氣動調節(jié)閥儀控部件工作原理

• 氣動調節(jié)閥儀控部件工作原理
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*節(jié)  氣動調節(jié)閥介紹

執(zhí)行機構是自動調節(jié)系統(tǒng)的重要組成部分，通常用其來調節(jié)流入（或流出）調節(jié)對象的物質或能量，以實現(xiàn)對熱力生產(chǎn)過程中各種熱工參數(shù)的自動控制，所以又稱為調節(jié)系統(tǒng)的終端控制元件。一個自動調節(jié)系統(tǒng)即使設計合理、裝置設備，但如果調節(jié)機構選擇不當，如特性不好或調節(jié)范圍不合適，仍然會使調節(jié)系統(tǒng)出現(xiàn)異常。上海申弘閥門有限公司主營閥門有：減壓閥(氣體減壓閥,可調式減壓閥,波紋管減壓閥,活塞式減壓閥,蒸汽減壓閥,先導式減壓閥,空氣減壓閥,氮氣減壓閥,水用減壓閥,自力式減壓閥,比例減壓閥)、安全閥、保溫閥、低溫閥、球閥、截止閥、閘閥、止回閥、蝶閥、過濾器、放料閥、隔膜閥、旋塞閥、柱塞閥、平衡閥、調節(jié)閥、疏水閥、管夾閥、排污閥、排氣閥、排泥閥、氣動閥門、電動閥門、高壓閥門、中壓閥門、低壓閥門、水力控制閥、真空閥門、襯膠閥門、襯氟閥門。 

由于調節(jié)機構直接與工作介質接觸，使用條件惡劣，所以容易出現(xiàn)故障，比如調節(jié)閥尺寸選擇不合理或特性不適宜，使調節(jié)質量不高；調節(jié)閥通流部分被腐蝕、堵塞，使其工作特性變壞；調節(jié)閥的機械性能差，動作不靈敏或產(chǎn)生振蕩等。因此我們在對氣動執(zhí)行機構進行檢修和維護時，必須對調節(jié)機構的結構、原理、特性等進行了解，以保證工作的順利進行，這是保證自動調節(jié)系統(tǒng)正常工作的基礎。 

一、氣動調節(jié)閥的構成

控制閥主要由兩大部分組成： 閥體＋執(zhí)行器

二、氣動調節(jié)閥的功能

1、控制閥門的開關，保證閥門正常工作所需的行程

2、提供閥門關閉時所需的關閉力

3、具備一定的開關速度，保證使用要求

4、與相關附件聯(lián)合使用，滿足意外故障時閥門的理想位置（故障時閥門打開，或關閉，或即時原位鎖定）

三、氣動調節(jié)閥的流量特性：

1、氣動調節(jié)閥的流量特性是指控制閥的行程在0－100％的范圍內(nèi)與對應的流經(jīng)控制閥的流量之間的關系。

2、壓差恒定時閥門的流量特性稱作固有流量特性。

3、在壓差等參數(shù)變化條件下閥門的流量特性稱作實際流量特性。

四、氣動調節(jié)閥的流量特性有三種：

1、快開流量特性

2、線性流量特性

3、等百分比流量特性

第二節(jié)  氣動執(zhí)行機構及其控制裝置功能

    執(zhí)行機構是驅動調節(jié)閥的動力裝置，有氣動、電動、液動等方式，其中氣動執(zhí)行機構以其維護工作簡單、動作速度較快、具有防爆性、以及容易得到較大力矩等優(yōu)點，被廣泛應用于各種場合。 

    氣動執(zhí)行機構有薄膜式和氣缸兩種。薄膜式通常單端進氣、彈簧復位，對于不同的進氣方向又分為氣開式（進氣打開閥門，失氣彈簧復位關閉閥門）和氣關式（進氣關閉閥門，失氣彈簧復位打開閥門）。由于薄膜式氣動執(zhí)行機構中的薄膜耐受壓力較小，通常在2kg/cm以下，因此，如果應用在力矩較大的調節(jié)閥上時，就必須增加薄膜的面積，使執(zhí)行機構的體積變得十分龐大；而氣缸式執(zhí)行機構的活塞和缸體均可以耐受較大的氣源壓力，而且缸體可以造得很長，因此可用在力矩大、行程長的閥門上。但氣缸也有它的缺點，由于活塞與缸體之間有相對運動，就有可能產(chǎn)生不可預見的磨擦力，如缸體銹蝕、密封圈張力不均勻等原因，使得執(zhí)行機構卡澀造成調節(jié)失靈。而薄膜閥由于結構的特點，不會產(chǎn)生上述故障，這也是薄膜閥的優(yōu)勢。

