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第四章 执行器
本章内容：
1.补充气动元件知识
2.执行器概述
3.阀门定位器
本章问题：
?1. 气动薄膜调节阀的工作原理是什么？
２. 调节阀有哪几种类型？各适用于什么场合？
３. 电---气阀门定位器的工作原理是什么？
第四章 执行器
1.喷嘴—挡板机构结构
p0
p0
S
p1
S
p1
1
2
3
a) 喷嘴—挡板机构； (b) 喷嘴—挡板静特性
1—节流孔；2—喷嘴；3—挡板
补充
原理
气源p0由节流孔1流入，经背压室后，由喷嘴2流出。当挡板3盖住喷嘴2时，背压室压力p1增到气源压力，但由于挡板不能全部盖住喷嘴，所以p1只能接近气源压力；当挡板3离开喷嘴2时，由于喷嘴直径大于节流孔直径，所以空气全部由喷嘴排出，背压室压力p1为大气压力，但实际上喷嘴多少有一点阻力，所以p1只能接近大气压力；当挡板3和喷嘴2有一定距离时，则背压室压力p1和挡板S有一定的对应关系。
补充
2.气动放大器结构
A
P0
P出
1
2
3
7
6
5
位移平衡式放大器结构图
1---节流孔 2—喷嘴 3—挡板 4—金属膜片 5—阀杆
6—钢珠 7—弹簧片
补充
原理
当挡板3靠近喷嘴2时，背压室C的压力增加，金属片4压向阀杆5，于是钢珠气阀6开大，阀杆5上部的排气间隙关小，输出压力p出增加。但是气室B和大气相通，所以压力pB始终为0，气室C内的压力由膜片4因位移而产生的弹力平衡，故称位移平衡式放大器。这种放大器的特点是既放大流量，也放大压力。
补充
第一节概述
一、执行器在自动控制系统中的作用
控制信号
工艺管道
介质流量
图6-1 阀的作用
接受控制器送来的控制信号，去改变生产工艺中调节剂的流量，使生产过程按预定的要求正常进行，实现生产过程的自动化，所以执行器被称为生产过程自动化的 “手和脚”。
二、执行器的分类
执行器按能源或驱动力可分为气动、电动、液动三大类，以气动调节阀和电动调节阀为主体。
电动执行器以电源为动力驱动的，具有快速，便于集中控制等优点，但结构复杂，防火防爆性能不好。
液动执行器是利用液压原理推动执行机构，它的推力大，适用于负荷较大的场合，但其辅助设备大而笨重。
气动执行器利用压缩空气作为能源，具有结构简单、动作可靠、维修方便、性能稳定、价格低廉、防火防爆等优点。
气动执行器也称为气动调节阀，下面以气动执行器的典型产品———气动薄膜调节阀为例介绍其结构和工作原理。
三、气动薄膜调节阀的组成
图6-2 气动薄膜调节阀外形图
1一气动执行机构；2一阀
图6-3 气动薄膜调节阀结构示意图
1-薄膜；2-平衡弹簧；3-推杆；
4-阀芯；5-阀座
有两部分组成：上部是气动执行机构，下部是调节机构。
四、调节阀工作过程
执行机构是调节阀的推动装置，它按控制气压信号的大小产生相应的推力，使推杆产生相应的位移，从而带动阀芯动作。阀（阀体部件）是调节阀的调节机构，其内腔直接与工艺介质接触，阀芯在执行机构的带动下，改变了阀芯与阀座间的流通面积，引起流体通过阀的阻力的变化，达到改变介质流量的目的。
五、调节阀的作用形式
分四种：
(a) 正作用气关阀：控制信号从上方来，流量减小。
(b) 正作用气开阀：控制信号从上方来，流量增大。
(c) 反作用气开阀：控制信号从下方来，流量增大。
(d) 反作用气关阀：控制信号从上方来，流量减小。
六、调节阀的种类
在各类调节阀中，虽然执行机构不相同，但其阀是通用的。根据不同的使用要求，调节阀结构有不同种类，如（a）直通单座、(b)直通双座、(c)角型、(d/e)三通阀、(f)蝶阀、(g)隔膜阀、(h)笼式阀、(i)凸轮挠曲阀、(j)球阀等。
七、调节阀的型号命名
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅴ
Ⅵ
Ⅶ
Ⅳ
第一节
第二节
图6-4 气动调节阀型号命名
第一节以四个大写汉语拼音字母表示执行器的分类、能源和结构形式：
I——执行器类，以字母“Z”表示。
Ⅱ——执行机构种类，“M”表示薄膜式；“H”薄膜多弹簧式；“N”深波纹式；“S”活塞式；“L”长行程式等。
Ⅲ——执行机构结构特征，有弹簧直程正作用为“A”，有弹簧直程反作用为“B”。
Ⅳ——调节阀的结构形式，直通双座为“N”；直通单座为“P”；角形为“S”；套筒式为“M”；三通分流、合流分别为“X”、“Q”；隔膜式为“T”；偏心旋转式为“Z”等。
第二节Ⅴ以阿拉伯数字表示产品的主要参数范围：
Ⅴ——表示公称压力PN（MPa），分别以“16”、“40”、“60”、“100”、“160”、“320”等。
