执行器及安全栅.ppt

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1、第4章 执行器及安全栅4.1 执行器执行器是自动控制系统中的重要组成部分，它将控制器送来的控制信号转换成执行动作，从而操纵进入设备的能量，将被控变量维持在所要求的数值上或一定的范围内。执行器有自动调节阀门、自动电压调节器、自动电流调节器、控制电机等。其中自动调节阀门是最常见的执行器，种类繁多。,一、执行器的结构组成组成：执行机构 调节机构二、执行器的分类,气动执行器 PLQ 按能源分：电动执行器 IiLQ 液动执行器,直行程角行程,三种执行器的特点比较,电动执行器,气动执行器,1.特点 它是以140kP的压缩空气为能源，以20 100kP气压信号为输入控制信号；具有结构简单、动作可靠、性能稳定

2、、输出推力大、维修方便、本质安全防暴和价格低廉等特点。2.构成原理,（一）结构组成：执行机构 P L Q 调节机构,4.1.1 气动执行器,4.1.1.1 气动调节阀的结构与分类气动调节阀由执行机构和控制机构（阀）两部分组成。执行机构是推动装置，它是将信号压力的大小转换为阀杆位移的装置。控制机构是阀门，它将阀杆的位移转换为流通面积的大小。,1.执行机构 执行机构按调节器输出的控制信号，驱动调节机构动作。气动执行机构的输出方式有角行程输出和直行程输出两种。,直行程输出的气动执行机构有两类。,气动活塞式执行机构,薄膜式执行机构,气动薄膜控制阀,外形,反装阀,气开式执行器,正作用执行机构,P入,正作

3、用式气动薄膜控制阀,反作用式气动薄膜控制阀,结构 原理,气关式控制阀,O型环,气开式执行器,反作用执行机构,P入,阀芯的正装与反装形成气开、气关,正装,反装,气开式与气关式的选择 气动调节阀在气压信号中断后阀门会复位。无压力信号时阀全开，随着信号增大，阀门逐渐关小的称为气关式。反之，无压力信号时阀全闭，随着信号增大，阀门逐渐开大称的为气开式。如气动薄膜调节阀的气开式与气关式：,四种组合,气关式,气关式,气开式,气开式,反装阀,反装阀,正装阀,正装阀,P入,P入,P入,P入,Q,Q,Q,Q,Q,执行机构的作用方式,例如：选择蒸汽锅炉的控制阀门时，为保证失控状态下锅炉的安全：给水阀应选气关式 燃气

4、阀应选气开式,阀门气开气关式的选择原则：当控制信号中断时，阀门的复位位置能使工艺设备处于安全状态。,返回,一、控制阀的结构特点,直通,2.调节机构,角形,三通控制阀：合流；分流,碟阀,角行程式阀芯,凸轮挠曲阀,蝶阀,球阀,4.1.1.2 调节阀的流量特性调节阀的阀芯位移与流量之间的关系，对控制系统的调节品质有很大影响。流量特性的定义：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）间的关系称为调节阀的流量特性。,Q/Qmax 相对流量 l/L 相对开度,相对流量Q/Qmax 是控制阀某一开度流量Q与全开时流量Qmax之比；相对开度l/L 是控制阀某一开度行程l与全开行程L之比。,调节阀的

5、流量特性不仅与阀门的结构和开度有关，还与阀前后的压差有关，必须分开讨论。,为了便于分析，先将阀前后压差固定，然后再引伸到实际工作情况，于是有固有流量特性与工作流量特性之分。1、固有（理想）流量特性 在将控制阀前后压差固定时得到的流量特性称为固有流量特性。它取决于阀芯的形状。,对数特性,（1）直线流量特性控制阀的相对流量与相对开度成直线关系，即单位位移变化所引起的流量变化是常数。用数学式表示为：,(l/L)/%,R 调节阀的可调比系数。,控制阀的可调比,控制阀的可调比就是控制阀所能控制的最大流量与最小流量之比。可调比也称为可调范围，用R表示。,1.理想可调比 当控制阀上压差一定时，这时的可调比称

