儀表設(shè)計中執(zhí)行器的選用
杜旭峰，趙巖
(錦州石化公司設(shè)計院，遼寧錦州121000)
摘要： 分別從執(zhí)行器的類型、流量特性、s值的選取、動態(tài)特性、閥門定位器等方面介紹執(zhí)行器的選用。
關(guān)鍵詞： 執(zhí)行器；流量特性；S值；閥門口徑；閥門定位器
中圖分類號：TH86 文獻(xiàn)標(biāo)識碼1 B 文章編號：1003．3932(2002)(05)-0086．04
1 引 言
我公司是煉油化工行業(yè)的老廠，近幾年來隨
著改革開放的進(jìn)行，不斷壯大、更新，自控水平不
斷提高。在儀表工程設(shè)計中執(zhí)行器在控制系統(tǒng)中
起著極其重要的作用，控制品質(zhì)與執(zhí)行器的正確
選用與使用有著十分密切的關(guān)系，不能因其簡單
而有任何疏忽。下面從執(zhí)行器的類型、流量特性
s值的選取、動態(tài)特性、閥門定位器的應(yīng)用等方面
進(jìn)行論述。
2 執(zhí)行器的類型
執(zhí)行器由執(zhí)行機(jī)構(gòu)與調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)兩部分構(gòu)成。
執(zhí)行機(jī)構(gòu)把調(diào)節(jié)器輸出信號轉(zhuǎn)換成直線或角位
移，有氣動、電動、液動三類。氣動的在我公司
常用；電動的與電動調(diào)節(jié)器連接方便，但有的場合
須考慮防爆問題；液動的推力大，如催化車間的
電液滑閥，但較笨重。調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)把直線位移或角
位移轉(zhuǎn)換成流通截面積的變化，從而改變操縱變
量Q的數(shù)值。調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的類型很多，包括直通閥
(單座、雙座)、角閥、三通閥、球形閥、隔膜閥、蝶
閥、高壓閥、偏心旋轉(zhuǎn)閥、套筒閥等。其中直通閥
較為常用。在直通閥中，雙座閥介質(zhì)流通時閥前
后不平衡力小，在口徑或壓差較大時這一優(yōu)點(diǎn)更
為突出，但在泄漏量方面卻往往大于單座閥。蝶
閥適用于大流量、低壓差的氣體介質(zhì)。套筒閥具
有低噪聲的特點(diǎn)，是低噪聲閥中常見的一種。
調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的口徑須很好考慮，在正常工況下，
閥門開度應(yīng)在15％ ～85％ 之間。在設(shè)計中常用
的節(jié)流公式為：
Q ： c AP ，f
式中：Q—— 流量；Ap—— 閥兩端壓差；r— —
流體重度；C — — 比例系數(shù)。
在閥門全開條件下，此時的c 稱為流通能力
C。顯然，c 取決于流通截面積，與口徑及開度
都有關(guān)系，c僅與口徑有關(guān)系。按正常工況下的
操作數(shù)據(jù)計算c 和預(yù)先規(guī)定閥門全開時的流量
計算C值．是確定閥門口徑的兩條途徑。如按前
一方法，應(yīng)把c 值乘上一定倍數(shù)(2～5，線性閥取
低值，對數(shù)閥取高值)作為流通能力C，按產(chǎn)品規(guī)
格去確定口徑。如按后一方法閥門全開時的流量
應(yīng)比大實(shí)際流量再大些。
氣動調(diào)節(jié)閥有氣開與氣關(guān)兩種類型。氣開與
氣關(guān)的選擇主要考慮失氣時仍能保證生產(chǎn)安全。
例如，裝于液體或氣體燃料火嘴前的調(diào)節(jié)閥很多
是氣開型的，這樣在一旦失氣時便切斷燃料。又
如，中小型鍋爐的進(jìn)水閥不少是氣關(guān)型的，這樣即
使氣源中斷，也不會使氣包燒干，但在蒸氣用于汽
輪機(jī)的大型鍋爐，進(jìn)水閥卻寧可用氣開型，因?yàn)槿?br>果蒸氣中帶有大量水滴，在高速旋轉(zhuǎn)的汽輪機(jī)中
