《過程控制系統(tǒng)與儀表》課件及教案,過程控制系統(tǒng)與儀表,過程,控制系統(tǒng),儀表,課件,教案 第4章 執(zhí)行器及安全柵 教學(xué)目的：了解基本概念：自動調(diào)節(jié)閥的分類、結(jié)構(gòu)，安全防爆、安全柵。 教學(xué)重點：氣動調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)和流量特性。 教學(xué)難點：工作流量特性。 4.1 執(zhí)行器 執(zhí)行器是自動控制系統(tǒng)的重要組成部分，它把控制器送來的控制信號轉(zhuǎn)換成執(zhí)行動作，從而操縱工藝量，使被控變量保持在要求范圍內(nèi)。 給定值 干擾f 控制器 變送器 執(zhí)行器 被控對象 + e 實測值 － 被控變量 執(zhí)行器有自動調(diào)節(jié)閥、電壓調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、控制電機等。其中自動調(diào)節(jié)閥最常見。 自動調(diào)節(jié)閥按照工作所用能源形式可分為： 1. 電動調(diào)節(jié)閥：信號傳輸快、損失小，可遠距離傳輸，電源配備方便，一般推力較小。 2. 氣動調(diào)節(jié)閥：防火防爆，推力較大，信號壓力范圍可從20～100KPa擴大到20～250KPa ，但氣源配備不方便。 3. 液動調(diào)節(jié)閥：推力最大；但安裝、維護麻煩。 4.1.1 氣動調(diào)節(jié)閥 氣動調(diào)節(jié)閥是由氣壓信號控制的閥門。 4.1.1.1 氣動調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)與分類 氣動調(diào)節(jié)閥由執(zhí)行機構(gòu)和控制機構(gòu)（閥）兩部分組成。執(zhí)行機構(gòu)是推動裝置，它是將信號壓力的大小轉(zhuǎn)換為閥桿位移的裝置?？刂茩C構(gòu)是閥門，它將閥桿的位移轉(zhuǎn)換為流通面積的大小。 1.執(zhí)行機構(gòu) 執(zhí)行機構(gòu)按調(diào)節(jié)器輸出的控制信號，驅(qū)動調(diào)節(jié)機構(gòu)動作。氣動執(zhí)行機構(gòu)的輸出方式有角行程輸出和直行程輸出兩種。 直行程輸出的氣動執(zhí)行機構(gòu)有兩類： 正作用執(zhí)行機構(gòu) 反作用執(zhí)行機構(gòu) 薄膜式執(zhí)行機構(gòu) P 氣動活塞式執(zhí)行機構(gòu) 2．調(diào)節(jié)機構(gòu) 調(diào)節(jié)機構(gòu)就是閥門，是一個局部阻力可以改變的節(jié)流元件。根據(jù)不同的使用要求，閥門的結(jié)構(gòu)型式很多。 （1） 直通單座閥 結(jié)構(gòu)簡單、泄漏量小。 流體對閥芯的不平衡作用力大。一般用在小口徑、低壓差的場合。 （2） 直通雙座閥 閥體內(nèi)有兩個閥芯和閥座。 流體流過時，作用在上、下兩個閥芯上的推力方向相反且大小相近，可以互相抵消，所以不平衡力小。 但是，由于加工的限制，上下兩個閥芯閥座不易保證同時密閉，因此泄漏量較大。 （3）角形控制閥 兩個接管呈直角形，一般為底進側(cè)出，這種閥的流路簡單、對流體的阻力較小。 適用于現(xiàn)場管道要求直角連接，介質(zhì)為高粘度、高壓差和含有少量懸浮物和固體顆粒狀的場合。 （4） 三通控制閥 有三個出入口與工藝管道連接。流通方式有合流型（兩種介質(zhì)混合成一路）和分流型（一種介質(zhì)分成兩路）兩種。適用于配比控制與旁路控制。 （5）隔膜控制閥 采用耐腐蝕材料作隔膜，將閥芯與流體隔開。 結(jié)構(gòu)簡單、流阻小、流通能力比同口徑的其它閥大。用隔膜將流體與外界隔離，不會泄漏。 （6）蝶閥 又名翻板閥。結(jié)構(gòu)簡單、流阻極小，但泄漏量大。適用于大口徑、大流量、低壓差的場合。 （7） 球閥 閥芯與閥體都呈球形體，閥芯內(nèi)開孔。轉(zhuǎn)動閥芯使之與閥體處于不同的相對位置時，就有不同的流通面積。控制時，流量變化較快，可起切斷閥作用，用于雙位式控制。 （8）籠式閥 閥內(nèi)有一個圓柱形套筒（籠子）。套筒壁上有一個或幾個不同形狀的孔（窗口），利用套筒導(dǎo)向，閥芯在套筒內(nèi)上下移動，改變閥的節(jié)流孔面積。 可調(diào)比大，不平衡力小，更換開孔不同的套筒，就可得到不同的流量特性。但不適于高粘度或帶有懸浮物的介質(zhì)流量控制。 （9）凸輪撓曲閥 又名偏心旋轉(zhuǎn)閥。其閥芯呈扇形球面狀，與撓曲臂及軸套一起鑄成，固定在轉(zhuǎn)動軸上。 閥芯球面與閥座密封圈緊密接觸，密封性好。適用于高粘度或帶有懸浮物的介質(zhì)流量控制。調(diào)節(jié)閥除了結(jié)構(gòu)類型的不同外，其主要技術(shù)參數(shù)是流量特性和口徑。 4.1.1.2 調(diào)節(jié)閥的流量特性 調(diào)節(jié)閥的閥芯位移與流量之間的關(guān)系，對控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)有很大影響。 流量特性的定義： 被控介質(zhì)流過閥門的相對流量與閥門的相對開度（相對位移）間的關(guān)系稱為調(diào)節(jié)閥的流量特性。 Q/Qmax —相對流量；l/L — 相對開度 相對流量Q/Qmax 是控制閥某一開度流量Q與全開時流量Qmax之比； 相對開度l/L 是控制閥某一開度行程l與全開行程L之比。 調(diào)節(jié)閥的流量特性不僅與閥門的結(jié)構(gòu)和開度有關(guān)，還與閥前后的壓差有關(guān)，必須分開討論。 為了便于分析，先將閥前后壓差固定，然后再引伸到實際工作情況，于是有固有流量特性與工作流量特性之分。 在將控制閥前后壓差固定時得到的流量特性稱為固有流量特性。而實際工作時控制閥前后壓差一般不固定，其流量特性會畸變。 管路及設(shè)備 △PG △PT 調(diào)節(jié)閥 △P 1、固有（理想）流量特性 在將控制閥前后壓差固定時得到的流量特性稱為固有流量特性。它取決于閥芯的形狀。 （1）直線特性 （2）等百分比特性 （3）快開特性 （4）拋物線特性 （1）直線流量特性 控制閥的相對流量與相對開度成直線關(guān)系，即單位位移變化所引起的流量變化是常數(shù)。用數(shù)學(xué)式表示為： R — 調(diào)節(jié)閥的可調(diào) 比系數(shù)。 可調(diào)比R為調(diào)節(jié)閥所能控制的最大流量與最小流量的比值： R = Qmax / Qmin Qmin不是指閥門全關(guān)時的泄漏量，而是閥門能平穩(wěn)控制的最小流量，約為最大流量的2~4%，一般閥門的可調(diào)比R=30。 直線閥的流量放大系數(shù)在量程的任何一點上都是相同的，但其對流量的控制力卻是不同的。 （2） 等百分比（對數(shù)）流量特性 控制閥的相對流量與相對開度成對數(shù)關(guān)系。用數(shù)學(xué)式表示為： 或 從控制力角度考察，此控制閥在量程的任何一點上對流量的控制力都是相同的百分比。 同樣以10％、50％及80％三點為例，分別增加10%開度，相對流量變化率為： 10%處：（6.58%-4.68%）/4.68%≈41% 50%處：（25.7%-18.2%）/18.2%≈41% 80%處：（71.2%-50.6%）/50.6%≈41% 等百分比閥在各流量點的放大系數(shù)不同，放大系數(shù)（曲線斜率）隨開度的增大而增大。 開度小時，流量變化??；開度大時，流量變化大。使流量的控制力各點相同。 （3）快開特性 開度增大時，流量很快就達到最大，故稱快開特性。適用于迅速啟閉的切斷閥或雙位控制系統(tǒng)。 （4） 拋物線流量特性 特性曲線為拋物線，有時用在直線特性的小開度區(qū)，彌補其在小開度區(qū)控制特性不好的缺點。 