1、第五章 调节阀与执行机构第五章 执行器第一节 概述一、 执行器基础知识执行器是自动控制系统的终端部分，直接安装在工艺管道上，通过接受调节器发出的控制信号，改变阀门的开度或电机的转速来改变管道中的介质流量，从而把被调参数控制在所要求的范围内，从而达到生产过程自动化。因此，执行器是自动控制系统中一个极为重要而又不可缺少的组成部门。执行器按其能源形式可分为气动、电动和液动三大类。气动执行器习惯称为气动薄膜调节阀，它以压缩空气为能源，具有机构简单、动作可靠、平稳、输出推力大、本质防爆、价格便宜、维修方便等独特的优点，因此被广泛应用在石油、化工、冶金、电力等工业部门中。执行器常称调节阀，又称控制阀。它由
2、执行机构和调节机构（也称调节阀）两部分组成，其中，执行机构是调节阀的推动部分，它按控制信号的大小产生相应的推力，通过阀杆使调节阀阀芯产生相应产生相应的位移（或转角）。调节机构是调节阀的调节部分，它与调节介质直接接触，在执行机构的推动下，改变阀芯与阀座间的流通面积，从而达到调节流量的目的。二、气动执行器一个气动调节系统由气源及减压过滤系统、电/气转换器（电/气阀门定位器）、气动执行器（执行机构和调节机构）构成。1 气动执行机构气动执行机构主要由膜盒、膜片、弹簧和阀杆等组成。气动执行机构有薄膜式（有弹簧）及活塞式（无弹簧）两类，后者往往采用较高的气压范围，使用于需要推力较大的场合。薄膜式执行机构的
3、输入气压一般为20100kPa；但也有40200 kPa的，这时在调节器与执行机构之间应装设比例继动器或高气源阀门定位器，将调节器的输出气压提高。执行机构是调节阀的推动装置，它根据控制信号压力的大小而产生相应的输出力来推动调节机构动作。当压力信号p增大时，推杆向下动作的为正作用；推杆向上动作的为反作用，但其工作原理是相同的。当压力信号进入薄膜气室时，橡胶膜片由于气体的作用而产生推力，使阀杆移动，压缩弹簧，直至弹簧的反作用与膜片上的作用力相平衡。输出推杆位移量L与输入气压信号P成正比关系，引入调节阀的压力信号不同，得到的位移量也不同，由此控制调节阀的开度。其输出位移的最大范围L为执行机构的行程。
4、2 调节机构调节机构主要由阀体、阀座、阀杆、阀芯、上阀盖和密封填料等组成。调节机构是气动执行器的调节部分。在执行机构的推力 作用下，当阀杆移动时，调节机构中的阀芯产生位移，改变阀芯与阀座间的流通面积，从而改变被控介质的流量，以克服干扰对系统的影响，达到调节的目的。调节阀的主要类型：直通单座调节阀；直通双座调节阀；角形调节阀；套筒型调节阀。3. 电气转换器电气转换器即是一个把电信号转换为气信号的设备，把控制室来的电型420mA信号，成比例的转化为20100kPa的压力信号。来推动调节阀工作。当420mA信号输入电气转换器后经过滤波作用于线圈，其产生的磁强受永久磁钢的影响使线圈产生移动，改变了喷嘴
5、与线圈挡板的距离，从而引起喷嘴背压的改变，其压力作用于气动功率放大器使输出发生变化，产生20100kPa的气动信号。4.电/气阀门定位器电/气阀门定位器是由电气转换和阀门定位两部分组成。电气转换部分和电气转换器类似。420mA输入信号经过力矩马达磁钢后产生一力矩，其力矩使主杠杆差生位移并带动挡板移动。使挡板与喷嘴之间的位移发生变化，从而改变了喷嘴的背压使气动功率放大器的输出发生变化，输出的气动信号使调节阀阀杆产生移动。其位移经阀门定位的反馈杆反馈到反馈凸轮上，使反馈凸轮旋转带动负杠杆移动从而使主杠杆受到一反馈力。当反馈力与力矩磁钢产生的力矩平衡时调节阀阀杆停止移动。三、 电动执行机构以我公司应
