过程控制仪表00002

作用：根据调节器的命令，直接控制能量或物料等被调介质的输送量，达到调节温度、压力、流量等工艺参数的目的.3.4执行器和防爆栅现场仪表单元，直接接触介质，通常工作在高温高压、高粘度，易燃易爆，强腐蚀。自动调节阀按照工作所用能源形式可分为：电动调节阀：电源配备方便，信号传输快、损失小，可远距离传输；但推力较小。气动调节阀：结构简单，可靠，维护方便，防火防爆；但气源配备不方便。液动调节阀：用液压传递动力，推力最大；但安装、维护麻烦，使用不多。工业中使用最多的是气动调节阀和电动调节阀。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。执行机构：将调节器的输出信号转换为位移信号。调节机构：将位移信号转换成流通截面积的变化。执行器的组成：它由膜片、阀杆和平衡弹簧等组成，是执行器的推动装置。它接受气动调节器或电/气转换器输出的气压信号，经膜片转换成推力并克服弹簧力后，使阀杆产生位移，带动阀芯动作。1-上盖2—膜片3一平衡弹簧4一阀杆5－阀体6－阀座7－阀芯1.气动执行机构气动执行机构有正作用和反作用两种形式:当输入气压信号增加时阀杆向下移动时称正作用；当输入气压信号增加时阀杆向上移动时称反作用。在工业生产中口径较大的调节阀通常采用正作用方式。气动薄膜执行机构的静态特性表示平衡状态时输入的气压p与阀杆位移l的关系，即A为膜片的有效面积；K为平衡弹簧的弹性系数气动执行机构的动态特性可近似成一阶惯性环节，其惯性的大小取决于膜头空间的大小与气管线的长度和直径。气动执行机构（补充参考）2.电动执行机构（不考）电动执行机构根据配用的调节机构不同，其输出方式有直行程、角行程和多转式三种类型，其电气原理完全相同，仅减速器不一样。电动执行机构的组成框图θ=KIi伺服放大器原理图校正网络原理图（1）直通单座阀流体对阀芯的不平衡作用力大。一般用在小口径、低压差的场合。结构简单、泄漏量小。3．调节机构调节机构就是阀门，是一个局部阻力可以改变的节流元件。根据不同的使用要求，阀门的结构型式很多。正装阀阀芯下移时，阀芯与阀座间的流通截面积增大阀门中的柱式阀芯可以正装，也可以反装。反装阀阀芯下移时，阀芯与阀座间的流通截面积减小（2）直通双座阀阀体内有两个阀芯和阀座。流体流过时，作用在上、下两个阀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，上下两个阀芯阀座不易保证同时密闭，因此泄漏量较大。（3）角形控制阀两个接管呈直角形，一般为底进侧出，这种阀的流路简单、对流体的阻力较小。适用于现场管道要求直角连接，介质为高粘度、高压差和含有少量悬浮物和固体颗粒状的场合。（4）三通控制阀有三个出入口与工艺管道连接。流通方式有合流型（两种介质混合成一路）和分流型（一种介质分成两路）两种。适用于配比控制与旁路控制。（5）隔膜控制阀采用耐腐蚀材料作隔膜，将阀芯与流体隔开。结构简单、流阻小、流通能力比同口径的其他种类的阀要大。由于介质用隔膜与外界隔离，故无填料，介质也不会泄漏。耐腐蚀能力强，适用于强酸、强碱、强腐蚀性介质的控制，也能用于高粘度及悬浮颗粒状介质的控制。适用于大口径、大流量、低压差的场合，也可以用于含少量纤维或悬浮颗粒状介质的控制。（6）蝶阀又名翻板阀。结构简单、重量轻、流阻极小，但泄漏量大。3.4.2气动执行器的应用1.调节阀的尺寸通常用公称直径Dg和阀座直径dg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）。当流体为不可压缩时，通过调节阀的体积流量为:α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。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，即调节阀尺寸的确定过程为：根据通过调节阀的最大流量，r流体重度以及调节阀的前后压差，先由上式求得最大的流通能力，然后选取大于即可依据表3－2确定出Dg和dg的大小。的最低级别的C值，16001000630400250160100双座阀45028020012080单座阀流通能力C30325020015012510080阀门直径dg(mm)30025020015012510080公称直径Dg(mm)6340251610双座阀5632201285.03.22.01.20.800.500.320.200.120.08单座阀流通能力C655040322520151210876542阀门直径dg(mm)655040322520公称直径Dg(mm)表3-2调节阀流通能力C与其尺寸的关系气关反反d气开正反c气开反正b气关正正a执行器气开、气关形式阀体作用方式执行机构作用方式序号√2.