1.8　执行部件特性

执行器又称调节器，由执行机构和调整机构两部分组成。如图1-20所示。执行机构接受调节器输出的控制信号，并将其转换为直线位移或角位移，操纵调节机构的开度，自动改变操作变量，从而实现对过程变量的控制。

执行器安装在生产线，直接与介质接触，通常在高温、高压、高黏度、强腐蚀、易结晶、易燃易爆、剧毒场合下工作，如果选用不当，将直接影响拉制系统的控制质量。

执行器根据执行机构所使用能源的不同，分为气动、电动、液动三大类，它们的调节机构（调节阀）都相同。

气动执行器的特点是以压缩空气（或氮气）为动力能源，具有控制性能好、结构简单、动作可靠、维修方便、防火防爆以及价廉等优点，并能方便地与气动及电动仪表配套使用。其输入信号为0.02～0.1MPa，气源压力为0.14MPa，因此，气动执行器在工业生产过程控制系统中得到广泛应用。

电动执行器的特点是共输入信号为0～10mA或4～20mA，具有获取能源方便、执行速度快、便于集中控制等优点。但其结构复杂，防火防爆性能差。

液动执行器的特点是利用液压原理推动执行机构动作，推力大，适用于负荷较大的场合。其辅助设备笨重、体积庞大。在过程控制领域较少应用。

气动调节阀由气动执行机构和调节机构（阀）两部分组成，其外形图如图1-21所示。

1.8.1　气动执行机构的结构和原理

气动执行机构分为薄膜式和活塞式两种，工业中薄膜式应用居多，可以用作一般控制阀的推动装置，组成气动薄膜调节阀。活塞式执行机构的推力较大，主要适用于大口径、高压降的推动装置。

薄膜式执行机构有正作用和反作用两种形式，当来自调节器或者阀门定位器的信号压力增加时，阀杆向下移动的叫正作用执行机构，而阀杆向上移动的叫作反作用执行机构，具体在图中，压力信号从波纹膜片上方通入薄膜气室时，是正作用执行机构，压力信号从波纹膜片下方通入薄膜气室时，是反作用执行机构。

气动薄膜式执行机构的静态特性表示平衡状态时信号压力与阀杆位移的关系。根据平衡状态下力平衡关系可得：

式中，P为调节器的输出压力信号；A为膜片的有效面积；K为弹簧的弹性系数；L为执行机构推杆位移。

可见，执行机构推杆位移L和输入气压信号成正比。

气动薄膜式执行机构主要由弹性薄膜平衡弹簧和推杆组成，其结构如图1-22所示。执行机构是执行器的推动装置，即它接受标准气压信号后，经薄膜片转换成推力，使推杆产生位移，同时带动阀芯动作，使阀芯产生相应位移，改变阀的开度。

执行机构的动态特性一般可以看成是一个一阶惯性环节，其时间常数取决于膜头的大小及管线的长度和直径。

1.8.2　调节机构

调节机构实际上就是阀门，主要由阀体、阀座、阀芯、阀杆等部件组成，是一个局部阻力可以改变的节流元件。阀门通过阀杆上部与执行机构相连，下部与阀芯相连。由于阀芯在阀体内移动，改变了阀芯与阀座之间的流通面积，被控介质的流量也就相应地得到改变，从而达到控制工艺参数的目的。

根据不同的使用要求，阀门的结构形式很多，有直通单座阀、直通双座阀、角形阀、三通阀、隔膜阀、蝶阀、球阀、套筒阀等，如图1-23所示。下面介绍最常用的直通单座阀和直通双座阀，其他阀门可参考有关文献。

1.8.2.1　直通单座阀

直通单座阀阀体内只有一个阀芯，如图1-23（a）所示，其特点是结构简单、泄漏量小，但是流体对阀芯上下作用的不平衡推力较大。当阀前后压差大或阀芯尺寸大时，这种不平衡力可能相当大，会影响阀芯的准确定位。因此，这种阀一般应用在小口径、低压差的场合。

