传感器把温度、湿度和压力等被控物理量转换成电量的标准信号后送到控制器中,控制器根据控制要求,把输入的检测信号与设定值相比较,将其偏差经相应的调节后输出开/关信号或连续的控制信号,去调节κ控制相应的执行器,实现对被控量的控制。从组成结构来看,执行器一般由执行机构和调节机构两部分组成。执行机构是执行器的推动部分,它按照调节器输出信号的大小和类型,产生推力和位移;调节机构是执行器的调节部分,最常见的是调节阀,它受执行机构的操纵,改变阀心与阀座间的流通面积,调节工艺介质流量。
1执行机构
执行机构根据调节器发出的调节指令,驱动调节机构动作。按照执行机构的输出方式,分角行程执行机构和直行程执行机构。按照所用的能源种类,执行机构可分气动、电动和液动三种类型。气动执行机构结构简单,电动执行杋构能源取用方便,液动执行机构驱动力大三种类型各有自己的优缺点。无论采用哪种执行机构,都要能接受所选用调节器的输岀信号的控制。在选用调节器与执行机构时,要特别注意信号之间的匹配。现在大多数调节器的输出信号和电动执行机构的输入信号能提供多种选择,这为我们的设备选型带来了便利。电动执行机构在楼宇控制系统中广泛使用。生产厂家也根据实际需要提供满足需要的各种电动执行机构。有接受开/关的控制信号,对调节机构进行二位(开/关)控制的电动执行机构。也有接受标准直流信号(0~10ⅴDC,0~5VDC;1~5VDC,4~20mADC)或其他信号(电阻;三位:正、反、停等)的电动执行机构,输出转角或位移以驱动阀门。在楼宇控制中最常见的电动执行机构是阀门驱动器和风门驱动器。
2调节机构
调节杋构接受执行机构输岀的轴向或转角位移的驱动,控制工艺介质流量大小,实现对被调量的自动控制。在楼宇自动化中最常用的调节机构是阀门和风门,有时候也会用到其他的执行机构
1.调节阀
(1)调节阀组成
调节阀主要由阀体、阀座、阀心、阀杆等部件组成。当阀心在阀体内上下移动时,可改变阀心与阀座之间的流通面积,控制通过的流量。在楼宇控制中使用调节阀的有直通阀和三通阀。直通阀又可分为单座阀和双座阀,图2.21和图
2是它们的结构示意图。
(a)单座直通阀结构示意图
(b)双座直通阀结构示意图
图2.21直通调节阀结构小意图
单座调节阀只有一个阀心,结构简单,维修清洗方便。它的缺点是被调节流体对阀心有作用力。如图2.21(a)所示,流体由下向上流动时,阀心将受到一个向上的推力,在阀门接近全关时推力最大;当流体由上向下通过阀门时,由于流体对阀心的抽吸作用,阀心将受到个向下的作用力。在阀门由全关打开时,作用力最大。当阀门前后压差高或阀心尺寸大时,这一作用力可能相当大,严重时会使执行器不能正常工作。因此,在自动调节系统中有时采用双座阀,其结构示意图如图2.21(b)所示,它有两套阀心、阀座。流体同时从上下两个阀座通过,由于流体对上下阀心的作用力方向相反而大致抵消,因而双座阀的不平衡力小,对执行机构的驱动力要求低,适宜于作为大压力和大管径的流体介质的自动调节用。双座调节阀的缺点是其结构复杂,不便维修与清洗,由于上下两组阀心不易保证同时关闭,因而关闭时泄漏量比单座阀大。其价格比单座阀贵。通阀有分流阀(一入两出型,见图2.22)和合流阀(二入一出型,介质流向和图2.22中所标的流向相反),
图2.22双座三通阀结构小意图
前者用于要求上游流体流量保持恒定的系统,三通阀通过分流的方式,实现(一个出口)流量的调节,而剩余流量由另一出口分流,同时保证阀门入口流量基本恒定。合流阀则是在保持出口流量恒定的同时,对某一入口的流体在出口中的流量进行调节,出口流量中的其余部分由另一入口的流体补充,从而保证阀门出口流量基本恒定。
(2)调节阀的流量特性
从自动控制的角度看,调节阀一个最重要的特性是它的流量特性,即调节阀阀心位移与流量之间的关系。需要特别说明的一点是,调节阀的特性对整个自动调节系统的调节品质有很大的影响,实际上不少调节系统不能正常工作,往往是由于调节阀的特性选择不合适,或阀心在使用中受腐蚀磨损,使流量特性变坏而引起的。通过调节阀的流量大小不仅与阀的开度有关,还和阀前后的压差高低有关。对工作在管路中的调节阀,当阀门开度改变时,随着流量的变化,阀门前后的压差也可能发生变化。为分析方便,在研究调节阀的特性时,先把阀门前后压差固定为恒值进行研究,然后再考虑阀门在管路中的实际情况。
