調節閥執行機構的選用及形式

    本章討論目前Z廣泛地用于操作調節閥的通用執行機構的形式，這些執行機構可分成六種通用的形式：

    1、氣動薄膜式執行機構；

    2、活塞（氣缸）式執行機構；

    3、電動—液壓式執行機構；

    4、性能伺服執行機構；

    5、電動執行機構；

    6、手動手輪執行機構。

    在目前的實際應用中，十分可能有80%以上的調節閥執行機構是采用氣動活塞式或薄膜式執行機構，因此本章大量論述的是這兩種執行機構。

選擇參數

    在考慮任何執行機構之前，不如先考慮選用執行機構的種個參數更為些，這也許比考慮置于調節回咱中的執行機構特性更為重要。

    在任何調節回路中，當然有被控制的過程，在被測參數的范圍以內也可能出現偏差。在這個范圍內，調節回路的*部分是偏差的檢測裝置。這就是測量被調參數，并使之與一個容許的數值相比較的儀表。如果確定了被調參數與容許的數值之間存在偏差，儀表就會自動地向調節閥發送出一個偏差校正信號。

    這個偏差校正信號可以采取許多種形式，可以是一個低功率的電信號，也可以是液壓信號或氣動信號。這些偏差校正信號可能有足夠的量值，作為調節閥的動力源，用來控制過程，特別是這些信號如果是液壓信號或氣動信號尤其如此。偏差校正信號（也可能是個動力）被傳送到Z終控制單元，這是通過在調節閥內的壓力損失來引起系統中出現能量轉換的裝置。執行機構把調節閥的閥桿及閥芯移動到這樣的位置，使進入過程中的能量改變，以便恢復到按誤差測量裝置所決定的那個容許的數值上去。

    因此，執行機構是Z終控制單元的一部分，它根據來自偏差檢測裝置的誤差校正信號，以推動調節閥。它不是使調節閥作直線運動（例如在球形閥中），就是作旋轉運動（例如在蝶閥和球閥中）。

    執行機構尤其要與偏差校正信號相適應，例如，或從儀表來的偏差校正信號是液壓信號，那么，執行機構必須是能適用于液壓流體的。

    執行機構尤其要與偏差校正信號中產生足夠的力，以克服在閥體內部由于壓力降所產生的Z大不平衡力，這個力在球形閥中是等于壓力乘上面積的線性關系，而在蝶閥內作為力矩出現的是可變的力。

    Z后，執行機構必須適應其操作環境，所謂環境適應性可以舉例說明，比如在煉油或化工廠中使用，那里由電氣引起火災或爆炸的可能性很大，就要求在電動或電動—液壓執行機構上有防爆的外殼。環境適應性還會要求準備特種抗腐蝕或耐酸的油漆，特別是會所執行機構曝露于酸蒸氣或其他腐蝕劑的環境狀態下，尤其如此。

執行機構的形式

    薄膜式執行機構的壓力密封氣室位于膜片的上方，該氣室中壓力增加時，引起了向下運動，這樣的執行機構通常被稱為正作用薄膜式執行機構。

    在執行機構推桿的周圍來用密封的方法，可以使下氣室構成壓力密封，調節系統的氣動信號可以連接到該氣室上，把上氣室接通大氣，并改變彈簧的安裝方案，使推桿向上移動時壓縮彈簧。這樣，在下氣室中的信號壓力增加時就會造成推桿向上運動。這種形式的執行機構通常被稱為反作用執行機構。每種形式的薄膜式執行機構的剖面連同必要的術語于圖1和圖2中。

    考慮如圖3中所示的單座正使用閥的閥體組合件簡圖，假設進口壓力（p₁）為40磅/英寸²表壓；出口壓力表（p₁）為10磅/英寸²表壓，閥門的流通面積為12.56平方英寸（公稱通徑為4"的閥門），沿閥桿的軸向所產生的力有助于打開閥門，此力為（p₁—p₂）x流通面積（30磅/英寸²×12.56平方英寸）即376.8磅。

    應當注意上述是真正的理想情況，是假設了125平方英寸面積的膜片能夠找到，又能選到剛度合適的彈簧與之相配。在實際應用中，通常情況并非如此，絕大多數情況是要在彈簧范圍與膜片面積之間進行一些折衷，以便盡可能接近儀表的信號和功率輸出。大多數的調節閥制造廠都備有范圍足夠廣泛的薄膜式執行機構和彈簧，這樣在正常的儀表信號和功率范圍內（3～15磅/英寸²表壓、3～27磅/英寸²表壓和6～30磅/英寸²表壓）才能夠受的適應到1/2磅/英寸²表壓的給定范圍。