6、为理想可调比。2.实际可调比 控制阀在实际工作时，与管路系统相串联或与旁路阀相并联，此时的可调比就称为实际可调比。,其中Qmin不是指阀门全关时的泄漏量，而是阀门能平稳控制的最小流量，约为最大流量的24%一般阀门的可调比R=30。,R=Qmax/Qmin,直线阀的流量放大系数在任何一点上都是相同的。,1.理想可调比,（2）对数（等百分比）流量特性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：,曲线斜率（放大系数）随行程的增大而增大。开度小时，流量变化小；开度大时，流量变化大。,（4）抛物线流量特性,特性曲线为抛物线，介于直线和对数曲线之间，使用较少。,（3）快开特性,开度较小

7、时就有较大流量，随开度的增大，流量很快就达到最大，故称为快开特性。适用于迅速启闭的切断阀或双位控制系统。,2、调节阀的工作流量特性实际使用时，调节阀装在具有阻力的管道系统中。管道对流体的阻力随流量而变化，阀前后压差也是变化的，这时流量特性会发生畸变。例：管道串联时的工作流量特性如图，管道系统总压力P等于管路系统的压降PG与控制阀的压降PT之和。,从串联管道中调节阀两端压差PT的变化曲线可看出，调节阀全关时阀上压力最大，基本等于系统总压力；调节阀全开时阀上压力降至最小。为了表示调节阀两端压差PT的变化范围，以阀权度s表示调节阀全开时，阀前后最小压差PTmin与总压力 P之比。,s=PTmin/P

8、,(1)串联管道时的可调比,Pmax为控制阀全关时阀前后的压差（近似等于系统的总压差）；Pmin为控制阀全开时阀前后的压差；S为控制阀全开时阀前后压差与系统总压差之比,(2)并联管道时的可调比（课外）,流量特性畸变：,以Qmax表示串联管道阻力为零时(s=1)，阀全开时达到的最大流量。可得串联管道在不同s值时，以自身Qmax作参照的工作流量特性。,结论串联管道使调节阀的流量特性发生畸变。串联管道使调节阀的流量可调范围降低，最大流量减小。串联管道会使调节阀的放大系数减小，调节能力降低，s值低于0.3时，调节阀能力基本丧失。,3.调节阀流量特性的选择保证控制品质的重要因素之一是：保持控制系统的总放

9、大倍数在工作范围内尽可能恒定。,有的被控对象的放大倍数，在不同的工艺点不同。,很多对象在工作区域内稳态放大倍数K不是常数，在不同的工艺负荷点，K不相同。因此希望调节阀的流量特性能补偿对象的静特性。,（1）若调节对象的静特性是非线性的，工艺负荷变化又大，用对数特性补偿。,（3）配管阻力大、s值低，对数阀会畸变成直线阀。,（2）若调节对象的静特性是线性的，或工艺负荷变化不大，用直线阀。,4.调节阀口径的选择,为保证工艺的正常进行，必须合理选择调节阀的尺寸。如果调节阀的口径选得太大，使阀门经常工作在小开度位置，造成调节质量不好。如果口径选得太小，阀门完全打开也不能满足最大流量的需要，就难以保证生产的

10、正常进行。,调节阀的口径决定了调节阀的流通能力。调节阀的流通能力用流量系数C值表示。,流量系数C的定义：在阀两端压差100kPa，流体为水（103Kgm3）的条件下，阀门全开时每小时能通过调节阀的流体流量（m3/h）。例如，某一阀门全开、阀两端压差为100kPa时，流经阀的水流量为20 m3/h，则该调节阀的流量系数为：C=20。,在调节阀技术手册上，给出了各种阀门的口径和流通能力 C，供用户查阅。,将流量系数的定义条件代入基本流量公式：,实际应用中阀门两端压差不一定是100kPa，流经阀门的流体也不一定是水，因此必须换算。,（1）液体流量系数C值的计算 根据基本流量公式,两式相除得,（2）气

11、体、蒸汽C值的计算 气体、蒸汽都具有可压缩性，其C值的计算必须考虑气体的可压缩性和二相流问题，计算时进行相应的修正。,根据实际的工艺流量和管道压力换算出C值后，查阀门手册确定口径。,例 某供暖系统，流过加热盘管的水流量为Q=31m3/h热水为80，Pm-Pr=1.7100kPa，所装阀门取多大？解：Pm-Pr是管网入口压差，设配管S=0.50.7，,P=（0.50.7）1.7100kPa 100kPa,80热水的密度=971Kg/m3,代入,得C31，取标准C=32在此档中，选取和管道直径相配的口径。,返回,、仪表知识一执行器的选择,（1）调节阀结构的选择；（2）执行机构的作用方式；（3）调节