將會損壞葉片，危險更為嚴(yán)重。
在執(zhí)行器選型時，除了要規(guī)定以上內(nèi)容外，還
須規(guī)定流量特性的類型。
3 流量特性的意義和類型
調(diào)節(jié)閥的流量特性指的是流量Q 與閥桿行
程 間的函數(shù)關(guān)系：
Q =f(L)
依據(jù)函數(shù)關(guān)系的不同，流量特性可分為線性
第5期 杜旭峰等．儀表設(shè)計中執(zhí)行器的選用 · 87 ·
型、對數(shù)型、快開型和拋物線型等。
(1)線性型。指調(diào)節(jié)閥的相對流量與相對位
移成直線關(guān)系，即單位位移變化所引起的流量變
化是常數(shù)，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
dq = 或d( )= kd( )
積分后得到：
=
已知：
L = L 時，Q = Q
L =0時，Q = Q i =
式中：尺— — 可調(diào)比，一般為30。
由此可知：
C0 = 1／R ，K = 1— 1／R
流量與閥桿的關(guān)系式是：
Q／Q = 1／Rl l+ (R 一1)·L／L j
(2)對數(shù)型(等百分比)。指單位相對位移變
化所引起的相對流量變化與此點(diǎn)的相對流量成正
比關(guān)系。數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
dq = kqd Z或
d(Q／Q )= k(Q／Q )d(L／L )
積分岳得到：
Q／Q ： R‘ 兒一一
對數(shù)閥的Kv隨著Q 的增加而迅速上升。因
為Q的對數(shù)值與 間成線性關(guān)系，所以稱為對數(shù)
型。又因?yàn)?增加相同的間隔時Q增長相同的
百分比，所以亦稱等百分比特性。
(3)快開型。指單位相對位移變化所引起的
相對流量變化與此點(diǎn)的相對流量的倒數(shù)成正比關(guān)
系。數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
dq = q～ d Z
或d(Q／Q )= k(Q／Q 。 )一d(L／L )
積分后得到：
Q／Q = I／R[1+(R 一1)L／L ]
快開閥的Kv隨著Q的增加而下降。正因?yàn)?br>如此， 從。開始的一般Q上升得很快，所以稱
為快開型。
(4)拋物線型。指單位相對位移變化所引起
的相對流量變化與此點(diǎn)的相對流量的平方根成正
比。數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
dq ： 幻 d Z
或d(Q／Q )= (Q／Q 。 ) d(L／L )
積分后得到：
Q／Q 。 = 1／R[1+(R 一1)L／L ]
拋物線型閥的Kv隨著Q的增加而上升，但
不象對數(shù)型那樣厲害。總的來說，其特性介于線
性閥與對數(shù)閥之間。見圖1。
圖1
在流量特性問題上，必須區(qū)別兩種情況：① 閥
兩端壓降固定不變條件下的流量特性稱為理想特
性。閥門制造廠提供的就是這種特性，通常有線
性型、對數(shù)型、快開型三種；② 在實(shí)際工作時，閥兩
端的壓降是隨流量而變化的，這時的流量特性稱
為工作特性。設(shè)提供給管路系統(tǒng)的總壓差為P
由液體提升產(chǎn)生的壓差為P ，閥兩端的壓降為
P ，管路其它部分的壓降為P ，則：
Pt= Ph+ P + Pl= Ph + Pf
式中：Pf= P +Pl，為阻力引起的總壓降。
雖然P 為恒值，然而P。是隨著流量Q而變
化的，因此，即使P．保持不變，P 也總是隨著流
量的增加而減小的。由于P 不是恒值，流量特性
線將發(fā)生變化，工作特性曲線將上凸。理想特性
為線性的將向快開型靠近，對數(shù)型的將向線性型
靠近。把閥門全開時的壓降P 與管路總壓降P
