第六章 调节阀 执行器学习资料.docx
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第六章调节阀执行器学习资料
第六章调节阀执行器
第六章执行器
基本要求
1.掌握控制阀的流量特性的意义，了解串联管道中阻力比：
和并联管道中分流比z对流
量特性的影响。
2.了解气动薄膜控制阀的基本结构、主要类型及使用场合。
3.理解气动执行器的气开、气关型式及其选择原则。
4.了解电气转换器及电一气阀门定位器的用途及工作原理。
5.了解电动执行器的基本原理。
问题解答
1.气动执行器主要由哪两部分组成？
各起什么作用？
答气动执行器由执行机构和控制机构（阀）两部分组成。
执行机构是执行器的推动装置，它根据控制信号（由控制器来）压力的大小产生相应的推力，推动控制机构动作，所以它是将信号压力的大小转换为阀杆位移的装置。
控制机构是指控制阀，它是执行器的控制部分，它直接与被控介质接触，控制流体的流量，所以它是将阀杆的位移转换为流过阀的流量的装置。
2.气动执行机构主要有哪几种结构形式？
各有什么特点？
答气动执行机构主要有薄膜式和活塞式两种结构形式。
薄膜式执行机构的结构简单、价格便宜、维修方便、应用最为广泛。
它可以用作一般控
制阀的推动装置，组成气动薄膜式执行器，习惯上称为气动薄膜控制阀。
气动活塞式执行机构的特点是推力大，主要适用于大口径、高压降的控制阀或蝶阀的推
动装置。
除薄膜式和活塞式执行机构外，还有长行程执行机构，它的行程长、转矩大，适用于输
出转角（0°～90°）和力矩的场合，如用于蝶阀或风门的推动装置。
3.控制阀的结构形式主要有哪些？
各有什么特点？
主要使用在什么场合？
答简单列表说明如下：
4.控制阀的流量特性是指什么？
答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（或相对位移）之间的关系，即
式中相对流量若
是控制阀某一开度时的流量Q与全开时的流量Qmax之比。
相对开度
是控制阀某一开度时的阀杆行程l与阀杆全行程L之比。
5.何为控制阀理想流量特性和工作流量特性？
答阀前后压差保持不变时的流量特性称为理想流量特性；在实际使用过程中，阀前后
的压差会随阀的开度变化而变化，此时的流量特性称为工作流量特性。
6.何为直线流量特性？
试写出直线流量特性控制阀的相对流量与相对开度之间的关系式。
答直线流量特性是指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，即
=K
式中K为常数，即控制阀的放大系数。
直线流量特性的控制阀，其相对流量与相对位移之间的关系式可推得为：
式中R为可调范围，是控制阀所能控制的最大流量Qmax与最小流量Qmin的比值。
7.为等百分比（对数）流量特性？
试写出等百分比流量特性控制阀的相对流量与相对
开度之间的关系式。
答等百分比流量特性是指单位相对开度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，即控制阀的放大系数随相对流量的增加而增加，即
=K
等百分比流量特性的控制阀，其相对流量与相对位移之间的关系式可推得为：
式中R为可调范围。
8.什么是串联管道中的阻力比s？
s值的减少为什么会使理想流量特性发生畸变？
答s值表示控制阀全开时阀上压差与系统总压差之比。
当s=1时，说明系统总压差全部降在控制阀上，所以控制阀在工作过程中，随着阀开度的变化，阀两端的压差是不变的，故工作流量特性与理想流量特性是一致的。
当s值小于1时，系统的总压差一部分降在控制阀，另一部分降在与控制阀串联的管道上。
随着阀的开度增大，流量增加，降在串联管道上的压差增加，从而使降在控制阀上的压差减少，因而流过控制阀的流量也减少。
所以随着：
值减小，会使理想流量特性发生畸变，阀的开度越大，使实际流量值离开理想值越大。
具体来说，会使理想的直线流量特性畸变为快开特性，使理想的等百分比流量特性畸变为直线特性。
9.什么是并联管道中的分流比x？
试说明x值的变化对控制阀流量特性的影响。
答x值表示并联管道时，控制阀全开时流过控制阀的流量与总管的总流量之比。
当x＝1时，说明流过控制阀的流量等于总管的流量，即旁路流量为零，如果这时阀的流量为理想流量特性，那么，随着x值的减少，说明流过旁路的流量增加。
这时，控制阀既使关死，也有一部分流体从旁路通过，所以控制阀所能控制的最小流量比原先的大大增加，使控制阀的可调范围减小，阀的流量特性发生畸变。
严重时，会使控制阀几乎失去控制作用，因为当x值很小时，大部分流量都从旁路通过，控制阀对这部分流量是不起控制作用的。
10.什么叫气动执行器的气开式与气关式？
其选择原则是什么？
答随着送往执行器的气压信号的增加，阀逐渐打开的称为气开式，反之称为气关式。
气开、气关式的选择主要是由工艺生产上安全条件决定的。
一般来讲，阀全开时，生产过程或
设备比较危险的选气开式；阀全关时，生产过程或设备比较危险的应选择气关式。
11.什么是控制阀的流量系数C?
