第4章執行器及安全柵4.1執行器執行器是自動控制系統中的重要組成部分，它將控制器送來的控制信號轉換成執行動作，從而操縱進入設備的能量，將被控變量維持在所要求的數值上或一定的范圍內。執行器有自動調節閥門、自動電壓調節器、自動電流調節器、控制電機等。其中自動調節閥門是最常見的執行器，種類繁多。自動調節閥按照工作所用能源形式可分為：電動調節閥：電源配備方便，信號傳輸快、損失小，可遠距離傳輸；但推力較小。氣動調節閥：結構簡單，可靠，維護方便，防火防爆；但氣源配備不方便。液動調節閥：用液壓傳遞動力，推力最大；但安裝、維護麻煩，使用不多。工業中使用最多的是氣動調節閥和電動調節閥。4.1.1氣動調節閥氣動調節閥是由氣壓信號控制的閥門。氣動薄膜室推桿閥門閥位指示標牌閥桿4.1.1.1氣動調節閥的結構與分類氣動調節閥由執行機構和控制機構（閥）兩部分組成。執行機構是推動裝置，它是將信號壓力的大小轉換為閥桿位移的裝置。控制機構是閥門，它將閥桿的位移轉換為流通面積的大小。

1.執行機構執行機構按調節器輸出的控制信號，驅動調節機構動作。氣動執行機構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行機構有兩類。氣動活塞式執行機構薄膜式執行機構P正作用執行機構反作用執行機構（1）直通單座閥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。結構簡單、泄漏量小。2．調節機構調節機構就是閥門，是一個局部阻力可以改變的節流元件。根據不同的使用要求，閥門的結構型式很多。正裝閥閥芯下移時，閥芯與閥座間的流通截面積增大閥門中的柱式閥芯可以正裝，也可以反裝。反裝閥閥芯下移時，閥芯與閥座間的流通截面積減小（2）直通雙座閥閥體內有兩個閥芯和閥座。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，一般為底進側出，這種閥的流路簡單、對流體的阻力較小。適用于現場管道要求直角連接，介質為高粘度、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（兩種介質混合成一路）和分流型（一種介質分成兩路）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。結構簡單、流阻小、流通能力比同口徑的其他種類的閥要大。由于介質用隔膜與外界隔離，故無填料，介質也不會泄漏。耐腐蝕能力強，適用于強酸、強堿、強腐蝕性介質的控制，也能用于高粘度及懸浮顆粒狀介質的控制。適用于大口徑、大流量、低壓差的場合，也可以用于含少量纖維或懸浮顆粒狀介質的控制。（6）蝶閥又名翻板閥。結構簡單、重量輕、流阻極小，但泄漏量大。（7）球閥閥芯與閥體都呈球形體，閥芯內開孔。轉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。流量變化較快，可起控制和切斷的作用，常用于雙位式控制。（8）籠式閥閥內有一個圓柱形套筒（籠子）。套筒壁上有一個或幾個不同形狀的孔（窗口），利用套筒導向，閥芯在套筒內上下移動，改變閥的節流孔面積。可調比大，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流量控制。（9）凸輪撓曲閥又名偏心旋轉閥。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流量控制。調節閥除了結構類型的不同外，其它的主要技術參數是流量特性和口徑。4.1.1.2調節閥的流量特性調節閥的閥芯位移與流量之間的關系，對控制系統的調節品質有很大影響。流量特性的定義：被控介質流過閥門的相對流量與閥門的相對開度（相對位移）間的關系稱為調節閥的流量特性。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。調節閥的流量特性不僅與閥門的結構和開度有關，還與閥前后的壓差有關，必須分開討論。LQ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。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。321343142（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系，即單位位移變化所引起的流量變化是常數。用數學式表示為：3142(l/L)/%