6、用较多的PS电动执行机构为例。PS直行程电动执行机构(PSL)最大行程达到100mm，最大推力可达25kN，适合于直线动作的开关和调节控制.主要由相互隔离的的电器控制部分和齿轮轴部分组成，电机连接两隔离部分的中间部件。电机按伺服放大器的控制要求旋转，先经过高效率齿轮减速，再经大减速比具有自锁性能的蜗轮蜗杆组件传送到输出轴，作直行程运动。输出轴的径向锁定装置上连接一个杆，杆随同输出轴同步运动，通过一个与它连接的关板将位置转换成电信号给伺服放大器作为比较和阀位反馈输出，同时执行机构的行程也可由开关盘上的两个主限位开关限制。PSL同阀杆的联接采用盘簧柔性联接方式，这种联接一方面可以克服由于阀杆同输出
7、轴不同轴，带给阀门的损害；另一方面可以通过压缩盘簧来预置阀门的关断力，保证阀门的可靠关断，防止泄露。PSQ 90角行程电动执行机构，输出力矩为50Nm-700Nm，适合于90旋转阀门（如球阀.蝶阀）和风门的开关与调节控制。PSQ角行程执行机构主要是由相互隔离的电器控制部分和齿轮 传动部分组成，电机做为连接两隔离部分的中间部件。电机转矩通过主齿轮传送到行星齿轮，主齿轮驱动行星齿轮带动中空的齿轮，以此带动输出轴做090的转动。中空齿轮比二级齿轮少三个齿，因此可以由行星齿轮驱动，行星齿轮转一周中空齿轮转动三个齿。行星齿轮的外部始终啮合一个蜗杆齿轮，运行时也不分开，这种设计使电机在故障或阀门转矩意外增
8、加时可以直接通过手轮进行手动。执行机构有两个螺纹止档机械限位，也有两限位开关来实现电限位，每一个转向的行程范围可以通过限位开关的设置来控制，阀门开度由一个凸起的显示器指示，独特的转矩开关可调整从50%100%的最大转矩，实现转矩保护，以防止阀门被卡死时造成的阀杆损坏。四、电液阀电液阀是用被调介质压力作为动力源，通过电磁阀的开关来控制介质流过膜套的方向从而实现阀的开关。其主要用在仪表风铺设比较困难，被调介质实现两位式控制的场合。电液阀的工作原理：电液阀由主阀、常开电磁阀、常闭电磁阀组成。常开电磁阀装在阀的上游管路。常闭电磁阀装在阀的下游管路。当电磁阀通电后，上游高压管路介质被挡住，阀套中的介质被
9、排到下游管路。膜片两端产生压差，主阀打开。反之，主阀关闭。在流动过程中，常开线圈通电，压力截聚在阀套中，阀门通过液压锁定在一恒定的流量。五、 特阀特阀是催化反应区的待生塞阀、重油单动滑阀、汽油单动滑阀、半再生单动滑阀、一再双动滑阀、二再双动滑阀的通称。因为这些 调节系统不同与一般的调节阀，其执行机构为风动马达或气缸需要动力风来带动，调节距离大。与普通调节阀相比特阀有以下特点：1、安装在催化反应区的重要位置，其运行的精度及可靠程度直接关系着工艺的生产和安全。2、仪表设备复杂繁多，要求精度高。3、安装、调试过程复杂烦琐。4、没有工艺副线，维修维护时间短。5、维修时需协同工艺、机修不同工种人员进行。
10、第二节 选型与设计一、 调节阀：1.调节阀口径的确定：1)调节阀口径的确定，应符合下列规定：A. 根据工艺正常流量计算的流量系数C计值，经适当放大，圆整为C选，使其符合制造厂提供的流量系数系列，由此确定调节阀口径。B. 对于S0.3的一般工况，可采用下列方法估算调节阀流量系数放大倍数：C选C计m 式中：m-流量系数放大倍数（线性调节阀取1.63，等百分比调节阀取1.97）C. 圆整后的C选值应保证调节阀的相对行程处于表1规定的范围。表1调节阀相对行程阀特性流量阀相对行程（）线性阀等百分比阀最大最小801090302.调节阀固有流量特性的选择：1）调节阀的固有流量特性，应根据被调参数、干扰源和S