答在给定的行程下，当阀的两端压差为100kPa,流体密度为1g/cm3时流经控制阀的体积流量m3/h数定义为阀的流量系数C。
控制阀全开时的流量系数C100控制阀的最大流量系数Cmax。
流量系数是表示控制阀流通能力大小的参数，因此，控制阀的流量系数C亦可称为控制阀的流通能力。
12.试简述电动执行器的功能与主要类型。
答电动执行器的功能是接收来自控制器的0～l0mA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。
电动执行器的主要类型有角行程、直行程和多转式等。
角行程电动执行机构以电动机为
动力元件，将输入的直流电流信号转换为相应的角位移（0°～90°），这种执行机构适用于操纵
蝶阀、挡板之类的旋转式控制阀。
直行程执行机构接收输入的直流电流信号后，使电动机转
动，然后经减速器减速并转换为直线位移输出，去操纵单座、双座、三通等各种控制阀和其
他直线式控制机构。
多转式电动执行机构主要用来开启和关闭闸阀、截止阀等多转式阀门，一
般用作就地操作和遥控。
13.试简述差动变压器将位移转换为电信号的基本原理。
它在电动执行器中起什么作用？
答差动变压器是一种互感传感器，是把位移转换为传感器的互感系数的变化量，进而
转换为输出电信号的变化量，所以它可以用作溅量位移的传感器。
由于这种传感器常常做成
差动的，故称为差动变压器。
差动变压器的原理如图6-1所示。
初级线圈上加一交流稳压电源
其次级线圈分为两组，反向串联（差动接法）后输出电压
＝
－
。
当铁心处于中间位置时，位移x=0,在次级线圈上感应出的电压
=
故输出电压
=0。
当铁心自中间位置有一向上的位移时，使铁路对两次级线圈不对称，这时上边线圈中交变磁通的幅值将大于下边线圈中交变磁通的幅值，两线圈中的感应电压不相等，
>
因而有输出电压
＝
－
。
反之当铁心下移时，由于
<
，故输出电压的相应与上述相反，其大小为
＝
－
。
所以，差动变压器的输出Uo的大小将与位移x有关，其相位取决于x的方向。
在电动执行器中，铁心的位置是与执行机构的输出轴相对应的。
利用差动变压器将执行机构输出轴的位移转换为0～l0mADC（或4～20mADC）的反馈信号‘（即位置发送器的输
出信号），然后与电动执行器的输入信号相比较，经放大后去控制伺服电动机的转动，以实现电动执行器输出位移与输入信号之间的比例关系。
14.试述电一气转换器及电一气阀门定位器在控制系统中的作用。
答电一气转换器是将电信号转换为相应的气信号的一种装置。
在控制系统中，如果所使用的控制器是电动控制器，其输出信号为0～10mADC或4～20mADC，但所选择的执行器为气动执行器，其输入信号一般为20～100kPa。
这时就需要采用电一气转换器，先将控制器的输出电信号转换为相应的气信号，才能为气动执行器所接受。
电一气阀门定位器除了能将电信号转换为气信号外，还能够使阀杆位移与送来的信号大小保持线性关系，即实现控制器来的输入信号与阀门位置之间关系的准确定位，故取名为定位器。
定位器可以使用在阀的不平衡力较大或阀杆移动摩擦力较大等场合，同时还可以利用定位器来改变阀的流量特性，改变执行器的正、反作用。
在分程控制中，利用定位器可以使阀在不同的信号段范围内作全行程移动。
例题分析
1.已知阀的最大流量Qmax=l00m3/h，可调范围R=30。
试分别计算在理想情况下阀的相对行程为
=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摔制阀在小开度与大开度时的流量变化情况。
（1）直线流量特性。
（2）等百分比流量特性。
解