    在結束薄膜式執行機構的討論時，請參閱圖4，這是某制造廠供應的一種反作用執行機構（正作用執行機構擁有同樣的零部件），圖上列出了所有名稱。請注意實際上只有兩上零件是受環境狀態的巨大影響的。這兩個零件是膜片——不論正反作用膜頭都如此，還有反作用膜頭上的推桿密封件。大多數的閥門制造廠都使用玻璃纖維、棉紗或尼龍增強的氯丁橡膠膜片作為正常的環境條件下使用。如果環境條件超過200℉，就要使用溫材料諸如帶滌綸或玻璃纖維織物的硅橡膠、氟橡膠或了聚丙烯酸樹脂等來作膜片。偶然也有用濉壓或其他作薄膜執行機構的壓力源的，這就需要在膜片上襯以或鋪上一薄塊耐流體的柔性材料，諸如聚四氟乙烯或聚三氟氯乙烯。關于推桿密封（通常是o形環）或膜片材料的使用，很多較大的調節閥制造廠對給定的環境或可通遼存在原腐蝕問題能夠提供特殊的解決辦法。

    盡管它有適應性強和價格等點，但是仍有一些事例表明薄膜式執行機構是不能滿意地應用的。薄膜式執行機構一個固有的缺點是必須使用較大的膜片面積，這就要求有較大的膜片盒。當膜片盒變得更大，保持壓力的有效能力就變小了。例如某些制造廠有一個300平方英寸的執行機構，但膜室內能承受的壓力只有30磅/英寸²表壓。雖然這個膜頭能產生9000磅的力，膜片盒子外徑已達27英寸；因此配在不平衡力大的功所產生的力大的小閥門上時，整個裝配件就變得頭重腳輕，在閥門和操作器連接上還會出現其他的應力問題。

活塞式執行機構通  常可在大多數閥門制造廠中買到的另一種形式的氣勸或液壓執行機構是活塞式執行機構（也稱氣缸式執行機構）。雖然活塞式執行機構有一些薄膜式執行機構所沒有的點。

    通常氣缸是鑄造或鍛造的，比薄膜式執行機構的鑄造或沖壓的膜片盒能承受更的壓力。由于它有更的壓力等級，因此，用較小的直徑就能送出更大的力。活塞式執行機構作為應付壓降的手工勞動段是非常有效的，特別是配上閥門定位器使用時，定位器能發送到執行機構的壓力往往達工廠極限的空氣額定壓力。

    氣缸式執行機構可以是彈簧回程的，雖然一般的氣負荷式執行機構通常配上閥門定位器，用于比例或定位調節閥時只是使用空氣壓力。

    圖5是一個帶冷藏定位器的氣缸式執行機構，并裝有氣墊。儀表信號饋送到裝在氣缸頂上的閥門定位器中，反饋彈簧是放在閥門定位器的下面。由于壓力作用在活塞上，通過閥門定位器使儀表信號與閥門位置發生，開始在活塞的上方加載或制裁，以推動閥桿到達要求的位置。

    圖5還表示同一形式的氣缸，利用一個反作用的定位器連接成代替原來的正作用（即儀表信號增加引起活塞香山下移動的作用），變成儀表售增加引起操作器推桿向上移動。這種特殊連接也表明另一特點，即萬一氣源斷開時閥桿有可能向下移動。如果氣源斷開時，氣源管線上的止回閥關上，三通閥打開，允許貯氣罐來的氣壓直接進入氣缸的氣室，把閥桿向下推。與此同時，氣墊式減壓閥來的氣壓。它仍然留在氣缸的下部，活塞向下移動時就會被排出。

    圖6表示出一個不帶任何附屬儀表或控制裝置的雙作用氣缸。這樣的執行機構明顯地打算用來作雙位控制用，配上三通電磁閥空氣滑閥時，便于工作能夠很快地進行開啟和關閉的動作，這種執行機構在間歇操作或周期性工作時是很有用的。這種執行機構可以用管子或離心鑄造制成，能夠用到極的操作壓力，供大推力的場合使用。

    圖7表示一個氣缸式執行機構，利用常規的薄膜式執行機構的支架，并帶有彈簧以反抗其運動。它能象常規的薄膜式執行機構那樣使用，但能夠在給定的支架和彈簧組合下提供更長的行程。這種執行機構刀可如插圖所示配上一個定位器，并且不需要附加的“氣墊”和隨之而來的管道。

