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1、第四章 控制系统中的仪器仪表,主要内容,检测变送仪表传感器变送器执行器-气动调节阀气动调节阀的结构执行机构阀阀门定位器 调节阀的结构特性和流量特性结构特性流量特性气动调节阀的选择,沈阳理工大学,3,补充知识,知识点一：DDZ仪表的发展历程,电(D)动(D)单元组(Z)合仪表可以分为三个阶段：,1、DDZ型系列,五六十年代；电子管和磁放大器为主要器件 ；电压高、重量大，体积大，耗电大； 010mA DC作为统一的标准信号；调节、显示、操作等三种功能是彼此分离。,沈阳理工大学,4,知识点一：DDZ仪表的发展历程,3、DDZ型系列,七八十年代；线性集成电路；420mA DC(或15V DC) ；24
2、V DC电源的集中统一供电,2、DDZ型系列,六七十年代晶体管 ；010mA DC统一标准信号；标准化、系列化和通用化,沈阳理工大学,5,例3.典型的控制回路,差压变送器,气动调节阀,调节器,显示操作器,沈阳理工大学,6,4.1 检测变送仪表,4.1.1 传感器 1、 温度测量 接触式测温膨胀类-玻璃液体、压力式、双金属热电类-热电偶电阻类-铂电阻、热敏电阻等其它电学类-集成式等 非接触式测温光纤类辐射类,沈阳理工大学,7,2 压力测量,液柱式压力表-压力转换成液柱高度； 弹性式压力表 -弹性元件受力变形； 活塞式压力表 -压力转换成活塞上所加砝码的重量； -主要用于压力表校验 电气式压力表
3、-压力转换成电势、电容、电阻等； - 如应变片式、霍尔片式、热电式； -用于远传与自动控制，应用广泛。,沈阳理工大学,8,3. 流量测量,体积式流量计容积式-腰轮流量计差压式-节流式速度式-涡流、电磁、超声质量式流量计推导式-体积流量经密度、温度、压力补偿计算出质量流量直接式-冲量式流量计,沈阳理工大学,9,4. 物位测量,液位、界位、料位种类直读-玻璃管静压-压力等浮力-浮子、浮筒等机械接触-重锤等电气-电阻、电容其他-超声、微波、辐射等,沈阳理工大学,10,5. 成分测量,热力式磁力式光学式射线式电化学式-电导分析色谱式质谱式等,沈阳理工大学,11,4.1.2 变送器,将传感器测量的信号转
4、换为其他仪表或控制器能接受的信号。一般为15V或420mA。如传感器输入量程为50150度传感器与变送器共同组成测量仪表增益,4.2 执行器-气动调节阀,分为三大类：以压缩空气为能源的气动执行器（即气动调节阀），气动执行器的输入信号为20100kPa；以电为能源的电动执行器（即电动调节阀），电动执行器的输入信号为420mA DC；以高压液体为能源的液动执行器（即液动调节阀）。,4.2.1 气动调节阀的结构,由执行机构和阀两部分组成。作用：控制流入或流出被控过程的物料或能 量，从而实现对过程参数的自动控制。执行器组成：执行机构（驱动）调节机构（阀芯）接受调节器输出的控制信号，转换成直线位移或角位
5、移，来改变调节阀的流通截面积。,气动薄膜调节阀的结构,外形图,内部图,气动调节阀的结构,u(t)：控制器输出 ( 420 mA 或 010 mA DC)；pc ：调节阀气动控制信号；l：阀杆相对位置； f ：相对流通面积；q ：受调节阀影响的管路相对流量。,一、气动执行机构,有薄膜式和活塞式两种；,执行机构由膜片、推杆和平衡弹簧等部分组成；接受调节器或电-气阀门定位器输出的气压信号，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；气动执行器的执行机构可看成一阶惯性环节（而电动执行器可看成比例环节）。,气动薄膜调节阀执行器的结构,正作用式气动薄膜执行机构1-上膜盖；2-波纹膜片；3-
