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第四章 执行器 4.1 概述 接收控制器输出的控制信号，改变操 纵变量，使生产过程按预定要求正常 进行 1.执行器作用 执行器 控制信号 操纵变量 蒸汽加热反应器工艺控制图 反应器 温度传感与变送器 TT 温度控制器 TC 控制阀 出料温度 温度给定 反应器温度控制系统方框图 ﹢ ‐ 干扰 蒸汽流量 执行机构：执行机构是指根据控制器控制信 号产生推力或位移的装置 调节机构：调节机构是根据执行机构输出信 号去改变能量或物料输送量的装 置，通常指控制阀 2.执行器组成 执行机构调节机构 电流 4~20mA 阀杆位移 阀门开度 3.执行器分类 液动 电动 气动 推力最大，但较笨重，现很少使用 气动执行器的执行机构和调节机构是统一 的整体，是用压缩空气为能源，其执行机 构有薄膜式和活塞式两类结构简单、动 作可靠、平稳、输出推动力大、维修方便 、防火防爆、价格较低 其执行机构都是以两相交流电机为动力的 位置伺服机构安全防爆性能较差，电机 动作不够迅速，在行程受阻或阀杆被轧住 时电机易受损。

根据产生力矩所需能源类型 4.2 气动执行器 气动执行器的执行机构和调节机构是统一的整体 执行机构：气动执行机构是指根据气压信 号产生推力或位移的装置 调节机构：调节机构是根据执行机构输出信 号去改变能量或物料输送量的装 置，通常指控制阀 电气转换器：将标准电信号转换成气压信号 4.2.1 气动执行器组成 气动执行 机构 气动调节 机构 电—气转换器 电流 4~20mA 气压 20~100Kpa 阀杆位移阀门开度 1. 作用：将输入气压信号线性地转换为位移量 构成：主要分为薄膜式和活塞式 薄膜式 活塞式 4.2.2 气动执行机构 这种执行机构的输出 位移与输入气压信号成比 例关系当压力与弹簧的 反作用力平衡时,推杆稳 定在某一位置,信号压力 越大,推杆的位移量也越 大 薄膜式 正作用形式: 信号压力增大,推杆向下。

反作用形式: 信号压力增大,推杆向上 2.作用形式 气动薄膜执行机构的行程规格有： 10、16、25、40、60、100mm 薄膜有效面积有200、280、400、630、1000、 1600cm2 有效面积越大，执行机构的位移和推力也就越大 3.动作过程（正作用） 输入↑→膜片↓→作用力推推杆↓→产生向下位移↑→弹簧 压缩→反作用力↑ 平衡时，位移与输入一一对应 推杆的位移就是执行机构的直线输出位移，称行程 4.行程规格 4.2.3 气动调节机构 1.功能 控制信号使执行机构的推杆发生位移， 该位移使阀芯与阀座间的流通面积发生变 化，从而改变被控介质的流量它是一个 局部阻力可以改变的节流元件 2.结构 由阀杆、阀芯、阀座及法兰盘组成 阀芯有正装和反装方式，如下图所示 正装反装 3.工作方式 （1）气开式： 输入气信号越大，阀开度也越大 正作用反装，反作用正装 （2）气关式： 输入气信号越大，阀开度也越小 正作用正装，反作用反装 执行机构的作用方向及调节机构装配方式 决定了执行器的工作方式 反作用 气关式气关式气开式气开式 反作用正作用正作用 正装反装正装反装 品种很多，根据阀芯的动作形式，可分为： • 直行程式：直通单座阀，直通双座阀，角型 阀，三通阀，高压主角阀，隔膜阀，波纹管 密封阀，起高压阀，小流量阀，笼式（套筒 ）阀，低噪音阀…… • 转角阀：蝶阀，凸轮挠曲阀，V型球阀，O型 切断球阀…… 4.控制阀阀体的主要类型 （1）直通单座阀 • 结构： • 结构特征：一个阀芯、一个阀座 • 特点： –泄漏量小，易于关闭，可将流体完全切 断。

