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控制閥知識

發布時間:2009-09-22 來源:揚子工具集團 瀏覽次數:60334

 

低的壓力恢復能力。修正的拋物線流量特性:一種流量特性,它在截流元件的低位行程處提供等百分比的特性,而在截流元件的高位行程處提供線性特性。向下推關閉結構:一種直通式閥門結構,它的截流元件位于執行機構和閥座環之間,這樣執行機構推桿的推出會將截流元件移向閥座環,最后關閉閥門。該術語也可用于旋轉式閥門結構。在旋轉式閥門結構里,執行機構推桿的線性伸出會將球或閥板移向關閉位置。也稱為正作用。
向下推打開結構:一種直通式閥門結構。它的閥座環位于執行機構和截流元件之間,這樣執行機構推桿的推出會將截流元件從閥座上移開,因此打開閥門。該術語也可用于旋轉式閥門結構。在旋轉式閥門結構里,執行機構推桿的線性伸出會將球或閥板移向打開位置。(也稱為反作用)?烧{比:與指定的流量特性的偏差不超過規定的限制時,最大的流量系數(Cv值)與最小的流量系數(Cv值)之間的比例。當流量增加到下00倍最小可控制流量時,一個仍然能夠很好地控制的閥門就有一個100:1的可調比?烧{比也可表示為最大與最小可控制流量之間的比例。額定行程:閥門截流元件從關閉位置運動至額定全開位置的距離。額定全開位置是由制造商推薦的最大開度。相對流量系數:指定行程時的流量系數(Cv值)與額定行程時的流量系數(Cv值)之間的比例。閥座泄漏量:當閥門在規定的壓差和溫度下處于全閉位置時,流經閥門的流體量o 彈簧系數:彈簧長度每單位改變時彈簧力的改變。在薄膜執行機構控制閥里,彈簧系數通常用磅力/英寸壓縮量來表示。閥桿不平衡力:由于流體壓力的作用,在任意位置的閥桿上產生的凈力?s流斷面:流速最大、流體靜壓和截面積最小處的那部分流束。在一個控制閥里,縮流斷面通常位于實際的物理限制的下游。ANSI:美國國家標準組織的縮寫。API:美國石油組織的縮寫。ASME:美國機械工程師學會的縮寫。ASTM:美國測試和材料學會的縮寫。自動控制系統:一種不需要人工干預就能工作的控制系統。Bode圖:一幅轉換函數的在對數基線上的對數幅度比例和相位角度值圖。這是圖形化表示頻率響應數據的最常見形式。校驗曲線:校驗結果的圖形化表示。一個裝置的穩態輸出表示為它的穩態輸入的函數。該曲線通常以百分比的輸出量程對百分比的輸入量程的形式來表示。校驗循環:在儀表的量程范圍內,在上升然后下降的方向上,使用被測量變量的已知值,并記錄相應的輸出讀數值校驗循環曲線可以通過先增加然后減小裝置的輸入而獲得。它通常以百分比的輸出量程對百分比的輸入量程的形式來表示。它提供回差的一種測量。間隙流量:當截流元件沒有座合時,低于最小可控制流量的那個流量。
控制器:自動操作以調節被控變量的裝置。焓:一個熱動態量,它是閥體的內部能量和其體積與壓力之積的和:H=U+pVo(也稱為熱容量)。熵:在一個熱動態系統里,不能轉化為機械功的能量的理論量度。反饋信號:測量直接的被控制變量而得到的返回信號。對于一個帶定位器的控制閥,反饋信號通常是反饋給定位器的截流元件連接桿位置的機械指示。FCI:流體控制組織的縮寫。頻率響應特性:以幅度和相位表示的穩態正弦輸入及其引起的基本正弦輸出之間的頻率依賴關系。輸出的幅度和相位移動可以被看作輸入測試頻率的函數,并用來描述控制裝置的動態行為。硬度:金屬抵抗塑性變形(通常以凹陷形式)的能力。