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1、第第4 4章章 执行器和防爆栅执行器和防爆栅自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制第4章 执行器和防爆栅第第1 1部分部分-执行器执行器 执行器执行器n-是调节系统四个基本组成部分之一，形象称为自动化的手脚。是调节系统四个基本组成部分之一，形象称为自动化的手脚。n（四个基本组成部：调节对象、检测仪表、调节器、执行器）（四个基本组成部：调节对象、检测仪表、调节器、执行器）n执行器的作用执行器的作用-根据调节器的命令控制传送、调节温度、压力、流根据调节器的命令控制传送、调节温度、压力、流量等工艺参数。量等工艺参数。n执行器的组成（分为两部分）执行器的组成（分为两部分）n（1 1）执行结构）执行结
2、构-执行器的驱动部分，按照调节器的信号产生推力执行器的驱动部分，按照调节器的信号产生推力或位移；或位移；n（2 2）调节机构）调节机构-执行器的调节部分，常见有调节阀等，在执行机执行器的调节部分，常见有调节阀等，在执行机构操纵下调节工艺介质的流量。构操纵下调节工艺介质的流量。n执行器的影响执行器的影响-是调节系统中的薄弱环节，质量可能导致不能正常是调节系统中的薄弱环节，质量可能导致不能正常工作或影响调节品质。工作或影响调节品质。4.1.1 4.1.1 气动执行器气动执行器-以压缩空气为动力的执行器，由气动执行结构和调节阀组成。以压缩空气为动力的执行器，由气动执行结构和调节阀组成。类型原理：（1
3、 1）薄膜式，弹性膜片将输入气压转变为推力，结构简单、价格便）薄膜式，弹性膜片将输入气压转变为推力，结构简单、价格便宜、应用广；宜、应用广；（2 2）活塞式，由气缸活塞输出推力，允许压力高、有较大推力、行）活塞式，由气缸活塞输出推力，允许压力高、有较大推力、行程长。程长。典型气动执行机构原理典型气动执行机构原理RF-P-176-FIG4-1RF-P-176-FIG4-1薄膜式原理说明 活塞式现场应用演示活塞式现场应用演示 n调节阀的形式：调节阀的形式：n（1 1）分为单座阀和双座阀，以阀芯阀座的套数决定，单座一套，双座两套（）分为单座阀和双座阀，以阀芯阀座的套数决定，单座一套，双座两套（RF-
4、FIG-4-3RF-FIG-4-3）；）；（2 2）分为气开和气闭，气开：气压增加阀趋于开，气闭：气压增加阀趋于闭。）分为气开和气闭，气开：气压增加阀趋于开，气闭：气压增加阀趋于闭。 n调节阀的优缺点及适用场合：调节阀的优缺点及适用场合：n单座：易改装、结构简单、无同步问题；被调气流对阀芯有作用力，可能影响正常工作。单座：易改装、结构简单、无同步问题；被调气流对阀芯有作用力，可能影响正常工作。n双座：作用力可大致抵消，不平衡力小；两组阀芯不易同时关闭，关闭泄漏量比单座阀大。双座：作用力可大致抵消，不平衡力小；两组阀芯不易同时关闭，关闭泄漏量比单座阀大。n选用气开、气关的原则：选用气开、气关的原
5、则：主要从安全角度考虑。事故状态下阀门打开危险性小，选启闭；反之选主要从安全角度考虑。事故状态下阀门打开危险性小，选启闭；反之选气开。气开。n调节阀的重要性：调节阀的特性对整个自动调节系统的调节品质有何大影响。调节阀的重要性：调节阀的特性对整个自动调节系统的调节品质有何大影响。n调节阀的流量：与阀的开度和阀的前后压差均有关。调节阀的流量：与阀的开度和阀的前后压差均有关。n阀特性研究：分两种方法阀特性研究：分两种方法阀前后压差固定和实际工作变压差阀前后压差固定和实际工作变压差。下半部分为调节阀下半部分为调节阀上半部分是产生推力上半部分是产生推力的薄膜式执行机构的薄膜式执行机构P 膜片膜片 推杆推