执行器的“气开、气关”方式“气”指输入到执行机构的信号“气开”表示输入到执行机构的信号增加时，流过执行器的流量增加“气关”表示输入到执行机构的信号增加时，流过执行器的流量减小√阀门气开气关式的选择原则：气源中断或电源中断时，进入装置的原料、热源应切断：进料阀选气开切断装置向外流出产品：出料阀选气开精馏塔回流应打开：回流阀选气关工艺生产的安全（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。）给水阀燃气阀蒸汽例如：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阀应选气开式√锅炉的气开、气关选择√说明几点：简单控制系统框图中的各个信号都是增量。图中的箭头表示信号的流向，并非物流或能流的方向。各环节的增益有正、有负。当该环节的输入增加时，其输出增加，则该环节的增益为正，反之，如果输出减小则增益为负。对象的增益有正、有负。例如：加热系统的增益为正、冷却系统的增益为负；气开阀的增益为正、气关阀的增益为负；正作用控制器的增益为负，反作用控制器的增益为正；检测变送器的增益一般为正。通过调整控制器的正反作用来保证系统为负反馈。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√3调节阀的流量特性相对流量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。lq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。（a）快开特性（b）直线特性（c）等百分比特性（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：积分C为积分常数可调比R为调节阀所能控制的最大流量与最小流量的比值。放大系数K为常数，不随Q的变化而变化。国产阀门的可调比R=30。流量的相对变化量小开度时，流量相对变化量太大，灵敏度高，控制作用太强，加剧振荡，易产生超调。直线阀的流量放大系数在任何一点上都是相同的，但其对流量的控制力却是不同的。控制力：阀门开度改变时，相对流量的改变比值。流量的相对变化量流量的相对变化量大开度时，流量相对变化量太小，调节作用弱，调节缓慢。不适于负荷变化大的过程直线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：放大系数与流量成正比，随q的增加，放大系数增大流量的对数lnq与行程l成正比，故称为对数特性行程增加相同间隔，流量增加相同的百分比，故称为等百分比特性。（2）等百分比（对数）流量特性对数流量特性在不同的开度下具有同样的动作灵敏度，适合于负荷变化较大的过程，广泛应用。流量的相对变化量对数流量特性流量相对变化值是相等的。故称为等百分比特性开度较小时就有较大流量，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。积分放大系数与q成反比，q增加，放大系数减小q小时，放大系数大，上升快，因此称为快开特性（3）快开特性实际使用时，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。√1)管道串联时的工作流量特性如图，管道系统总压力ΔP等于管路系统的压降ΔPG与控制阀的压降ΔPV之和。2、调节阀的工作流量特性从串联管道中调节阀两端压差△PV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△PV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△PVmin与总压力△P之比。压降比：流量特性畸变：s=1理想流量特性：，全开，qmax串联管道在s<1时，qmax减小，s越小，畸变越大。对数阀变为直线阀直线阀变为快开阀s↓图3－33调节阀的流量特性曲线a)－直线；b)－对数（等百分比）√S的影响√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。