    這些低功率電信號通常為24～65伏直流，數量級為1～5、4～20或10～50毫安。

    在一個有代表性的設計中，如圖8所示，電流信號饋送至一個移動的線圈中，當信號電流變化時，線圈的*磁鐵的磁場內相應地移動。在這個特定設計中的線圈還連接有個擺動噴嘴，壓油流從噴嘴中噴出。當信號使得線圈的位置變化時，轉軸隨之而變，噴嘴把壓測量方法噴入兩個油缸壓力接收器中的一個之內，使活塞兩邊中的一邊壓力增加或減少，引起閥桿移動。閥桿到達新的位置上時，作用在噴嘴上的力平衡了，因為噴嘴重新回到油缸兩個壓力接收器的中間，閥桿不再進一步移動。

    一般說來，電動—液壓式執行機構的點是可以安裝在離儀表很遠的地方，可以不需要有其他輔助的壓力，例如不需要氣動壓力來操縱閥門。這種執行機構還不能為化工和石油加工工廠所廣泛接受，也許是因為同帶電氣轉換器的薄膜推動的調節閥機構比起來，連續運行的費用比較昂貴，而且由于這種機構本身需要一個懷定的壓力源，意味著要使用穩壓電源，用泵來壓送流體。還有，這種執行機構的操作速度有時還低于薄膜式執行機構所能達到的速度，即使到寫作本文時，這種執行機構的Z大推力仍然稍低于大膜頭的執行機構或壓氣缸式執行機構。

性能伺服執行機構  許多公司已經研制了電動—液壓式執行機構的一種變型，供靜壓極、閥內的壓差極大、而且還隨之要求開關速度很、要求閥桿以極速移動或者有極的頻率響應特性的場合使用。

    圖9表示這種性能伺服執行機構的操作原理。閥桿的動作通過電位器或線性差動變壓器在伺服放大器內和儀表信號相比較。然后有個信號送到性能伺服閥內，此閥把壓油加進壓油缸執行機構的這一側或那一側。或者從其中放出壓油，執行機構則直接固定在閥桿上。多余的液壓油則返回集油器。

    主雜的缺點是它們也需要十分強有力的外部液壓源。當然，這個液壓源能夠用來供給很多閥門，從早到晚由于操作費用和安裝費用很，限制了它們的銷路，主要用于航空和宇航領域。

    電動執行機構近年發展起來用作比例調節的其他執行機構形式還有電動執行機構。電動—洗衣盆壓式執行機構的主要缺點之一，即恒速轉動的電機和示，在電動執行機構中就不出現了。電動閥門執行機構扔組成有：由電機傳動的齒輪組和絲杠，用以驅動閥桿。還有電子式定位器和一個電子反饋裝置。一個典型的例子如釁10中所示。輸入信號的變化，其量值相當于在閥內的閥桿所要求的位置，此信號輸進定位器中（通常是一個差動放大器），產生一個電壓來推動電機連接的齒輪組和絲杠。閥桿和連在其上的輸出機構的合成運動傳到電位器或線性差動變壓器，產生一個電壓，使行程增加，并反饋到定位器。當輸入信號電壓和反饋電壓相等時，輸出到電機的電壓趨近于零，電機停轉，閥桿停留在要求的位置上。相反，當電壓不等時，則電機向著使電壓相等的方向旋轉。

    電動閥門執行機構明顯地和電動—液壓式執行機構的現場使用時有同樣的點。能夠在長距離中使用，只有微不足道的信號輸遲后。還能避免氣動系統在極冷的環境條件下結霜的問題。但電動執行機構通常仍然是比較昂貴的，雖然它比電動—液壓單元更為有效。

手動執行機構  手動執行機構嚴格地說不是比例執行機構，雖然如此，因為手動機構用于調節系統中，本章還是對它們作了簡要的指述。

    在圖11中所示的是一種不帶動力源的純粹手動的執行機構型式。這就真正使得調節閥的閥體組合件比手動閥多不了什么東西。但是有這種場合，即使沒有和自動控制系統連上，也需要流過閥門的流量很。調節閥閥體組合件帶一個手動執行機構便可以用于流量特性已知的場合。這些閥門能直接從閥門行程指示器讀出閥位，即裝有準確的輔助指示器以作更為準確的操作之用。