11、值进行综合选择，亦可按表2进行选择。2）对于两位动作或需要迅速获得调节阀的最大流通能力的场合，宜用快开特性调节阀。表2调节阀的特性选择特性线性特性等百分比特性nqunl0.751)液位定值调节系统2）主要干扰为给定值的流量、温度调节系统1）流量、压力、温度定值调节系统2）主要干扰为给定值的压力调节系统nqunl0.75各种调节系统注：n正常流量下的调节阀两端压差；qunl调节阀关闭时的两端压差。3.调节阀阀型的选择：1）调节阀阀型，应根据工艺条件、流体特性、调节系统要求及调节阀管道连接形式综合确定。一般情况下，可选用单座、双座、套筒、偏芯旋转型调节阀，且符合下列规定：A. 直通单座阀，宜用于要
12、求泄漏量小、阀前后压差较小的场合；小口径直通单座阀，也可用于较大差压的场合，但不适用于高粘度或含悬浮颗粒流体的场合。B. 直通双座调节阀，宜用于泄漏量要求不严、阀前后压差较大的场合，但不适用于高粘度和含悬浮颗粒流体的场合。C. 角形调节阀，宜用于高压差、高粘度、含有悬浮颗粒流体（必要时可接冲洗液管）及汽-液混相或易闪蒸的场合。D. 高压角型调节阀，宜用于高静压或高压差的场合，但一定要合理选择阀内件的材质及型式。E. 套筒式调节阀，宜用于阀前后压差较大、介质不含固体颗粒的场合。F. 球型调节阀，宜用于高粘度、含有纤维或固体颗粒的介质，以及调节系统要求可调范围宽、严密封的场合：a.“O”型球调节阀
13、，宜用于两位式切断的场合，其流量特性为快开特性；b“V”型球调节阀，宜用于连续调节系统，其流量特性接近于等百分比特性。G. 三通调节阀，适用于工艺介质温度低于300、需要分流或合流的场合（如热交换器的旁路调节以及简单的配比调节）。合流三通调节阀两流体的温差不得大于150。H. 偏芯旋转调节阀，适用于高粘度、高压差、流通能力大，以及调节系统要求严密封、可调范围宽（100：1）的场合。I. 蝶形调节阀，适用于含有悬浮颗粒物和混浊浆状的流体，以及大口径、大流量和低压差的场合。J. 隔膜调节阀，适用于强腐蚀性、高粘度、含悬浮颗粒或纤维的介质，以及流量特性要求不严的场合。但工作温度应低于150，工作压力
14、应低于1MPa。K. 阀体分离式调节阀，适用于高粘度、含固体颗粒或纤维的液体，以及强酸、强碱、强腐蚀性的介质。L. 波纹管密封调节阀，适用于剧毒、易挥发的介质以及真空系统。M. 低噪声调节阀，适用于流体产生闪蒸、空化，气体在阀缩流面处流速为超音速，而使用一般调节阀噪声难以控制在95分贝以下的场合。N. 自力式调节阀，适用于无仪表气源和流量变化小、调节精度要求不高的场合。O. 特殊工艺生产过程，应根据流体特性、使用经验选择特殊调节阀（如柱塞阀、插板阀等）。4.上阀盖型式的选择：1）操作温度为-20200时，应选用普通型阀盖。 2）操作温度低于-20时，应选用长颈型阀盖。 3）操作温度高于200时
15、，应选用散热型阀盖。 4）对于剧毒、易挥发、不允许外泄漏的工艺流体，应选用波纹管密封型阀盖。5.阀材料的选择：1）阀体材质，应根据工艺介质的温度、压力、腐蚀性等因素确定，且应符合下列要求：A. 阀体的额定压力、工作温度、耐腐蚀性能和材质，不应低于对工艺配管材质的要求；B. 阀体材质，一般情况下可选用铸钢或锻钢。当工艺介质有特殊要求时，可选用不锈锻钢、不锈铸钢或其他特殊材质（如蒙乃尔合金、钛、钽、哈氏合金等）；C. 可参照阀体材质选择表，进行合理选择。2）阀内件材料的选择，应符合下列规定：A. 阀内件材料，宜选用不锈钢；B. 对于腐蚀性流体，应根据流体的种类、浓度、温度和压力合理选择耐腐蚀材料；
