过程控制仪表课后答案第4章

思考与练习题参考答案第4章执行器（1）执行器在过程控制中起什么作用？常用的电动执行器与气动执行器有何特点？答：执行器是过程控制系统中一个重要的组成部分，它的作用是接受来自控制器输出的控制信号，并转换成直线位移或角位移来改变调节阀的流通面积，以改变被控参数的流量，控制流入或流出被控过程的物料或能量，从而实现对过程参数的自动控制，使生产过程满足预定的要求。电动执行器能源取用方便，动作灵敏，信号传输速度快，适合于远距离的信号传送，便于和电子计算机配合使用。但电动执行器一般来说不适用于防火防爆的场合，而且结构复杂，价格贵。气动执行器是以压缩空气作为动力能源的执行器，具有结构简单、动作可靠、性能稳定、输出力大、成本较低、安装维修方便和防火防爆等优点，在过程控制中获得最广泛的应用。但气动执行器有滞后大、不适于远传的缺点，为了克服此缺点，可采用电/气转换器或阀门定位器，使传送信号为电信号，现场操作为气动，这是电/气结合的一种形式，也是今后发展的方向。（2）执行器由哪几部分组成？各部分的作用是什么？答：执行器由执行机构和调节机构（又称为调节阀）两个部分组成执行机构是执行器的推动装置，它根据控制信号的大小，产生相应的推力，推动调节机构动作。调节机构是执行器的调节部分，在执行机构推力的作用下，调节机构产生一定的位移或转角，直接调节流体的流量。（3）简述电动执行器的构成原理，伺服电机的转向和位置与输入信号有什么关系？答：电动执行机构由伺服放大器和执行机构两部分组成。伺服放大器是由前置磁放大器、触发器，可控硅主回路及电源等部分组成。执行机构又包括两相伺服电动机、减速器和位置发送器。伺服放大器综合输入信号和反馈信号，并将该结果信号加以放大，使之有足够大的功率来控制伺服电动机的转动。根据综合后结果信号的极性，放大器应输出相应极性的信号，以控制电动机的正、反运转前置级磁放大器是一个增益很高的放大器，来自控制器的输入信号和位置反馈信号在磁放大器中进行比较，当两者不相等时，放大器把偏差信号进行放大，根据输入信号与反馈相减后偏差的正负，放大器输出电压，控制两个晶体管触发电路中一个工作，一个截止。使主回路的可控硅导通，两相伺服电动机接通电源而旋转，从而带动调节机构进行自动控制。可控硅在电路中起无触点开关作用。伺服放大器有两组开关电路，即触发器与主回路有两套，各自分别接受正偏差或负偏差的输入信号，以控制伺服电动机的正转或反转。与此同时，位置反馈信号随电动机转角的变化而变化，当位置反馈信号与输入信号相等时，前置放大器没有输出，伺服电机停转。伺服电动机是执行器的动力装置，它将电功率变为机械功率以对调节机构作功。但由于伺服电机转速高，满足不了较低的调节速度的要求，输出力矩小带动不了调节机构，故必须经过减速器将高转速，小力矩转化为低转速大力矩的输出。位置发送器的作用是输出一个与执行器输出轴位移成比例的电信号，一方面借电流来指示阀位，另一方面作为位置反馈信号至输入端，使执行器构成一个位置反馈系统。来自控制器的电信号ID作为伺服放大器的输入信号，与位置反馈信号If进行比较，其差值（正或负）经放大后去控制两相伺服电动机正转或反转，再经减速器减速后，使输出产生位移，即改变调节阀的开度（或挡板的角位移。）与此同时，输出轴的位移又经位置发送器转换成电流信号If，作为反馈信号，被返回到伺服放大器的输入端。当反馈信号If与输入信号ID相等时，电动机停止转动，这时调节阀的开度就稳定在与控制器输出信号ID成比例的位置上。伺服电机的转向和位置与输入信号的关系：如输入电信号增加，则输入信号与反馈信号的差值为正极性，伺服放大器控制电动机正转；相反，输入电流信号减小，则差值信号为负，伺服放大器控制电动机反转，即电动机可根据输入信号与反馈信号差值的极性产生正转或反转，以带动调节机构进行开大或关小阀门。（4）伺服放大器是如何控制电机的正反转？答：伺服放大器综合输入信号和反馈信号，并将该结果信号加以放大，使之有足够大的功率来控制伺服电动机的转动。根据综合后结果信号的极性，放大器应输出相应极性的信号，以控制电动机的正、反运转。伺服放大器是由前置磁放大器、触发器，可控硅主回路及电源等部分组成。前置级磁放大器是一个增益很高的放大器，来自控制器的输入信号和位置反馈信号在磁放大器中进行比较，当两者不相等时，放大器把偏差信号进行放大，根据输入信号与反馈相减后偏差的正负，放大器输出电压，控制两个晶体管触发电路中一个工作，一个截止。使主回路的可控硅导通，两相伺服电动机接通电源而旋转，从而带动调节机构进行自动控制。可控硅在电路中起无触点开关作用。伺服放大器有两组开关电路，即触发器与主回路有两套，各自分别接受正偏差或负偏差的输入信号，以控制伺服电动机的正转或反转。与此同时，位置反馈信号随电动机转角的变化而变化，当位置反馈信号与输入信号相等时，前置放大器没有输出，伺服电机停转。