{职业发展规划}过程仪表第7章执行器

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1、第七章 执行器 7.1 慨述,执行器是自动控制系统中的重要组成部分，它将控制器送来的控制信号转换成执行动作，从而操纵进入设备的能量，将被控变量维持在所要求的数值上或一定的范围内。 执行器有自动调节阀门、自动电压调节器、自动电流调节器、控制电机等。其中自动调节阀门是最常见的执行器，种类繁多。,执行器的作用：在自动控制系统中，接受调节器的控制信号，自动地改变操作变量，达到对被控参数（如温度压力液位等）进行调节的目的。使生产过程按预定要求正常运行。 执行器由执行机构和调节机构组成。执行机构是产生推力或位移的部分，调节机构是指直接改变能量或物料输送量的装置，通常称为调节阀或阀门。 按执行机构使用的工作

2、能源分为三类：气动执行,器，电动执行器，液压执行器（液压执行器使用很少）。 1）气动执行器是以压缩空气为能源的执行器。主要特点是：输出推力大，本质安全防爆，维护方便，便宜等。缺点是需要压缩空气系统，灵敏度和精度差，滞后大，不宜远传（150m以内）。 2）电动执行器是以电为能源的执行器：主要特点是： 能源取用方便，便于集中控制，停电时执行器保持原位不动，不影响设备安全，灵敏度和精度高，和电动控制仪表配合方便。缺点是结构复杂，体积大，推力小，价格贵。,7.2 普通执行器和手操器 气动执行器 它又称为气动调节阀，气动调节阀是由气压信号控制的阀门。主要包括：气动执行机构和调节机构(阀）两个组成部分，如

3、图所示。上部为执行机构，下部为调节机构。 1. 气动执行机构,执行机构按调节器输出的控制信号，驱动调节机构动作。气动执行机构的输出方式有角行程输出和直行程输出两种。,气动薄膜室,推杆,阀门,阀位指示标牌,阀杆,直行程输出的气动执行机构有两类：薄膜式和活塞式 薄膜式是用弹性膜片将输入气压转换为推杆的推力，通过推杆使阀芯产生相应的位移，改变阀门开度。,气动活塞式执行机构,薄膜式执行机构,活塞式是以汽缸内的活塞输出推力，由于汽缸允许压力较高，可以获得较大的推力，容易制成长行程的执行机构。 以薄膜式执行机构为例，如图所示。,其上部是气动薄膜执行机构，它接受0.2*105pa1.0*105pa(20Kp

4、a100Kpa)的标准压力信号，将其转换为推力。其输出是位移量，它们之间的关系为：PA=KL 式中P：通入气室的信号压力， A：为薄膜片的有效面积， K：弹簧的刚度（弹性系数）， L：为推杆的位移 L=AP/K 表明对于确定的执行机构，A和K为常数，推杆位移量L和输入信号压力成正比。,其工作过程为：当压力信号通入薄膜气室时，压力乘有效面积产生推力，使推杆移动，压缩弹簧，弹簧产生反作用力与薄膜上的推力相平衡为止。信号压力推力推杆位移弹簧压缩量弹簧反作用力。 推杆位移范围就是执行机构的行程。推杆位移从0 全行程，阀门开度就从全开（全关）到全关（全开），气关式（气开式）。 阀门定位器是气动执行器的主

5、要附件，它与气动执行机构配套使用，接受调节器的输出信号，然后产生和调节器输出信号成比例的输出信号控制气动执行器。,2调节机构 调节机构就是阀门，如图所示。主要包括：推杆，阀体，阀芯，阀座等。是一个局部阻力可以改变的节流元件。,阀芯在阀体内上下移动，可以改变阀芯和阀座之间的流通面积，控制通过的流量。,从流体力学的观点，调节阀是一个局部阻力可以变化的节流元件。对于不可压缩的流体，由能量守恒原理可以推导出调节阀的流量方程式为：,当A一定，（p1p2）不变时，流量仅随阻力系数变化。阻力系数主要与流通面积（阀门开度）有关，也与流体的性质和流动状态有关。调节阀阻力系数的变化是通过阀芯行程的改变来实现的。即