1.8.2.2　直通双座阀

直通双座阀阀体内有两个阀芯和阀座，如图1-23（b）所示。由于流体同时从上下两个阀座通过，对上下两个阀芯上的推力方向相反而大致抵消，因而双座阀的不平衡力小，对执行机构的驱动力要求低，适宜于大压差和大管径的场合。但是，由于加工精度的限制，上下两个阀芯、阀座不易保证同时密闭，因此泄漏量较大。

根据阀芯的安装方向不同，上述两种阀都有正装与反装两种形式。当阀杆下移时，阀芯与阀座间的流通面积减小的称为正装；如果将阀芯倒装，则当阀杆下移时，阀芯与阀座间流通面积增大的称为反装。

1.8.2.3　调节阀的流量特性

调节阀的流量特性是指介质流过控制阀阀门的相对流量与阀门的相对开度（即阀的相对位移）之间的关系。其数学表达式为：

　　（1-14）

式中，Q/Qmax为相对流量，即调节阀某一开度流量Q与全开度流量Qmax之比；l/L为相对开度，即调节阀某一开度行程l与全行程L之比。

从过程控制的角度看，流量特性是控制阀最重要的特性，它对整个过程控制系统的品质有很大影响。一般来说，通过改变控制阀阀芯与阀座间的流通截面积，便可实现对流量的控制，常用阀芯的形状如图1-24所示。

流过调节阀的流量不仅与阀的开度（流通截面积）有关，而且还与阀门前后压力的大小有关。一个调节阀接在管路中工作时，阀门开度变化，则流量和阀门前后的压差也发生变化。所以为了便于分析比较，先假定阀门压差固定，然后再讨论阀门在管路中实际工作的情况。

（1）理想流量特性

当控制阀前后压差固定不变时，得到的流量特性称为理想流量特性，理想流量特性取决于阀芯的形状，不同的阀芯曲面得到的理想特性是不同的。理想流量特性主要有快开、直线、抛物线和等百分比4种，其相应的流量特性曲线如图1-25所示。

①直线流量特性　控制阀的相对流量与阀芯的相对位移（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）称为直线流量特性。其数学表达式为：

　　

（1-15）

式中，K为调节阀的放大系数。对式（1-15）积分，可得：

　　（1-16）

已知边界条件为：当l=0时，Q=Qmin；当l=L时，Q=Qmax。把边界条件代入式（1-16）可得：

把上述各常数项代入式（1-16）即得：

　　（1-17）

由式（1-16）可知，Q/Qmax与l/L之间成线性关系（如图1-25中直线所示可见），直线特性调节阀的放大系数是一个常数，只要阀芯位移变化量相同，则流量变化量也总是相同的。

由式（1-17）可见，当相对开度l/L变化10%时，所引起的相对流量Q/Qmax的增量总是9.67%，但相对流量的变化量却不相同。现以相对开度是10%、50%、80%三点为例分别计算其相对变化量。

在10%开度时，相对变化量为：[（22.7-13）/13]×100%=75%；在50%开度时，相对变化量为：[（61.3-51.7）/51.7]×100%=19%；在80%开度时，相对变化量为：[（90.3-80.6）/80.6]×100%=12%。

可见，直线流量特性调节阀在小开度工作时，其相对流量的变化大，控制作用太强，易引起超调，产生振荡；而在大开度工作时，其相对流量的变化小，控制作用太弱，会造成控制作用不够及时。

②对数（等百分比）流量特性　将阀杆的相对位移变化所引起的相对流量变化与该点的相对流量成正比的特性称为对数（等百分比）流量特性。其数学表达式为：

　

　

（1-18）

可见，控制阀的放大系数K随相对流量的增加而增大。对式（1-18）积分，并将上述边界条件代入，整理可得：

　　（1-19）

为了和直线流量特性进行比较，同样以开度10%、50%、80%三点为例分别计算其相对流量的变化量。

可见，对数流量特性的曲率是随着流量的增大而增大的，但是相对行程变化引起的流量相对变化值是相等的，对具有对数流量特性的控制阀而言，小开度时，放大系数KV较小，控制平稳缓和；大开度时，放大系数KV较大，控制及时有效。因此，从过程控制看，利用对数流量特性是有利的。