（1）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，
=0.1、0.2,0.8,0.9等数据，可计算出在相对行程为0.1、0.2,0.8,0.9时的流量值。
Q0.1=13m3/hQ0.2=22.67m3/h
Q0.8=80.67m3/hQ0。
9=90.33m3/h
（2）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：
分别代入上述数据，可得：
Q0.1=4.68m3/hQ0.2=6.58m3/h
Q0.8＝50.65m3/hQ0。
9＝71.17m3/h
由上述数据可以算得，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：
×100％=74.4％；相对行程由80％变化到90％时，流量变化的相对值为
×100％＝12％。
由此可见，对于直线流量特性的控制阀，在小开度时，行程变化了10％，流量就在原有基础上增加了74.4％，控制作用很强，容易使系统产生振荡；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了12％，控制作用很弱，控制不够及时、有力，这是直线流量特性控制阀的一个缺陷。
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
×100%=40％；相对行程由80％变到90％时，流量变化的相对值为
×100％=40％。
故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，故取名为等百分比流量特性。
具有这种特性的控制阀，在同样的行程变化值下，小开度时，流量变化小，控制比较平稳缓和；大开度时，流量变化大，．控制灵敏有效，这是它的一个优点。
2.对于一台可调范围R=30的控制阀，已知其最大流量系数为Cmax＝100,流体密度为lg/cm3。
阀由全关到全开时，由于串联管道的影响，使阀两端的压差由l00kPa降为60kPa,如果不考虑阀的泄漏量的影响，试计算系统的阻力比，，并说明串联管道对可调范围的影响（假设被控流体为非阻塞的液体）。
解由于阻力比s等于控制阀全开时阀上压差与系统总压差之比，在不考虑阀的泄漏量
的影响时，阀全关时阀两端的压差就可视为系统总压差，故本系统总压差为100kPa，阀全开时两端压差为60kPa，所以阻力比s＝
。
由于该阀的Cmax=100,R=30,在理想状况下，阀两端压差维持为100kPa,流体密度为lg/cm3，则最大流量Qmax＝100m3/h，最小流量Qmin＝
对于非阻塞流的液体，Cmax＝l0Qmax
。
串联管道时，由于压差由100kPa降为60kPa,故这时通过阀的最大流量将不再是100m3/h，而是Qmax’=
。
这时的可调范围R’=
。
由上可见，串联管道时，会使控制阀的流量特性发生畸变，其可调范围会有所降低。
如
果：
值很低，会使可调范围大大降低，以至影响控制阀的特性，使之不能发挥应有的控制作用。
当然，从节能的观点来看，s值大，说明耗在阀上的压降大，能量损失大，这是不利的
一面。
3.某台控制阀的流量系数Cmax＝200。
当阀前后压差为1.2MPa,流体密度为0.81g/cm3流动状态为非阻塞流时，问所能通过的最大流量为多少？
如果压差变为0.2MPa时，所能通
过的最大流量为多少？
解由公式Cmax＝l0Qmax
得
当压差变为0.2MPa时，所能通过的最大流量为：
上述结果表明，提高控制阀两端的压差时，对于同一尺寸的控制阀，会使所能通过的最
大流量增加。
