1 引言
近幾年來(lái)隨著改革開放的進(jìn)行，不斷壯大、更新，自控水平不斷提高。在儀表工程設(shè)計(jì)中執(zhí)行器在控制系統(tǒng)中起著極其重要的作用，控制品質(zhì)與執(zhí)行器的正確選用與使用有著十分親密的關(guān)系，不能因其簡(jiǎn)單而有任何疏忽。下面從執(zhí)行器的類型、流量特性、S值的選取、動(dòng)態(tài)特性、閥門定位器的應(yīng)用等方面進(jìn)行論述。
2 執(zhí)行器的類型
執(zhí)行器由執(zhí)行機(jī)構(gòu)與調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)兩部分構(gòu)成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)把調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成直線或角位移，有氣動(dòng)、電動(dòng)、液動(dòng)三類。氣動(dòng)在我公司zui常用；電動(dòng)的與電動(dòng)調(diào)節(jié)器連接方便，但有的場(chǎng)合須考慮防爆問(wèn)題；液動(dòng)的推力zui大，如催化車間的電液滑閥，但較笨重。調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)把直線位移或角位移轉(zhuǎn)換成流通截面積的變化，從而改變操縱變量Q的數(shù)值。調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的類型很多，包括直通閥（單座、雙座）、角閥、三通閥、球形閥、隔膜閥、蝶閥、高壓閥、偏心旋轉(zhuǎn)閥、套筒閥等。其中直通閥較為常用。在直通閥中，雙座閥介質(zhì)流通時(shí)閥前后不平衡力小，在口徑或壓差較大時(shí)，這一優(yōu)點(diǎn)更為突出，但在泄漏量方面卻往往大于單座閥。蝶閥適用于大流量、低壓差的氣體介質(zhì)。套筒閥具有低噪聲的特點(diǎn)，是低噪聲閥中常見的一種。
調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的口徑須很好考慮，在正常工況下，閥門開度應(yīng)在15%~85%之間。在設(shè)計(jì)中常用的節(jié)流公式為：
式中：Q—流量；△P—閥兩端壓差；r—流體重度；Cv—比例系數(shù)。
在閥門全開條件下，此時(shí)的Cv稱為流通能力C。顯然，Cv取決于流通截面積，與口徑及開度都有關(guān)系，C僅與口徑有關(guān)系。按正常工況下的操作數(shù)據(jù)計(jì)算Cv和預(yù)先規(guī)定閥門全開時(shí)的流量計(jì)算C值，是確定閥門口徑的兩條途徑。如按前一方法，應(yīng)把Cv值乘上一定倍數(shù)（2~5，線性閥取低值，對(duì)數(shù)閥取高值）作為流通能力C，按產(chǎn)品規(guī)格去確定口徑。如按后一方法閥門全開時(shí)的流量應(yīng)比zui大實(shí)際流量再大些。
氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥有氣開與氣關(guān)兩種類型。氣開與氣關(guān)的選擇主要考慮失氣時(shí)仍能保證生產(chǎn)安全。例如，裝于液體或氣體燃料火嘴前的調(diào)節(jié)閥很多是氣開型的，這樣在一旦失氣時(shí)便切斷燃料。又如，中小型鍋爐的進(jìn)水閥不少是氣關(guān)型的，這樣即使氣源中斷，也不會(huì)使氣包燒干，但在蒸氣用于汽輪機(jī)的大型鍋爐，進(jìn)水閥卻寧可用氣開型，因?yàn)槿绻魵庵袔в写罅克?，在高速旋轉(zhuǎn)的汽輪機(jī)中將會(huì)損壞葉片，危險(xiǎn)更為嚴(yán)重。
在執(zhí)行器選項(xiàng)型時(shí)，除了要規(guī)定以上內(nèi)容外，還須規(guī)定流量特性的類型。
3 流量特性的意義和類型