6、下膜盖；4-支架；5-推杆；6-弹簧；7-弹簧座；8-调节件；9-连接阀杆螺母；10-行程标尺,反作用式气动薄膜执行机构1-上膜盖；2-波纹膜片；3-下膜盖；4-密封膜片；5-密封环；6-填块；7-支架；8-推杆；9-弹簧；lO-弹簧座；11-衬套；12-调节件；13-行程标尺,结构图,气动薄膜调节阀的组成,气动薄膜调节阀是由上部的薄膜执行机构和下部的调节机构两部分组成,执行机构,调节机构,执行机构,气动薄膜调节阀的执行机构是由波纹膜片、上下膜盖、平稳弹簧等部件组成的,调节机构,调节机构是由阀体、阀杆、阀芯、阀座等部件所组成,阀芯,阀杆,阀体,二、阀,局部阻力可变的节流元件；包括阀芯、阀座和阀
7、杆组成；通过改变阀芯的行程可以改变调节阀的阻力系数，达到控制流量的目的。,阀的主要结构形式,直通单座调节阀,气动薄膜调节阀,三通调节阀,三通阀可以把一路流体分成两路，或是把两路流体合为一路， 它们是在直通单座或双座调节阀的基础上发展起来的，可以代替两个直通阀,二位三通电磁阀,蝶阀,蝶阀又称为翻板阀。其结构如图。它利用挡板的旋转改变流通面积来控制流量,高压角形调节阀,铸造成型的角形结构，如图所示。为了延长使用寿命，适应高压差下流体的冲刷和气蚀，阀芯头部可采用硬质合金或可淬硬钢渗铬等，阀座则采用可淬硬钢渗铬,隔膜调节阀,隔膜调节阀采用耐腐蚀衬里的阀体和耐腐蚀的隔膜代替阀芯组件，由隔膜起控制作用，如
8、图所示,直通双座调节阀,直通双座调节阀的结构如图所示。阀体内有两个阀芯和阀座，流体从左侧进入， 通过阀芯阀座后汇合，从右侧流出,直接控制式电磁阀,正装：阀芯向下，阀杆向下，流通面积减少。 反装：阀芯向上，阀杆向下，流通面积增大。,图10-5 控制阀正、反作用,气动控制阀的气开、气关特性 气关阀：供气量越大，阀门开度越小，而在失气时则全开。 气开阀：供气量越大，阀门开度越大，而在失气时则全关；,执行器如气动薄膜控制阀的执行机构和调节机构组合起来可以实现气开和气关式两种调节。,图10-6 正反作用组合,执行机构的正、反作用,阀芯的正、反装,三、阀门定位器,是气动执行器主要辅助装置；利用负反馈原理来
9、改善调节阀的定位精度和灵敏度； 提高系统控制精度；改变调节阀的流量特性；组成分程控制系统。对于快速控制过程，不适合。,4.2.3 调节阀的结构特性和流量特性,执行机构,阀,管路,调节阀,u,l,f,q,静态特性：,动态特性：,q=Q/Q100 相对流量,一. 调节阀的结构特性,选择原则：如果是双位控制、程序控制，则选择快开型；其他几种特性一般选择等百分比特性型。,1-直线2-等百分比3-快开4-抛物线,F-节流面积，f-相对节流面积，L-某开度下行程，l-相对开度,1、直线结构特性,调节阀的节流面积与阀的相对开度成直线关系，即： 代入边界条件L=0和L=L100有： 其中：R为调节阀的可调范围
10、，R=F100 / F0,直线结构特性特点,阀芯相对开度变化所引起的节流面积变化是相等的节流面积相对变化量是不同的：在小开度时，节流面积相对变化量大；在大开度时，其节流面积相对变化量小。直线流量特性调节阀在小开度时，控制作用强，易引起振荡；在大开度时，控制作用弱，控制缓慢。,2、对数（等百分比）结构特性,其数学表达式 在任意开度下，单位行程变化引起的节流面积变化与该节流面积成正比关系。对数（等百分比）流量特性特点：调节阀在小开度时，控制缓和平稳调节阀在大开度时，控制及时有效。,代入边界条件：,3、快开结构特性,在小开度时流量就比较大，随着开度的增大流量很快就达到最大主要适用于位式控制。,代入边