2、調(diào)節(jié)閥的工作流量特性 調(diào)節(jié)閥工作時裝在管道系統(tǒng)中。管道對流體的阻力隨流量而變化，因而閥前后壓差也變化，這時流量特性會發(fā)生畸變。 例：管道串聯(lián)時的工作流量特性 如圖，管道系統(tǒng)總壓力ΔP等于管路系統(tǒng)的壓降ΔPG與控制閥的壓降ΔPT之和。 P △PG Q △PT 管路及設(shè)備 △PG △PT 調(diào)節(jié)閥 △P △P 從串聯(lián)管道中調(diào)節(jié)閥兩端壓差△PT的變化曲線可看出，調(diào)節(jié)閥全關(guān)時閥壓降最大、全開時閥降壓最小，這使流量特性發(fā)生畸變。 調(diào)節(jié)閥兩端壓差△PT的可變比率可以反映流量特性的畸變程度。為此用閥權(quán)度s表示調(diào)節(jié)閥全開時，閥前后最小壓差△PTmin與總壓力△ P之比： s =PTmin / △ P 以Qmax表示串聯(lián)管道阻力為零時(s=1)，閥全開時達到的最大流量?？傻么?lián)管道中的閥門在不同s值時的工作流量特性。 流量特性畸變：直線閥變?yōu)榭扉_閥;對數(shù)閥變?yōu)橹本€閥 結(jié)論 串聯(lián)管道使調(diào)節(jié)閥的流量特性發(fā)生畸變。 串聯(lián)管道使調(diào)節(jié)閥的流量可調(diào)范圍降低，最大流量減小。 串聯(lián)管道會使調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)減小，調(diào)節(jié)能力降低，s值低于0.3時，調(diào)節(jié)閥能力基本喪失。 4.1.1.2調(diào)節(jié)閥的選擇 選用調(diào)節(jié)閥時，一般應(yīng)考慮以下幾個方面： 1．調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)的選擇 通常根據(jù)工藝條件，如使用溫度、壓力，介質(zhì)的物理、化學(xué)特性（如腐蝕性、粘度等），對流量的控制要求等，來選擇調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)形式。 2．氣開式與氣關(guān)式的選擇 氣動調(diào)節(jié)閥在氣壓信號中斷后閥門會復(fù)位。 無壓力信號時閥全開，隨著信號增大，閥門逐漸關(guān)小的稱為氣關(guān)式。反之，無壓力信號時閥全閉，隨著信號增大，閥門逐漸開大稱的為氣開式。 如氣動薄膜調(diào)節(jié)閥的氣開式與氣關(guān)式： 氣關(guān)式 氣關(guān)式 氣開式 氣開式 閥門氣開氣關(guān)式的選擇原則： 當控制信號中斷時，閥門的復(fù)位位置能使工藝設(shè)備處于安全狀態(tài)。 例如： 選擇蒸汽鍋爐的控制閥門時，為保證失控狀態(tài)下鍋爐的安全： 給水閥應(yīng)選氣關(guān)式,燃氣閥應(yīng)選氣開式 給水閥 燃氣閥 蒸汽 3. 調(diào)節(jié)閥流量特性的選擇 保證控制品質(zhì)的重要因素之一是：保持控制系統(tǒng)的總放大倍數(shù)在工作范圍內(nèi)盡可能恒定。 K=K1K2K3Kc 給定值 被控量 干擾f 控制器 傳感器 執(zhí)行器 被控對象 + e W c(s) － W3(s) W1(s) W2(s) 有的被控對象的放大倍數(shù)，在不同的工藝點不同。 如熱水加熱器的熱水流量與送風(fēng)溫度的靜特性 M TT 熱水 Q θ θ/θmax Q/ Qmax 0 50% 50% 100% 100% K 由圖可見，隨著熱水流量增大，送風(fēng)溫度的增長越來越慢。因為熱交換需要時間，熱水很快流走，不能充分熱交換所致。但若用蒸汽加熱，由于冷凝放熱很快，該特性為直線特性。 很多對象特性在工作區(qū)內(nèi)放大倍數(shù)K不是常數(shù)，即對象的靜特性是非線性的。有時希望調(diào)節(jié)閥的流量特性能補償對象的靜特性。 （1）若調(diào)節(jié)對象的靜特性是非線性的，工藝負荷變化又大，用等百分比特性補償。 （2）若調(diào)節(jié)對象的靜特性是線性的，或工藝負荷變化不大，用直線閥。 （3）配管阻力大、s值低，等百分比閥會畸變成直線閥。 4. 調(diào)節(jié)閥口徑的選擇 為保證工藝的正常進行，必須合理選擇調(diào)節(jié)閥的尺寸。如果調(diào)節(jié)閥的口徑選得太大，使閥門經(jīng)常工作在小開度位置，造成調(diào)節(jié)質(zhì)量不好。如果口徑選得太小，閥門完全打開也不能滿足最大流量的需要，就難以保證生產(chǎn)的正常進行。 調(diào)節(jié)閥的口徑?jīng)Q定了調(diào)節(jié)閥的流通能力。 調(diào)節(jié)閥的流通能力用流量系數(shù)C值表示。 流量系數(shù)（流通能力 ）C的定義： 在閥兩端壓差100kPa、閥門全開時，每小時能通過調(diào)節(jié)閥的水流量（m3 /h）稱為該閥的流量系數(shù)C 。 例如，某一閥門全開、閥兩端壓差為100kPa時，流經(jīng)閥的水流量為20 m3 /h，則該調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)C=20。 閥門的流量系數(shù)和口徑有相應(yīng)關(guān)系。閥門技術(shù)手冊中標明了不同的閥門口徑對應(yīng)的流量系數(shù)系列，供用戶選擇。 C Dg 實際使用中，由于閥兩端壓差不一定是100kPa，流經(jīng)閥門的流體也不一定是水，因此必須換算。 4.1.2 電/氣轉(zhuǎn)換器 為了使氣動調(diào)節(jié)閥能夠接收電動控制器的輸出信號，必須把電動控制器的標準電流信號轉(zhuǎn)換為標準氣壓信號。 電/氣轉(zhuǎn)換器作用： 將4～20mA的電流信號轉(zhuǎn)換成20～100KPa的標準氣壓信號。 4.1.3 閥門定位器 氣動調(diào)節(jié)閥中，閥桿的位移是由氣壓推力與彈簧反作用力平衡確定的。為了防止閥桿處的泄漏要壓緊填料。 而填料壓緊程度的差異，使閥桿移動的摩擦力存在差異，這會影響輸入信號P的執(zhí)行精度。 解決措施 在調(diào)節(jié)閥上加裝閥門定位器，引入閥桿位移負反饋。使閥桿能按輸入信號精確地確定自己的開度。 4.1.4 電/氣閥門定位器 實際應(yīng)用中，常把電/氣轉(zhuǎn)換器和閥門定位器結(jié)合成一體，組成電/氣閥門定位器。 4.1.5 電動調(diào)節(jié)閥 電動調(diào)節(jié)閥接受來自控制器的電流信號，閥門開度連續(xù)可調(diào)。電磁閥也接受來自控制器的電流信號，但閥門開度是位式的。 如直動式電磁閥： 線圈通電時，產(chǎn)生電磁力，吸引閥芯柱上移，閥門打開。線圈斷電后，電磁力消失，閥芯落下。在彈簧壓力下閥門緊閉。磁閥是位式閥，只有全開和全關(guān)兩個位置。 電動執(zhí)行機構(gòu)用控制電機作動力裝置。 輸出形式有： 角行程：電機轉(zhuǎn)動經(jīng)減速器后輸出。 直行程：電機轉(zhuǎn)動經(jīng)減速器減速并轉(zhuǎn)換為直線位移輸出。 多轉(zhuǎn)式：轉(zhuǎn)角輸出，功率比較大，主要用來控制閘閥、截止閥等多轉(zhuǎn)式閥門。 這幾種執(zhí)行機構(gòu)在電氣原理上基本相同，只是減速器不一樣。 輸入信號與位置反饋信號進行比較，將差值放大。 驅(qū)動 電機 經(jīng)減速輸出帶動閥門 直到位置發(fā)送器檢測到的位置信號與輸入信號相等時，放大器輸出為零。 電動執(zhí)行機構(gòu)原理方框圖 4.1.6智能式調(diào)節(jié) 隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，微處理器也被引入到調(diào)節(jié)閥中，出現(xiàn)了智能式調(diào)節(jié)閥。 主要功能如下： 1．控制及執(zhí)行功能2．補償及校正功能3．