之比定為s，則在S值愈小時，特性曲線的畸變
越是厲害。在工程設(shè)計中，要解決理想特性的選
型問題，也要考慮S值的選取問題。
當(dāng)S值大于o．6，即接近1時，可以認(rèn)為理想
特性與工作特性的曲線形狀相近，此時工作特性
選什么特性，理想特性也將選什么特性。當(dāng)S值
小于o．6時，理想特性有一定畸變。當(dāng)選擇的工
作特性為線性時，理想特性應(yīng)采用對數(shù)特性；當(dāng)選
擇的工作特性為對數(shù)型時，理想特性仍為對數(shù)特
性。通過總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，我們可以直接依據(jù)被控變量
與有關(guān)情況選擇調(diào)節(jié)閥的理想特性，見表1。
4 s值的選取
從控制特性上看，．s值接近于1，至少是取比
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較大的數(shù)值，肯定可以減少流量特性的畸變，因此
是有益的。然而，我們必須考慮其它因素。
表1 調(diào)節(jié)閥理想特性選用表
被控變量 有關(guān)情況 理想特性
P 恒定 線性型
液位 P (Q⋯ )< 0．2P (Q⋯) 對數(shù)型
P (Q )> 2P (Q⋯ ) 快開型
快過程 對數(shù)型
壓力 慢過程 線性型
慢過程P (Q )<0．2P (Q⋯ ) 對數(shù)型
流量 設(shè)定值變化 線性型
變送器輸出
與Q 成正比 負(fù)荷變化 對數(shù)型
流量 串接，設(shè)定值變化 線性型
變送器輸 串接
出與Q 成 ， 負(fù)荷變化 對數(shù)型
正比 旁路連接 對數(shù)型
溫度 對數(shù)型
(1)有時由于流體輸送機(jī)械的能力有限，能夠
留給調(diào)節(jié)閥的壓降值很小，閥必須在低s值下運(yùn)
行。
(2)由于結(jié)構(gòu)上的原因，閥兩端的壓降不能超
過一定的限值，高壓差的減壓閥很易磨損，這時往
往允許加限流孔板，適當(dāng)進(jìn)行分壓，使P 不超過
預(yù)定的限值，s值也必須降低。
(3)近幾年來，節(jié)能問題極受重視，不少情況
下閥門造成的摩擦損失耗用了可貴的能量，減少
s值可以節(jié)約能耗。
在過去，人們一般認(rèn)為s值應(yīng)不低于0．3，s
的常取范圍為0．3～0，6?，F(xiàn)在這條界線已被打
破了。但低s值會使閥的流量特性產(chǎn)生嚴(yán)重的
畸變，通常可考慮以下兩條途徑來解決：
(1)改變閥芯的型面，使其理想特性曲線凹得
更甚，這樣在低s值下仍能有合適的工作特性。
而在采用閥門定位時可利用凸輪形狀來進(jìn)一步改
善其理想特性。
(2)采用串級控制系統(tǒng)，用一個流量調(diào)節(jié)的副
回路代替單一的調(diào)節(jié)閥，這時只要將這個副回路
整定得可以工作就行，閥的流量特性對主被控變
量的過渡過程不再起顯著影響。
但在s值的選取上還應(yīng)注意一些問題，首先
s值指的是閥全開時的壓降與管路總壓降之比，
在有些情況下，盡管P 取得很小，s值不一定低；
其次在設(shè)備流程已定的情況下，s值與節(jié)能有時
并無直接關(guān)系，如圖2所示。
圖2 液位控制系統(tǒng)
5 動態(tài)特性
動態(tài)特性表示動態(tài)平衡時信號壓力與閥桿位
移的關(guān)系。從調(diào)節(jié)器到執(zhí)行機(jī)構(gòu)膜頭間的引壓管
線，可以當(dāng)成膜頭的一部分，引壓管線可以近似認(rèn)
為是單容環(huán)節(jié)，而膜頭空間也是一個氣容，將兩個
氣容合并考慮，根據(jù)流量平衡關(guān)系，列出方程式：
Qi—Q。= c·dp2／dt
式中：C— — 包括膜頭及引壓管在內(nèi)的容量系