换句话说，在工艺上要求的最大流量已经确定的情况下，增加阀两端的压差，可以减小所选择控制阀的尺寸（口径），以节省投资。
这在控制方案选择时，有时是需要加以考虑的。
例如离心泵的流量控制，其控制阀一般安装在出口管线上，而不安装在吸入管线上，这是因为离心泵的吸入高度（压头）是有限的，压差较小，将会影响控制阀的正常工作。
同时，由于离心泵的吸入压头损失在控制阀上，以致会影响离心泵的正常工作。
4.图6-2表示一受压容器，采用改变气体排出量以维持容器内压力恒定，试问控制阀应选择气开式还是气关式？
为什么？
解在一般情况下，应选择气关式。
因为在这种情况下，控制阀处于全关时比较危险，容器内的压力会不断上升，严重时会超过受压容器的耐压范围，以致损坏设备，造成不应有的事故。
选择气关式，可以保证在气源压力中断时，控制阀自动打开，以使容器丙压力不至于过高而出事故。
5.图6-3表示一精馏塔的塔顶温度控制系统，试选择控制阀的气并、气关型式。
解该系统的目的是通过改变回流量来维持塔顶温度恒定，其最终目标是为了保证塔顶产品的成分（纯度）恒定。
采用这种控制方案，说明该精馏过程的操作中，对塔顶产品成分的要求是较高的，如果塔顶产品的纯度不能达到一定要求，则说明没有达到精馏过程的预定目标。
回流量的大小将直接影响塔顶温度，也即影响塔顶产品的纯度。
如果回流量等于零，就会有大量不合格的产品从塔顶采出，这是不允许的。
从这一点考虑，回流量的控制阀处于全关状态比较危险，所以应选择气关阀。
当气源压力中断时，控制阀处于开启状态，回流量很大，以避免大量不合格产品从塔顶采出。
由于这时回流量超过规定数值，使塔顶产品的纯度（轻组分）比要求的还要高，所以会造成一定的能量浪费，降低生产效率，但这是为了在事故状态下仍能保证产品质量所付的代价，是不可避免的。
当然，以上关于控制阀开、关型式的选择只是从一般的情况来考虑的，不是绝对的，有时还要从工艺状况的综合考虑才能最终确定控制阀的气开、气关型式。
6.对于一台现有的气动薄膜式执行器，可以通过哪些方法来改变它的气开、气关型式？
解一般可以通过下列三种方法来较方便地改变气动薄膜式执行器的气开、气关型式。
图6-4是直通双座控制阀与执行机构的组合方式示意图。
气动薄膜式执行器的气关、气开型式是由执行机构的正、反作用和控制阀的正装、反装组合而定的。
其中图（a）、（d）都是气关阀，因为随着气压信号的增加，这两种情况下，阀芯与阀座之间的流通面积都是减小的，故是气关型控制阀。
图（b）,（c）都是气开阀，因为随着气压信号的增加，这两种情况下，阀
芯与阀座之间的流通面积都是增加的，故是气开型控制阀。
改变阀芯的正装、反装方式，可以改变控制阀的气开、气关型式。
例如图（a）的阀芯是
正装的，为气关阀，如果将阀芯反装，便成了图（b），成了气开阀。
同样如果将图（。
）中的
阀芯由正装改为反装，便成了图（d），图（。
）为气开阀，图（d）为气关阀。
一般控制阀的阀
芯与阀杆是采用螺纹连接的，并用圆柱销固定，根据需要可以改变其连接方式，这样就可以
改变阀芯的正装、反装方式了。
在条件允许时，通过改变执行机杨的正、反作用也可以改变控制阀的气开、气关型式。
当气体压力从膜片上方引进时，为正作用执行机构，如果将气体压力改为从膜片下方引进，就可以将执行机构由正作用改为反作用，相应就可以改变控制阀的气开、气关型式。
另外，通过改变阀门定位器中的凸轮安装方式，可以改变引人膜头的气压信号的变化方
向与控制器来的气压信号的变化方向之间的关系。
例如控制器来的信号增加时，凸轮正装，膜头上的气压信号如果是增加的，若将凸轮反装，膜头上的气压信号就会减小。
这样亦可以相应地改变控制阀的气开、气关型式。
7.在实际生产中，如果由于负荷的变动，使原设计的控制阀尺寸不能相适应，会有什么