塑料和橡膠的抵抗尖頭刺入其表面的能力。振蕩:外部激勵消失之后,仍然存在的一種具有明顯幅度的振動。振蕩有時候被稱為循環或極限循環。振蕩是在或接近穩定極限處工作的證據。在控制閥里,控制系統或閥門定位器的不穩定會引起執行機構加載壓力的波動,振蕩會隨之而出現。ISA:美國儀表學會的縮寫,F在稱為國際測量與控制學會。儀表壓力:由一個自動控制器提供的用來使閥門工作的輸出壓力。加載壓力:用來對氣動執行機構進行定位的壓力。這是實際作用在執行機構膜片或活塞上的壓力。如果沒有使用閥門定位器,加載壓力可以是儀表壓力。NACE:用來代表美國腐蝕工程師協會。隨著該組織的范圍越來越國際化,這個名詞已經改為國際NACE。NACE已經不再是一個縮寫。0SHA:職業安全和健康法令(美國)的縮寫。工作介質:這是指流體,通常為空氣或氣體,用來為閥門定位器和自動控制器的工作提供動力。工作極限:一個裝置能夠承受而不會導致工作特性永久性損害的工作條件范圍。范圍:二個極限之間的區域,其間距可以被測量、接受、或傳遞,并用上下范圍值來表示(如:3至15Psi;—至212°F,—0至100)℃?芍貜托裕涸谌啃谐谭秶鷥,沿著相同的方向,在相同的工作條件下,對于相同的輸入值,一系列連續的輸出測量值的接近程度。它通常是作為不可重復性來測量的,但以百分比量程來表示。它不包括回差。
敏感性:在達到穩定狀態后,輸出幅度的改變與引起該改變的輸入改變之間的信號:一個物理變量,它的一個或多個參數攜帶關于該信號所代表的另外一個變量的信息。信號幅度排序(分程):一種動作方式,其中有二個或更多個信號產生,或者有二個或更多個終端控制元件被一個輸入信號驅動,每一個終端控制元件連續地、帶或不帶重疊對該輸入信號的幅值作出響應。量程:上下范圍值的算術差(如:范圍=0至150°F,量程=150°F;范圍=3至15PSig,量程=12PSig)。氣源壓力:一個裝置供氣口處的壓力。常用的控制閥氣源壓力值對于3至15 Psig的彈簧設定范圍為20 Psig,對于6至30Psig的彈簧設定范圍為35Psig。零誤差:當輸入為低范圍值時,一個裝置在規定的使用條件下的誤差,它通常表示為百分比的理想量程。五、控制閥在工業生產過程控制中的作用 1.控制系統的基本組成 工業生產過程的控制系統有各種不同類型,例如簡單控制系統、復雜控制系統等,圖l是兩個簡單控制系統的示例。圖中,每個控制系統都包括被控變量、操縱變量和相應的控制規律。被控變量是需要控制的過程變量,例如,換熱器出口溫度、泵出口壓力等。要使被控變量與期望的設定值保持一致,需要一種控制手段,例如,圖中的蒸汽流量、泵的旁路流量等。被控變量偏離設定的原因是生產過程中存在干擾,例如,蒸汽壓力的波動、泵轉速的變化等。通常,把用于調節的變量稱為操縱變量。圖l簡單控制系統示例 (a)溫度控制系統(b)壓力控制系統
一個簡單控制系統由檢測元件和變送器、控制器、執行器和被控對象組成。檢測元件和變送器(sensorandtransmitter)用于檢測被控變量,將檢測信號轉換為標準信號。例如,熱電阻將溫度變化轉換為電阻變化,溫度變送器將電阻信號轉換為標準的氣壓或電流、電壓信號等?刂破(controller)將檢測變送環節輸出的標準信號與設定值信號進行比較,獲得偏差信號,按一定控制規律對偏差信號(errorsignal)進行運算,運算輸出送執行器?刂破骺捎媚M儀表實現,也可用微處理器組成的數字控制器實現,例如DCS和FCS中采用的PID控制功能模塊等。