調(diào)節(jié)閥的流量特性指的是流量Q與閥桿行程L間的函數(shù)關(guān)系：Q=f（L） 依據(jù)函數(shù)關(guān)系的不同，流量特性可分為線性型、對(duì)數(shù)型、快開型和拋物線型等。
（1）線性型。
指調(diào)節(jié)閥的相對(duì)流量與相對(duì)位移成直線關(guān)系，即單位位移變化所引起的流量變化是常數(shù)，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
dq=kdl 或d（Q/Qmax）=kd（L/Lmax）
積分后得到：
Q/Qmax=k （L/Lmax）+Co
已知：
L=Lmax時(shí)，Q=Qmax
L=0 時(shí)，Q=Qmin=Qmax/R
式中：R—可調(diào)比，一般為30。
由此可知：
Co=1/R, K=1-1/R
流量與閥桿的關(guān)系式是：
Q/Qmax=1/R[1+（R-1）·L/Lmax]
（2）對(duì)數(shù)型（等百分比）
指單位位移產(chǎn)業(yè)化所引起的相對(duì)流量變化與此點(diǎn)的相對(duì)流量成正比關(guān)系。數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
dq=kqdl 或d（Q/Qmax）=k（Q/Qmax）d（L/Lmax）
積分后得到：
Q/Qmax=R（L/Lmax-1）
對(duì)數(shù)閥的Kv隨著Q的增加而迅速上升。因?yàn)镼的對(duì)數(shù)值與L間成線性關(guān)系，所以稱為對(duì)數(shù)型。又因?yàn)長(zhǎng)增加相同的間隔時(shí)Q增長(zhǎng)相同的百分比，所以亦稱等百分比特性。
（3）快開型
指單位相對(duì)位移變化所引起的相對(duì)流量變化與此點(diǎn)的相對(duì)流量的倒數(shù)成正比關(guān)系。數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
dq=kq-1 dl 或d（Q/Qmax）=K（Q/Qmax）-1d（L/Lmax）
積分后得到：
Q/Qmax=1/R[1+（R2-1）L/Lmax]1/2
快開閥的Kv隨著Q的增加而下降。正因?yàn)槿绱?，L從0開始的，一般Q上升得很快，所以稱為快開型。
（4）拋物線型
指單位相對(duì)位移變化所引起的相對(duì)流量變化與此點(diǎn)的相對(duì)流量的平方根成正比，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
dq=kq1/2dl 或d（Q/Qmax）=K（Q/Qmax）1/2d（L/Lmax） 積分后得到：
Q/Qmax=1/R[1+（R1/2-1）L/Lmax]2
拋物線型閥的Kv隨著Q的增加而上升，但不象對(duì)數(shù)型那樣厲害。總的來(lái)說(shuō)，其特性介于線性閥與對(duì)數(shù)閥之間。見圖1。
在流量特性問(wèn)題上，必須區(qū)別兩種情況： ①閥兩端壓降固定不變條件下的流量特性稱為理想特性。閥門制造廠提供的就是這種特性，通常有線性型、對(duì)數(shù)型、快開型三種； ②在實(shí)際工作時(shí)，閥兩端的壓降是隨流量而變化的，這時(shí)的流量特性稱為工作特性。假設(shè)提供給管路系統(tǒng)的總壓差為Pt，由液體提升產(chǎn)生的壓差為Ph，閥兩端的壓降為Pv，管路其它部分的壓降為P1，則Pt=Ph+Pv+P1=Ph+Pf
式中：Pf= Pv+P1，為阻力引起的總壓降。
雖然Ph為恒值，然而P1是隨著流量Q而變化的，因此，即使Pt保持不變，Pv也總是隨著流量的增加而減小的。由于Pv不是恒值，流量特性將發(fā)生變化，工作特性曲線將上凸。理想特性為線性的將向快開型靠近，對(duì)數(shù)型的將向線性型靠近。把閥門全開時(shí)的壓降Pv與管路總壓降Pf之比定為S，則在S值愈小時(shí)，特性曲線的畸變?cè)绞菂柡ΑＴ诠こ淘O(shè)計(jì)中，要解決理想特性的選型問(wèn)題，也要考慮S值的選取問(wèn)題。