第二节Ⅵ、Ⅶ以大写汉语拼音字母表示作用方式与上阀盖结构形式。
Ⅵ——尾注的一部分，表示整机作用方式，气开为“K”，气关为“B”。
Ⅶ——表示适用的介质温度，普通型空白，长颈型为“D”，散（吸）热型为G，波纹管密封型为“V”等。
如：ZNAS-64BD
表示气关式偏心旋转调节阀，正作用深波纹式执行机构，PN为6.4MPa，低温长颈型。
第二节阀门定位器
一、概述
1.结构
阀门定位器接受来自控制器（调节器）的控制信号（电流信号或气压信号），成正比地转换成气压信号输出到气动调节阀的执行机构，使阀杆产生位移，而位移量通过机械机构反馈到阀门定位器，当位移反馈信号与输入的控制信号相平衡时，阀杆停止动作，调节阀的开度与控制信号相对应。
2.原理
①与气动执行机构构成了反馈机构，所以提高了执行机构的线性度，实现准确定位，并且可以改变执行机构的特性，从而改善执行器的特性；
②如果采用更高气源压力，可增大执行机构的输出力、克服阀杆的摩擦力、消除不平衡力的影响，加快了阀杆移动速度，并提高调节阀精度；
③阀门定位器可减少控制信号的传输滞后；
④实现分程控制；
⑤可用标准气信号通过定位器去驱动不同弹簧范围的调节阀。
3.阀门定位器有如下作用
二、电/气阀门定位器
1. 电/气阀门定位器的结构
2. 电/气阀门定位器的工作原理
从控制器来的电流信号I0输入力矩马达1的电磁线圈时，与永久磁场作用，使主杠杆受到一个向左的作用力，主杠杆绕支点16反时针方向偏转，使挡板13靠近喷嘴15，挡板的位移经气动放大器14转换成压力信号p0引入到气动执行机构8的薄膜气室，因p0增加而使阀杆向下移动，并带动反馈杆9绕支点4偏转，反馈凸轮5也随之逆时针方向偏转，通过滚轮10使副杠杆6绕支点7顺时针偏转，从而使反馈弹簧11拉伸，反馈弹簧对主杠杆2的拉力与电流信号I0通过力矩马达1作用到杠杆2的推力达到力矩平衡时，阀门定位器达到平衡状态。此时，一定的信号电流就对应于一定的阀杆位移，即对应于一定的阀门开度。
正作用电/气阀门定位器与正、反作用薄膜执行机构的组合
三、气动阀门定位器
1、结构
力矩平衡式气动阀门定位器原理图
1—波纹管 2—主杠杆 3—迁移弹簧 4—支点 5—反馈凸轮 6—副杠杆 7—副杠杆支点 8—气动执行机构 9—反馈杆 10—滚轮 11—反馈弹簧 12—调零弹簧 13—挡板 14—气动放大器 15—喷嘴 16—主杠杆支点
2、工作原理
当输入波纹管1的信号压力p0增加，主杠杆2绕支点16偏转，挡板13靠近喷嘴15，喷嘴背压升高。背压经放大器14放大后的压力pa引入至气动执行机构8的薄膜气室，因其压力增加而使阀杆向下移动，并带动反馈杆9支点4偏转，反馈凸轮5也跟着逆时针方向转动，通过滚轮10使副杠杆6绕支点7顺时针偏转，从而使反馈弹簧11拉伸，反馈弹簧对主杠杆2的拉力与信号压力p1通过波纹管1作用到杠杆2的推力达到力矩平衡时，阀门定位器达到平衡状态。此时，一定的信号压力就对应于一定的阀杆位移，即对应于一定的开度。调零弹簧12起零点调整作用；迁移弹簧3用于分程控制调整。
四、智能阀门定位器
1.智能阀门定位器的构成
智能阀门定位器由硬件和软件两部分构成。
（1）硬件构成
①信号调理部分 将输入的气压信号与阀位反馈信号转换成数字信号后送入微处理器。根据接受的输入信号或通讯协议不同，信号调理部分的具体电路将有所不同；
②微处理机将这两个数字信号按预选设定的特性关系进行比较，判断阀门开度是否与输入信号对应，并输出控制信号到电气转换控制部分。微处理机包括微处理器、EPROM、RAM及各种接口电路；
③电气转换控制部分将这一信号转换为气压信号送到气动执行机构，推动调节机构动作；
④阀位检测反馈装置检测执行机构的阀杆位移并将其转换为电信号反馈到阀门定位器的信号调理部分。
（2）软件部分
智能阀门定位器的软件由监控程序和功能模块两部分组成，前者使阀门定位器各硬件电路能正常工作并实现所规定的功能；后者提供了各种功能，供用户组态。各种智能阀门定位器，由于其生产厂家或具体用途和硬件结构不同， 所包含的功能模块在内容和数量上有较大差异。
2.智能智能智能智能阀门定位器的特点
（1）定位精度高和可靠性高
（2）流量特性修改方便
（3）零点、量程等设置方便
（4） 自诊断与监测功能
3.组态
一般智能阀门定位器可以在组态模式下对如下设置进行组态：
① 输入电流范围0 至20 mA 或4 至20 mA；
② 设定点上升或下降特性；
③ 定位速度限值 (给定值斜率)；
④ 分程; 可调整起始值和满刻度值；
⑤ 响应阈值 (死区)：自动设定或人工设定；

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