16、C. 在闪蒸、空化或严重冲刷的场合以及高温、高压差场合，应在阀内件表面堆焊硬质合金等耐磨材料。3）填料函结构和填料，应符合下列要求：A. 一般情况下，可选用单层填料函结构；对于低温、高温或毒性较大的流体，应选用双层填料函结构；B. 一般情况下，宜选用“V”型聚四氟乙烯填料；在高温场合应选用柔性石墨填料。6.执行机构的选择：1） 调节阀，宜选用气动薄膜执行机构；当要求执行机构有较大的输出力、较快的响应速度时，宜选用气动活塞式执行机构或长行程执行机构。2） 调节阀执行机构的输出力（或力矩），应根据调节阀的压降、调节阀口径以及对响应速度的要求，合理确定，必要时应进行核算。应按工艺专业提供的阀门最大关
17、闭压差来决定执行机构的输出力。3） 调节阀气开式或气关式的选择，应满足在气源中断时，调节阀的阀位能保证工艺操作处于安全状态的要求。7.调节阀附件的选用：1）下列场合，宜选用阀门定位器：A. 用于克服摩擦力或需要提高调节阀响应速度的场合；B. 需要改变调节阀流量特性的场合；C. 分程调节或调节阀需要改变作用方式的场合；D. 调节器比例带较宽而又要求调节阀对小信号响应的场合；E. 采用无弹簧执行机构的调节阀（如偏心旋转调节阀）；F. 用标准信号操作非标准弹簧的执行机构（20-100KPa以外的弹簧范围）的场合；G. 大口径调节阀；H. 高压差场合。2）调节阀阀门定位器，宜选用电/气阀门定位器；当使
18、用在振动场合以温度较高的场合时，宜选用电/气转换器及气动阀门定位器。3）下列场合，宜选用手轮机构：A. 未设置切断阀和旁路阀的调节阀。但对安全联锁用的紧急切断阀或安装在禁止人进入的危险区内的调节阀，不得设置手轮机构。B. 需要手轮限制调节阀开度的场合。C. 特殊调节阀，如角阀、三通阀等。4）下列场合，宜选用气动继动器：A. 快速控制系统，需要提高执行机构动作响应速度的场合；B. 大口径场合；C. 需要提高执行机构信号压力的场合。5）当气源压力低于给定值或中断时，要求调节阀保持在某一开度时，应选用保位阀。6）当需要指示调节阀的开、关状态时，应选用限位开关。7）遥控、程序控制、联锁系统实现气路自动
19、关闭，要求调节阀开或关的场合，应选用三通或四通电磁阀。8）当调节阀附带的电气元件（如电/气阀门定位器、电/气转换器、电磁阀及限位开关等）用于防爆场合时，其防爆等级应符合有关的防爆规范和规定。8.调节阀流量系数C（Kv）计算的简便公式：1）液体的计算公式：（注：当液体粘度20cst时须校正）2）一般气体：当P20.5P1时， 当P20.5P1时， 3）高压气体：当P20.5P1时，当P20.5P1时，4）饱和水蒸气当P20.5P1时， 当P20.5P1时，5）过热水蒸气： 当P20.5P1时， 当P20.5P1时，注1：体积流量，m3/h阀前后压差，kgf/cm2液体重度，gf/cm3液体密度，