R—調節閥的可調比系數。可調比R為調節閥所能控制的最大流量與最小流量的比值。

其中Qmin不是指閥門全關時的泄漏量，而是閥門能平穩控制的最小流量，約為最大流量的2~4%一般閥門的可調比R=30。R=Qmax

/Qmin3142控制力：閥門開度改變時，相對流量的改變比值。

例如在不同的開度上，再分別增加10%開度，相對流量的變化比值為10％時：[（20-10）/10]×100%=100%50％時：[（60-50）/50]×100%=20%80％時：[（90-80）/80]×100%=12.5%Q/Q100L/Lmaxs=1

直線閥的流量放大系數在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）流量特性單位相對行程變化所引起的相對流量變化與此點的相對流量成正比關系：3142曲線斜率（放大系數）隨行程的增大而增大。流量小時，流量變化小；流量大時，流量變化大。等百分比閥在各流量點的放大系數不同，但對流量的控制力卻是相同的。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%同樣以10％、50％及80％三點為例，分別增加10%開度，相對流量變化的比值為：Q/Q100L/Lmaxs=1（4）拋物線流量特性特性曲線為拋物線，介于直線和對數曲線之間，使用較少。（3）快開特性3142開度較小時就有較大流量，隨開度的增大，流量很快就達到最大，故稱為快開特性。適用于迅速啟閉的切斷閥或雙位控制系統。2、調節閥的工作流量特性實際使用時，調節閥裝在具有阻力的管道系統中。管道對流體的阻力隨流量而變化，閥前后壓差也是變化的，這時流量特性會發生畸變。例：管道串聯時的工作流量特性如圖，管道系統總壓力ΔP等于管路系統的壓降ΔPG與控制閥的壓降ΔPT之和。P△PGQ△PT管路及設備△PG△PT調節閥△P△P從串聯管道中調節閥兩端壓差△PT的變化曲線可看出，調節閥全關時閥上壓力最大，基本等于系統總壓力；調節閥全開時閥上壓力降至最小。為了表示調節閥兩端壓差△PT的變化范圍，以閥權度s表示調節閥全開時，閥前后最小壓差△PTmin與總壓力△

P之比。s=PTmin

/△

PP△PGQ△PT管路及設備△PG△PT調節閥△P△P流量特性畸變：以Qmax表示串聯管道阻力為零時(s=1)，閥全開時達到的最大流量。可得串聯管道在不同s值時，以自身Qmax作參照的工作流量特性。對數閥變為直線閥直線閥變為快開閥s↓結論串聯管道使調節閥的流量特性發生畸變。串聯管道使調節閥的流量可調范圍降低，最大流量減小。串聯管道會使調節閥的放大系數減小，調節能力降低，s值低于0.3時，調節閥能力基本喪失。4.1.1.2調節閥的選擇選用調節閥時，一般應考慮以下幾個方面。1．調節閥結構的選擇通常根據工藝條件，如使用溫度、壓力，介質的物理、化學特性（如腐蝕性、粘度等），對流量的控制要求等，來選擇調節閥的結構形式。例如，一般介質條件選用直通單座閥或直通雙座閥；高壓介質選用高壓閥；強腐蝕介質采用隔膜閥等。氣動薄膜三通調節閥氣動薄膜精小型調節閥氣動薄膜式隔膜閥V型O型對夾薄型氣動調節球閥氣動法蘭調節蝶閥氣動對夾式調節蝶閥氣動精小型調節閥2．氣開式與氣關式的選擇氣動調節閥在氣壓信號中斷后閥門會復位。無壓力信號時閥全開，隨著信號增大，閥門逐漸關小的稱為氣關式。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。如氣動薄膜調節閥的氣開式與氣關式：氣關式氣關式氣開式氣開式

給水閥燃氣閥蒸汽例如：選擇蒸汽鍋爐的控制閥門時，為保證失控狀態下鍋爐的安全：

給水閥應選氣關式

燃氣閥應選氣開式閥門氣開氣關式的選擇原則：當控制信號中斷時，閥門的復位位置能使工藝設備處于安全狀態。3.調節閥流量特性的選擇保證控制品質的重要因素之一是：保持控制系統的總放大倍數在工作范圍內盡可能恒定。給定值被控量干擾f

