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第第4章章 执行器和防爆栅执行器和防爆栅 在自动控制系统中，接收调整器指令；在自动控制系统中，接收调整器指令；在自动控制系统中，接收调整器指令；在自动控制系统中，接收调整器指令；经执行机构将其转换为对应角位移或直线位移；经执行机构将其转换为对应角位移或直线位移；经执行机构将其转换为对应角位移或直线位移；经执行机构将其转换为对应角位移或直线位移；经操纵调整机构，改变被控对象进、出能量或物经操纵调整机构，改变被控对象进、出能量或物经操纵调整机构，改变被控对象进、出能量或物经操纵调整机构，改变被控对象进、出能量或物料；料；料；料；0 0、概述、概述 1.1.作用作用安装在生产现场，直接与介质接触；通常在高温、高压、高粘度、强腐蚀、易结晶、易燃易爆、剧毒等场所下工作；第1页2.2.组成组成（驱动）（阀芯）3.3.类型类型 分为三大类：以压缩空气为能源气动执行器（即气动调整阀），气动执行器输入信号为20100kPa；以电为能源电动执行器（即电动调整阀），电动执行器输入信号为420mA DC；以高压液体为能源液动执行器（即液动调整阀）。第2页气动执行器气动执行器 执行机构由膜片、推杆和平衡弹簧等部分组成；接收调整器或电-气阀门定位器输出气压信号，经膜片转换成推力，使推杆（阀杆）产生位移，同时带动阀心动作；气动执行器执行机构可看成一阶惯性步骤（而电动执行器可看成百分比步骤）。第3页(一一)、气动薄膜执行机构、气动薄膜执行机构 1 1、组成：、组成：由膜片、推杆、由膜片、推杆、弹簧等组成。弹簧等组成。2 2、作用方式、作用方式 正作用正作用控制气压增加控制气压增加时，其开度增加。时，其开度增加。反作用反作用-控制气压增加控制气压增加时，其开度减小。时，其开度减小。第4页二、控制阀流量特征二、控制阀流量特征 理想理想理想理想(固有固有固有固有)流量特征流量特征流量特征流量特征-假定阀前后差压不变。假定阀前后差压不变。假定阀前后差压不变。假定阀前后差压不变。工作工作工作工作(实际实际实际实际)流量特征流量特征流量特征流量特征.调整阀调整阀 局部阻力可变节流元件；经过改变阀芯行程能够改变调整阀阻力系数，到达控制流量目标。第5页调整阀流量特征调整阀流量特征 指介质流过阀门相对流量与相对开度之间关系 qv/qvmax相对流量，即调整阀某一开度流量与全开流量之比；l/L相对开度，即调整阀某一开度行程与全行程之比。第6页理想流量特征 调整阀前后压差不变时，得到流量特征；流量特征完全取决于阀芯形状；理想流量特征有：直线对数抛物线快开第7页 1 1、直线流量特征、直线流量特征 (1)(1)、定义：控制阀相对流量与相对开度成直线、定义：控制阀相对流量与相对开度成直线关系，即关系，即 第8页 2 2、其它流量特征、其它流量特征 对数特征：小流量时，控制作用平缓；大流量时，对数特征：小流量时，控制作用平缓；大流量时，对数特征：小流量时，控制作用平缓；大流量时，对数特征：小流量时，控制作用平缓；大流量时，控制作用灵敏有效，克服了直流特征不足。控制作用灵敏有效，克服了直流特征不足。控制作用灵敏有效，克服了直流特征不足。控制作用灵敏有效，克服了直流特征不足。快开特征：适于要求快速开、闭控制系统。快开特征：适于要求快速开、闭控制系统。快开特征：适于要求快速开、闭控制系统。快开特征：适于要求快速开、闭控制系统。第9页直线流量特征特点阀心相对开度改变所引发流量改变是相等流量相对改变量（流量改变量与原有流量之比）是不一样：在小开度时，流量相对改变量大；在大开度时，其流量相对改变最小。直线流量特征调整阀在小开度时，控制作用强，易引发振荡；在大开度时，控制作用弱，控制迟缓。第10页对数（等百分比）流量特征 其数学表示式 行程改变相同百分数，流量在原来基础上改变相对百分数是相等，即含有等百分比流量特征。对数（等百分比）流量特征特点：调整阀在小开度时，控制缓解平稳调整阀在大开度时，控制及时有效。第11页工作流量特征 实际应用时，调整阀两端压差是改变，此时调整阀相对流量与相对开度之间关系称为工作流量特征。第12页为衡量调整阀实际工作流量特征相对于理想流量特征改变程度，用阻力比系数S来表示：阀全开时阀前后最小压差S=1时，即管道压力为0，阀前后压差一直等于总压力。第13页串联管道，流量特征发生两个改变一是调整阀全开时流量减小，即调整阀可调范围变小；另一个是流量特征曲线向上拱，理想直线特征变成快开特征。S值越小，畸变越严重。实际中，很多对象放大倍数是随负荷加大而减小，这时如能选取放大倍数随负荷加大而增加调整阀，便能使得二者相互赔偿。第14页 2 2、流量方程、流量方程 当口径当口径A和差压和差压(P1-P2)一定时，流量一定时，流量Q仅随阻尼仅随阻尼 改变而变改变而变 化。改变阀门开启程度，可改变流通阻化。改变阀门开启程度，可改变流通阻力而控制介质流量力而控制介质流量。