③抛物线流量特性　将相对流量与阀杆的相对开度成抛物线关系，即二次方关系的特性称为抛物线流量特性。其数学表达式为：

　　

（1-20）

将式（1-20）积分后代入边界条件，可知相对流量与相对开度（位移）成二次方关系，如图1-25中抛物线曲线所示，它介于直线流量特性和对数流量特性之间，通常可用对数流量特性来代替。

④快开流量特性　这种特性在小开度时流量就比较大，随着开度的增大，流量很快达到最大，故称为快开特性（图1-25中快开曲线）。

快开特性的阀芯形状为平板型。当阀座直径为d时，其有效行程应在d/4以内；当行程增大时，阀的流通截面就不再增大，不能起控制作用。

（2）工作流量特性

在实际应用中，控制阀与其他设备串联或并联安装在管道中，其前后的压差是变化的，此时的流量特性称为工作流量特性。理想流量特性会因控制阀前后压差遭受阻力损失而畸变成工作流量特性。

①串联管道时的工作流量特性　调节阀与其他设备串联工作时（图1-26），调节阀上的压差是其总压差的一部分。当总压差Δp一定时，随着阀门开度增大，引起流量Q的增加，设备及管道上的压力降将随流量的二次方增长，如图1-27所示。这就是说，随着阀门开度的增大，调节阀前后的压差将逐渐减小。所以，在同样的阀芯位移下，此时的流量比调节阀前后保持压差不变的理想情况要小，但是在流量较大时，由于调节阀前后压差较小，调节阀的实际控制效果可能变得非常迟钝。对于其理想流量特性是一条直线的线性阀来说，由于串联阻力的影响，其实际工作流量特性将变成图1-28所示的向上缓慢变化的曲线。此图中Qmax表示串联管道阻力为零时调节阀全开的流量，S表示调节阀全开时阀门前后的压差Δpvmin与系统总压差Δp的比值。由图1-28（a）可知，当S=1时，管道压降为零，调节阀前后的压差等于系统的总压差，故工作流量特性为理想流量特性。当S<1时，由于串联设备管道阻力的影响，流量特性产生两个变化，一个是调节阀全开时流量减小，即调节阀可调范围变小；另一个是流量特性成为凸形曲线，理想直线特性变成快开特性。随着S值的减小，流量特性发生了很大畸变，直线特性趋近于快开特性，等百分比特性趋近于直线特性。在实际使用中，一般希望S值不低于0.3～0.5。

②并联管道时的工作流量特性　在实际使用中，为了扩大量程或便于手动操作以及维护调节阀，一般都装有旁路阀。

如图1-29的并联管道所示。当生产量提高或流量不能满足工艺生产要求时，可以将旁路阀开大一些。此时调节阀的流量特性如图1-30所示。为并联管道时调节阀全开流量与总管最大流量之比。当S'=1时，即关闭旁路，调节阀工作流量特性为理想流量特性。随着旁路阀逐渐打开，即S'值逐渐减小，系统可调范围大大下降，这将使调节阀所能控制的流量变化很小。所以，打开旁路阀时的调节阀控制效果不佳。根据实际使用经验，旁路流量只能为总管流量的百分之十几，S'值不能低于0.8。

1.8.3　气动执行器附件

（1）电/气转换器

在过程控制系统中，调节器常常采用电动的，而执行器（调节阀）釆用气动的，此时必须将电信号转换成气信号，才能与气动执行器配合使用。

电/气转换器是将0～10mA或4～20mA的电流信号转换为气动单元组合仪表的统一标准信号0.02～0.1MPa。通过它可以组成电/气混合系统，以便发挥各自的优点，扩大其使用范围。电/气转换器的原理图如图1-31所示。

电/气转换器的工作原理是力矩平衡。当0～10mA的电流输入测量动圈时，动圈产生一个向上的电磁力，使杠杆绕支点作逆时针转动，挡板便靠近喷嘴，放大器输出0.02～0.1MPa的气压信号，此气压一方面作为转换器输出，另一方面反馈到正、负两个波纹管中，产生0.02～0.1MPa的气压信号。由于波纹管产生的负反馈力矩比动圈的作用力矩大得多，为此设置了一个正反馈波纹管以便抵消一部分负反馈力矩。调零弹簧用以调整p出的起始值。