6、改变开度就改变，达到调节Q的目的。（开度 Q ） 根据不同的使用要求，调节阀的结构形式有多种多样，如：直通单座阀，直通双座阀，角型阀，高压阀，蝶阀，球阀，隔离阀，三通阀等。,（1） 直通单座阀,流体对阀芯的不平衡作用力大。一般用在小口径、低压差的场合。,结构简单、泄漏量小。,阀门中的柱式阀芯可以正装，也可以反装。,正装阀,阀芯下移时，阀芯与阀座间的流通截面积增大,反装阀,阀芯下移时，阀芯与阀座间的流通截面积减小,（2） 直通双座阀 阀体内有两个阀芯和阀座。 流体流过时，作用在上、下两个阀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，上下两个阀芯阀座不易保证

7、同时密闭，因此泄漏量较大。,（3）角形控制阀 两个接管呈直角形，一般为底进侧出，这种阀的流路简单、对流体的阻力较小。,适用于现场管道要求直角连接，介质为高粘度、高压差和含有少量悬浮物和固体颗粒状的场合。,（4） 三通控制阀 有三个出入口与工艺管道连接。流通方式有合流型（两种介质混合成一路）和分流型（一种介质分成两路）两种。适用于配比控制与旁路控制。,（5）隔膜控制阀 采用耐腐蚀材料作隔膜，将阀芯与流体隔开。,结构简单、流阻小、流通能力比同口径的其他种类的阀要大。由于介质用隔膜与外界隔离，故无填料，介质也不会泄漏。 耐腐蚀能力强，适用于强酸、强碱、强腐蚀性介质的控制，也能用于高粘度及悬浮颗粒状介

8、质的控制。,适用于大口径、大流量、低压差的场合，也可以用于含少量纤维或悬浮颗粒状介质的控制。,（6）蝶阀 又名翻板阀。 结构简单、重量轻、流阻极小，但泄漏量大。,（7） 球阀 阀芯与阀体都呈球形体，阀芯内开孔。转动阀芯使之与阀体处于不同的相对位置时，就有不同的流通面积。,流量变化较快，可起控制和切断的作用，常用于双位式控制。,（8）笼式阀 阀内有一个圆柱形套筒（笼子）。套筒壁上有一个或几个不同形状的孔（窗口），利用套筒导向，阀芯在套筒内上下移动，改变阀的节流孔面积。,可调比大，不平衡力小，更换开孔不同的套筒，就可得到不同的流量特性。但不适于高粘度或带有悬浮物的介质流量控制。,（9）凸轮挠曲阀

9、又名偏心旋转阀。其阀芯呈扇形球面状，与挠曲臂及轴套一起铸成，固定在转动轴上。,阀芯球面与阀座密封圈紧密接触，密封性好。适用于高粘度或带有悬浮物的介质流量控制。,调节阀除了结构类型的不同外，其它的主要技术参数是流量特性和口径。,3调节阀的选择 选用调节阀时，一般应考虑以下几个方面。 1调节阀结构的选择 通常根据工艺条件，如使用温度、压力，介质的物理、化学特性（如腐蚀性、粘度等），对流量的控制要求等，来选择调节阀的结构形式。 例如，一般介质条件选用直通单座阀或直通双座阀；高压介质选用高压阀；强腐蚀介质采用隔膜阀等。,气动薄膜式隔膜阀,气动薄膜精 小型调节阀,气动薄膜三通调节阀,V型,O型,对夹薄型

10、,气动调节球阀,气动法兰调节蝶阀,气动对夹式调节蝶阀,气动精小型调节阀,2气开式与气关式的选择 气动调节阀在气压信号中断后阀门会复位。 无压力信号时阀全开，随着信号增大，阀门逐渐关小的称为气关式。反之，无压力信号时阀全闭，随着信号增大，阀门逐渐开大称的为气开式。 如气动薄膜调节阀的气开式与气关式：,例如： 选择蒸汽锅炉的控制阀门时，为保证失控状态下锅炉的安全： 给水阀应选气关式 燃气阀应选气开式,阀门气开气关式的选择原则： 当控制信号中断时，阀门的复位位置能使工艺设备处于安全状态。,3. 调节阀流量特性的选择 保证控制品质的重要因素之一是：保持控制系统的总放大倍数在工作范围内尽可能恒定。,有的

11、被控对象的放大倍数，在不同的工艺点不同。,如热水加热器的热水流量与送风温度的静特性,由图可见，随着热水流量增大，对送风的加热效果越来越差。因为热交换需要时间，热水很快流走，不能充分热交换所致。但若用蒸汽加热，由于冷凝放热很快，该特性为直线特性。,很多对象在工作区域内稳态放大倍数K不是常数，在不同的工艺负荷点，K不相同。因此希望调节阀的流量特性能补偿对象的静特性。,（1）若调节对象的静特性是非线性的，工艺负荷变化又大，用等百分比特性补偿。,（3）配管阻力大、s值低，等百分比阀会畸变成直线阀。,（2）若调节对象的静特性是线性的，或工艺负荷变化不大，用直线阀。,4. 调节阀口径的选择,为保证工艺的正