（5）确定调节阀的气开、气关作用方式有哪些原则？试举例说明。答：执行器分气开式和气关式两种。它的选择主要根据调节器输出信号为零（或气源中断）时使生产处于安全状态的原则确定。如果发生断电或其他事故引起供气系统发生故障信号压力中断时，调节阀的开闭状态应避免损坏设备和伤害操作人员。调节阀处于全开位置造成的危害较小，则选用气关式，反之选用气开式。例如：一般蒸汽加热器选气开式，一旦气源中断，阀门处于全关状态，停止加热，使设备不致因温度过高而发生事故或危险。锅炉进水的调节阀则选用气关式，当气源中断时，仍有水进入锅炉，不致产生烧干或爆炸事故。（6）直通单、双座调节阀有何特点，适用于哪些场合？答：直通单座阀阀体内只有一个阀芯和阀座，这一结构特点使它容易保证密闭，因而泄漏量很小（甚至可以完全切断）。同时，由于只有一个阀芯，流体对阀芯的推力不能像双座阀那样相互平衡，因而不平衡力很大，尤其在高压差、大口径时，不平衡力更大。因此，直通单座阀适用于泄漏要求严、阀前后压差较小、小管径的场合。直通双座阀阀体内有两个阀芯和阀座，双座阀的阀芯采用双导向结构，只要把阀芯反装，就可以改变它的作用形式。因为流体作用在上、下两阀芯上的不平衡力可以相互抵消，因此双座阀的不平衡力小，允许使用压差较大，流通能力比同口径的单座阀大。但双座阀上、下阀不易同时关闭，故泄漏量较大，尤其使用于高温或低温时，材料的热膨胀差更容易引起较严重的泄漏。所以双座阀适用于两端压差较大的、泄漏量要求不高的场合，不适用于高粘度介质和含纤维介质的场合。（7）什么是调节阀的可调比？串联或并联管道时会使实际可调比如何变化？答：调节阀的可调比就是调节阀所能控制的最大流量与最小流量之比。可调比也称为可调范围，用R表示。调节阀串联管道工作情况由于流量的增加，管道的阻力损失也增加。若系统的总压差ΔP不变，则分配到调节阀上的压差相应减小，这就使调节阀所能通过的最大流量减小，所以串联管道时调节阀实际可调比就会降低，并联管道实际可调比与调节阀本身的可调比无关。调节阀的最小流量一般比旁路流量小得多，所以可调比实际上只是总管最大流量与旁路流量之比值。（8）什么是调节阀的流通能力？确定流通能力的目的是什么？答：流通能力为：当调节阀全开时，阀前后压差ΔP为0.1Mpa、流体重度为1g/cm3时，每小时通过调节阀流体的流量数，以m3/h或kg/h计。minmaxQQRPQC调节阀口径的大小决定于流通能力C。所以确定流通能力的目的是合理的选择调节阀的口径，（9）什么是调节阀的流量特性？什么是调节阀的理想流量特性和工作流量特性？为什么说流量特性的选择是非常重要的？答：调节阀的流量特性，是指介质流过阀门的相对流量与阀门相对开度之间的关系，即：)(maxLlfQQ式中：maxQQ—相对流量，即某一开度的流量与全开流量之比；Ll—相对开度，即某一开度下的行程与全行程之比。当调节阀前后压差一定的情况下得到的流量特性，称之为理想流量特性。在实际使用时，调节阀安装在管道上，与其它设备串联，或者与旁路管道并联，因而调节阀前后的压差是变化的。此时，调节阀的相对流量与阀芯相对开度之间的关系称为工作流量特性。从过程控制的角度来看，流量特性是调节阀主要的特性，它对整个过程控制系统的品质有很大影响，不少控制系统工作不正常，往往是由于调节阀的流量特性选择不合适。（10）为什么要使用阀门定位器？它的作用是什么？答：工业企业中自动控制系统的执行器大都采用气动执行器。由于执行机构部分的薄膜和弹簧的不稳定性和各可动部分的摩擦力，例如为了防止阀杆引出处的泄漏，填料总要压得很紧，致使摩擦力可能很大，此外，被调节流体对阀芯的作用力，被调节介质粘度大或带有悬浮物、固体颗粒等对阀杆移动所产生的阻力。所有这些都会影响执行机构与输入信号之间的准确定位关系，影响气动执行器的灵敏度和准确度。因此在气动执行机构工作条件差或要求调节质量高的场合，都在气动执行机构前加装阀门定位器。阀门定位器是气动执行器的主要附件，具有以下作用：①提高阀杆位置的线性度，克服阀杆的摩擦力，消除被控介质压力变化与高压差对阀位的影响，使阀门位置能按控制信号实现正确定位。②增加执行机构的动作速度，改善控制系统的动态特性。③可用0.2～1.0Kgf/cm2的标准信号压力去操作0.4～2.0Kgf/cm2的非标准信号压力的气动执行机构。④可实现分程控制，用一台控制仪表去操作两台调节阀，第一台调节阀上定位器通入0.2～0.6Kgf/cm2的信号压力后阀门走全行程，第二台调节阀上定位器通入0.6～1.0Kgf/cm2的信号压力后阀门走全行程。⑤可实现反作用动作。⑥可修正调节阀的流量特性。⑦可使活塞执行机构和长行程执行机构的两位式动作变为比例式动作。⑧采用电/气阀门定位器后，可用0～10mADC或4～20mADC电流信号去操作气动执行机构，一台电/气阀门定位器具有电/气转换器和气动阀门定位器的双重作用。