转换器相当于一个1∶1的放大器，只不过输入的是电信号。所以对快速响应系统（如液体压力控制系统）一般选用转换器，对于慢速响应系统一般选用电/气阀门定位器。

电/气转换器常用于电动单元组合仪表自动调节系统。气动执行器结构简单，性能稳定，动作可靠，维护方便，对现场条件要求低，并具有防火、防爆等优点，因而一般电动仪表调节系统都采用气动执行器，为此要在电动调节器和气动执行器之间接入电/气转换器。

（2）电/气阀门定位器

电/气阀门定位器是按力平衡原理设计的，其工作原理是在气动阀门定位器的基础上开发而成的电流信号控制阀门定位器。其主要作用如下。

①实现准确定位。使用阀门定位器可以克服阀杆的摩擦和消除调节阀不平衡力的影响，保证阀门位置按调节器输出信号正确定位。

②改善调节阀的动态特性。利用阀门定位器，可以有效克服气压信号的传递滞后，改变原来调节阀的一阶滞后特性，使之成为比例特性。

③改变调节阀的流量特性。通过改变阀门定位器中反馈凸轮的几何形状可以改变调节阀的流量特性，即可使调节阀的直线流量特性与对数流量特性互换。

④实现分程控制。当用一个调节器的输出信号分段分别控制两只气动执行器工作时，可用两个阀门定位器，使它们分别在信号的某一区段完成全行程动作，从而实现分程控制，

电/气阀门定位器的基本工作原理如图1-32所示，从电动调节器输出的电流信号输入力矩马达组件的线圈时，在力矩马达的气隙中产生一个磁场，它与永久磁铁产生的磁场共同作用，使衔铁产生一个向左的力，主杠杆（衔铁）绕支点转动，挡板靠近喷嘴，喷嘴背压经放大器放大后，送入薄膜执行机构气室，使阀杆向下移动，并带动反馈杆绕支点转动，接在同一轴上的反馈凸轮作逆时针方向转动.通过滚轮使副杠杆绕支点转动，并将反馈弹簧拉伸。当弹簧对主杠杆的拉力与力矩马达作用在主杠杆上的力矩相等时，杠杆系统达到平衡状态，此时，一定的信号电流就与一定的阀门位置相对应。弹簧用作调整零位。

以上作用方式为正作用，若要改变作用方式，只要将凸轮翻转，A向变成B向即可。所谓正作用，就是信号电流增加时，输出压力增加；所谓反作用，就是信号电流增加时，输出压力减少。一台正作用执行机构只要装上反作用定位器，就能实现反作用执行机构的动作；相反，一台反作用执行机构只要装上反作用定位器，就能实现正作用执行机构的动作。

电/气阀门定位器是安装在阀门上现场使用的，故应采取安全防爆措施。除了将调节器输出的电流信号用安全栅隔离外，输入电路中的力线圈是储能元件，需用环氧树脂浇注固封，再加以双重续流保护，如图1-33所示不在正常工作时，保护二极管VD1和VD2导通，VD3和VD4是截止的。当信号回路发生断线故障时，储存在力线圈中的电能可以使VD3和VD4正向导通，续流释放，从而使断线处的火花能量限制在安全火花的范围之内。

另外，这些保护二极管都布置在力线圈附近，与力线圈一起用硅橡胶进行二次灌封，实现密封隔爆措施。因而，电/气阀门定位器属于安全火花和隔爆复合型防爆结构。

1.8.4　电动调节阀

电动调节阀接收调节器的输出电流信号，并转换为阀门开度。电动调节阀有别于电磁阀，电磁阀利用电磁铁的吸合和释放对阀门进行通、断两种状态的控制，而电动调节阀是利用电动机对阀门开度进行连续的调节。