20、g/cm3N气体流量，Nm3/h（0，760mmHg）N气体重度，Kgf/Nm3(0，760mmHg)阀前气体绝对温度，K1，2阀前/后压力，Kgf/cm2气体的压缩因数s蒸汽流量，Kg/ht水蒸汽过热度，注2： Cv3000系列调节阀的Cv1.167Kv，请在选型时特别注意。第三节 练习题一、填空： 1、阀门电动装置由六个部分组成，即电机、减速器、控制机构、手-电动切换机构、手轮部件及电气部分。2、控制机构由转矩控制机、行程控制机构及可调式开度机构组成，用以控制阀门的输出转矩和行程及阀门位置。 3、执行机构是由伺服电机、减速器、伺服放大器、位置发送器、保护机构和辅助机构六部分组成的。二、简答
21、： 1、转矩控制机构的组成及作用原理是什么？ 答：由曲拐、碰块、凸轮、分度盘、支板和微动开关组成。当输出轴受到一定的阻转矩后，涡杆除旋转外，还产生轴向位移，带动曲拐旋转，同时使碰块也产生一角位移，从而压迫凸轮，使支板上抬。当输出轴上的转矩增大到预定值时，则支板上抬直至微动开关动作，切断电源，电机停转，以实现对电动装置输出转矩的控制。2、简述伺服电机的工作特点1） 有足够大的启动转矩2） 机电时间常数小、惯性小、正反转反应灵敏，有良好的制动性能，控制系统中被控变量与设定点之间的偏差大小与极性是经常改变的，这就使调节机构经常处于正调、反调或暂时不调的状态。3） 电流小，有耐堵转的性能4） 机构特性
22、和控制特性尽可能是线性的3、阀门电动装置电动机不能启动的原因有哪些？怎样排除？ 答：电动机不能 启动的原因：1）电源不通 排除方法：1）接通电源 2）操作回路不通 2）排除回路故障 3）行程或力矩控制器开关动作 3）解除开关的动 4）电源电压过低 4）检查电源4、电动装置输出轴旋向与规定要求相反是是什么原因，怎样解决？ 答：电动装置输出轴转向与规定要求相反的原因是电机电源相序不对，解决的方法是三相线中任意对调二相。5、电动装置运行中停转是什么原因？怎样解决？ 答：1）负载过大，力矩控制器动作。解决方法是适当提高力矩控制器的设定值。 2）阀门故障。 解决方法是检查阀门。6、简述PSAP4B的调校
23、过程。本公司已将PSAP4B准确调校，正常情况下仅需对执行机构零点和满度进行调整即可正常工作。具体如下：将执行机构至全关位置（给定4mA信号）旋转反馈电位器（POT）到0欧姆(PSL为左旋,PSQ为右旋)，隔离输出即为4mA。将执行器至全开位置（给定20mA信号），调P3电位器至输出为20mA。建议客户只调整P3和反馈电位器即可，如零点稍有偏差，旋转P5予以调整；如满度稍有偏差，旋转P6予以调整。重复调试12次调试即可完成。当您已将P1至P6调整紊乱，可按以下步骤正确调校：1).把方向开关SW设置到正作用端。2).在3、4端输入4mA信号，执行器将向关方向动作，直到限位开关切断。（注意：如果在
24、此过程中发现D2灯熄灭，请顺时针旋转P2，使D2灯常亮。）3).旋转反馈电位器到0欧姆。4).通过P5调整反馈信号为4mA(顺时针增大，逆时针减小)。5).调整P2，使A点与端子6之间电压为5V(参考值)，具体为C点与B点电压的中间值。6).在3、4端输入20mA信号，执行器将向开方向动作，直到限位开关切断。（注意：如果在此过程中发现D1灯熄灭，请顺时针旋转P4，使D1灯常亮。）7).调整电位器P3（顺时针增大，逆时针减小），使5、6端电压为10V。8).通过P6调整反馈信号为20mA（顺时针增大，逆时针减小）9).调整P4，使A点与端子6之间电压为5V（参考值），具体为C点与B点电压的中间值