數(shù)；Q — — 氣體的輸入流量；Q。—— 氣體的輸
出流量；P — — 膜頭內(nèi)的氣體壓力。
Q；與壓力的關(guān)系可近似表示：
Q．= (Pl—p2)／R
式中：P?！?調(diào)節(jié)器來的氣壓信號；R— — 從調(diào)
節(jié)器到執(zhí)行機(jī)構(gòu)間導(dǎo)管的阻力系數(shù)。
由于膜頭是封閉的，所以Q ：o。
將Q：帶入方程：
RC ·dAp2／dt+Ap2= Apl或
T ·dAp2／dt + Ap2 = Apl
式中： — — 時間常數(shù)， ： R·C。
上式是調(diào)節(jié)器來的氣壓信號與膜頭內(nèi)壓力之
間的微分方程式。
再看薄膜的運(yùn)動，假設(shè)慣性力及摩擦力都可
忽略，則作用于薄膜上的力與彈簧反作用力在平
衡狀態(tài)時有：
Ap2·A = C ·△ ，J
式中：A — — 薄膜有效面積；C —— 彈簧的鋼
度；AL— — 彈簧的位移(即閥桿的位移)。
將所得兩個方程式合并整理，得到氣壓信號
與閥桿位移的微分方程式化簡：
AL／Apl= A ／(TS+ 1)·C
由此可知，氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動態(tài)特性為一階
滯后環(huán)節(jié)。時間常數(shù) 因膜頭大小及引壓管長
短粗細(xì)而異，為數(shù)秒到數(shù)十秒。為了得到較好的
特性，下列幾種做法值得借鑒。
第5期 杜旭峰等儀表設(shè)計中執(zhí)行器的選用 · 89 ·
(1)選擇合適的管徑。管徑加大，能使尺下
降，但同時也使c上升，期間需合適選擇。
(2)選擇合適的管長度。
(3)加裝傳輸滯后補(bǔ)償器，它實(shí)際上是一個氣
動微分器，可補(bǔ)償大的時間常數(shù)的影響。
6 閥門定位器的選用
常用的閥門定位器有氣動閥門定位器與電一
氣閥門定位器。
閥門定位器可以實(shí)現(xiàn)下列功能：
(1)在干摩擦較大的場合能減小回差。
(2)在高壓差的情況下補(bǔ)償不平衡力的效應(yīng)，
使閥桿位置不受不平衡力的影響。
(3)在閥桿移動時具有較大阻力的場合
(4)利用不同形狀的凸輪，改變閥的流量特
性、氣開或氣關(guān)型式。
(5)改變氣壓作用范圍，包括分程控制。
(6)改善氣動管線與閥的動態(tài)特性。
通過設(shè)計經(jīng)驗(yàn)的積累，閥門定位器的選用可
總結(jié)為以下內(nèi)容：
(1)直徑大于或等于150 into的直通雙座調(diào)節(jié)
閥和直徑大于50 mln的雙座調(diào)節(jié)閥。
(2)壓降大于13 kg／cm2的直通雙座調(diào)節(jié)閥和
壓降大于5 kg／cm2的直通單座調(diào)節(jié)閥。
(3)操作壓力大于20 kg／cm2的調(diào)節(jié)閥。
(4)散熱片型和長頸型調(diào)節(jié)閥。
(5)用于調(diào)節(jié)有閃蒸或氣化、含懸浮顆粒、高
粘度和膠狀介質(zhì)的調(diào)節(jié)閥。
(6)角形、蝶形、三通和隔膜等調(diào)節(jié)閥。
(7)滯后大的調(diào)節(jié)系統(tǒng)(溫度調(diào)節(jié))或氣動調(diào)
節(jié)器輸出引線大于lOO m的場合。
7 總 結(jié)
綜上所述，可以看出執(zhí)行器的選用是比較復(fù)
雜的，要從以下幾個方面考慮：
(1)根據(jù)工藝條件，選擇合適的結(jié)構(gòu)類型。
(2)根據(jù)工藝對象的特點(diǎn)，選擇合適的流量特
性。
(3)根據(jù)工藝參數(shù)，計算選擇閥門口徑，并考
慮5值。 ’
(4)根據(jù)閥桿受力大小，選擇執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
(5)根據(jù)工藝過程，選擇合適的輔助裝置。