11、界条件：,4、 抛物线结构特性,相对流量与阀的相对开度成抛物线关系，即相对流量与相对开度成平方关系。它介于直线与对数流量特性之间，通常可用对数流量性来代替。,二 调节阀的流量特性,指介质流过阀门的相对流量与相对开度之间的关系 q=Q/Q100 相对流量，即调节阀某一开度流量与全开流量之比； l=L/L100相对开度，即调节阀某一开度行程与全行程之比。,1、理想流量特性,调节阀前后压差不变时，得到的流量特性；流量特性完全取决于阀芯的形状；理想流量特性有：直线对数抛物线快开理想流量特性即是调节阀的结构特性，即： q = f (若C=C100 f , ）,2、工作流量特性,实际应用时，调节阀两端的压
12、差是变化的，此时调节阀的相对流量与相对开度之间的关系称为工作流量特性。1)串联管系调节阀流量工作特性 衡量调节阀实际工作流量特性相对于理想流量特性的变化程度，全开阀阻比S100定义为：,调节阀S100值变化，q，f 之间的关系,串联管道，流量特性发生两个变化一是调节阀全开时流量减小，即调节阀可调范围变小；另一个是流量特性曲线向上拱，理想直线特性变成快开特性。S100值越小，畸变越严重。,串联管系流量工作特性的畸变,工作流量特性,2、并联管道的流量特性,(1)、并联的目的：冗余措施；增大产量(流量)(2)、 为阀全开流量比；阀全开流量与总管最大流量之比；并联管系的一个重要参数。,时，旁路关闭，此
13、时是调节阀的理想流量特性，其他值时，流量特性形状不变,串联管系调节阀流量工作特性,减小，并联管系的可调比减小。并联工作时，根据现场使用经验，旁路流量只能为总流量的百分之十几， 值不能低于0.8。, 选气开还是气关式，由生产工艺的要求决定。 1、从生产的安全出发 2、从保证产品质量考虑 3、从降低原料和动力的损耗考虑 4、从介质特点考虑,(一)、气开气关方式的选择, 执行机构与阀体部件的配用有表可查。 先选气开、气关方式，再选执行机构。,(二)、执行机构正、反作用方式的选择,三、控制阀作用方式的选择,例题,已知阀的最大流量Qmax=100m3/h，可调范围R=30。试分别计算在理想情况下阀的相对
14、行程为=0.1、0.2、0.8、0.9时的流量值Q，并比较不同理想流量特性的控制阀在小开度与大开度时的流量变化情况。 直线流量特性； 等百分比流量特性。,例题,根据直线流量特性的相对流量与相对行程之间的关系：分 别 在 公 式 中 代 入 数 据 Qmax=100m3/h，R=30，l/L=0.1、0.2、0.8、0.9等 数 据 ，得：Q0.1=13 m3/h Q0.2=22.67 m3/h Q0.8=80.67 m3/h Q0.9=90.33 m3/h,例题,根据等百分比流量特性的相对流量与相对行程之间的关系：得：Q0.1=4.68 m3/h Q0.2=6.58 m3/h Q0.8=50.
15、65 m3/h Q0.9=71.17 m3/h,例题,对于直线流量特性的控制阀，相对行程由10%变化到20%时，流量变化的相对值为：相 对 行 程 由 80%变 化 到 90%时 ，流 量 变 化 的 相 对 值 为,例题,可见，对于直线流量特性的控制阀，在小开度时（10%处），行程变化10%，流量增加74.4 %；在大开度时（80%处），行程同样变化了10%，流量只在原有基础上增加12%，控制作用很弱，控制不够及时、有力。,例题,对于等百分比流量特性的控制阀，相对行程由10%变为20%时，流量变化的相对值为相 对 行 程 由 80%变 到 90%时 ，流 量 变 化 的 相 对 值为,例题,对于等百分特性控制阀，不管是小开度或大开度时，行程同样变化了10%，流量在原来基础上变化的相对百分数是相等的，即具有等百分比流量特性。在同样的行程变化值下，小开度时，流量变化小，控制比较平衡缓和；大开度时，流量变化大，控制灵敏有效。,