25、。如有需要，请重复以上步骤，直到合格为止。7、试说明通电后执行机构不动作的原因。A）检查外部接线、电源线与信号线（420mA；B）检查内部接线、PSAP4与PC板的接线、反馈电阻接线；C）检查PSAP4的保险管；D）检查正反作用开关位置；E）用手旋转反馈电位器；F）检查执行器内部接线X1（113）各端子有无松动等；G）检查热敏电阻是否通路（如果有的话）；H）检查电机；I）检查电容、电阻等；G）如果是PSQ700,检查抱闸。9、行程控制机构的作用是什么？ 答：由十进位齿轮组、顶杆、凸轮和微动开关组成，简称计数器，其工作原理是由减速箱内的主动小齿轮带动计数器工作。如果计数器按阀门开或关的位置已调整
26、好，当计数器随输出轴转到预先的调整好的位置时，则凸轮将被转动90，压迫微动开关动作，切断电源，电机停转，以实现对电动装置的控制。10、电气转换器现场运行时常会发生那些故障？ 答：1、由于气源的不洁净，易发生节流孔堵塞现象。2、转换器的零点、量程会发生漂移。3、转换器输出不线性。4、密封垫、弹簧老化，零部件、接头松动漏风。5、电源接线松动、短路等现象。11、阀门定位器使用在那些情况下？答：1、调节阀前后压差大，普通电气转换器无法实现控制功能。2、被调介质高压、高温、低温或含有固体悬浮物、粘度大时，减少误差，增大控制精度。 3、调节阀自身器件老化，摩擦，动作迟缓。 4、调节阀的控制精度要求高。5、
27、摩擦力大。需要精确定位的场合。6、采用无弹簧执行机构的调节阀。7、分程调节或现场运行中需改变气开、气关形式。8、改变调节阀的流量特性。13、阀门定位器与电气转换器相比的优点？答：1、输出仪表信号风压大，推动调节阀的功率大。2、定位器自带负反馈，使控制精度更高。 3、可以使输入信号实现分程控制。 4、能使调节阀反向动作。14、阀门定位器现场使用时，常见的故障？答：1、定位器的节流孔堵塞，或喷嘴挡板处有污物。 2、定位器在现场运行中各紧固件松动，增大误差。 3、定位器的零点、量程发生偏移。 4、定位器的输出不线性。5、反馈杆及紧固件松动，使阀门波动频繁。15、现场校准阀门定位器与电气转换器有什么不
28、同？ 答：1、因为阀门定位器有阀位反馈与调节阀构成一个回路，所以在校准时阀门定位器与调节阀进行联校，而电气转换器则需分开校准。2、电气转换器的输出是20100KPa，而阀门定位器的输出由调节阀的弹簧和定位器的阀位反馈来决定，因此在校准时电气转换器要校准输出值，而阀门定位器则只需校准调节阀的开度即可。3、阀门定位器与调节阀在校准时应先使其开度在50，此时其阀位反馈杆应与定位器垂直且处于水平位置。然后在对其零点、量程进行校准。16、画出电/气转换器现场校准图，并说出各部分名称。解： 1：气源 2：空气过滤减压阀 6：减压后的气源信号：140KPa 3：标准信号发生器 7：标准电流信号：420mA 4：电气转换器 8：电气转换器的输出 5：标准压力表17、 简述电气阀门定位器安装后线性度不好的原因及处理措施？答：原因及处理措施： 1、喷嘴挡板平衡度不好；调整喷嘴挡板平衡度 2、被压室漏气 ；消除泄漏 3、可动部件有卡碰现象；重新调整消除卡碰 4、放大器有污物；清除放大器污物 5、安装调整不当；重新调整 6、膜头径向位移大；重新调整 7、调节阀线性度差；调整调节阀 8、紧固件松动；消除松动18、调节阀的工作原理。 由控制室来的420mA控制信号经过电气转换器（阀门定位器），变成气动信号作用于调节阀的膜片使其推动调节阀杆移动，阀杆带动阀芯运动，从而改变介质的流通面积使介质流量发生变化。同