氣動執(zhí)行機構控制裝置的主要組成部件和功能： 

減壓閥：降低控制氣源壓力，以適宜執(zhí)行機構的工作壓力；

過濾器：濾去壓縮空氣中的水和其他雜質，保證進入電/氣轉換器、定位器以及執(zhí)行機構的壓縮空氣的清潔。許多產(chǎn)品是減壓閥和過濾器一體化設計；

電/氣轉換器（E/P）：將控制系統(tǒng)來的4-20mA電流信號轉換成0.02-0.1MPa/cm2 （ 3-15psi ）的氣壓控制信號；

定位器：是閥位控制的核心部件，對調節(jié)閥的閥位進行控制；

位置變送器：通過連桿與閥桿的位移同步產(chǎn)生轉角移動，轉換成4-20mA電信號，線性地反映閥門的開度；

行程開關：通常安裝在閥門的全開和全關位置，用以發(fā)出閥門全開和全關的信號送到控制系統(tǒng)；

為了實現(xiàn)某些特殊的控制功能，一些執(zhí)行機構上還配備了其他的控制部件，如實現(xiàn)聯(lián)鎖功能的電磁閥，實現(xiàn)保位功能的鎖氣器，加快動作速度的氣放大器，失氣時維持短時操作的儲能罐等等。 

    執(zhí)行機構控制部件生產(chǎn)廠家很多，結構也有很大差異，但他們利用的原理都很近似，電/氣轉換和定位器主要采取兩種形式，即E/P、定位器分開和一體化設計，而定位器又分為氣動機械平衡式和智能型。控制部件中E/P、減壓閥、氣動機械平衡式定位器都是利用力平衡原理進行調節(jié)的。

第三節(jié)  氣動執(zhí)行機構控制裝置工作原理

下面重點介紹電/氣轉換器和定位器等控制部件工作原理：

• 力平衡式E/P工作原理：

上圖所示，它是按力平衡原理設計和工作的。在其內(nèi)部有一線圈，當調節(jié)器（變送器）的電流信號送入線圈后，由于內(nèi)部*磁鐵的作用，使線圈和杠桿產(chǎn)生位移，帶動擋板接近（或遠離）噴嘴，引起噴嘴背壓增加（或減少），此背壓作用在內(nèi)部的氣動功率放大器上，放大后的壓力一路作為轉換器的輸出，另一路送到反饋波紋管。輸送到反饋波紋管的壓力，通過杠桿的力傳遞作用在鐵芯的另一端產(chǎn)生一個反向的位移，此位移與輸入信號產(chǎn)生電磁力矩平衡時，輸入信號與輸出壓力成一一對應的比例關系。即輸入信號從4mA.DC改變到20mA.DC時，轉換器的輸出壓力從0.02～0.1Mpa變化，實現(xiàn)了將電流信號轉換成氣動信號的過程。 圖中調零機構，用來調節(jié)轉換器的零位，反饋波紋管起反饋作用。調整量程主要是調整E/P量程跨度 。

二、力平衡式定位器工作原理：

上圖氣動閥門定位器是按力平衡原理設計和工作的。如圖下圖所示當通入波紋管的信號壓力增加時，使杠桿2繞支點轉動，檔板靠近噴嘴，噴嘴背壓經(jīng)放大器放大后，送入薄膜執(zhí)行機構氣室，使閥桿向下移動，并帶動反饋桿（擺桿）繞支點轉動，連接在同一軸上的反饋凸輪（偏心凸輪）也跟著作逆時針方向轉動，通過滾輪使杠桿1繞支點轉動，并將反饋彈簧拉伸、彈簧對杠桿2的拉力與信號壓力作用在波紋管上的力達到新的平衡狀態(tài)。此時，一定的信號壓力就與一定的閥門位置相對應。當通入波紋管的信號壓力減少時，使杠桿2繞支點轉動，檔板離開噴嘴，噴嘴背壓經(jīng)放大器放大后，送入薄膜執(zhí)行機構氣室，使閥桿向上移動，并帶動反饋桿（擺桿）繞支點轉動，連接在同一軸上的反饋凸輪（偏心凸輪）也跟著作順時針方向轉動，通過滾輪使杠桿1繞支點轉動，并將反饋彈簧壓縮、彈簧對杠桿2的壓力與信號壓力作用在波紋管上的力達到新的平衡狀態(tài)。此時，一定的信號壓力就與一定的閥門位置相對應。

    以上作用方式為正作用，若要改變作用方式，只要將凸輪翻轉，A向變成B向等，即可。所謂正作用定位器，就是信號壓力增加，輸出壓力亦增加；所謂反作用定位器，就是信號壓力增加，輸出壓力則減少。氣源壓力連接到83L型氣動放大器。氣動放大器內(nèi)的固定節(jié)流孔限制噴嘴的流量，這樣當擋板沒有擋住噴嘴時，空氣能夠排放得比進氣速度要快。