12、常进行，必须合理选择调节阀的尺寸。如果调节阀的口径选得太大，使阀门经常工作在小开度位置，造成调节质量不好。如果口径选得太小，阀门完全打开也不能满足最大流量的需要，就难以保证生产的正常进行。,调节阀的口径决定了调节阀的流通能力。 调节阀的流通能力用流量系数C值表示。,二. 电动执行器 它也是由执行机构(DZA)和调节机构两部分组成。其中调节机构和气动执行器是通用的，不同的只是电动执行机构，它用电动机产生推力启闭调节阀。,电动执行机构用控制电机作动力装置。输出形式有： 角行程：电机转动经减速器后输出。 直行程：电机转动经减速器减速并转换为直线位移输出。 多转式：转角输出，功率比较大，主要用来控制闸

13、阀、截止阀等多转式阀门。 这几种执行机构在电气原理上基本相同，只是减速器不一样。,相对气动、液动执行器而言，电动执行器主要有3点优势： (1)无需特殊的气源和空气净化等装置。即使电源失电时，也能保持原执行位置； (2)可远距离传输信号，电缆敷设比气管和液体管道敷设方便得多，且便于线路检查； (3)与计算机连接方便简洁，更适应采用电子信息新技术。,1. 电动执行器的组成,输入信号与位置反馈信号进行比较，将差值放大。,驱动 电机,经减速输出，带动阀门,直到位置发送器检测到的位置信号与输入信号相等时，放大器输出为零。,电动执行器原理方框图,它由三部分组成：伺服放大器(DFC)，电动操作器，执行机构。

14、 来自调节器的信号送到伺服放大器，与位置反馈信号相比较，其差值经放大后去控制伺服电动机正转或反转，经减速器使输出轴产生位移(直线或0 900)输出轴的位移又经位置发送器转换成420mA（010mA）信号，作为位置指示和反馈信号。反馈信号送到伺服放大器输入端。当反馈信号等于输入信号时，电动机停止转动。此时轴输出就稳定在与输入信号成比例的位置上，电动机也可以通过电动操作器进行手动操作。,2. 伺服放大器 它由前置磁放大器，触发器和以及晶体管主回路等组成。其框图如图所示。,3. 电动执行器的执行机构(DZA) 它由两相交流伺服电动机，位置发送器和减速器组成。 1）两相伺服电动机：是执行机构的动力部分

15、，它具有启动转矩大和启动电流较小的特点； 2）位置发送器：是差动变压器位移传感器，以产生反馈信号和位置信号； 3）减速器：由于电动机转速很高，输出轴全行程时间需25s，输出轴速度0.6r/min，因此电动机主输出轴间要有减速器，减速比为10001500,三. 手操作器 它主要实现手动操作，与调节器配合完成自动手动，也可以在控制系统出现故障或系统投运时用它进行手动遥控。 分为两类：Q型操作器和D型操作器（Q型与气动执行器配合使用， D型与电动执行器配合使用）。 Q型操作器在控制系统中的位置如图所示。来自调节器的信号420mA，经Q型操作器输送到电/气转换器，转换成气压信号20100Kpa，控制气

16、动执行器。,Q型操作器原理框图如图所示。它由可调恒流源和自动手动切换开关组成。 处于自动状态时，来自调节器的420mA的信号输入经mA表，再输出到电/气转换器，或电动执行器的输入阻抗。,处于手动时： 由操作器的可调恒流源向RL提供手动操作电流，其大小可由手动操作电位器调节，并由另一只电流表显示； 跟踪电压输出，向调节器中的积分电容两端提供直流跟踪电压，当调节器积分电容两端接收到跟踪电压后，调节器输出电流就跟随电压作相应改变，为手动自动无扰切换作准备。,跟踪触点接线端子，其作用是当操作器处于手动状态时，短接PID调节器的微分电阻RD。 手动自动，只要将调节器偏差值调节为0，即能进行切换（因为有跟踪电压输出）。 自动手动，先调手操作器，使手操作器输出电流与调节器输出电流相等，即能进行抗扰切换。,性能对比 ( 四大系列执行器 ),三、 电/气转换器,将420mA的电流信号转换成20100KPa的标准气压信号。,为了使气动调节阀能够接收电动调节器