–有一个阀芯，只适用于低压差的场合 –高压时应当选择推力大的执行机构或配 阀门定位器 （2）直通双座阀 • 结构： • 结构特征：两个阀芯、两个阀座流 体从左侧进入，通过上、下阀芯后， 再汇合在一起，由右侧流出 • 特点及适用场合：流通能力大，泄漏 量大，不平衡力小适用于低粘度、 不含纤维、悬浮颗粒的洁净介质及高 压差、高静压且允许有泄漏的场合 (3)角型阀 • 结构特点：流体进出口成 直角型 • 特点：流路简单，阻力小 ，耐压高 • 适用于：高差压，高粘度 ，含有悬浮物和颗粒的流 体 (4）三通阀 • 结构特点：有三个出 入口与管道相连 • 有分流式和合流式 (5）隔膜阀 特点：流路简单，几乎无泄漏 适用于强腐蚀介质和高粘度及有 悬浮颗粒的介质 注意执行机构须有足够的推力 (6)蝶形阀 • 适用：低差压，大口径， 大流量的气体，及含少量 悬浮物及纤维或粘度不大 的液体 • 特点：泄漏量大 (7)笼式阀 • 特点：可调比大，振动小 ，不平衡力小， • 结构简单，套筒互换性好 ，部件气蚀小 • 适用于：差压较大和要求 降低噪声的场合 (8)球阀 • 结构特点：阀芯与阀体都呈球形。

• 适用于：高粘度和污秽介质场合 5.控制阀的流量特性 控制阀的流量特性控制阀的流量特性是指被控介质流 过阀门的相对流量与阀门的相对开度（ 相对位移）间的关系，即 16 在不考虑控制阀前后压差变化时 得到的流量特性称为理想流量特 性它取决于阀芯的形状 不同流量特性的阀芯形状 1—快开；2—直线； 3—抛物线；4—等百分比 （（1 1）直线流量特性）直线流量特性 指控制阀的相对流量与相 对开度成直线关系 18 将上式积分可得 边界条件边界条件：l=0时，Q=Qmin; l=L时Q=Qmax 把边界条件代入上式，可分别得 R R 为控制阀的可调范围或可调比为控制阀的可调范围或可调比 国产控制阀的可调比R=30 19 上式表明流过阀门的相对流量与阀杆相对 行程是直线关系 线性控制阀的放大系数Kv是一个常数，无论阀杆原 来在什么位置，只要阀杆做相同的变化，流量的数 值也做相同的变化，可见线性控制阀在开度较小时 流量相对变化值大，这是灵敏度过高，控制作用过 强，容易产生震荡，对控制不利；在开度较大时流 量相对变化值小，这时灵敏度又太小，控制缓慢， 消弱了控制作用。

理想流量特性 1—快开；2—直线；3—抛 物线；4—等百分比曲线 在流量小时， 流量变化的相 对值大；在流 量大时，流量 变化的相对值 小 （（2 2）等百分比（对数）流量特性）等百分比（对数）流量特性 等百分比流量特性等百分比流量特性是指单位相对行程变 化所引起的相对流量变化与此点的相对流量 成正比关系 将上式积分 将前述边界 条件代入 最后得 上式表明相对行程与流量成对数关系， 故称对数流量特性又因为阀杆位移增 加1%，流量在原来基础上约增加3.4%， 所以称为等百分比流量特性 对数阀：对数阀的放大系数KV随着相对 开度增加而增加在小开度时控制阀的 放大系数小，控制平稳缓和；在大开度 时放大系数大，控制灵敏 （（3 3）抛物线流量特性）抛物线流量特性 （（4 4）快开特性）快开特性 这种流量特性在开度较小时就有较大流量，随 开度的增大，流量很快就达到最大 快开特性的阀芯形式是平板形的，适用于迅 速启闭的切断阀或双位控制系统 6.控制阀的选择 1 1）控制阀结构与特性的选择）控制阀结构与特性的选择 主要根据工艺条件，如温度、压力及介质的物 理、化学特性（如腐蚀性、黏度等）来选择。