①固有流量特性
在调节阀前后压差固定的情况下得出的流量特性称为固有流量特性,也叫理想流量特性。显然,这种流量特性完全取决于阀心的形状,不同的阀心曲面可得到不同的流量特性,它是一个调节阀固有的特性。在常用的调节阀中,有三种典型的固有流量特性。第一种是直线特性,其流量与阀心位移成直线关系;第二种是对数特性;第三种特性是快开特性,这种阀在开度较小时,流量变化比较大,随着开度增大,流量很快达到最大值,所以叫快开特性,它不像前两种特性有定的数学式表达。上述三种典型的固有流量特性如图2.23所示。在作图时为便于比较,变量都用相对值,其阀心位移和流量都用自己最大值的百分数表示。由于阀常有泄漏,实际特性可能不经过坐标原点。从流量特性来看,线性阀的放大系数在任何一点上都是相同的;对数阀的放大系数随阀的开度增加而增加;快开阀与对数阀相反,在小开度时具有最高的放大系数。
②工作流量特性
调节阀在实际使用时,其前后压差是变化
图2.23调节阀園有流量特性
的。在各种实际的使用条件下,阀心位移对流量的控制特性,称为工作流量特性。在实际的工艺装置上,调节阀由于和其他阀门、设备、管道等串联或并联使用,使阀门两端的压差随流量变化而变化。其结果使调节阀的工作流量特性不同于固有流量特性。串联的阻力越大,流量变化引起的调节阀前后压差变化也越大,特性变化也越显著。所以调节阀的工作流量特性除与调节阀的结构有关外,还取决于配管情况。同一个调节阀,在不同的外部条件下,具有不同的工作流量特性。在实际工作中最关心的也是工作流量特性下面通过一个实例,分析调节阀在外部条件影响下,怎样由固有流量特性转变为工作流量特性。图2.24(a)表示的是调节阀与工艺设备及管道阻力串联的情况,这是一种最常见的典型情况。如果流体介质外加压力P恒定,那么当阀门开度加大时,随着流量Q的增加,设备及管道上的压降ΔPg将随流量g的值成平方增加,如图2.4(b)所示。随着阀门开度加大,阀门前后的压差ΔPr将逐渐减小。因此在同样的阀心位移下,此时的流量变化与阀前后保持恒压差的理想情况下的流量变化相比,要小一些。特别是在阀开度较大时,阀前后压差ΔPr相对于P变化比较大,阀的实际控制作用可能变得非常迟钝。如果用固有特性是直线特性的阀,由于串联阻力的影响,实际的工作流量特性将变成图225(a)中表示的曲线(图中的直线为阀门的固有流量特性)。在图225中,纵坐标是相对流量Q/gm,Qma表示串联管道阻力为零时,阀全开时达到的最大流量。图中的参变量S-AP1m/P表示存在管道阻力
的情况下,阀门全开时,阀门前后的最小压差△Pmm占总压力P的分数。
(a)调节阀与管路串联工作
(b)串联管路调节阀上压力变化
图2.24调节阀与管路串联工作及管路与调节阀上的压力变化
从图225可以看到,当S=1时,管道压降为零,阀前后的压差始终等于总压力,故工作流量特性即为固有流量特性;在S<1时,由于串联管道阻力的影响,使流量特性产生两个变化:一个是阀门全开时流量减小,也就是阀的可调范围变小;另一个变化是阀门在大开度时的控制灵敏度降低。例如在图2.25(a)中,固有流量特性是直线的阀门,其工作流量特性趋向于快开特性;在图2.25(b)中,固有流量特性为对数特性的阀门,其工作流量特性趋向于直线特性。参变量S的值愈小,流量特性变形的程度愈大。
(a)直线阀工作流量特性
(b)对数阀工作流量特性
图2.25串联管道中调节阀的工作流量特性