    從控制設備來的輸入信號連接到波紋管。當輸入信號增加時，波紋管膨脹并推動平衡梁。平衡梁圍繞輸入軸轉動，使擋板靠近噴嘴。噴嘴壓力增加，然后通過氣動放大器的作用，增加至膜片式執(zhí)行機構的輸入壓力，膜盒內(nèi)壓力的增加會使得執(zhí)行機構推桿向下移動。推桿的移動通過一個凸輪反饋到平衡梁。當凸輪移動時，平衡梁圍繞反饋支點旋轉，并移動擋板使其離開噴嘴。噴嘴壓力減少，并降低機構壓力，推桿繼續(xù)下移，使擋板離開噴嘴，直到達到平衡。

當輸入信號減少時，波紋管收縮（在內(nèi)部量程彈簧的幫助下），平衡梁圍繞輸入軸旋轉，從而移動擋板，使其離開噴嘴。噴嘴壓力減少，因而氣動放大器允許膜蓋里的壓力釋放到空氣中去。執(zhí)行機構推桿向上移動。通過凸輪，推桿的移動被反饋到平衡梁云重新定位擋板，使其更靠近噴嘴。當平衡條件達到時，推桿停止移動，擋板被定位，防止膜蓋里的壓力進一步降低。

    對于反作用定位器，工作原理是類似的，只不過當輸入信號增加時，膜蓋中的壓力降低。反之，輸入信號減少時，膜蓋中的壓力增加。

• 智能定位器工作原理：

西門子SIPART PS2智能電氣閥門定位器 

    SIPART PS2 型智能電氣閥門定位器的工作原理與傳統(tǒng)定位器*不同。采用微處理器對給定值和位置反饋進行比較。如果微處理器檢測到偏差，它就用一個五步開關程序來控制壓電閥，壓電閥進而調節(jié)進入執(zhí)行機構氣室的空氣流量。壓電閥將控制指令轉換為氣動位移增量，當控制偏差很大時（高速區(qū)）。定位器輸出一個連續(xù)信號；當控制偏差不大（低速區(qū)），定位器輸出脈沖連續(xù)；當控制器偏差很小時（自適應或可調死區(qū)狀態(tài)），則沒有控制指令輸出。 

1)如果選擇了“turn"，不能設置33 °； 

2)如果選擇了1. YFCT=turn，僅出現(xiàn)參數(shù)； 

3)如果選擇12.SFCT=FrEE，添加設置點出現(xiàn)； 

4)NC 意味: 執(zhí)行機構開關打開或低位，NO 意味: 執(zhí)行機構開關關閉或高位； 

5)Normal(常規(guī))意味: 高位*，Inverted(反常規(guī))意味:低位*。 

SIPART PS2 可以在組態(tài)模式下對如下設置進行組態(tài)： 

• 輸入電流范圍 0 至 20 mA 或 4 至 20 mA  
• 設定點上升或下降特性 
• 定位速度限值 (給定值斜率) 
• 分程; 可調整起始值和滿刻度值 
• 響應閾值 (死區(qū))；自動設定或人工設定 
• 動作方向；隨設定點上升而上升或下降的輸出壓力 
• 定位范圍的限值 (起始刻度和滿刻度值 ) 
• 執(zhí)行機構位置的限值 (報警):小值和大值 
• 自動“緊密關閉" (用于 6DR5...可調制響應閾值) 
• 行程可以根據(jù)閥門特性進行校正，可有如下選擇： 
  • 線性特性 
  • 等百分比特性 1: 25，1: 33 和 1: 50 
  • 反等百分比特性 1: 25，1: 33 和 1: 50 
  • 任意特性，輸入多達 21 添加點的多邊形折線。 
• 二進制輸入功能 
• 報警輸出功能。 

西門子SIPART PS2智能定位器參數(shù)表

備注：因出廠時間不同參數(shù)表可能有所差別。

• 減壓閥工作原理

如下圖壓縮空氣經(jīng)過過濾后由輸入口進入輸入壓力室（紅色部分），或輸入壓力室內(nèi)安裝過濾裝置，經(jīng)過閥芯后進入輸出腔室（藍色部分）。

當輸出腔室的氣壓大于膜片上彈簧壓力時，膜片向上移動，閥芯也向上移動，輸入氣源被閥芯隔斷，輸出腔室內(nèi)的壓縮空氣通過膜片和閥芯頂部之間間隙進入排空腔室（黃色部分）由排氣孔排出，使輸出壓力減小。

當輸出腔室的氣壓小于膜片上彈簧壓力時，膜片向下移動，輸入氣源通過閥芯和閥座之間間隙進入輸出腔室，使輸出腔室內(nèi)的壓力上升。只有當輸出壓力與彈簧壓力一致時，閥芯和閥座間隙固定，輸出壓力穩(wěn)定。

