氣動調(diào)節(jié)閥儀控部件工作原理

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

執(zhí)行機構(gòu)是自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的重要組成部分，通常用其來調(diào)節(jié)流入（或流出）調(diào)節(jié)對象的物質(zhì)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(diào)節(jié)系統(tǒng)的終端控制元件。一個自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)即使設計合理、裝置設備，但如果調(diào)節(jié)機構(gòu)選擇不當，如特性不好或調(diào)節(jié)范圍不合適，仍然會使調(diào)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(diào)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(diào)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(diào)節(jié)機構(gòu)直接與工作介質(zhì)接觸，使用條件惡劣，所以容易出現(xiàn)故障，比如調(diào)節(jié)閥尺寸選擇不合理或特性不適宜，使調(diào)節(jié)質(zhì)量不高；調(diào)節(jié)閥通流部分被腐蝕、堵塞，使其工作特性變壞；調(diào)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(gòu)進行檢修和維護時，必須對調(diào)節(jié)機構(gòu)的結(jié)構(gòu)、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(diào)節(jié)系統(tǒng)正常工作的基礎。 

一、氣動調(diào)節(jié)閥的構(gòu)成

控制閥主要由兩大部分組成： 閥體＋執(zhí)行器

二、氣動調(diào)節(jié)閥的功能

1、控制閥門的開關(guān)，保證閥門正常工作所需的行程

2、提供閥門關(guān)閉時所需的關(guān)閉力

3、具備一定的開關(guān)速度，保證使用要求

4、與相關(guān)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(guān)閉，或即時原位鎖定）

三、氣動調(diào)節(jié)閥的流量特性：

1、氣動調(diào)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(guān)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(diào)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(gòu)及其控制裝置功能

    執(zhí)行機構(gòu)是驅(qū)動調(diào)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(gòu)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(gòu)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(guān)閉閥門）和氣關(guān)式（進氣關(guān)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(gòu)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(diào)節(jié)閥上時，就必須增加薄膜的面積，使執(zhí)行機構(gòu)的體積變得十分龐大；而氣缸式執(zhí)行機構(gòu)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(gòu)卡澀造成調(diào)節(jié)失靈。而薄膜閥由于結(jié)構(gòu)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(gòu)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(gòu)的工作壓力；

過濾器：濾去壓縮空氣中的水和其他雜質(zhì)，保證進入電/氣轉(zhuǎn)換器、定位器以及執(zhí)行機構(gòu)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(zhuǎn)換器（E/P）：將控制系統(tǒng)來的4-20mA電流信號轉(zhuǎn)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(diào)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(zhuǎn)角移動，轉(zhuǎn)換成4-20mA電信號，線性地反映閥門的開度；

行程開關(guān)：通常安裝在閥門的全開和全關(guān)位置，用以發(fā)出閥門全開和全關(guān)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(gòu)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(gòu)控制部件生產(chǎn)廠家很多，結(jié)構(gòu)也有很大差異，但他們利用的原理都很近似，電/氣轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)的。

第三節(jié)  氣動執(zhí)行機構(gòu)控制裝置工作原理

下面重點介紹電/氣轉(zhuǎn)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(diào)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(zhuǎn)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(guān)系。即輸入信號從4mA.DC改變到20mA.DC時，轉(zhuǎn)換器的輸出壓力從0.02～0.1Mpa變化，實現(xiàn)了將電流信號轉(zhuǎn)換成氣動信號的過程。 圖中調(diào)零機構(gòu)，用來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器的零位，反饋波紋管起反饋作用。調(diào)整量程主要是調(diào)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(zhuǎn)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(gòu)氣室，使閥桿向下移動，并帶動反饋桿（擺桿）繞支點轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動，通過滾輪使杠桿1繞支點轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(gòu)氣室，使閥桿向上移動，并帶動反饋桿（擺桿）繞支點轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動，通過滾輪使杠桿1繞支點轉(zhuǎn)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(zhuǎn)，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(zhuǎn)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(gòu)的輸入壓力，膜盒內(nèi)壓力的增加會使得執(zhí)行機構(gòu)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(zhuǎn)，并移動擋板使其離開噴嘴。噴嘴壓力減少，并降低機構(gòu)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(zhuǎn)，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(gòu)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(guān)程序來控制壓電閥，壓電閥進而調(diào)節(jié)進入執(zhí)行機構(gòu)氣室的空氣流量。壓電閥將控制指令轉(zhuǎn)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(diào)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(gòu)開關(guān)打開或低位，NO 意味: 執(zhí)行機構(gòu)開關(guān)關(guān)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(diào)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(gòu)位置的限值 (報警):小值和大值 
• 自動“緊密關(guān)閉" (用于 6DR5...可調(diào)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(diào)整減壓閥頂部的調(diào)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(diào)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(diào)整調(diào)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(gòu)動作速度，從而獲得較為理想的調(diào)節(jié)品質(zhì)。  

• 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(cè)是密閉的控制氣室，另一側(cè)是保護定值彈簧（有可調(diào)和不可調(diào)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(guān)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(guān)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(guān)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(guān)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(guān)、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(guān)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(guān)的論文有：益海嘉里糧油加工中減壓閥應用案例