2022-03-28 18:24:26

实验二 电动调节阀的流量特性测试实验

任何一个最简单的控制系统也必须由检测环节、调节单元及执行单元组成。执行单元的作用就是根据调节器的输出，直接控制被控变量所对应的某些物理量，例如液位、温度、压力和流量等参数，从而实现对被控对象的控制目的。因此，完全可以说执行单元是用来代替人的操作的，是工业自动化的“手脚”。电动调节阀是本实验装置的执行单元之一。 一． 电动调节阀工作原理

执行器按照使用能源的种类，可分为气动、液动和电动三种，本装置采用的是智能型单座调节阀。顾名思义它是由电动执行器进行操作的，它接受调节器的输出电流4～20mA信号，并转换为相应的输出轴直线位移，去控制调节机构以实现自动调节。电动调节器的优点则是能源采用方便，信号传输速度快，传输距离远等。

执行器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装置，它可以按照调节器的输出信号量，产生相应的推力，以带动智能调节阀的主推动轴产生直线位移，主推动杆总位移为16mm，控制单座调节阀0～100%的开度连续变化。而调节机构（调节阀）是执行器的调节装置，它受执行机构的操纵，可以改变调节阀阀芯与阀座间的流通面积，以达到最终调节被控介质的目的。

本执行器的结构如图1所示，电动执行器首先接受来自调节器的输出信号，以作为执行器的输入信号即执行器的动作依据；该输入信号送入信号转换单元，转换信号制式后与反馈的执行机构位置信号进行比较，其差值作为执行机构的输入，以确定执行机构的作用方向和大小；执行机构的输出结果再控制调节器的动作，以实现对被控介质的调节作用；其中执行机构的输出通过位置发生器可以产生其反馈控制所需要的位置信号。

图1 电动执行器的工作原理

从上述描述和图1可知，电动调节阀执行机构的动作构成了负反馈控制回路，这是提高执行器调节精度、保证执行器工作稳定的重要手段。为保证电动执行器输出与输入之间呈现严格的比例关系，必须采用比例负反馈构成闭环控制回路，图2为本套装置的电动执行器的工作原理示意图：

图2 电动执行器原理图

其中Ii表示输入电流，θ表示输出轴转角，两者存在如下关系：

??K?Ii （1）

1

K是比例系数。图2中伺服放大器由前置磁放大器、可控硅触发电路和可控硅交流开关组成，如图3

所示：

图3 伺服放大器原理图

伺服放大器将输入信号Ii与位置反馈信号If进行比较，其偏差经伺服放大器放大后，再控制执行机构中的伺服电机作正反转动；电动机的高转速小力矩，经减速后变为低转速大力矩，然后进一步转变为直行程输出。位置发生器的作用是将执行机构的输出转变为对应的4～20mA反馈信号If，以便与输入信号Ii进行比较。

二．调节阀的流量特性测试实验 2.1 调节阀的流量特性曲线

调节阀的流量特性是指被控介质流过阀门的相对流量和阀门相对开度之间的关系，即

?L?Q??f? （2） ??Qmax?Lmax?式中Q/Qmax为相对流量，即某一开度流量与全开流量之比；L/Lmax为相对行程，即某一开度行程与全行程之比。

目前常用阀的理想流量特性分为：直线特性、对数（等百分比）特性、快开特性和抛物线特性四种曲线，如图4所示。

在实际工业场合用的最多的是第一种线性调节阀，此种阀较易配合各种管路和流量传感器完成流量控制，本套装置也是采用线性调节阀。实际应用中，理想特性曲线较难得到，因为当将调节阀实际接入管道时，其特性会受多种因素的影响，如连接管道阻力、前后压差、多管路融合与分支等，所以很难得到理想流量特性描述的四种曲线，本装置也不能例外，但在大部分区域内调节阀依然保持线性工作状态。

2.2 调节阀的流量特性测试

1、实验目的

① 掌握实验步骤及数据的测试方法；

② 通过实验测试数据验证电动调节阀的特性在大部分工作曲线范围内属于线性的； ③ 分析调节阀的流量特性曲线和理想特性曲线有区别的原因。 2、实验设施

图4 调节阀的理想流量特性曲线

2

化工自动化仪表实验平台、实验导线、计算机、McGS组态软件、RS485/232转换器。

3、实验原理

为了测量调节阀的特性曲线，首先需要把对象系统的管路开通，确保水能在动力系统的驱动下流经电动调节阀和流量计，最后将水打出水管，管路流通见图5。本装置的流量测量装置主要有三种：电磁流量计、涡轮流量计和孔板流量计，在考虑测量精度和流体压力损失较小的情况下，本实验选用电磁流量计进行测量，流经涡轮流量计后将电磁流量计输出信号送到智能仪表测量端用于现场显示和上位机监控，通过上位机绘制曲线即可判断电动调节阀的特性曲线是否为线性。

图5 电动调节阀流量特性测试流程图

4、实验步骤

① 实验之前先将储水箱中贮足水量，一般接近储水箱容积的4/5，然后将阀F1-2、F1-3、F1-7全开，其余手动阀门关闭；

② 将仪表控制箱中“电磁流量计”的输出对应接至智能调节仪Ⅰ的“0～5V/1～5V输入”端，将智能调节仪Ⅰ的“4～20mA输出”端对应接至“电动调节阀”的控制信号输入端；

