精度 高等特点。 结构复杂、不易于维护、防爆性能不如气动 执行器。 p液动

4、执行器是以加压液体为能源的执行器，使用 较少。 8 5-2 执行机构 一、气动执行机构 p气动执行机构分类： 薄膜式执行机构 活塞式执行机构 长行程执行机构 滚筒膜片式执行机构 9 1、薄膜执行机构 p 执行机构按动作方 式可分为正作用和 反作用： 输入信号增大， 阀杆下移，为正作 用阀； 输入信号增大， 阀杆上移，为反作 用阀。 10 输入信 号增大 ，阀杆 下移， 为正作 用阀； 输入信号 增大，阀 杆上移， 为反作用 阀。 11 气动薄膜调节阀输入与输出关系表示为： p薄膜执行机构工作原理： 工作原理：行程与输入气压信号成正比。 12 2、活塞式执行机构 p活塞式执行机构的最大操作压力可

5、达500kPa， 因此具有较大的推力。主要做大口径、高静压、 高压差阀和蝶阀等的推动装置。 p活塞式执行机构的结构如图所示。 13 p活塞式执行机构 正作用 反作用 14 二、电动执行机构 p电动执行机构按其输出形式可分为角行程和直行程 执行机构两大类。 p角行程将控制信号转换为输出轴的转角输出。 p直行程将控制信号转换为输出轴的直线位移输出。 15 o 角行程电动执行机构原理 电动执行机构由伺服放大器和执行机构两部分组成。执行 机构又包括两相伺服电动机、减速器和位置发送器。 16 5-3 调节机构 p 调节机构，也称作阀组件 ，简称为阀，是一个局部 阻力可以改变的节流部件 。 p 调节机构是

6、按照节流原理 来工作的。 阀 17 o 阀的流量特性方程可表示为： o 调节流量原理： 当阀结构确定，接管截面积 也一定，并假设阀前后压差 （p1-p2）不变时，流过 阀的流量Q仅随阻力系数变 化。阀芯与阀座之间的流通 截面积发生变化，改变了阀 的阻力系数。 当阀开度增大时，阻力 系数减小，流量Q增大； 当阀开度减小时，阻力 系数增大，流量Q减小。 18 1、直通双座阀 阀体内有两个阀芯和 两个阀座。 19 阀芯可以正装或者 反装，如图所示。 正装：阀芯下移， 流通面积减小； 反装：阀芯下移， 流通面积增大 20 p气开：是指随着执行器输入信号的增大，阀的流通 截面积也增大； p气关：是指随着

7、执行器输入信号的增大，阀的流通 截面积减小。 利用执行机构的正、反作用和调节机构阀芯的正、反 装来实现执行器的气开或气关。有四种组合方式，如 图所示。 气开、气关概念 21 四种组合 反作用反作用正作用正作用 气关式气关式气开式气开式 反装阀反装阀 正装阀 正装阀 P入 P入 P入 P入 Q Q Q Q 22 2、直通单座阀 只有一个阀芯和一个阀 座，其他结构与直通双 座阀相似。 23 3、其他结构形式的调节机构 24 二、流量系数 p流量系数的定义：在给定行程下，阀前后压差为 100kPa，流体的密度为1000kg/m3的条件下，每 小时流经阀的流体流量数。通常用Kv来表示。 p在工程中，常

8、以阀全开时的最大流量系数Kmax 来表示Kv值，称为额定流量系数。 例：阀标注的Kv为20，则表示阀全开且阀前后压 差为100kPa时，每小时能通过的纯水量为20m3 25 在实际应用时，A的单位通常取cm2，p1，p2的单位取 kPa，Q的单位为m3/h，其它不变。 p流量方程与流量系数的关系 26 o 可调比:指阀所能控制的最大流量与最小流量 之比。 o 通常，可调比用 R 表示，即： 三、可调比 27 1、理想可调比：阀前后压差不变时。 理性可调比等于最大流量系数与最小流量系数之比。 统一设计时，R=30 28 2、实际可调比 p阀在实际使用时常与管道串联或者与旁路系统并联 ，压差变化，

9、此时的可调比称为实际可调比。用Rr 表示。 串联管道系统可调比 并联管道系统可调比 29 p对于串联管道系统可调比： p1min：阀在最大开度时的阀前后压差； p1max：阀在最小开度时的阀前后压差； 30 S为阀全开时，阀前后压差与 系统总压差之比，所以： 结论：随着S的减小，实际可 调比将减小，阀的控制能力将 下降。 阀在最小开度时的阀前后压差 p1max，约等于总压差p； 令： 31 p 对于并联管道系统可调比： Q1max，Q1min：阀能控制的最大，最小流量； Q2：旁路流量； 总管最大流量Qmax: 32 x为控制阀全开时，流经阀的 最大流量与总管流量之比。 结论：随着x的减小，实