后果，为什么？
解控制阀的尺寸是按负荷的大小、系统提供的压差、配管情况、流体性质等设计的。
如果由于生产负荷的增加，使原设计的控制阀尺寸显得太小时，会使控制阀经常工作在大开度，控制效果不好，当出现控制阀全开仍满足不了生产负荷的要求时，就会失去控制作用。
此时若企图开启旁路阀，来满足对负荷的要求，就会使控制阀特性发生畸变，可调范围大大降低；当生产中由于负荷减少，使原设计的控制阀尺寸显得太大时，会使控制阀经常工作在小开度，控制显得过于灵敏（对于直线流量特性的控制阀，尤为严重），控制阀有时会振动，产生噪声，严重时发出尖叫声。
此时为了增加管路阻力，有时会适当关小与控制阀串联的工艺阀门，但这样做会使控制阀的特性发生严重畸变，甚至会接近快开特性，控制阀的实际可调范围降低，严重时会使阀失去控制作用。
所以当生产中负荷有较大改变时，在可能的条件下，应相应地更换控制阀，或采用其他控制方案，例如采用分程控制系统，由大、小两个控制阀并联，就可以在较大范围内适应负荷变动的要求。
8.角行程电动执行机构中的位置发送器起什么作用？
如果没有位置发送器，电动执行器
接受控制仪表的信号以后，会如何动作？
解图6-5是角行程执行机构的原理示意图oio是来自控制器的信号，if是来自位置发送器的反馈信号。
i0与if经比较后，进入伺服放大器，放大后的信号u驱动伺服电动机转动，并经过减速器它输出电动执行机构的转角a，一方面推动控制阀动作，另一方面经位置发送器，转换为相应的反馈信号if。
由原理图可以看出，位置发送器在电动执行机构中是起负反馈的作用，以实现电动机执行机构的输出a与输入io的比例关系。
位置发送器是一种将位移（转角）变换为电流的装置，它的主要部分是差动变压器。
假设位置发送器的输入a与输出if有以下关系：
if＝Ka
式中K为比例系数。
当i0增加时，伺服放大器的输出u增加，于是驱动伺服电动机向一个方向转动，经减速
器后产生转角a，由位置发送器变换为反馈信号if，if增加直至Zf=to时，伺服放大器的输入信号为零，于是输出也为零，伺服电动机停止转动，执行机构处于某一位置上。
由于要使电机停转，必有io=if,又有if=Ka,故可得a＝
io,这就实现了电动执行机构输出转角。
与输入信号i0的比例关系。
由以上分析可见，电动执行机构的输出a之所以能按输入i0成比例的变化，完全是依靠位置发送器的负反馈作用实现的。
如果没有了位置发送器，一旦有输入i0，伺服放大器就有输出，电动机将不停地转动，直至控制机构到达极限位置（阀全开或全关）为止，这样就起不到控制作用了。
伺服电动机的正转或反转取决于u的极性，亦即与i0、if比较后的极性有关。
当i0大于if时，电机向一个方向转动，i0小于if时，电机就向另一个方向转动，直至io＝if时，电机才停止转动。
9.图6-6是电一气转换器的原理结构图。
（1）试简述其工作原理。
（2）说明波纹管3,4的负、正反馈作用。
（3）在不考虑调零弹簧的作用时，试推出输入电流io与输出气压p0之间的关系。
（4）说明调零弹簧的作用。
解
（1）电一气转换器是按力矩平衡原理工作的。
当输入的直流电流i0通入置于恒定磁场里的测量线圈6时，线圈与磁钢5之间产生一个向上的电磁力fl，使杠杆1绕支点O逆时
针旋转，于是减小了置于杠杆另一端的喷嘴挡板机构之间的距离，喷嘴2的背压升高，经放
大器7放大后，一方面输出气压p0，同时反馈到负反馈波纹管3和正反馈波纹管4中，建立起与电磁力矩相平衡的反馈力矩。
由于反馈的作用，使输出气压信号p0与线圈电流i0成一定的比例关系，这样就将输入电流io转换为与之成比例的20～100kPa的气压信号p0。