執行器(actuator)處于控制環路的最終位置,因此也稱為最終元件(final element)。執行器用于接收控制器的輸出信號,并控制操縱變量變化。在大多數工業生產過程控制的應用中,執行器采用控制閥。近年來,隨著變頻調速技術的應用,一些控制系統已采用變頻器和相應的電動機(泵)等設備組成執行器。本頁介紹控制閥的有關內容,不討論變頻器和其他執行器。生產過程的負荷變化或操作條件改變時,通過檢測元件和變送器的檢測和變送,將過程的被控變量送控制器,經控制規律運算后的輸出送執行器,改變過程中相應的流體流量,使被控變量與設定值保持一致?梢,檢測元件和變送器的作用類似于人的眼睛,控制器的作用類似于人的大腦,執行器的作用類似于人的手腳。一個控制系統的質量受到組成控制系統各組成部件的影響,主要取決于控制系統組成部件中最薄弱環節的影響。2.控制閥的重要性控制閥(controlvalve)用于調節操縱變量的流量,因此,以前亦稱調節閥。從控制系統整體看,一個控制系統控制得好不好,都要通過控制閥來實現。由于下列原因,控制閥變得十分重要。①控制閥是節流裝置,屬于動部件,與檢測元件和變送器、控制器比較,在控制過程中,控制閥需要不斷改變節流件的流通面積,使操縱變量變化,以適應負荷變化或操作條件的改變。因此,對控制閥閥組件的密封、耐壓、腐蝕等提出更高要求。例如,密封會使控制閥摩擦力增加,控制閥死區加大,造成控制系統控制品質變差等。②控制閥的活動部件是造成“跑”、“冒”、“滴”、“漏”的主要原因,它不僅造成資源或物料的浪費,也污染環境,引發事故。③控制閥的閥內件與過程介質直接接觸,和檢測元件與過程介質接觸的不同之處如下 a.控制閥閥組件的接觸介質可能與檢測元件的接觸介質不同,對控制閥的耐腐蝕性、強度、剛度、材料等有更高要求。
b.檢測元件可采用隔離液等方法與過程介質隔離,但控制閥通常與過程介質直接接觸,很難采用隔離的方法與過程介質隔離。④控制閥的節流使能量在閥內件內部被消耗,因此,降低能耗,降低控制閥的壓力損失,和保證較好的控制品質之間要合理選擇和兼顧。⑤控制閥對流體進行節流的同時也造成噪聲。例如,當閥出口壓力低于液體的蒸汽壓力時,造成閃蒸;當閥下游壓力高于液體蒸汽壓力時,造成汽蝕?刂崎y造成的噪聲和控制閥流路的設計、操作壓力、被控介質特性等有關,因此,降低噪聲,降低壓力損失等對控制閥提出更高要求。⑥控制閥的適應性強。它被安裝在各種不同的生產過程,生產過程的低溫、高溫、高壓、大流量、微小流量等操作條件需要控制閥具有各種不同的功能,控制閥應能夠適應不同應用的要求。⑦檢測元件和變送器、控制器等發展快,投入的人力和物力多。相對來看,通常認為控制閥結構簡單,因此,對控制閥投入研究和開發的人力和物力相對不足。六、控制閥的結構 執行機構執行機構是將控制器輸出信號轉換為控制閥閥桿直線位移或閥軸角位移的裝置。執行機 構提供推動力或推動力矩,用于克服不平衡力、閥壓緊力和摩擦力等,使位移量與輸入信號 成比例變化。 氣動薄膜執行機構氣動薄膜執行機構是最常用的執行機構。氣動薄膜執行機構的結構簡單,動作可靠,維護方便,成本低廉,得到廣泛應用。它分為正作用和反作用兩種執行方式。正作用執行機構在輸入信號增加時,推桿的位移向外;反作用執行機構在輸入信號增加時,推桿的位移向內。 當輸入信號增加時,在薄膜膜片上產生一個推力,克服彈簧的作用力后,推桿位移,位移方向向外。因此,稱為正作用執行機構。反之,輸入信號連接口在下膜蓋上,信號增加時,推桿位移向內,縮到膜盒里,稱為反作用執行機構。氣動薄膜執行機構的特點如下 氣動薄膜直行程執行機構