10、际可 调比将大大减小，阀的控制能 力将下降。 令： 33 四、流量特性 o 阀的流量特性:是指介质流过阀的相对流量与阀芯 相对位移之间的关系。即: 34 1理想流量特性 理想流量特性：阀前后压差不变时的流量特性，称为 理想流量特性； p 理想流量特性主要有直线、等百分比（对数 ）、抛物线和快开四种。 uK 阀的放大系数； un 常数，流量特性不同， n 取值不同。 35 (1)直线流量特性（n=0） p直流流量特性指阀的相对流量与阀芯相对位移成直 线关系。 即： 对上式积分，代入边界条件（ l=0 时，Q =Q min；l = L 时， Q = Qmax）， R = QmaxQmin,则可得：

11、 36 上式表明 Q / Qmax与 l / L 呈直线关系 ,故称为直线流 量特性。特性曲线如下图中 所示： 37 直线阀特点： 线性阀的放大系数不变。 线性阀在小开度时，灵敏度高，调节作用强 ，易产生振荡；在大开度时，灵敏度低，调节 作用弱，调节缓慢。 38 （）对数流量特性（n=1） p等百分比流量特性，是指阀的单位相对位移变化引 起的相对流量变化与此点的相对流量成正比，即： 对上式积分，代入边界条件（ l=0 时，Q =Q min；l = L 时， Q = Qmax）， R = QmaxQmin,则可得： 39 上式表明 Q / Qmax 与 l / L 之间为对数关系，故 也称为对数

12、流量特性。特性曲线如图中2所示。 40 对数阀的特点： o 等百分比阀在小开度时，阀的放大系数小，调节平 稳；在大开度时，放大系数大，调节灵敏。 o 相同位移变化所引起的流量变化百分比总是相等的 。因此，这种阀的调节精度在全行程范围内是不变 的。 41 2工作流量特性 工作流量特性：阀前后压差变化时的流量特性， 称为工作流量特性。 o 在实际工作中，阀是安装在工艺管道系统中的， 阀前后压差通常是变化的。有时安装要求有旁路 阀，这就会影响到调节阀所能控制的总流量。 o 在这种情况下,阀相对位移与相对流量之间的关 系称为工作流量特性。 42 （1）串联管道的工作流量特性 定义：s为阀全开时阀前后压

13、差与系统总压差之比 ， S = p1min p 43 s值不同时流量特性如图所示。 串联管道将使阀的流量特性发生畸变，s值越小，情况越严重 。 实际s值不能太小，要求s值不低于 0.3 。 s值减小 44 (2) 并联管道工作流量特性 定义：x 为管道并联时阀全开流量与总管最大流量之 比，即 x =Q1max/ Qmax 45 x 值不同时的工作流量特性如图所示。 随着旁路阀开启，阀本身流量特性变化不大。 一般要求x 值不能低于 0.8 。 46 结论： o 串联和并联管道的存在会对阀的理想流量特 性产生影响，串联管道影响更大。 o 串联和并联管道的存在会使阀的可调比下降 ，并联管道影响更严重

14、。 o 串联和并联管道的存在对系统的总流量有影 响，串联管道使系统总流量减小，并联管道 使系统总流量增大。 47 p1. 电-气转换器 电气转换器是将电动仪表的直流信号转换成气动仪表的气 动信号。 例：将调节器输出的直流信号420mA转换成 0.020.1mpa气动信号。 5-4 电气转换器和阀门定位器 48 2. 电-气阀门定位器 p 阀门定位器与执行器配套，接受控制器的信号 ，输出去控制执行器。 p 作用： 一是将电流信号转换成气压信号； 二是可保证阀门的正确定位。 49 50 内容简介 过程控制系统及仪表(第3版)内容简介： 过程控制系统的理论分析和设计需要较 多的数学知识，自动化仪表在

15、设计制造 方面也有许多技术问题值得探讨。但是 ，对于工艺技术人员来说，主要关心的 问题是控制系统和仪表的基本原理及其 应用特性。因此，过程控制系统及仪 表(第3版)尽量避免繁杂的数学推导 ，力求用简明扼要的文字和插图使读者 对所学知识有更多的定性了解，通俗易 懂，这是过程控制系统及仪表(第3版 )的另一个特色。 过程控制系统和仪表涉及的领域十分广 阔，研究内容也极其丰富。本着理论联 系实际、学以致用的原则，过程控制 系统及仪表(第3版)在取材方面，不 追求包罗万象、面面俱到，而是力争把 最基本、最常用的内容都包含进来。突 出重点，注重实用是过程控制系统及 仪表(第3版)的第三个特色。 第3版 2010-07 第2版 出版日期： 2006-08-01 51 目录 第1篇 过程控制基础知识 第1章 绪论 1.1 生产过程自动化概述 1.1.1 生产过程及其特点 1.1.2 生产过程对控制的要求 1.1.3 生产过程自动化的发展历程 1.2 过程控制系统的组成及分类 1.2.1 过程控制系统的组成 1.2.2 过程控制系统的分类 1.3 过程控制系统的方块图与工艺控制流程图 1.3.1 过程控制系统的方块图 1.3.2 过程控制系统的工艺控制流程图 1.4