當(dāng)S值大于0.6，即接近1時(shí)，可以認(rèn)為理想特性與工作特性的曲線形狀相近，此時(shí)工作特性選什么特性，理想特性也將選什么特性。當(dāng)S值小于0.6時(shí)，理想特性有一定的畸變。當(dāng)選擇的工作特性為線性時(shí)，理想特性應(yīng)采用對(duì)數(shù)特性；當(dāng)選擇的工作特性為對(duì)數(shù)型，理想特性仍為對(duì)數(shù)特性。通過(guò)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，我們可以直接依據(jù)被控變量與有關(guān)情況選擇調(diào)節(jié)閥的理想特性，見表1。
4 S值的選取
從控制特性上看，S值接近于1，至少是取比較大的數(shù)值，肯定可以減少流量特性的畸變，因此是有益的。然而，我們必須考慮其它因素。
表1 調(diào)節(jié)閥理想特性選用表
| 被控變量 | 有關(guān)情況 | 理想特性 |
| 液位 | Pv恒定 | 線性型 |
| Pv（Qmax）<0.2Pv（Qmin） | 對(duì)數(shù)型 |
| Pv（Qmax）>2Pv（Qmin） | 快開型 |
| 壓力 | 快過(guò)程 | 對(duì)數(shù)型 |
| 慢過(guò)程 | 線性型 |
| 慢過(guò)程Pv（Qmax）<0.2Pv（Qmin） | 對(duì)數(shù)型 |
| 流量變送器輸出與Q成正比 | 設(shè)定值變化 | 線性型 |
| 負(fù)荷變化 | 對(duì)數(shù)型 |
| 流量變送器輸出與Q2成正比 | 串接，設(shè)定值變化 | 線性型 |
| 串接，負(fù)荷變化 | 對(duì)數(shù)型 |
| 旁路連接 | 對(duì)數(shù)型 |
| 溫度 | | 對(duì)數(shù)型 |
（1）有時(shí)由于流體輸送機(jī)械的能力有限，能夠留給調(diào)節(jié)閥的壓降值很小，閥必須在低S值下運(yùn)行。
（2）由于結(jié)構(gòu)上的原因，閥兩端的壓降不能超過(guò)一定的限值，高壓差的減壓閥很易磨損，這時(shí)往往允許加限流孔板，適當(dāng)進(jìn)行分壓，使Pv不超過(guò)預(yù)定的限值，S值也必須降低。
（3）近幾年來(lái)，節(jié)能問(wèn)題極受重視，不少情況下閥門造成的摩擦損失耗用了可貴的能量，減少S值可以節(jié)約能耗。
在過(guò)去，人們一般認(rèn)為S值應(yīng)不低于0.3，S的常取范圍為0.3～0.6?，F(xiàn)在這條界線已被打破了。但低S值會(huì)使閥的流量特性產(chǎn)生嚴(yán)重的畸變，通?？煽紤]以下兩條途徑來(lái)解決：
（1）改變閥芯的型面，使其理想特性曲線凹得更甚，這樣在低S值下仍能有合適的工作特性。而在采用閥門定位器可利用凸輪開關(guān)來(lái)進(jìn)一步改善其理想特性。
（2）采用串級(jí)控制系統(tǒng)，用一個(gè)流量調(diào)節(jié)的副回路代替單一的調(diào)節(jié)閥，這時(shí)只要將這個(gè)副回路整定得可以工作就行，閥的流量特性對(duì)主被控變量的過(guò)渡過(guò)程不再起顯著影響。
但在S值的選取上還應(yīng)注意一些問(wèn)題，首先S值指的是閥全開時(shí)的壓降與管路壓降之比，在有些情況下，盡管Pv取得很小，S值不一定低；其次在設(shè)備流程已定的情況下，S值與節(jié)能有時(shí)并無(wú)直接關(guān)系，如圖2所示。
5 動(dòng)態(tài)特性
動(dòng)態(tài)特性表示動(dòng)態(tài)平衡信號(hào)壓力與閥桿位移的關(guān)系。從調(diào)節(jié)器到執(zhí)行機(jī)構(gòu)膜頭間的引壓管線，可以當(dāng)成膜頭的一部分，引壓管線可以近似認(rèn)為是單容環(huán)節(jié)，而膜頭空間也是一個(gè)氣容，將兩個(gè)氣容合并考慮，根據(jù)流量平衡關(guān)系，列出方程式：
Qi-Qo=C·dp2/dt
式中：
C—包括膜頭及引壓管在內(nèi)的容量系數(shù)
Qi—氣體的輸入流量
Qo—氣體的輸出流量
P2—膜頭內(nèi)的氣體壓力
