气动执行器的应用 

如前所述，执行器是过程控制系统的 重要环节之一，它的合理应用是关系到控 制系统能否正常工作的重要前提。一般应根据控制介质的特点和控制要求等确定它 的合理应用。鉴于目前在过程控制中，气动执行器的使用占绝大多数，所以这里重点讨论气动执行器在应用中所遇到的问题。 

 

1.调节阀的尺寸 

 

调节阀的尺寸通常用公称直径和阀 座直径4表示，它们的确定是合理应用执行器的前提条件。确定调节阀尺寸的主要依据是流通能力，它定义为调节阀全开、阀前后压 差为0.1MPa、流体重度为1g/cm3时，每小时通过阀门的流体流量（m3或kg)。可见流通能力直接代表了调节阀的容量。由流体力学理论可知，当流体为不可压缩时，通过调节阀的体积流量为 

 

 

 

 

式中，a为流量系数，它取决于调节阀的结构形状和流体流动状况，可从有关手册查阅或由实验确定；A0为调节阀接管截面积；g为重力加速度；r为流体重度。 

 

依据流通能力的定义，则有 

 

 

 

由式（3-34)可见，流通能力C与调节阀的结构参数有确定的对应关系。这就是确定 调节阀尺寸的理论依据。 

 

将式（3-34)代人式（3-33)可得流通能力与流体重度、阀前后压差和介质流量三者的定量关系，即 

 

 

 

 

 

 

式（3-35)是通过实验确定流通能力的理论依据。调节阀流通能力与其尺寸的关系见表3-2。 调节阀尺寸的确定过程为：根据通过调节阀的最大流量qmax流体重度r以及调节阀的前后压差△P，先由式（3-35)求得最大的流通能力Cmax，然后选取大于Cmsx的最低级别的C值， 即可依据表3-2确定出Ds和dg的大小。 

 

 

 

2.执行器的气开、气关形式 

 

所谓“气开”，是指当气压信号p>0.02MPa时，阀由关闭状态逐渐打开；“气关”则相 反，即当气压信号p>0.02MPa时，阀由全开状态逐渐关闭。 

 

由于执行机构有正、反两种作 用方式，阀体也有正、反两种形式。 所以，执行器的“气开、气关”有 四种构成方式，如图3-30和表3-3 所示。 

 

 

 

调节阀气开、气关的选择，主 要从工艺生产的安全来考虑。换句 话说，当发生断电或其他故障引起 控制信号中断时，执行器的工作状 态应避免损坏设备和伤害操作人员。 

 

例如，一般加热器应选用“气开”式，这样当控制信号中断时，执行器处于关闭状态，停 止加热，使设备不致因温度过高而发生事故或危险；又如，锅炉进水的执行器则应选用 “气关”式，即当控制信号中断时，执行器处于打开状态，保证有水进人锅炉，不致产生烧干或爆炸事故。 

 

 

 

3. 单座阀和双座阀 

 

双座阀结构如图3-31所示。由图可见，当流体流过时，流体在阀心前后产生的压差作 用在上、下阀心上，向上和向下的作用方向相反，大小相近，不平衡力较小。因此，大口径阀，一般选用双座阀。只有一个阀心的调节阀称为单座阀。由于单座阀的阀心前后压差所产 生的不平衡力较大，容易使阀杆产生变形，影响控制精度。因此，小口径阀，一般选用单座阀。 

 

 

 

4.调节阀的流量特性 

 

调节阀的流量特性，是指控制介质流过阀门的相对流 量与阀门相对开度之间的关系，即 

 

 

 

式中，q/qmax为相对流量，即某一开度的流量与可以控制的最大流量之比；Z/L为相对开度，即某一开度行程与最大行程之比。 

 

从过程控制的角度考虑，调节阀的流量特性对过程控制系统有很大的影响，不少控制系统工作不正常，往往是由于调节阀的特性，特别是流量特性选择不合适，或者是阀心在使用中受到腐蚀、产生磨损而导致特性改变所致。 

 

由式（3-33)可知，流过调节阀的流量大小不仅与阀门的开度有关，而且还与阀前后压差的大小有关。在工程上，常常根据阀前后压差的不同情况将其分为理想流量特性和工作流量特性。 

 

(1)理想流量特性当调节阀前后压差 一定时获得的流量特性，称为理想流量特性 (亦称固有流量特性），它仅取决于阀心的形 状，不同的阀心曲面可有不同的流量特性。 

 

在目前常用的调节阀中，有三种代表性的 理想流量特性，即直线流量特性、对数流量特性和快开流量特性，这三种理想流量特性完全 取决于阀心的形状，如图3-32所示。 

 

 

 

三种理想流量特性的数学关系及应用特点 分述如下： 

 

1)直线流量特性是指流过调节阀的相对流量与阀门的相对开度成直线关系，即阀杆单 位行程变化所引起的流量变化是常数。其数学表达式为 

 

 

 

将式（3-37)积分得 

 

 

 

式中，C为积分常数。根据已知条件，当l=0时，q=gmin (可控的最小流量）；当I=Imax时， q=qmax (可控的最大流量）。代人式（3-38)可得C=qmin/qmax与C= 1-K。定义可调范围R为可以控制的最大流量与最小流量之比，即 

 

 

 

 

 

可调范围R反映了调节阀调节能力的大小。我国生产的调节阀，其可调范围一般为30。将K与C的值代人式（3-38)可得 

 

 

 

式（3-40)表明，当可调范围R一定时，q/qmax与L/Lmax之间为线性关系。并且规定：当L/Lmax=0 时，q/qmax=3.3%;当 L/Lmax=100% 时，q/qmax=l00%o 直线流量特性如图 3-33曲线1所示。 

 

因为线性调节阀的放大系数K是一个常数，所以不论阀杆处于什么位置，只要阀杆启位移量相同，其流量的变化量则相同，但它的相对变化量（流量的变化量与原流量的比 则随阀杆位置的不同而不同。所以，线性调节阀在小开度时流量的相对变化量大，灵敏! 高，控制作用强，容易产生振荡；而在大开度时流量的相对变化量小，灵敏度低，控制作J 弱。由此可知，当线性调节阀工作在小开度或大开度时，其控飼性能均较差，因而不宜用二 负荷变化大的过程。 

 

2)对数（等百分比）流量特性是指单位行程变化所引起的相对流量变化与该点的相〉 流量成正比关系，其数学表达式为 

 

 

 

可见调节阀的放大系数尺v随相对流量的增加而增加。对式（341)进行积分得 

 

 

 

将前述已知条件代入，可得 

 

 

 

因而有 

 

 

 

式（343)表明，相对行程与相对流量成对数关系，其特性如图3-33中曲线2所示。 

 

由式（341)可知，对数流量特性调节阀在小开度工作时其放大系数kv较小，因而控制较平稳；在大开度工作时放大系数kv则较大，控制灵敏有效，所以它适用于负荷变化较大的过程。 

 

3)快开流量特性是指在小开度时就有较大的流量，随着开度的增大，流量很快达到最 大，故称为快开特性。快开特性的数学表达式为 

 

 

 

 

 

 

 

对式（3-44)积分并代入已知条件可得 

 

 

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