6、杆关闭阀芯关闭阀芯（气闭式）（气闭式） 调节阀的形式及优缺点分析直通单座阀直通双座阀流体对阀芯的作用力调节阀的优缺点及适用场合n单座：单座：易改装、结构简单、无同步问题；被调气流对阀芯有作用力，可能影响正常易改装、结构简单、无同步问题；被调气流对阀芯有作用力，可能影响正常工作。工作。n双座：双座：作用力可大致抵消，不平衡力小；两组阀芯不易同时关闭，关闭泄漏量比单作用力可大致抵消，不平衡力小；两组阀芯不易同时关闭，关闭泄漏量比单座阀大。座阀大。n选用选用气开、气关气开、气关的原则：主要从安全角度考虑。事故状态下阀门打开危险性小，选的原则：主要从安全角度考虑。事故状态下阀门打开危险性小，选启闭；反
7、之选气开。启闭；反之选气开。n调节阀的重要性：调节阀的重要性：调节阀的特性对整个自动调节系统的调节品质有何大影响。调节阀的特性对整个自动调节系统的调节品质有何大影响。n调节阀的流量：调节阀的流量：与阀的开度和阀的前后压差均有关。与阀的开度和阀的前后压差均有关。n阀特性研究：分两种方法阀特性研究：分两种方法阀前后压差固定和实际工作变压差。阀前后压差固定和实际工作变压差。1.1.固有流量特性固有流量特性 在前后压差不变的情况下得出的流量特性或称为理想流量特性，通常有三种典型形式：在前后压差不变的情况下得出的流量特性或称为理想流量特性，通常有三种典型形式：n（1 1）直线特性）直线特性流量与阀芯位移
8、成直线关系；流量与阀芯位移成直线关系；n（2 2）对数特性）对数特性流量与阀芯位移成对数关系，即引起的流量变化的百分比相等；流量与阀芯位移成对数关系，即引起的流量变化的百分比相等；n（3 3）快开特性）快开特性开度较小时流量变化较大，随开度增大很快达到最大值。开度较小时流量变化较大，随开度增大很快达到最大值。n三种典型固有流量特性的比较：三种典型固有流量特性的比较：2.工作流量特性调节阀和管道阻力串联的情况 实际使用时，阀前后压力变化，对应具体使用条件阀芯位移对水流的控制特性，影实际使用时，阀前后压力变化，对应具体使用条件阀芯位移对水流的控制特性，影响因素较多，分析例：设调节阀管路外加压力响因
9、素较多，分析例：设调节阀管路外加压力P Po o恒定。阀的开度增加，恒定。阀的开度增加，Q Q 增加，管增加，管道压降道压降 P Pg g 与流量与流量 Q Q 平方成正比。平方成正比。 结论：（1）在同样的阀芯位移下，阀芯前后压差变化，非恒压差。 （2）与恒压差相比，流量开始变化较缓慢，阀开始的反应较迟钝。直线阀、对数阀的实际工作特性直线阀、对数阀的实际工作特性（考虑管道阻力）（考虑管道阻力） 直线阀、对数阀的实际工作特性（考虑管道阻力）n其中：以 S 表示管道阻力下的压差比，即：n分析：nS S = 1= 1相当于管道压力为0，实际工作特性与固有流量特性相同。nS S 1 1 n（1）阀开
10、度大时流量减小，原因：管道设备压降增加。n（2）阀开度大时控制灵敏度降低。n注：可借鉴电位器负载特性（电流大小）对输出的影响分析。n（3）对数阀随开度的变化，其流量趋势与直线阀相反。调节阀和控制对象特性的非线性补偿调节阀和控制对象特性的非线性补偿阀和对象特性的非线性互相补偿依据：实际使用时有管道设备压差（对象）会引起非线性，不同形式的调节阀门也可以引起非线性，两者特性适当配合的合成特性可以是线性关系。 调节阀口径的选择方法调节阀口径的选择方法n选择的目的：保证工艺操作正常进行，准确控制阀选择的目的：保证工艺操作正常进行，准确控制阀门的流量能力。门的流量能力。n选择不当时可能出现的问题（主要原因
11、是阀门口径选择不当时可能出现的问题（主要原因是阀门口径选择不当）：选择不当）：n（1 1）口径过大：在小开度位置工作调剂质量不高。）口径过大：在小开度位置工作调剂质量不高。n（2 2）口径过小：无法满足正常生产的需求。）口径过小：无法满足正常生产的需求。调节阀选择依据的计算过程调节阀选择依据的计算过程电-气转换器n作用：作用：将调节器输出的标准电流信号转换为将调节器输出的标准电流信号转换为2020100kPa100kPa的标准气压的标准气压信号。信号。n电电- -气转换器（力平衡式）的工作原理气转换器（力平衡式）的工作原理n组成：组成：RF-FIG-4-9RF-FIG-4-9n涉及：涉及：调节