1.正、反作用執行機構的結構基本相同,由上膜蓋、下膜蓋、薄膜膜片、推桿、彈簧、調節件、支架和行程顯示板等組成。 2.正、反作用執行機構結構的主要區別是反作用執行機構的輸入信號在膜盒下部,引出的推桿也在下部,因此,閥桿引出處要用密封套進行密封,而正作用執行機構的輸入信號在膜盒上部,推桿引出處在膜盒下部,由于薄膜片的良好密封,因此,在閥桿引出處不需要進行密封。 3.可通過調節件的調整,改變彈簧初始力,從而改變執行機構的推力。 4.執行機構的輸入輸出特性呈現線性關系,即輸出位移量與輸入信號壓力之間成線性關系。輸出的位移稱為行程,由行程顯示板顯示。一些反作用執行機構還在膜盒上部安裝閥位顯示器,用于顯示閥位。國產氣動薄膜執行機構的行程有lOmm、16mm、25mm、40mm、60mm和lOOmm等六種規格。 5.執行機構的膜片有效面積與推力成正比,有效面積越大,執行機構的推力也越大。 6.可添加位移轉換裝置,使直線位移轉換為角位移,用于旋轉閥體。 7.可添加閥門定位器,實現閥位檢測和反饋,提高控制閥性能。 8.可添加手輪機構,在自動控制失效時采用手輪進行降級操作,提高系統可靠性。 9.可添加自鎖裝置,實現控制閥的自鎖和保位。 精小型氣動薄膜執行機構在機構上作了重要改進,它采用多個彈簧代替原來的一個彈簧,降低了執行機構的高度和重量,具有結構緊湊、節能、輸出推力大等優點。與傳統氣動薄膜執行機構比較,高度和重量約可降低30%。是采用四個彈簧結構的精小型氣動薄膜執行機構示意圖。 側裝式氣動薄膜執行機構、也稱為增力式執行機構,國外也稱為ΣF系列執行機構。它采用增力裝置將氣動薄膜執行機構的水平推力經杠桿的放大,轉換為垂直方向的推力。由于在增力裝置上可方便地更換機件的連接關系來更換正反作用方式,改變放大倍數,例如,增力裝置的放大倍數可達5.2,國產產品也可達3,因此,受到用戶青睞。 滾動膜片執行機構采用滾動膜片,在相同有效面積下的位移量較大,與活塞執行機構比,有摩擦力較小、密封性好等特點。它通常與偏心旋轉閥配套使用。 氣動活塞執行機構
氣動活塞執行機構采用活塞作為執行驅動元件,具有推力大、響應速度快的優點。氣動活塞執行機構的特點如下。 1.可采用較大的氣源壓力。例如,操作壓力可高達1MPa,國產活塞執行機構也可0.5MPa,此外,它不需要氣源的壓力調節減壓器。 2.推力大。由于不需要克服彈簧的反作用力,因此提高操作壓力和增大活塞有效面積就能獲得較大推力。對采用彈簧返回的活塞執行機構,其推力計算與薄膜執行機構類似,其推力要小于同規格的無彈簧活塞執行機構。 3.適用于高壓差、高靜壓和要求有大推力的應用場合。4.當作為節流控制時,輸出位移量與輸入信號成比例關系,但需要添加閥門定位器。 ZSAB、ZSN型氣動活塞式執行機構5.當作為兩位式開閉控制時,對無彈簧活塞的執行機構,活塞的一側送輸入信號,另一側放空,或在另一側送輸入信號,一側放空,實現開或關的功能;有彈簧返回活塞的執行機構只能夠在一側送輸入信號,其返回是由彈簧實現的。為實現兩位式控制,通常采用電磁閥等兩位式執行元件進行切換。采用一側通恒壓,另一側通變化壓力(大于或小于恒壓)的方法實現兩位控制,它使響應速度變慢;采用兩側通變化的壓力(一側增大,另一側減小)實現兩位控制,同樣會使響應速度變慢,不擬采用。 