③ 打开对象系统仪表控制箱的开关，给所有仪表上电；

④ 打开McGS组态环境，选择“化工仪表工程”，按“F5”进入运行环境，点击“进入实验工程”，然后进入实验“主菜单”，选择“实验一、电动阀流量特性测试实验”；

⑤ 智能仪表Ⅰ基本参数设置：Sn=33、DIP=0、dIL=0、dIH=1200、oPL=0、oPH=100、cF=0、Addr=1；

⑥ 在实验界面中有“通讯成功”标志，表示计算机已和三块仪表建立了通讯关系；若显示“通讯失败”并闪烁，说明有仪表没有与上位机通讯成功，检查转换器、通讯线以及计算机coM端口设置是否正确；

⑦ 通讯成功后，本实验需要手动控制智能调节仪Ⅰ的输出，以控制电动调节阀的开度改变管道流量的大小。建议使用仪表的手动按钮修改仪表的4～20mA电流输出值，如果使用上位机控制实验界面中的手动输入功能，设置完成后需要查看现场仪表有无设置进去，如果没有设置进去可以多设置一到两次。

⑧ 首先手动控制智能调节仪Ⅰ的输出到20%，打开仪表控制箱中的“离心泵”旋钮开关，本实验使用离心泵的手动开关（离心泵的手自动开关位于离心泵黑色接线盒的右侧，标有“一”字样为自动状态，标有“二”字样为手动状态），选择手动状态后，就可以直接使用仪表控制箱中的离心泵二位旋钮开关来控制

3

离心泵的运转状态；

⑨ 待实验界面中“调节阀流量”稳定后，点击实验界面中的“取点并连线”按钮，曲线即可取出本次电动调节阀的开度以及电动调节阀的相对流量点，以与下一个点连线；重复⑧和本步骤，依次将电动调节阀的开度增加5个百分点，直到80%为止，观察并分析电动调节阀的线性度。

5、实验报告及要求

① 根据实验测试数据，分析电动调节阀的特性；

② 分析电动调节阀特性曲线有别于理想特性曲线的影响因素。 三．电动调节阀的流量系数及主要技术指标

流量系数直接反应了流体流过调节阀的能力，是调节阀的一个重要参数。流量系数定义为当调节阀全开、阀两端压差为0.1MPa、流体密度为1g/cm时，每小时流过调节阀的流量值，通过m33/h或t/h计。

例如，调节阀的流量系数c=40，则表示此调节阀压差为0.1MPa时，调节阀全开每小时能够流过的水量为40m。

流量系数c值取决于调节阀的接管截面积和阻力系数，其中阻力系数主要由阀体结构所决定，口径相同，结构不同的调节阀，其流量系数不同。通常生产厂商所提供的流量系数c为正常流向时的数据。 本实验装置电动调节阀的主要技术指标如下： 3.1 执行机构

型 式：智能型直行程执行机构 输入信号：4～20mA 输入阻抗：250Ω 输出信号：4～20 mADc 输出最大负载：

断信号阀位置：可任意设置为保持/全开/全关/0～100%间预置的任意值 电 源：220V?10%/50Hz 推力规格：1Kn 行 程：16mm

阀作用型式：任意设置正/反作用,本套装置设定为反作用方式 防护等级：IP65 基本误差：≤?1.0%

死 区：0.5～+5%，本套装置设定为0.5% 环境温度：-10～+65℃ 3.2 阀体

公称通径：20mm 公称压力：Pn1.6MPa 连接形式：法兰连接 材 料：不锈钢阀体 上 阀 盖：常温型 -17～+220℃ 填 料：聚四氟乙烯 3.3 阀内组件

阀内结构：金属密封 材 料：316+n0.6

4

3

流量特性：线性 泄 流 量：金属密封Ⅳ 基本误区：+/-1.0% 死 区：≤1.0% 可调范围：50：1 3.4 流量系数

流量系数c = 6 四．电磁流量计的工作原理

对于具有导电性的液体介质，可以用电磁流量计测量流量。电磁流量计基于电磁感应原理，导电流体在磁场中垂直于磁力线方向流过，在流通管道两测的电极上将产生感应电势，感应电势的大小与流体速度有关，通过测量此电势可求得流体流量。

感应电势E与流速的关系由下式表示：

E?cBDv （3）

式中c为常数；B为磁感应强度；D为管道内经；v为流体平均速度。

当仪表结构参数确定之后，感应电势与流速v成对应关系，则流体体积流量可以求得。其流量方程式可写作：

qv??D2V??D4cBE?EK （4）

式中K为仪表常数，对于固定的电磁流量计，K为定值。

电磁流量计的测量管道中无阻力件，压力损失极小；其流速测量范围宽，为0.5～10m/s；范围度可达10:1；流量计的口径可从几毫米到几米以上；流量计的精度0.5～1.5级；仪表反应快，流动状态对示值影响小，可以测量脉动流和两相流，如泥浆和纸浆的流量。电磁流量计测量导电流体的电导率一般要求

??10?4S/cm，因此不能测量气体，蒸汽和电导率低的石油流量。

电磁流量计对直管段要求不高，前直管段长度为5D～10D。安装地点应尽量避免剧烈振动和交直流强磁场。在垂直安装时，流体要自下而上流过仪表，水平安装时两个电极要在同一平面上。要确保流体、外壳、管道间的良好接地和良好点接触。

电磁流量计的选择要根据被测流体情况确定合适的内衬和电极材料，其测量准确度受导管的内壁，特别是电极附近结垢的影响，应注意维护清洗。

5