2)管道并联(不讲)图中S’=1时，旁路阀关闭，工作流量特性即为理想流量特性。随着旁路阀逐渐打开，值逐渐减小，调节阀的可调范围也将大大降低，从而使调节阀的控制能力大大下降，影响控制效果。根据实际经验，值不能低于0.8。图3－37并联管道时调节阀工作流量特性a)直线阀b)对数阀调节阀流量特性的选择有理论分析法和经验法。前者还在研究中，目前较多采用经验法。一般可从以下几方面考虑。1）依据过程特性选择。一个过程控制系统，在负荷变动的情况下，要使系统保持期望的控制品质，则必须要求系统总的放大系数在整个操作范围内保持不变。一般变送器、已整定好的调节器、执行机构等放大系数基本上是不变的，但过程特性则往往是非线性的，其放大系数随负荷而变。因此，必须通过合理选择调节阀的工作特性，以补偿过程的非线性，其选择原则为调节阀的放大系数被控过程的放大系数√（3）流量特性的选择选具有对数流量特性的调节阀kv•ko=常数阀和对象特性非线性互相补偿2）依据配管情况选择。在根据过程特性进行选择之后，再按照配管情况进行进一步的选择，其选择原则可参照表3-4进行。等百分比等百分比等百分比直线理想特性等百分比直线等百分比直线工作特性S=0.6-0.3S=1-0.6配管状况3）依据负荷变化情况选择。在负荷变化较大的场合，宜选用对数调节阀，因为对数调节阀的放大系数可随阀芯位移的变化而变化，但它的相对流量变化率则是不变的，所以能适应负荷变化大的情况；此外，当调节阀经常工作在小开度时，则宜选用对数调节阀。因为直线调节阀工作在小开度时，其相对流量的变化率很大，不宜进行微调。将4～20mA的电流信号转换成20～100KPa的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 气压信号。1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：3.4.3电/气转换器与阀门定位器I↑吸力Fi↑杠杆偏转挡板与喷嘴间隙↓背压↑放大器输入↑输出压力P↑杠杆的反馈力Ff↑杠杆平衡P∝I力平衡式电/气转换器的原理图负反馈磁铁调零FiFf背压2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。电/气阀门定位器实际应用中，常把电/气转换器和阀门定位器结合成一体，组成电/气阀门定位器。I↑杠杆上端右移挡板靠近喷嘴P压力↑阀杆下移反馈凸轮右转反馈弹簧右拉杠杆平衡1.智能电动执行器的特点   与常规电动执行器相比,智能电动执行器有如下特点：1）具有智能化和高精度的控制功能。可直接接收变送器信号，按设定值自动进行PID调节，控制流量、压力和温度等过程变量。通过组态可按折线形成多种形状的非线性流量特性，实现对过程非线性特性的补偿，以提高系统的控制精度，同时也摆脱了长期以来依靠改变阀芯形状来改变流量特性的落后状况；2)一体化的结构 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 思想。将位置控制器、PID控制器、伺服放大器、电-气转换器、阀位变送器等装在一台现场仪表中，减少了信号传输中的泄漏和干扰等因素对系统控制精度的影响；还采用电制动和断续调节技术代替机械摩擦制动技术，以提高整机的可靠性；3)具有智能化的通信功能。与上位机或控制系统之间可通过现场总线按 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 的通信协议进行双向数字通信，并构成所需要的控制系统，这是智能执行器与常规电动执行器的重要区别之一。   3.4.4智能式电动执行器4)具有智能化的自诊断与保护功能。当电源、气动部件、机械部件、控制信号、通信或其它方面出现故障时，均能迅速识别并能有效采取保护措施，确保控制系统及生产过程的安全。5）具有灵活的组态功能，“一机多用”，提高了经济效益。例如，对于输入信号，可通过软件组态来选择合适的信号源；对于执行器的运行速度和行程，也可通过组态软件进行任意设置，所有这些都无需更换硬件。这样一来，只要用少量类型的智能执行器就能够满足各种工业过程的不同需求，从而大大提高了制造商和用户的经济效益。2.智能电动执行器的实例简介美国Valtek公司生产的STARPAC智能执行器3.5安全栅安全栅（又称防爆栅）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。