12、阀流量特性的选择；（4）调节阀口径的选择。,执行器的选择，主要是从以下四方面考虑：,、调节阀的在线选择（课外）,1、在线计算工具,有些厂家网站上提供了调节阀的在线计算服务，设计者只要将有关数据、方法选择正确，就能得到相应的结果。,选择公式,计算公式,2、调节阀的在线选择,3、动笔做做,在某系统中，拟选择一台气动调节阀，工艺流程图如图所示。根据工艺要求，最大流量为Qmax=100m3/h，最小流量Qmin=30m3/h，阀前压力p1=800kPa，最小压差为pmin=60kPa，最大压差pmax=500kPa。被调介质是水，水温为18，安装时初定管道直径为125mm，阀阻比S=0.5。现根据工艺

13、需要和控制要求，填写一份调节阀的订货选择单。,将420mA的电流信号转换成20100KPa的标准气压信号。,4.1.2 电/气转换器,为了使气动调节阀能够接收电动调节器的输出信号，必须把标准电流信号转换为标准气压信号。,电/气转换器作用：,4.1.3 阀门定位器气动调节阀中，阀杆的位移是由薄膜上气压推力与弹簧反作用力平衡确定的。为了防止阀杆处的泄漏要压紧填料，使阀杆摩擦力增大，且个体差异较大，这会影响输入信号P的执行精度。,解决措施 在调节阀上加装阀门定位器，引入阀杆位移负反馈。使阀杆能按输入信号精确地确定自己的开度。,4.1.4 电动执行器,电动执行机构由伺服放大器和执行机构两部分组成。执行

14、机构又包括两相伺服电动机、减速器和位置发送器,伺服放大器：前置磁放大器、触发器，可控硅主回路及电源等部分。作用：综合输入信号和反馈信号，并将该结果信号加以放大，使之有足够大的功率来控制伺服电动机的转动。根据综合后结果信号的极性，放大器应输出相应极性的信号，以控制电动机的正、反运转。,1.伺服放大器,操作器：是用来完成手动自动之间的切换、远方操作和自动跟踪无扰动切换等任务,2.执行机构,伺服电机：是执行机构的动力部分,减速器：将高转速、低转矩变成低转速、高转矩,位置发送器：根据差动变压器的工作原理，利用输出轴的位移来改变铁芯在差动线圈中的位置，以产生反馈信号和位置信号。,小结,结构,工作原理,电

15、动执行器,电/气阀门定位器,电/气转换器,调节阀的选择与计算,调节阀的流量特性,调节阀的流通能力,调节阀的作用方向,气动执行器,4.2 防爆栅,在大气条件下，气体蒸汽、簿雾、粉尘或纤维状的易燃物质与空气混合，点燃后燃烧将在整个范围内传播的混和物，称为爆炸性混合物含有爆炸性混合物的环境，称为爆炸性环境。按爆炸性混合物出现的频度、持续时间和危险程度，又可将危险场所划分成不同级别的危险区安装在这类场所的检测仪表和执行器，如果产生的火花具有点燃这些危险混合物的能量，则产生火灾或爆炸。,防爆仪表类型,传统防爆仪表（结构防爆）基本思想结构隔离，将可能产生危险火花的电路与易燃易爆气体隔离安全火花防爆仪表（本

16、质安全防爆仪表）基本思想限制能量，把各种状态下可能产生的火花能量都限制在易燃易爆气体的点火能量以下，即使产生了火花也不会爆炸,防爆栅（又称安全栅）是防止危险电能从控制系统信号线进入现场仪表的安全保护器。,安全火花防爆仪表只能保证本仪表内部不发生危险火花，对其它仪表通过信号线传入的能量是否安全则无法保证。如果在与其它仪表的电路连线之间设置防爆栅，防止危险能量进入，则完全做到了安全火花防爆。,防爆栅,构成安全火花防爆系统的充要条件：在危险现场使用的仪表必须是安全火花防爆仪表(本安仪表)。现场仪表与危险场所之间的电路连接必须经过防爆栅。从现场仪表到防爆栅的连接线不得形成大的分布电容和电感。,对于类电