在实际的系统设计中,调节阀特性的选择是一个重要的问题。从调节原理来看,要保持个调节系统在整个工作范围内都具有较好的品质,就应使系统在整个工作范围内的总放大倍数尽可能保持恒定。通常,变送器、调节器和执行机构的放大倍数是常数,但调节对象的特性往往是非线性的,其放大倍数常随工作点的不同而变化。因此选择调节阀时,希望以调节阀的非线性补偿调节对象的非线性。例如,在实际生产中,很多对象的放大倍数是随负荷加大而减小的,这时如能选用放大倍数随负荷加大而增加的调节阀,便能使两者互相补偿,从而保证整个工作范围内都有较好的调节质量。由于对数阀具有这种特性,因此得到广泛的应用。若调节对象的流量特性是线性的,则应选用具有直线流量特性的阀,以保证系统总放大倍数保持恒定。至于快开特性的阀,由于小开度时放大倍数高,容易使系统振荡,大开度时调节不灵敏,在连续调节系统中很少使用,一般只用于双位式调节的场合。必须说明,按上述原则选择的调节阀特性是实际需要的工作流量特性。在确定调节阀时,必须具体地考虑管道、设备的连接情况以及泵的特性,再由工作流量特性推出需要的固有流量特性。例如,在一个其他环节都具有线性特性的系统中,按非线性互相补偿的原则,应选择工作流量特性为线性的调节阀,但如果管道的阻力状况S=0.3,则由图2,25可知,此时选择固有流量特性为对数特性的阀,工作特性已经变形为直线特性,故必须选用固有特性为对数特性的阀,才能得到直线特性的工作流量特性。
最后再简要介绍一下调节阀口径的选择方法。在控制系统中,为保证工艺操作的正常进行,必须根据工艺要求,准确计算阀门的流通能力,合理选择调节阀的尺寸。如果调节阀的口径选得太大,将使阀门经常工作在小开度位置,造成调节质量不好。如果口径选得太小,阀门完全打开也不能满足最大流量的需要,就难以保证生产的正常进行。根据流体力学原理,对不可压缩的流体,在通过调节阀时产生的压力损失△P与流体速度之间有如下关系
(2-15)
式中,D为流体的平均流速;p为流体密度;ξ为调节阀的阻力系数,与阀门的结构形式及开度有关。因流体的平均流速υ等于流体的体积流量Ω除以调节阀连接管的截面积A,即υ=Q/A,代入上式并整理,即得流量表达式,若面积A的单位取cm2,压差△P的单位取kPa,流体密度的单位取kg/m3,流量Q的单位取m3/h,则上式可写成数值表达式
(2-16)
由上式可知,通过调节阀的流体流量除与阀门两端的压差及流体种类有关外,还与阀口径、阀心阀座的形状等因素有关。为说明调节阀的结构参数,工程上将阀门前后压差为100kPa,流体密度为1000kg/m3的条件下,阀门全开时每小时能通过的流体体积(m3)称为该阀门的流通能力C根据流通能力C的上述定义,由式(2-16)可知
(2-17)
在有关调节阀的手册上,对不同口径和不同结构形式的阀门分别给出了流通能力C的数值,可供用户査阅。将式(2-17)代入式(2-16),式(2-16)可改写为
(2-18)
此式可直接用于液体的流量计算,也可用于在已知差压△P、液体密度p及需要的最大流量gmx的情况下,确定调节阀的流通能力C,选择阀门的口径及结构形式。但当流体是气体、蒸汽或二相流时,以上的计算公式必须进行相应的修正
由于执行器对调节系统的最终性能具有特别重要的影响,而且价格比较高,因此在选用调节阀作为调节机构时,要全面考虑各方面的因素。调节阀门的流量特性是首先要考虑的,同时也要注意执行机构的输入信号与调节器输出信号之间的匹配。如果执行机构与调节阀分开釆购时,也要注意二者之间行程的匹配,执行机构的驱动力要满足系统运行的要求。在选择调节阀时,除了流量特性的要求之外,对调节阀的工作条件也要作全面的考量,调节阀(阀
心、阀座、阀体、密封)的材料要能适应流体介质的物理化学性质,同时满足温度、绝对压力等现场工作条件,以免产生不必要的失误,避免造成经济损失或延误工期等问题。
2.风门(阀)
在空调通风系统中,用得最多的执行器是风门。风门用来控制风的流量。风门由若干叶片组成,当叶片转动时改变风道的等效截面积,即改变了风门的阻力系数,其流过的风量也就相应地改变,从而达到调节风流量的目的。叶片的形状决定风门的流量特性。同调节阀样,风门也有多种流量特性可供应用选择。风门的驱动器可以是电动的,也可以是气动的。在楼宇自动化系统中一般采用电动式风门。
3.其他执行器
除了调节阀和风阀以外,在楼宇控制中还用到一些特殊的执行器。像新出现的电流阀就是其中之一。它接受调节器输出的标准控制信号,输出和控制信号成比例的恒压电流或者电流脉冲,通过控制电加热器的输出功率来调节温度参数。电磁阀、电动碟阀等开关型两位阀也在楼宇控制中广泛使用,由于功能与性能比较简单,这里不作深入讨论,其选型与使用中要注意的问题与调节阀基本类似。
