1 引言
近幾年來隨著改革開放的進行，不斷壯大、更新，自控水平不斷提高。在儀表工程設計中執(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親密的關(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、閥門定位器的應用等方面進行論述。
2 執(zhí)行器的類型
執(zhí)行器由執(zhí)行機構(gòu)與調(diào)節(jié)機構(gòu)兩部分構(gòu)成。執(zhí)行機構(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。氣動在我公司zui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zui大，如催化車間的電液滑閥，但較笨重。調(diào)節(jié)機構(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，是低噪聲閥中常見的一種。
調(diào)節(jié)機構(gòu)的口徑須很好考慮，在正常工況下，閥門開度應在15%~85%之間。在設計中常用的節(jié)流公式為：
式中：Q—流量；△P—閥兩端壓差；r—流體重度；Cv—比例系數(shù)。
在閥門全開條件下，此時的Cv稱為流通能力C。顯然，Cv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Cv和預先規(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，應把Cv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比zui大實際流量再大些。
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的大型鍋爐，進水閥卻寧可用氣開型，因為如果蒸氣中帶有大量水滴，在高速旋轉(zhuǎn)的汽輪機中將會損壞葉片，危險更為嚴重。
在執(zhí)行器選項型時，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L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)學表達式為：
dq=kdl 或d（Q/Qmax）=kd（L/Lmax）
積分后得到：
Q/Qmax=k （L/Lmax）+Co
已知：
L=Lmax時，Q=Qmax
L=0 時，Q=Qmin=Qmax/R
式中：R—可調(diào)比，一般為30。
由此可知：
Co=1/R, K=1-1/R
流量與閥桿的關(guān)系式是：
Q/Qmax=1/R[1+（R-1）·L/Lmax]
（2）對數(shù)型（等百分比）
指單位位移產(chǎn)業(yè)化所引起的相對流量變化與此點的相對流量成正比關(guān)系。數(shù)學表達式為：
dq=kqdl 或d（Q/Qmax）=k（Q/Qmax）d（L/Lmax）
積分后得到：
Q/Qmax=R（L/Lmax-1）
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L間成線性關(guān)系，所以稱為對數(shù)型。又因為L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的相對流量的倒數(shù)成正比關(guān)系。數(shù)學表達式為：
dq=kq-1 dl 或d（Q/Qmax）=K（Q/Qmax）-1d（L/Lmax）
積分后得到：
Q/Qmax=1/R[1+（R2-1）L/Lmax]1/2
快開閥的Kv隨著Q的增加而下降。正因為如此，L從0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的相對流量的平方根成正比，數(shù)學表達式為：
dq=kq1/2dl 或d（Q/Qmax）=K（Q/Qmax）1/2d（L/Lmax） 積分后得到：
Q/Qmax=1/R[1+（R1/2-1）L/Lmax]2
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?？偟膩碚f，其特性介于線性閥與對數(shù)閥之間。見圖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。假設提供給管路系統(tǒng)的總壓差為Pt，由液體提升產(chǎn)生的壓差為Ph，閥兩端的壓降為Pv，管路其它部分的壓降為P1，則Pt=Ph+Pv+P1=Ph+Pf
式中：Pf= Pv+P1，為阻力引起的總壓降。
雖然Ph為恒值，然而P1是隨著流量Q而變化的，因此，即使Pt保持不變，Pv也總是隨著流量的增加而減小的。由于Pv不是恒值，流量特性將發(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Pv與管路總壓降Pf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S值大于0.6，即接近1時，可以認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S值小于0.6時，理想特性有一定的畸變。當選擇的工作特性為線性時，理想特性應采用對數(shù)特性；當選擇的工作特性為對數(shù)型，理想特性仍為對數(shù)特性。通過總結(jié)經(jīng)驗，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 |
| 液位 | Pv恒定 | 線性型 |
| Pv（Qmax）<0.2Pv（Qmin） | 對數(shù)型 |
| Pv（Qmax）>2Pv（Qmin） | 快開型 |
| 壓力 | 快過程 | 對數(shù)型 |
| 慢過程 | 線性型 |
| 慢過程Pv（Qmax）<0.2Pv（Qmin） | 對數(shù)型 |
| 流量變送器輸出與Q成正比 | 設定值變化 | 線性型 |
| 負荷變化 | 對數(shù)型 |
| 流量變送器輸出與Q2成正比 | 串接，設定值變化 | 線性型 |
| 串接，負荷變化 | 對數(shù)型 |
| 旁路連接 | 對數(shù)型 |
| 溫度 | | 對數(shù)型 |
（1）有時由于流體輸送機械的能力有限，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，適當進行分壓，使Pv不超過預定的限值，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，人們一般認為S值應不低于0.3，S的常取范圍為0.3～0.6。現(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)生嚴重的畸變，通?？煽紤]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。而在采用閥門定位器可利用凸輪開關(guān)來進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值的選取上還應注意一些問題，首先S值指的是閥全開時的壓降與管路壓降之比，在有些情況下，盡管Pv取得很小，S值不一定低；其次在設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。
5 動態(tài)特性
動態(tài)特性表示動態(tài)平衡信號壓力與閥桿位移的關(guān)系。從調(diào)節(jié)器到執(zhí)行機構(gòu)膜頭間的引壓管線，可以當成膜頭的一部分，引壓管線可以近似認為是單容環(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-Qo=C·dp2/dt
式中：
C—包括膜頭及引壓管在內(nèi)的容量系數(shù)
Qi—氣體的輸入流量
Qo—氣體的輸出流量
P2—膜頭內(nèi)的氣體壓力
Qi 與壓力的關(guān)系可近似表示：
Qi=（p1-p2）/R
式中
p1—調(diào)節(jié)器來的氣壓信號
R—從調(diào)節(jié)器到執(zhí)行機構(gòu)間導管的阻力系數(shù)
由于膜頭是封閉的，所以Qo=0。將Qi 帶入方程：
RC·d△p2/dt+△p2=△p1或T·d△p2/dt+△p2=△p1
式中：T—時間常數(shù)，T=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。
再看薄膜的運動，假設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：
△p2·Ae=Cs·△L
式中：
Ae—薄膜有效面積
Cs—彈簧的鋼度
△L—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：
△L/△p1=Ae/（TS+1）·Cs
由此可知，氣動執(zhí)行機構(gòu)的動態(tài)特性為一階滯后環(huán)節(jié)。時間常數(shù)T因膜頭大小及引壓管長短粗細而異，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。
（1）選擇合適的管徑。管徑加大，能使R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）加裝傳輸滯后補償器，它實際上是一個氣動微分器，可補償大的時間常數(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-氣閥門定位器。
閥門定位器可以實現(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償不平衡力的效應，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）利用不同開關(guān)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，包括分程式控制。
（6）改善氣動管線與閥的動態(tài)特性。
通過設計經(jīng)驗的積累，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150mm的直通雙座調(diào)節(jié)閥和直徑大于50mm的雙座調(diào)節(jié)閥。
（2）壓降大于13kg/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)輸出引線大于100m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，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S值。
（4）根據(jù)閥桿受力大小，選擇執(zhí)行機構(gòu)。
（5）根據(jù)工藝過程，選擇合適日輔助裝置。 永嘉縣雙雄閥門有限公司