Qi 與壓力的關(guān)系可近似表示：
Qi=（p1-p2）/R
式中
p1—調(diào)節(jié)器來(lái)的氣壓信號(hào)
R—從調(diào)節(jié)器到執(zhí)行機(jī)構(gòu)間導(dǎo)管的阻力系數(shù)
由于膜頭是封閉的，所以Qo=0。將Qi 帶入方程：
RC·d△p2/dt+△p2=△p1或T·d△p2/dt+△p2=△p1
式中：T—時(shí)間常數(shù)，T=R·C。
上式是調(diào)節(jié)器來(lái)的氣壓信號(hào)與膜頭內(nèi)壓力之間的微分方程式。
再看薄膜的運(yùn)動(dòng)，假設(shè)慣性力及摩擦力都可忽略，則作用于薄膜上的力與彈簧反作用力在平衡狀態(tài)時(shí)有：
△p2·Ae=Cs·△L
式中：
Ae—薄膜有效面積
Cs—彈簧的鋼度
△L—彈簧的位移（即閥桿的位移）
將所得兩個(gè)方程式合并整理，得到氣壓信號(hào)與閥桿位移的微分方程式化簡(jiǎn)：
△L/△p1=Ae/（TS+1）·Cs
由此可知，氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性為一階滯后環(huán)節(jié)。時(shí)間常數(shù)T因膜頭大小及引壓管長(zhǎng)短粗細(xì)而異，為數(shù)秒到數(shù)十秒。為了得到較好的特性，下列幾種做法值得借鑒。
（1）選擇合適的管徑。管徑加大，能使R下降，但同時(shí)也使C上升，期間需合適選擇。
（2）選擇合適的管長(zhǎng)度。
（3）加裝傳輸滯后補(bǔ)償器，它實(shí)際上是一個(gè)氣動(dòng)微分器，可補(bǔ)償大的時(shí)間常數(shù)的影響。
6 閥門定位器的選用
常用的閥門定位器有氣動(dòng)閥門定位器與電-氣閥門定位器。
閥門定位器可以實(shí)現(xiàn)下列功能：
（1）在干摩擦較大的場(chǎng)合能減小回差。
（2）在高壓差的情況下補(bǔ)償不平衡力的效應(yīng)，使閥桿位置不受不平衡力的影響。
（3）在閥桿移動(dòng)時(shí)具有較大阻力的場(chǎng)合。
（4）利用不同開關(guān)的凸輪，改變閥的流量特性、氣開或氣關(guān)型式。
（5）改變氣壓作用范圍，包括分程式控制。
（6）改善氣動(dòng)管線與閥的動(dòng)態(tài)特性。
通過(guò)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的積累，閥門定位器的選用可總結(jié)為以下內(nèi)容：
（1）直徑大于或等于150mm的直通雙座調(diào)節(jié)閥和直徑大于50mm的雙座調(diào)節(jié)閥。
（2）壓降大于13kg/cm2的直通雙座調(diào)節(jié)閥和壓降大于5 kg/cm2的直通單座調(diào)節(jié)閥。
（3）操作壓力大于20 kg/cm2的調(diào)節(jié)閥。
（4）散熱片型和長(zhǎng)頸型調(diào)節(jié)閥。
（5）用于調(diào)節(jié)有閃蒸或氣化，含懸浮顆粒、高粘度和膠狀介質(zhì)的調(diào)節(jié)閥。
（6）角形、蝶形、三通和隔膜等調(diào)節(jié)閥。
（7）滯后大的調(diào)節(jié)系統(tǒng)（溫度調(diào)節(jié)）或氣動(dòng)調(diào)節(jié)輸出引線大于100m的場(chǎng)合。
7 總結(jié)
綜上所述，可以看出執(zhí)行器的選用是比較復(fù)雜的，要從以下幾個(gè)方面考慮：
（1）根據(jù)工藝條件，選擇合適的結(jié)構(gòu)類型。
（2）根據(jù)工藝對(duì)象的特點(diǎn)，選擇合適的流量特性。
（3）根據(jù)工藝參數(shù)，計(jì)算選擇閥門口徑，并考慮S值。
（4）根據(jù)閥桿受力大小，選擇執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
（5）根據(jù)工藝過(guò)程，選擇合適日輔助裝置。 永嘉縣雙雄閥門有限公司
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