通信功能4．診斷功能5．保護功能 4.2安全柵 安全柵（又稱防爆柵）是防止危險電能從控制系統(tǒng)信號線進入現(xiàn)場儀表的安全保護器。 4.2.1 安全防爆的基本概念 在大氣條件下，氣體蒸汽、簿霧、粉塵或纖維狀的易燃物質(zhì)，點燃后燃燒將在整個范圍內(nèi)迅速傳播，稱為爆炸性混合物。含有爆炸性混合物的環(huán)境稱為爆炸性環(huán)境、或危險場所。 按爆炸性混合物出現(xiàn)的頻度、持續(xù)時間和危險程度，又可將危險場所劃分成不同級別的危險區(qū)。 不同的危險等級對電氣設(shè)備的防爆要求不同，煤礦井下用電氣設(shè)備屬Ⅰ類設(shè)備；有爆炸性氣體的工廠用電氣設(shè)備屬Ⅱ類設(shè)備；有爆炸性粉塵的工廠用電氣設(shè)備屬Ⅲ類設(shè)備。 對于Ⅱ類電氣設(shè)備，電路電壓限制在30VDC時，各種爆炸性混合物按最小引爆電流分為三級。 級 別 最小引爆電流（mA） 爆炸性混合物種類 Ⅰ i＞120 甲烷、乙烷、汽油、甲醇、乙醇、丙酮、氨、一氧化碳 Ⅱ 70＜i＜120 乙烯、乙醚、丙烯晴等 Ⅲ i≤70 氫、乙炔、二硫化碳、市用煤氣、水煤氣、焦爐煤氣等 爆炸性混合物的最小引爆電流 4.2.2 安全火花防爆系統(tǒng) 電動儀表存在電路打火的可能。如果從電路設(shè)計就開始考慮防爆，把電路在短路、開路及誤操作等各種狀態(tài)下可能發(fā)生的火花都限制在爆炸性氣體的點火能量之下，則此儀表稱為安全火花防爆儀表。 安全火花防爆儀表只能保證本儀表內(nèi)部不發(fā)生危險火花，對其它儀表通過信號線傳入的能量是否安全則無法保證。如果在與其它儀表的電路連線之間設(shè)置安全柵，防止危險能量進入，則完全做到了安全火花防爆。 構(gòu)成安全火花防爆系統(tǒng)的二要素： ① 在危險現(xiàn)場使用的儀表必須是安全火花防爆儀表（本安儀表）。 ② 現(xiàn)場儀表與危險場所之間的電路連接必須經(jīng)過安全柵（防爆柵）。 4.2.3 安全柵的工作原理 安全柵是傳遞正常信號、阻止危險能量的安保器。 最簡單的安保措施是用電阻限流。例如，熱電偶溫度變送器的信號輸入口上串聯(lián)兩個電阻可起限流作用，其缺點是會衰減正常信號，且防爆定額低。 4.2.3.1 齊納式安全柵 最簡單的安全柵就是用二極管限壓（齊納式擊穿），用電阻及熔斷絲限流。但存在缺陷： R1、R2對儀表的正常信號衰減較大。阻值過大影響儀表的恒流特性，過小起不到限流作用。 安全柵接地構(gòu)成系統(tǒng)有兩點以上接地（相接儀表也有接地），易引入干擾；安全柵不接地則擊穿電流仍然進入現(xiàn)場。 改進后的齊納式安全柵 （1）用限流電路取代固定電阻。場效應(yīng)管VT3工作于零偏壓，作為恒流源向VT1提供足夠的基極電流，保證信號在4～20mA范圍內(nèi)VT1處于飽和狀態(tài)。 （2）由VD1~VD4和F1 ~ F’2組成限壓電路。背靠背的齊納管中點接地，改直接接地為保護時接地。 改進后的齊納式安全柵 4.2.3.2 隔離式安全柵 用變壓器作為隔離元件，分別將輸入、輸出及電源進行隔離。 如果接二線制變送器，則安全柵既要隔離又要供電，因而檢測端安全柵和執(zhí)行端安全柵稍有不同。 安全柵是一個傳遞系數(shù)為1的傳送器，電源、變送器、控制室儀表之間用磁耦合，使電路隔離。 1 檢測端安全柵 檢測端安全柵在向變送器提供電源的同時，將變送器的測量信號經(jīng)隔離變壓器傳給控制室儀表。 2 執(zhí)行端安全柵 用于控制室儀表和現(xiàn)場執(zhí)行器之間，是4~20mA控制信號送往現(xiàn)場的安檢通道。與檢測端安全柵的電路原理基本相似。不同之處是： ① 信號傳輸方向相反 ② 不需給現(xiàn)場供電 本章小結(jié)： 執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)，安全柵的基本概念，重點是氣動調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)和流量特性。