因此我們只要調整減壓閥頂部的調整螺絲，就控制輸出壓力。

• 氣動繼動器（流量放大器）的工作原理：

氣動繼動器按力平衡原理設計。它由端蓋(1)、環(huán)室(2)、膜片組件(3)、閥芯組件(4)、閥體組件(5)和調整用的針閥(P)等組成。(見下圖)
　　

輸入信號進入膜室作用膜片組件(17)產(chǎn)生位移,從而改變閥芯與閥座的開度，使輸出信號相應變化，輸出信號的變化在膜片組件上實現(xiàn)反饋，直至輸入信號與輸出信號相平衡，此時繼動器具有穩(wěn)定的輸出值。調整調節(jié)針閥P，可以改變氣動繼動器的平衡時間，即執(zhí)行機構動作速度，從而獲得較為理想的調節(jié)品質。  

• 鎖氣器工作原理：

鎖氣器也是按力平衡原理設計的，工作膜片兩端：一側是密閉的控制氣室，另一側是保護定值彈簧（有可調和不可調兩種），當控制氣壓力大于定值彈簧壓力時，控制氣壓通過工作膜片將定值彈簧壓縮，使閥芯離開閥座，信號氣源通過閥芯輸出，當控制氣壓力小于定值彈簧壓力時，被壓縮的彈簧釋放，使閥芯靠近閥座，信號氣源被隔斷，達到失氣保持目的。

控制閥的三斷保護： 

控制閥在過程控制系統(tǒng)的重要作用是人所共知的，控制閥正常工作時需要系統(tǒng)提供氣（電）源、信號源，其氣（電）源、信號源的正確提供是控制閥正常工作的基礎的保證。由于控制閥工作的重要性要求，因此，要求過程控制系統(tǒng)要保證氣（電）源、信號源能夠正確、連續(xù)的提供給控制閥。 

控制閥的三斷保護指：

斷氣源保護、斷電源保護、斷信號源保護

三斷保護實際運用：

   力平衡定位器（控制閥配力平衡定位器）

• 雙鎖氣器用法其工作原理如下：
     1、斷氣源：當控制系統(tǒng)氣源故障（失氣）時，氣動保位閥自動關閉將定位器的輸出信號壓力鎖定在氣動控制閥的膜室內(nèi)，輸出信號壓力與控制閥彈簧產(chǎn)生的反力相平衡，氣動控制閥的閥位保持在故障位置。該保位閥應設定在略低于氣源的小值時啟動。
     2、斷電源：當控制系統(tǒng)電源故障（失電）時，失電（信號）比較器控制單電控電磁換向閥的輸出電壓消失，單電控電磁換向閥失電，單電控電磁換向閥內(nèi)的滑閥在復位彈簧的作用下滑動，電磁閥換向，將氣動保位閥的膜室壓力排空，氣動保位閥關閉，將定位器的輸出信號壓力鎖定在氣動控制閥的膜室內(nèi)，輸出信號壓力與控制閥彈簧產(chǎn)生的反力相平衡，氣動控制閥的閥位保持在故障位置。

3、斷信號：當控制系統(tǒng)信號故障（失信號）時，失電（信號）比較器檢測到后，斷掉單電控電磁換向閥的電壓信號，單電控電磁換向閥失電，單電控電磁換向閥內(nèi)的滑閥在復位彈簧的作用下滑動，電磁閥換向，將氣動保位閥的膜室壓力排空，氣動保位閥關閉，將定位器的輸出信號壓力鎖定在氣動控制閥的膜室內(nèi)，輸出信號壓力與控制閥彈簧產(chǎn)生的反力相平衡，氣動控制閥的閥位保持在故障位置。

4、雙鎖氣器原理：運用兩個鎖氣器當控制信號壓力低于20Kpa或動力氣源失去時，鎖氣器自動關閉，將定位器的輸出信號壓力鎖定在氣動控制閥的膜室內(nèi)，輸出信號壓力與控制閥彈簧產(chǎn)生的反力相平衡，氣動控制閥的閥位保持在故障位置。

智能定位器的三斷保護：

智能定位器是由智能定位器、鎖氣器與閥門組成，與雙鎖氣器控制回路相似，智能定位器本身具有斷電源保位功能，斷信號時可選擇保持原位、全關、全開功能，取消失信號鎖氣器，保留失氣源鎖氣器。工作原理，當失信號（控制信號故障）時，通過定位器組態(tài)，選擇閥門保持位置，當動力氣源故障時，鎖氣器自動關閉，將定位器的輸出信號壓力鎖定在氣動控制閥的膜室內(nèi)，輸出信號壓力與控制閥彈簧產(chǎn)生的反力相平衡，氣動控制閥的閥位保持在故障位置。工作原理圖略。與本文相關的論文有：益海嘉里糧油加工中減壓閥應用案例