（2）当io增加时，产生一个电磁力，使杠杆1逆时针旋转，挡板靠近喷嘴，使po上升。
当p0通入波纹管3后，产生一个向上的推力f3，使杠杆1绕支点O顺时针旋转，喷嘴离开挡板，p0下降。
由于f3与fl对p0的作用是相反的，故起负反馈作用，波纹管3称为负反馈波纹管。
当p0通入波纹管4后，产生一个向上的推力九，使杠杆1绕支点O逆时针旋转，喷嘴靠近挡板，p0上升。
由于人与丸在杠杆上引成的力矩方向是一致的，都使p0增加，故起正反馈作用，波纹管4称为正反馈波纹管。
由于波纹管3离开支点O的距离a比波纹管4离开支点O的距离b大，在通入相同的信号p0后，在两波纹管有效面积相同的情况下，负反馈力矩大于正反馈力矩，故总的效果是起负反馈作用。
（3）在不考虑调零弹簧8的作用时，作用在杠杆1上一共有三个力。
f1是电磁力，在磁
场恒定的条件下，其大小与通过线圈的测量电流i0成正比，即fl=Klio。
设两波纹管3,4的有效面积相等且为A,通入两波纹管内的气压信号均为p0，则有f2＝
f3＝p0A。
在杠杆1平衡时，作用其上的力矩总和应为零，其条件为：
f1（b十c）＋f2b=f3a
代入f1、f2、f3的值，经整理后应有：
式中
上式说明，当杠杆平衡，其输出气压p0与输入的电流i0成正比，这就实现了将电流信号i0成比例地转换为气压信号p0，比例系数K与K1、a,b,c等数值有关，调整支点O的位置可以方便地改变其比例系数。
（4）在杠杆的一端有一调零弹簧，调整它可以改变作用在杠杆上的预拉力f4的大小。
如
果考虑人在杠杆上引成的逆时针方向的力矩，则平衡条件为：
f1（b+c）+f2b+f4（a+d）=f3a
代入有关数值，经整理后可得：
式中K'＝
为一比例系数，在一定的结构条件下为一常数。
由上式可以看出，调整弹簧的预拉力人可以改变在i0=0时的初始输出值，所以起着调
整零点的作用，起名为调零弹簧。
10.图6-7为一加热器。
利用工艺上主要介质的废热来加热某物料，物料的出口温度需要保持恒定。
为此设计温度控制系统，利用改变进入加热器的载热体流量来控制物料出口温度。
但由于载热体为工艺上的主要介质，其总流量是不能改变的，且其废热用来加热物料有足够的余量。
试根据上述情况选择控制阀的型式，并画出其控制方案图。
解应选择三通控制阀，具体控制方案可采用如图6-8（a）,（b）两种方案。
图6-8（a）的三通阀安装在载热体进口管线上，应采用三通分流阀，用来控制进入加热器的载热体流量与其旁路流量的比例，这样既可以改变进入加热器的载热体流量，又可以保持载热体的总流量不受影响。
当物料出口偏高时，通过三通控制阀，来减少进入加热器的载热体流量，相应就有较多载热体从旁路经过，这样就可以使物料出口温度下降，起到恒定物料出口温度的控制作用。
由于载热体的废热用来加热物料有足够的余量，所以在正常工况下只要有一部分载热体进入加热器就足以使物料出口温度恒定在所希望的温度，而其余的载热体从旁路通过，以保证总的载热体流量不变。
图6-8（b）的三通阀安装在载热体从加热器的出口管线上，这时应采用合流阀。
一部分载热体从加热器通过，另一部分载热体从旁路通过，经合流阀汇合在一起，以保证载热体的总流量不变。
其作用也是用来控制进入加热器的载热体流量与其旁路流量的比例，以达到恒定物料出口温度的目的。
为了保持载热体的总流量不变，又要控制进入加热器的载热体流量，以达到控制出口物料温度的目的，一般不宜采用直通阀安装在进入加热器的管线或安装在旁路上的方案。
如图6-9（a）、（b）所示。
分析图6-9（a）的方案，可以知道与控制阀并联的有一旁路管线。
图6
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