12、器输出电流调节器输出电流I I、电磁铁线圈、杠杆、喷嘴挡板机构、气、电磁铁线圈、杠杆、喷嘴挡板机构、气动功率放大器支撑弹簧、波纹管、重锤、气源等。动功率放大器支撑弹簧、波纹管、重锤、气源等。n工作过程：工作过程：n调节器输出电流调节器输出电流I I-电磁铁线圈吸力电磁铁线圈吸力-杠杆左端杠杆左端-挡板压挡板压缩喷嘴缩喷嘴-喷嘴间隙喷嘴间隙-气动功率放大器输出功率气动功率放大器输出功率P P-杠杆波纹杠杆波纹管充气管充气-杠杆左端杠杆左端-形成反馈力达到平衡形成反馈力达到平衡电-气转换器工作原理图调整方法：调整方法：弹簧调整输出零点，波纹管粗条量程，永久磁体磁分路螺丝细调量程，重锤调节平衡。转换
13、器指标：转换器指标：精度级、气源压力14014kPa、输出气压信号， 20 100kPa。 核心部件-喷嘴挡板机构的构造和特性 核心部件核心部件-喷嘴挡板机构 主要组成：主要组成：背压室、恒节流阀孔、喷嘴、挡板、气压信号输出孔工作原理工作原理：当挡板与喷嘴间隙有微小位移将会被转换为气压信号P输出，作为气动功率放大器的输入信号。阀门定位器任务：与执行机构配合使用确保精确定位。用途：用于执行机构工作条件差和要求调节质量要求高的场合。影响精确定位因素：填料、压差、黏度产生的附加力。方法：借助阀杆位移负反馈是调节阀能按照输入信号精确地确定开度。带定位器的气动执行器的信号流程框图 n组成：组成：RF-P
14、183-FIG-4-12 n气动阀门定位器与执行机构的配合示意图n主要动作涉及：主要动作涉及：n（1）锥阀-控制排气，n（2）阀球-控制进气，n（3）波纹管（Pi输入）-给定值，n（4）推杆-凸轮-反馈值n（5）P -执行机构的控制气压-定位器的输出量n工作原理：n挡板移近喷嘴-A室气压-膜片推动锥阀（间隙）排气量-球阀（间隙）进气量-C室气压-控制气压P-推杆-凸轮顺时针转动-挡板移出喷嘴-系统平衡电气阀门定位器与执行机构的配合电气阀门定位器与执行机构的配合n一体化电气阀门定位器：n结构原理：RF-P184-FIG-4-13n工作原理：n输入电流I-杠杆上部右转喷嘴间隙-控制压力P-推杆-凸
15、轮顺时针转动挡板移出喷嘴杠杆下部右转系统平衡信信号号电电流流通通入入力力矩矩马马达达1的的线线圈圈时时，它它与与永永久久磁磁钢钢作作用用后后，对对主杠杆产生一个力矩主杠杆产生一个力矩于是挡板靠近喷嘴于是挡板靠近喷嘴经放大器放大后经放大器放大后送送入入薄薄膜膜气气室室使使杠杆向下移动杠杆向下移动并并带带动动反反馈馈杆杆绕绕其支点其支点4转动转动连连在在同同一一轴轴上上的的反反馈馈凸凸轮轮也也作作逆逆时针方向转动时针方向转动通通过过滚滚轮轮使使副副杠杠杆绕其支点偏转杆绕其支点偏转拉拉伸伸反反馈馈弹弹簧簧当当反反馈馈弹弹簧簧对对主主杠杠杆杆的的拉拉力力与与力力矩矩马马达达作作用用在在主主杠杠杆杆上上
16、的的力力两两者者力力矩矩平平衡衡时时，仪仪表表达达到到平平衡衡状状态态，此此时时，一一定定的的信信号号电电流流就就对对应应于于一一定定的的阀阀门门位置。位置。电-气阀门定位器的安全防爆防爆要求：防爆电路示意框图RF-184-FIG-4-14 防爆工作原理说明（目的-断线时对高储能元件进行隔爆处理）（1）VD3、VD4限制力线圈的储能，（2）VD1、VD2限制力线圈的电流输出，（3）硅橡胶灌封。电动执行器 作用：将调节器输出的420mA信号转换成直线或角度位移。组成：执行机构和调节阀（同一般执行器）特点：执行器使用电动执行机构-利用电动机等启闭调节阀。 电动执行器方案及配用类型： 直行程-直线电磁阀；角行程-旋转蝶阀；多转式-多转感应调压器。电动执行器原理框图 常用电动执行器的要求：常用电动执行器的要求：能够频繁启动、能长期处于过载状态。能够频繁启动、能长期处于过载状态。具体措施：具体措施：采用专用异步机，转子电阻大采用专用异步机，转子电阻大-启动电小、堵转时温升不超限。启动电小、堵转时温升不超限。伺服电机电路工作原理伺服电机电路工作原理: : 对应对应RF-P-154-FIG-6-45