6.與薄膜·執行機構類似,活塞執行機構分正作用和反作用兩種類型。輸入信號增加時,活塞桿外移的類型稱為正作用式執行機構;輸入信號增加時,活塞桿內縮的類型稱為反作用式執行機構。作為節流控制,通?刹捎瞄y門定位器來實現正反作用的轉換,減少設備類型和備件數量。7.根據閥門定位器的類型,如果輸入信號是標準20~lOOkPa氣壓信號,則可配氣動閥門定位器;如果輸入信號是標準4~20mA電流信號,則可配電氣閥門定位器。8.可添加專用自鎖裝置,實現在氣源中斷時的保位。9.可添加手輪機構,實現自動操作發生故障時的降級操作,即手動操作。10.可添加位移轉換裝置使直線位移轉換為角位移,有些活塞式執行機構采用橫向安裝,并經位移轉換裝置直接轉換直線位移為角位移。長行程執行機構是為適應行程長(可達400mm)、推力矩大的應用而設計的執行機構,它可
將輸入信號直接轉換為角位移,因此,不需外加位移轉換裝置。電動執行機構動執行機構詳細說明電動執行器是一類以電作為能源的執行器,按結構可分為電動控制閥、電磁閥、電動調速泵和電動功率調整器及附件等。電動控制閥是最常用的電動執行器,它由電動執行機構或電液執行機構和調節機構(控制閥體)組成。電動執行機構或電液執行機構根據控制器輸出信號,轉換為控制閥閥桿的直線位移或控制閥閥軸的角位移。其調節機構部分可采用直通單座閥、雙座閥、角形閥、蝶閥、球閥等。電磁閥是用電磁體為動力元件進行兩位式控制的電動執行器。電動調速泵是通過改變泵電機的轉速來調節泵流量的電動執行器,通常采用變頻調速器將輸入信號的變化轉換電機供電頻率的變化,實現電機的調速。由于與用控制閥節流調節流量的方法比較,它具有節能的優點,因而逐漸得到應用。電功率調整器是用電器元件控制電能的執行器,如常用的感應調壓器、晶閘管調壓器等,它·通過改變流經負荷的電流或施加在負荷兩端的電壓來改變負荷的電功率,達到控制目的。例如,用晶閘管調壓器來控制加熱器電壓,使加熱器溫度滿足所需溫度要求等。(1)電動執行機構電動執行機構是采用電動機和減速裝置來移動閥門的執行機構。通常,電動執行機構的輸入信號是標準的電流或電壓信號,其輸出信號是電動機的正、反轉或停止的三位式開關信號。電動執行機構具有動作迅速、響應快、、所用電源的取用方便、傳輸距離遠等特點。電動執行機構可按位移分為直行程、角行程和多轉式等三類,也可按輸入信號與輸出性的關系分為比例式、積分式等兩類。電動執行機構的特點如下 1.電動執行機構一般有閥位檢測裝置來檢測閥位(推桿位移或閥軸轉角),因此,電動執行機構與檢測裝置等組成位置反饋控制系統,具有良好的穩定性。 2.積分式電動執行機構的輸出位移與輸入信號對時間的積分成正比,比例式電動執行機構的輸出位移與輸入信號成正比。 3.通常設置電動力矩制動裝置,使電動執行機構具有快速制動功能,可有效克服采用機械制動造成機件磨損的缺點。 4.結構復雜價格昂貴,不具有氣動執行機構的本質安全性,當用于危險場所時,需考慮設置防爆、安全等措施。
5.電動執行機構需與電動伺服放大器配套使用,采用智能伺服放大器時,也可組成智能電動控制閥。通常,電動伺服放大器輸入信號是控制器輸出的標準4~20mA電流信號或相應的電壓信號,經放大后轉換為電動機的正轉、反轉或停止信號。放大的方法可采用繼電器、晶

 

 


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