电动调节阀也由执行机构和阀门两部分组成，其中阀门部分和气动调节阀是相同的，不同的只是执行机构部分。因此，这里只介绍电动执行机构。

电动执行机构根据配用的阀门的不同要求，有直行程、角行程和多转式三种输出方式。电动执行机构一般釆用随动系统的方案组成，如图1-34所示。

调节器输出信号通过伺服放大器驱动伺服电机，经减速器带动调节阀，同时位置发送器将阀杆行程反馈给伺服放大器，组成位置随动系统。依靠位置负反馈，保证输入信号准确地转换为阀杆的行程。

伺服放大器的工作原理如图1-35所示，它由前置放大器和晶闸管驱动电路两部分组成。前置放大器是一个比较放大器，根据输入信号与反馈信号相比较后偏差的正负，输出正向或反向直流电压，使晶闸管触发电路1或2中的一个，发出触发脉冲，导通晶闸管，从而控制电机正转或反转。例如，当前置放大器输出电压的极性为a（+）、b（-）时，触发电路1工作，连续发出触发脉冲，使晶闸管VT1完全导通。由于VT1接在二极管桥式整流器的直流端，它的导通使桥式整流器的c、d两端近于短接，故220V交流电压直接接到伺服电机的绕组上，另一路经分相电容Cp加到绕组Ⅱ上。由于绕组Ⅱ中的电流相位比绕组Ⅰ超前90°，因而形成旋转磁场，使电动机朝某个方向转动。反之，如果前置放大器的输出电压极性为a（-）、b（+），则触发电路Ⅰ截止，VT1不通；而触发电路2控制VT2完全导通，使电源电压直接加到电机绕组Ⅱ上，另一路经分相电容Cp加到绕组Ⅰ上。这样，绕组Ⅰ中的电流相位比绕组Ⅱ超前90°，电机朝相反方向转动。当VT1和VT2都不导通时，伺服电机不转动。这里晶闸管起无触点开关的作用。

伺服电机输出转速高、力矩小，必须经过减速器的减速才能推动调节机构。电动执行机构中常用的减速器有行程齿轮和涡轮涡杆两种，可以输出转角位移或直线位移。

随着电子技术的迅速发展，微处理器也被引入到调节阀中，出现了智能式调节阀，它集控制功能和执行功能于一体，可直接接受变送器来的检测信号，自行控制计算并转换为阀门开度。智能调节阀的主要功能如下。

①控制及执行功能。可接受变送器来的检测信号，按预定程序进行控制运算，并将运算结果直接转变为阀门开度。

②补偿及校正功能。可通过内置传感器检测的环境温度、压力等信号自动进行补偿及校正运算。

③通信功能。可进行数字通信，操作人员可远程对信号进行检测、整定和修改参数。

④诊断功能。智能调节阀的阀体和执行机构上都装有传感器，专门用于故障诊断，电路上也设计了各种监测功能。微处理器在运行中连续地对整个装置进行监测，发现问题立即执行预先设定的保护程序，自动采取措施并报警。

⑤保护功能。无论是电源、机械部件、控制信号、通信或其他方面出现故障，都会自动采取保护措施，以保证本身及生产过程安全可靠；还具有掉电保护功能，当外电源掉电时能自动用备用电池驱动执行机构，使阀位处于预先设定的安全位置。例如，Vahck公司20世纪90年代末期推出的STARPAC型智能调节阀，其基本结构和功能如图1-36所示，其主要特点如下。

①阀体的进出口部位和内部安装有压力、温度检测器。阀体内安装阀位检测器，气缸执行机构进出口安装空气压力检测器。这些检测器的输出信号都送到微处理器。

②能进行压力、温度、流量的测量和自动控制。流量的测量是根据阀门开度所对应。流量系数值及阀门前后压差由微处理器进行计算，同时还可以对此流量进行温度补偿，也可构成串级控制回路。

③调节阀在运行过程中随时根据气缸进出口压力、阀位变化以及温度、压差、流量等工艺参数变化，分析调节阀的动态工作状态包括流量特性的变化，实时进行故障诊断，进行必要的调整和校准。

④具有事故预测、监视、报警及事故切断程序，实现安全运行。

⑤与上位机控制系统（DCS、主计算机系统）的连接可任意选用4～20mA的模拟信号或RS485串级数字信号这两种通信方式。利用数字通信方式进行组态、校准、数据检索与故障诊断等信息传输。