结构形式选择结构形式选择 特性选择特性选择 先按控制系统的特点来选择阀的希望流量特性，然 后再考虑工艺配管情况来选择相应的理想流量特性 目前使用比较多的是等百分比流量特性目前使用比较多的是等百分比流量特性 信号压力中断时，应保证设备和操作人员 的安全如果阀处于打开位置时危害性小，则 应选用气关式，以使气源系统发生故障，气源 中断时，阀门能自动打开，保证安全反之阀 处于关闭时危害性小，则应选用气开阀 选择要求选择要求 2 2）气开式与气关式的选择）气开式与气关式的选择 主要从工艺生产上安全要求出发 序号执行机构 控制阀气动执行器 （a） （b） （c） （d） 正 正 反 反 正 反 正 反 气关（正） 气开（反） 气开（反） 气关（正） 组合方式表 因：供气中断时，应使 给水阀全开，使得锅炉 不致烧干引起爆炸 故：选气关阀 锅炉汽包水位控制带控制点的流程图 例１：锅炉汽包水位的控制 气关阀 例2：加热炉炉温的控制 因：供气中断时，应使燃料阀全关， 停止供应燃料油，不致使加热炉温度 过高烧坏炉子 故：选气开阀 加热炉温度控制带控制点的流程图 气开阀 3 3）控制阀口径的选择）控制阀口径的选择 口径选择得过小，会使流经控制阀的介质达不到 所需要的最大流量。

口径选择得过大，会浪费设备投资，且使控制阀 经常处于小开度工作，控制性能变差，易使控制系 统变得不稳定 控制阀的口径选择是由控制阀流量系数KV值决 定的流量系数KV的定义为：当阀两端压差为 100kPa，流体密度为1g/cm3，阀全开时，流经控制 阀的流体流量 7.气动执行器的安装和维护 （1）为便于维护检修，气动执行器应安装在靠近地面 或楼板的地方 （2）气动执行器应安装在环境温度不高于+60℃和不 低于-40℃的地方，并应远离振动较大的设备 （3）阀的公称通径与管道公称通径不同时，两者之间 应加一段异径管 （5）通过控制阀的流体方向在阀体上有箭头标明， 不能装反 （4）气动执行器应该是正立垂直安装于水平管道上 特殊情况下需要水平或倾斜安装时，除小口径阀外 ，一般应加支撑即使正立垂直安装，当阀的自重较 大和有振动场合时，也应加支撑 （6）控制阀前后一般要各装一只切断阀，以便修理 时拆下控制阀考虑到控制阀发生故障或维修时，不 影响工艺生产的继续进行，一般应装旁路阀 （7）控制阀安装前，应对管路进行清洗，排去污物和焊 渣安装后还应再次对管路和阀门进行清洗，并检查阀 门与管道连接处的密封性能。

当初次通入介质时，应使 阀门处于全开位置以免杂质卡住 图6-20 控制阀在管道中的安装 1—调节阀；2—切断阀；3—旁路阀 （8）在日常使用中，要对控制阀经常维护和定期检修 4.2.4 电-气转换器 电-气转换器可以把电动控制器的输出 信号变为气信号去驱动气动控制阀 1.作用 2.工作原理 输入信号：电动控制器的输出电流 输出信号：标准气动信号，操纵气动薄膜 控制阀 原理： 力矩平衡原理， 按力矩平衡原理工作按力矩平衡原理工作 1—喷嘴挡板；2—调零弹簧；3—负反馈波 纹管；4—十字弹簧；5—正反馈波纹管；6 —杠杆；7—测量线圈；8—磁钢；9—铁芯 ；10—放大器 4.3 电动执行器 电动执行器接收来自控制器的0～10mA或 4 ～20mA的直流电流信号，并将其转换成相应的角 位移或直行程位移，去操纵阀门、挡板等控制机 构，以实现自动控制 定义定义 分类分类 直行程直行程 角行程角行程 多转式多转式 直行程电动执行机构的输出轴输出各种大小不 同的直线位移，通常用来推动单座、双座、三 通、套筒等形式的控制阀。

角行程电动执行机构的输出轴输出角位移， 转动。