17、气设备，电路电压限制在30VDC时，各种爆炸性混合物按最小引爆电流分为三级。,爆炸性混合物的最小引爆电流,不同的危险等级对电气设备的防爆要求不同，煤矿井下用电气设备属类设备；有爆炸性气体的工厂用电气设备属类设备；有爆炸性粉尘的工厂用电气设备属类设备。,防爆栅是传递正常信号、阻止危险能量通过的保险器件。包括：电阻式、齐纳式、隔离式。、电阻式防爆栅在信号通路上串联一定电阻，起限流作用，可称作电阻式安全栅。其缺点是正常信号也衰减，且防爆定额低。,如热电偶温度变送器的输入端,4.2.1 防爆栅原理,存在的问题：,有两点以上接地，会造成信号通过大地短路或形成干扰（除安全栅接地外，相连仪表也有接地）,R1

18、、R2对仪表正常的工作仍有影响，阻值过大影响仪表的恒流特性，过小起不到限流作用。,基本设想：用二极管VD1、VD2进行限压，用电阻R1、R2及熔断丝F进行限流。,4.2.3.1 齐纳式安全栅,（2）由VD1VD4和F1 F2组成限压电路。背靠背的齐纳管中点接地，改直接接地为保护时接地。,（1）用晶体管限流电路取代固定电阻。VT3工作于零偏压，作为恒流源向VT1提供足够的基极电流，保证信号在420mA范围内VT1处于饱和状态。,改进后的齐纳式安全栅,正常时VT1饱和导通 VR1=0.1 0.5V VT2不通,过流时VR 1 0.6V VT2导通，分流VT3的电流,VT1退饱和 Vce1呈现较高的

19、电阻,要求快速熔断丝熔断时间1mS,工作原理,过压时VD1 VD4中至少有一个被击穿，限压并接地,4.2.3.2 隔离式安全栅用变压器作为隔离元件，分别将输入、输出和电源进行隔离，可以对二线制变送器进行隔离供电。因而分检测端安全栅和执行端安全栅。1 检测端安全栅检测端安全栅在向变送器提供电源的同时，将变送器的测量信号经隔离变压器传给控制室仪表。,检测端防爆栅是一个传递系数为1的传送器，电源、变压器、控制室仪表之间用磁耦合，电路上是隔离的。简化原理图如图所示。,（2）晶体管限压限流电路 串联使用了两套完全相同的限压限流电路：VT3、VT4和VD15；VT5、VT6和VD16。正常工作时VT4、V

20、T6饱和，VT3、VT5截止。,电源出现过电压 VD15击穿（30V）,VT3饱和,Vce30,分流,VT4截止，高阻抗,VAB 限压,晶体管限压限流电路原理,变送器出现过电流,信号电流大于25mA，VR6 0.6V,VT3导通，分流,VT4退饱和，高阻抗,Vce4 限流,（2）执行端防爆栅 用于控制室中调节器和现场执行器之间，是420mA调节信号送往现场的安检通道。与检测端防爆栅的区别：信号传输方向相反。,隔离式安全栅特点,通用性强，使用时不需要特别本安接地，系统可以在危险区或安全区认为合适的任何一方接地，使用方便；电源、信号输入、信号输出均通过变压耦合，实现信号的输入、输出完全隔离，使安全

21、栅的工作更加安全可靠。,第4章执行器和防爆栅,练习：控制阀的工作流量特性与下列哪几项有关？（A）阀门的流量系数；（B）阀芯的形状；（C）阀门的口径；（D）阀门两端的配管情况。,第4章执行器和防爆栅,练习：控制阀的工作流量特性与下列哪几项有关？（A）阀门的流量系数；（B）阀芯的形状；（C）阀门的口径；（D）阀门两端的配管情况。答：B,D,第4章执行器和防爆栅,练习：图为贮罐液位控制系统，为安全起见，贮罐内液体严禁溢出。当选择流出量Q为操纵变量时，其控制阀和控制器分别应如何选择作用方向？（A）气关式、正作用（B）气开式、正作用（C）气关式、反作用（D）气开式、反作用,第4章执行器和防爆栅,答：（C）,题解：在系统中，贮罐是被控对象，流出量是操纵变量，贮槽液位高度是被控变量。当操纵变量流出量增加时，被控变量液位高度下降，因此对象是反作用（-）。从工艺安全条件出发，为避免当控制信号中断时，控制阀全关而导致液体溢出，执行器应选气关式，即反作用（-）。,为保证系统负反馈，使各环节符号乘积为“负”，控制器须选用反作用（-）。才能当液位上升时，控制器的输出减小，开大输出阀门，使液位降下来。,总结,