控制器傳感器執行器被控對象+eWc(s)－W3(s)W1(s)W2(s)K=K1K2K3Kc有的被控對象的放大倍數，在不同的工藝點不同。如熱水加熱器的熱水流量與送風溫度的靜特性MTT熱水Qθθ/θmaxQ/Qmax050%50%100%100%K由圖可見，隨著熱水流量增大，對送風的加熱效果越來越差。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。很多對象在工作區域內穩態放大倍數K不是常數，在不同的工藝負荷點，K不相同。因此希望調節閥的流量特性能補償對象的靜特性。（1）若調節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。（3）配管阻力大、s值低，等百分比閥會畸變成直線閥。（2）若調節對象的靜特性是線性的，或工藝負荷變化不大，用直線閥。4.調節閥口徑的選擇為保證工藝的正常進行，必須合理選擇調節閥的尺寸。如果調節閥的口徑選得太大，使閥門經常工作在小開度位置，造成調節質量不好。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，就難以保證生產的正常進行。調節閥的口徑決定了調節閥的流通能力。

調節閥的流通能力用流量系數C值表示。流量系數C的定義：在閥兩端壓差100kPa，流體為水（103Kg／m3）的條件下，閥門全開時每小時能通過調節閥的流體流量（m3/h）。例如，某一閥門全開、閥兩端壓差為100kPa時，流經閥的水流量為20m3/h，則該調節閥的流量系數為：C=20。

在調節閥技術手冊上，給出了各種閥門的口徑和流通能力C，供用戶查閱。CDg將流量系數的定義條件代入基本流量公式：實際應用中閥門兩端壓差不一定是100kPa，流經閥門的流體也不一定是水，因此必須換算。（1）液體流量系數C值的計算根據基本流量公式兩式相除得QDg?P

（2）氣體、蒸汽C值的計算氣體、蒸汽都具有可壓縮性，其C值的計算必須考慮氣體的可壓縮性和二相流問題，計算時進行相應的修正。根據實際的工藝流量和管道壓力換算出C值后，查閥門手冊確定口徑。QDg?P例

某供暖系統，流過加熱盤管的水流量為Q=31m3/h熱水為80℃，Pm-Pr=1.7×100kPa，所裝閥門取多大？解：Pm-Pr是管網入口壓差，設配管S=0.5～0.7，

?P=（0.5～0.7）×1.7×100kPa≈100kPa80℃熱水的密度ρ=971Kg/m3代入給水泵熱水鍋爐盤管PmPrM得C≈31

，取標準C=32在此檔中，選取和管道直徑相配的口徑。將4～20mA的電流信號轉換成20～100KPa的標準氣壓信號。4.1.2電/氣轉換器為了使氣動調節閥能夠接收電動調節器的輸出信號，必須把標準電流信號轉換為標準氣壓信號。電/氣轉換器作用：I↑吸力Fi↑

杠桿偏轉擋板與噴嘴間隙↓

背壓↑

放大器輸入↑

輸出壓力P↑

杠桿的反饋力Ff

↑

杠桿平衡P∝I工作原理負反饋磁鐵調零FiFf背壓4.1.3閥門定位器氣動調節閥中，閥桿的位移是由薄膜上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，使閥桿摩擦力增大，且個體差異較大，這會影響輸入信號P的執行精度。解決措施在調節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用中，常把電/氣轉換器和閥門定位器結合成一體，組成電/氣閥門定位器。I↑杠桿上端右移擋板靠近噴嘴P壓力↑閥桿下移反饋凸輪右轉反饋彈簧右拉杠桿平衡氣動薄膜單座(套筒)調節閥氣動薄膜雙座調節閥

氣動調節閥氣動調節蝶閥4.1.5電動調節閥電動調節閥接受來自調節器的電流信號，閥門開度連續可調。電磁閥也接受來自調節器的電流信號，但閥門開度是位式調節。執行機構如直動式電磁閥：線圈通電時，產生電磁力，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。電磁閥是位式閥，只有全開和全關兩個位置。電動調節閥也由執行機構和閥門兩部分組成。執行機構是調節閥