3 3 3 3、调整原理、调整原理、调整原理、调整原理若面积A单位取cm2，压差P单位取kPa，密度单位取kg/m3，则上式为：（通常做为调整阀结构参数，阀门前后压差（通常做为调整阀结构参数，阀门前后压差为为100kPa，流体密度为，流体密度为1000kg/m3条件下，条件下，阀门全开每小时能经过流体体积）阀门全开每小时能经过流体体积）第15页调整阀空化及其防止调整阀空化及其防止 闪蒸：流体流经节流件（阀芯）时，在节流件后某处静压下降到最低，当静压力下降到甚至低于该液体所在工况下饱和蒸汽压时，部分液体就会汽化成气体，形成汽液混合两相流体。空化：闪蒸发生后，伴随流体流动，其静压力又要上升。当静压力回升到该液体所在工况下饱和蒸汽压以上时，闪蒸形成气泡会破裂重新转化为液体，这种气泡形成和破裂过程称为空化。第16页防止空化和汽蚀方法 主要从压差选择、材料、结构上考虑。最根本方法是使调整阀前后压差小于最大允许压差：可采取多级阀芯高压调整阀；用两个以上调整阀相串联。第17页选择调整阀气开、气关形式 所谓气开式，即当信号压力增加时，阀门开大；气关式则相反，即信号压力增加时，阀门关小。考虑事故状态时人身、工艺设备安全；考虑在事故状态下降低经济损失，确保产品质量。第18页4.1.2 电气转换器电气转换器出于气动执行器安全性和大功率特征，很多电动调整器也使用气动执行器。所以，必须设置电气转换器将420mA标准电信号转换为20100kP标准气压信号。相当于力平衡式压力变送器反向利用相当于力平衡式压力变送器反向利用第19页 电动调整器送来电流I流入线圈（该线圈在永久磁铁气隙中），当电流大时，线圈与磁铁吸力增大，使得杠杠作逆时针转动，带动挡板靠近喷嘴，改变挡板与喷嘴之间间隙，进而改变输出气压。能够实现P与I之间正比关系。挡板机构在转换过程中相当关键，它能够将挡板对于喷嘴微小位移灵敏地变换为气压信号。第20页喷嘴挡板机构工作原理喷嘴挡板机构工作原理恒节流孔：细长气体通道，成为一个固定气阻喷嘴挡板：可变气阻，背压室：组成：喷嘴挡板气隙几个丝米（百分之几毫米）位移，能够使得P压力产生满幅度改变。第21页4.1.3阀门定位器阀门定位器如图气动执行器，因为填料摩擦和阀心受到作用力，会影响定位精度。从而引入阀门定位器。第22页虚线方框部分，能够认为是一个气动功率放大器，其放大倍数很高，且输出功率大。第23页电气阀门定位器；实际上是将电气转换器与气动阀门定位器结合。电气阀门定位器力线圈，是一个高储能危险元件，常需用环氧树脂固封，并接上防爆电路。第24页4.1.4电动执行器电动执行器执行机构采取电动机带减速器，而调整阀部分依然与气动执行器相同。第25页带傍磁制动机构两相伺服电机普通伺服电机在断电后会按惯性继续普通伺服电机在断电后会按惯性继续“惰走惰走”。第26页4.2 防爆栅防爆栅 又称安全保持器，是一个对送往现场电压和电流进行严格控制单元，它接在现场仪表与控制室之间。能够确保在短路、短路等各种情况下，进入现场电功率在安全范围之内，可能发生火花都在爆炸气体点火能量之下。它属于本质安全型，其安全性高于结构防爆。使用安全火花防爆仪表，且现场仪表和非危险场所之间电路经过防爆栅连接就能够构建安全火花防爆系统。第27页4.2.2 安全火花防爆等级安全火花防爆等级1.爆炸性混合物依据其引爆电流分为三个等级 级：引爆电流120mA,甲烷、汽油、乙醇、一氧化碳级：70mA引爆电流120mA,乙烯、乙醚级：引爆电流70mA，氢、乙炔、市用煤气2.安全火花防爆仪表也对应分为3级。3.依据气体自燃温度分为a,b,c,d,e五组或T1T6六组，e或T6自燃温度最低（85度）第28页4.2.3 防爆栅基本工作原理防爆栅基本工作原理1.齐纳式防爆栅当Vi在24V以内时，VD1和VD2不反向导通；当Vi超出24V时，齐纳管导通，F熔断。同时R1和R2起到限流作用。缺点：1、R1和R2在正常工作时，存在压降损耗；2、两点接地轻易引入干扰。第29页2.改进型齐纳防爆栅改进型齐纳防爆栅 VT1、VT2、VT3组成晶体管限流电路。正常工作时，VT3向VT1提供基极电流，使得VT1饱和；当电流超出正常范围时，R1上电压超出0.6V，VT2导通，分流VT1基极电流，VT1退出饱和。Vi电压超出限压范围时，齐纳管导通；正常工作时，电路没有直接接地。第30页4.2.4 隔离式防爆栅隔离式防爆栅以变压器为隔离元件，将输入、输出和电源进行隔离，以预防危险能量窜入。分为：检测端防爆栅和执行端防爆栅。第31页简化原理图简化原理图第32页限压限流电路原理限压限流电路原理正常工作时，正常工作时，VT3不导通，不导通，VT4饱和。饱和。过电压时，齐纳管导通，使得VT3导通，对VT4基极电流分流，VT4趋于截止；过电流时，R6上电压加大，当R5和R6上电压超出0.6V时，VT3开始导通，VT4退出饱和。第33页限压限流特征曲线第34页调制、解调部分工作原理调制、解调部分工作原理VD9、VD10、VD13、VD14组成全波整流，将420mA直流信号交替送入变压器T2上下部分，耦合到其次级；VT7、VT8复合管和VT9、VT10复合管此处组成了两个共基极放大电路，对电流进行放大。第35页2.执行端防爆栅执行端防爆栅第36页
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