1安全防爆的基本概念在大气条件下，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。对于Ⅱ类电气设备，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氢、乙炔、二硫化碳、市用煤气、水煤气、焦炉煤气等i≤70Ⅲ乙烯、乙醚、丙烯晴等70＜i＜120Ⅱ甲烷、乙烷、汽油、甲醇、乙醇、丙酮、氨、一氧化碳i＞120Ⅰ爆炸性混合物种类最小引爆电流（mA）级别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Ⅰ类设备；有爆炸性气体的工厂用电气设备属Ⅱ类设备；有爆炸性粉尘的工厂用电气设备属Ⅲ类设备。2安全火花防爆系统电动仪表存在电路打火的可能。如果从电路设计就开始考虑防爆，把电路在短路、开路及误操作等各种状态下可能发生的火花都限制在爆炸性气体的点火能量之下，则此仪表称为安全火花防爆仪表。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安全栅，防止危险能量进入，则完全做到了安全火花防爆。构成安全火花防爆系统的二要素：①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）。②现场仪表与危险场所之间的电路连接必须经过安全栅（防爆栅）。基本原理：简单齐纳式安全栅是利用齐纳二极管的反向击穿特性进行限压、用固定电阻进行限流。3.5.1齐纳式安全栅安全栅的种类很多，有电阻式安全栅、中继放大式安全栅、齐纳式安全栅、光电隔离式安全栅、变压器隔离式安全栅等。当输入电压Vi在正常范围（24V）内时，齐纳二极管VD不导通；当电压高于24V并达到齐纳二极管的击穿电压（约28V）时，齐纳二极管导通，在将电压钳制在安全值以下的同时，安全侧电流急剧增大，使快速熔断丝FU很快熔断，从而将可能造成事故的高压与危险现场隔断。固定电阻R的作用是限制流往现场的电流。两点不足：一、固定的限流电阻其大小难以选择，选小了起不到很好的限流作用，选大了又影响仪表的恒流特性，理想的限流电阻应该是可变的，即电流在安全范围内其阻值要足够小，而当电流超出安全范围时其电阻要足够大；二、接地不合理，通常一个信号回路只允许一点接地，若有两点以上接地会造成信号通过大地短路或形成干扰。（2）由VD1~VD4和F1~F’2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4～20mA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VR1>0.6VVT2导通，分流VT3的电流VT1退饱和Vce1↑呈现较高的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，限压并接地改进后的齐纳式安全栅3.5.2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。检测端安全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。＋＋（1）电源变压器DC/AC：VT1、VT2，VD1～VD4及变压器T1构成磁耦合自激多谐振荡器。＋＋（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、VT6饱和，VT3、VT5截止。①   电源出现过电压VD15击穿（30V）VT3饱和Vce3≈0VT4截止VAB↓—限压晶体管限压限流电路原理②变送器出现过电流VR6>0.6VVT3导通，分流VT4退饱和Vce4↑—限流限流特性限压特性（3）调制解调电路调制：VD13、VD14交替工作送往变送器的DC4～20mA交替通过T2原边解调：T2副边1：1耦合复合管VT7~VT10整流＋--＋2执行端安全栅用于控制室中调节器和现场执行器之间，是4~20mA调节信号送往现场的安检通道。与检测端安全栅的区别：①信号传输方向相反，②不需给现场供电。电路原理基本相似。隔离式安全栅与齐纳式安全栅相比较，发见有如下优点：1）可以在危险区或安全区认为合适的任何一个地方接地，使用方便，通用性强；2）隔离式安全栅的电源、信号输入、信号输出均可通过变压器耦合，实现信号的输入、输出完全隔离，使安全栅的工作更加安全可靠；3）隔离式安全栅由于信号完全浮空，大大增强了信号的抗干扰能力，提高了控制系统正常运行的可靠性。本章结束，谢谢！